盾构小半径曲线下穿特级风险源施工难点及对策

王 岩,钱 新,矫伟刚

(1.北京住总市政工程有限责任公司,北京 100029;2.中国矿业大学,北京 100083)

盾构小半径曲线下穿特级风险源施工难点及对策

王 岩1,钱 新1,矫伟刚2

(1.北京住总市政工程有限责任公司,北京 100029;2.中国矿业大学,北京 100083)

详细阐述国内首次的土压平衡盾构机以 300m小曲线半径成功下穿京沪、京九等 12股铁路特级风险源施工概况、施工难点及施工对策,包括下穿前试验段的选取与总结、铁路地基注浆及轨道加固、盾构推进参数选取与优化等。

地铁;盾构;小曲线;特级风险源;难点

盾构法下穿铁路必然会扰动土体,引发地层损失和隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结,导致地面发生部分沉降,且可能造成地面塌陷;同时,正在运营的列车对沉降、隆起和钢轨间的差异沉降有着特殊的严格要求,较小的变化都会对列车安全运行构成灾难性的影响。因此,对盾构隧道的设计、施工等主要参数进行有效控制,制定一套完善的施工控制措施,达到减少对土工环境损伤,确保施工区域既有结构物和地下管线等重要设施的安全是非常重要的[1]。

1 工程特点及工程环境情况

1.1 工程概况

北京地铁大兴线黄村火车站—义和庄站盾构区间里程：右线 DK15+083～DK15+150、左线 DK 15+099～DK15+165,其范围内以 300m小曲线半径连续下穿黄村火车站内京沪、京九铁路等 12股铁路及站内铁路接触网塔、站台与雨棚、通信发射塔、车站站房、车站派出所等建/构筑物,风险源多且较集中。

该工程采用 2台海瑞克铰接土压平衡面板式盾构机施工,该机器刀盘直径 6280mm,衬砌管片外径6 000mm,内径 5400mm,环宽1 200mm。盾构下穿的12股铁路线均为无缝电气化线路,钢筋混凝土轨枕,路基两侧有铁路通信、信号电缆和电力电缆及电力塔杆,股道下基础为碎石道床基础。

盾构下穿过程中,右线隧道与铁路交叠投影长度约为 67m,掘进环数 56环;左线隧道与铁路交叠投影长度约为 66m,掘进环数 55环;左右线隧道中心间距为 16.8～17.7m;隧道顶部覆土厚 11.4～12.2m。盾构下穿京沪、京九铁路等 12股道铁路平面、剖面见图1、图2。

1.2 工程地质及水文地质概况

盾构下穿特级风险源地段时,该段地层主要为人工填土、第四纪新近沉积层和一般第四系沉积层,自上而下分别为杂填土①2、粉细砂②2、粉土③1、粉细砂③2、粉质黏土③、黏土③3、粉细砂 ④1、圆砾⑥。盾构隧道主要穿越地层为粉质黏土③,部分地段洞顶位于粉细砂③2,且本区间隧道结构在地下稳定水位以上。

2 盾构下穿铁路施工难点

(1)风险等级高：土压平衡盾构下穿京沪、京九等12股铁路及多个线间建/构筑物施工在国内已有的工程实践中都是不多见的,且京沪、京九铁路是全国铁路南北运输的大动脉,风险源等级为特级。

(2)沉降控制严：参照我国铁路工程线路静态几何尺寸允许偏差管理值的控制标准及地铁设计规范,在综合考虑黄村火车站实际情况后,铁路沉降控制标准为：轨道最大沉降/隆起量≤5 mm;最大速率≤1 mm/d;两轨沉降差≤4mm。

(3)地层稳定性差：盾构穿越铁路地段隧道开挖断面地层上部为粉细砂层,该砂层自稳性非常差,在盾构推进及铁路运行时该砂层极易坍塌,易造成地表较大沉降。

(4)小曲线施工难度大：盾构以 300 m小半径曲线(该盾构机极限转弯半径为 250m)穿越多股轨道在国内是没有先例的,小曲线半径施工将会导致隧道的超挖及轴线的控制难度增大等,导致地层损失加大,沉降加大。

(5)工期紧迫：根据施工计划及与北京铁路局协商安排,左右线盾构将在“两节”(60年国庆、中秋节)前夕(2009年 09月 07日 ～2009年 09月 22日)及汛期通过京沪、京九等 12股铁路,盾构穿越期间必须保证施工安全,否则将造成重大的社会影响。

(6)动荷载影响：下穿铁路期间,12股铁路列车将正常运营,往往行车微小动荷载将对盾构开挖面及地面沉降控制产生一定的影响,对监测系统要求较高。

(7)施工经验少：缺少盾构小曲线半径下穿多股轨道的经验,对土压平衡盾构在如此复杂的地面环境下穿越粉细砂层的地层损失机理研究较少。

图1 盾构下穿京沪、京九等 12股道铁路平面示意

图2 盾构下穿铁路股道及工程地质剖面

3 盾构下穿铁路施工对策

3.1 试验段选取及总结

为了确保盾构顺利、安全地通过风险源,在经过多次专家会议论证后决定,在地质、水文环境情况与京九、京沪铁路路基基本一致的本标段线段选择 500 m(铁路前),作为盾构下穿铁路的试验掘进段,通过试验段的掘进及盾构推进参数、地表沉降、注浆等各项数据的总结,确定盾构下穿风险源的各项盾构参数,如土压力大小、推进速度、同步注浆量、注浆压力、浆液配比以及二次补浆、后期注浆的位置、频率、注入量、浆液材料和注入压力等技术参数;并通过试验段期间的各项风险预案多次演习,为盾构安全、顺利的通过京沪、京九铁路风险源提供了有力的保障。

3.2 地基注浆加固

结合本地段的工程地质、水文条件,对盾构下穿影响范围内的 12股铁路采用二重管无收缩双液注浆结合单液水泥浆液对铁路路基进行加固处理,减小土体间的孔隙率,使浆液与土体形成复合地基,提高土层的粘结力,内摩擦角值,保证行车车辆的动荷载对隧道开挖面顶部粉细砂层扰动达到最小,控制地层的沉降。

铁路路基注浆参数：(1)注浆范围为线路中心两侧各 2m,沿线路方向 75m,加固深度为 4m,分别从每股道的线路两侧施工,每侧 10组;(2)注浆参数：注浆孔间距 1m,注浆孔深度 5～30m,注浆孔 φ42mm,注浆扩散半径 1m,注浆凝结时间 20 s～60min,注浆压力 0.3～1.5MPa(稳定时间为 15min);(3)浆液采用水泥-水玻璃无收缩双浆液。浆液配合比(1m3浆液材料用量比例)：A液为水∶水玻璃 =1∶1(水玻璃 Be=40°),B液为水∶水泥 =1∶1,A液∶B液 =1∶1。加固断面见图3。

3.3 线路加固

图3 铁路路基注浆加固断面示意(单位：mm)

钢轨是一条以轨枕为弹性支座的连续承载梁,属多支座超静定系统,列车通过时,车轴下的轨枕受压后向碎石道床产生弹性沉陷然后恢复稳定,当土体发生沉降时,轨枕的支撑面会随之下沉,相应钢轨的多支座超静定系统也遭到破坏,在列车的微小动荷载作用下,这些支撑面下沉的轨枕带着钢轨产生较大的变形量,导致钢轨中应力大大升高,土体沉降过大时可使钢轨断裂;轨枕的支撑面形成沉陷坑时,列车通过就会受到来自下方的冲击,这种垂直向上的冲击可同列车的自振结合引发更大的列车振动,严重时会造成出轨事故;同时,钢轨间产生的差异沉降如与列车的自振相结合,使得列车振幅增大,列车会发生摇摆运动[3～4],影响列车行驶安全,特别是隧道断面顶部地层的粉细砂层自稳性较差,在列车微小动荷载反复作用下,会导致刀盘掌子面出现塌陷,地面产生大面积沉降,因此,需要对轨道进行扣轨加固[4～6]。

本次扣轨采用 3-5-3加固方式,并在主轨与扣轨腰间放置间隔木,防止连电;钢轨接头错开 1.0m以上,扣轨完成后扣轨两端钉固临时木梭头(图4)。线路加固期间,要求行车速度不超过 45 km/h。

图4 铁路轨道扣轨加固示意

3.4 盾构推进实施方案

本次盾构下穿铁路特级风险源工程,根据施工方案,右线盾构机先行,左右线盾构机前后间隔距离大于50m同时掘进。盾构推进过程中的技术施工措施如下。

(1)根据盾构推进情况及类似地层 500m试验段的经验,上土压力控制在 0.12～0.14MPa;推进速度控制在 15～20mm/min,掘进量控制为 10环/d,刀盘转速控制在 1.0～1.2 r/min,推力控制在12 000～14 000 kN。

(2)注浆量：考虑到曲线段可能超挖、铁路沉降控制要求,实际注浆量为理论值的 2.0～2.2倍,每环注浆量为 6.0～6.6m3。

(3)浆液质量：本风险源为特级,且沉降要求高,来往动荷载多,除保证浆液具有很好的流动性、和易性、密度、泌水率等要求时,必须确保其初凝时间≤5 h。通过多次现场试验及总结,本次浆液初凝时间控制在≤4.5 h,具体配比见表1。

表1 同步注浆浆液配比(1m 3) kg

(4)出土量控制：安排专人记录出土量情况,并将记录结果与注浆量比较,本次出土量为 37m3,检查中如出现异常,立即停机并进行二次补浆。

(5)管片拼装：通过提前拼装转弯环、调整管片楔形量、粘贴石棉橡胶板,调整盾尾衬砌管片切口垂直方向与盾构中心线方向一致,采用加强型管片、多次复拧螺栓、勤纠偏、小纠偏保证管片拼装质量。

(6)二次、后期径向注浆：在管片脱出盾尾 6环后沿隧道顶部两侧管片,即 3点至 10点间进行二次补浆,补浆量为 1.2m3,补浆压力 400 kPa,以注浆压力控制为准。浆液采用双浆液,配比见表2。

表2 二次补浆双浆液配比(每环) kg

考虑到铁路列车行驶动荷载对隧道后期沉降的影响,在管片脱出盾尾 30m左右后开始进行后期径向注浆,具体是利用拱部和侧部的 5个管片吊装孔打入长6m、管径为 φ42mm的钢花管注浆扩散半径 0.5m,注浆压力 0.5～1.0MPa,不超过 1.0 MPa。对隧道周围土层进行注浆加固,浆液采用 HSC超细水泥浆液,配合比(1m3)为 HSC超细水泥∶水 =735kg∶735 kg,注浆示意见图5。

图5 后期径向注浆示意(单位：m)

(7)小半径曲线施工中由于盾构机本身为直线形刚体,不能与曲线完全拟合,曲线半径越小、盾构机身越长,则拟合困难越大,轴线就比较难于控制,如控制不当,则造成超挖,地层损失大;同时,小半径曲线隧道每掘进一环,管片端面与该处轴线的法线方向在平面上将产生一定的角度,在千斤顶的推力下产生一个侧向分力,受到侧向分力的影响,隧道向圆弧外侧偏移,导致轴线较难控制、管片受力不均及地层损失严重。本次施工首先通过调整盾构机的铰接装置,使得盾构机的前筒、后筒与行驶曲线趋于吻合,预先推出弧线态势,为管片提供良好的拼装空间;然后根据同步注浆时调整曲线外侧注浆量大于曲线内侧,并保持推力均衡、匀速,控制隧道轴线侧向偏移。在盾构推进千斤顶推力横向分力作用下向曲线外侧横移。

3.5 监测方案

为了全面了解盾构下穿铁路过程中的地表沉降情况及实现信息化施工在轨道交通重大风险源的应用,本次风险源监测方案见表3。

表3 盾构下穿铁路风险源监测方案

4 安全保证措施

为了确保本特级风险源安全顺利的在“两节”前夕通过铁路,本项目部采取了一系列安全保证措施。

(1)工程施工前,成立由北京铁路局、甲方、监理、施工方、北京市质监站组成的现场指挥部,并认真做好施工管理及操作人员安全技术交底工作。

(2)盾构下穿铁路前 30m,做好机械设备的检修及各项施工材料准备,并在指挥部、施工现场、项目部建立信息化施工。

(3)建立风险管理及应急事件处理机构,从组织、方案、人员、设备物资等全方位予以保证;编制应急预案并进行多次演习;准备好各种应急物资。

(4)铁路线路监护：下穿铁路时,在黄村火车站设驻站联络员和现场防护员,密切查看线路状况,安排铁路专业人员定时检查线路轨矩、方向、水平、高低等几何状态,出现异常时立即采取相应措施。

(5)加强施工管理,严格执行各项任务落实制度,并邀请铁路及地铁盾构专家进行现场指导。

5 沉降分析

图6为右左线盾构在 2009年 9月 10日、9月 12日、9月 14日、9月 16日连续通过黄良线与京九上行间地面、京沪上行与京沪下行间地面沉降变化曲线。从地面沉降曲线可以看出,盾构到达前,地面沉降较大;左线盾构通过后对右线沉降影响较大;右线盾构通过导致左线盾构到达前沉降突然较大,同时通过时对右线影响较大;盾构管片脱出盾尾后沉降均呈直线下降变化;管片在进行二次及后期注浆后,地面沉降均达到稳定状态,对后期沉降起到了很好的控制稳定作用。

图6 左右线隧道中心点地面沉降变化曲线

6 结论

根据工程的实际进展情况,右左线盾构各于 2009年 09月 08日、2009年 09月 12日刀盘进入铁路,截止到 2009年 09月 14日、2009年 09月 18日,右左线盾尾均顺利安全的脱离最后一条铁路股道,合计共 11 d安全顺利地通过 12股铁路,沉降控制完全符合铁路标准。

盾构小半径曲线成功下穿京沪、京九等 12股铁路特级风险源的施工控制措施证明：盾构下穿铁路的一系列技术、安全措施,如试验段选取、地基注浆加固、股道扣轨及安全保证措施等很好地控制了特级风险源地表沉降,降低了施工风险;盾构推进参数的选取解决了曲线施工的轴线控制、出土量超挖等问题,同步注浆、二次及后期补浆很好地弥补了地层的损失量,控制了地表的沉降,对地层的后期稳定起到了很好的控制作用,为以后其他类似工程提供了一些借鉴。

[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工业出版社,2004.

[2]张凤祥,朱合华,傅德明.盾构隧道[M].北京：人民交通出版社,2004.

[3]王建华,软土地基中盾构浅覆土下穿铁路大动脉施工的技术措施[J].建筑施工,2009(1).

[4]郭红远,顾振伟.大型盾构机地下穿越沪杭铁路施工技术[J].建筑施工,2006(10).

[5]郭玉海.盾构穿越铁路的沉降综合控制技术[J].市政技术,2003,21(4)：204-208.

[6]刘英城.盾构机穿越高速铁路的施工[J].隧道建设.2006,26(S2)：47.

U 455.43

A

1004-2954(2010)07-0099-04

2010-05-05;

2010-05-18

王 岩(1982—),男,助理工程师,2009年毕业于中国矿业大学(北京)岩土工程专业,工学硕士,E-mail：yanaini100@sina.com。