地铁盾构隧道在岩层中下穿高速铁路桥梁时的施工参数研究

2015-06-28佘才高韩高孝

城市轨道交通研究 2015年6期

佘才高韩高孝

(1.南京地铁建设有限责任公司，210017，南京;2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海∥第一作者，教授级高级工程师)

随着我国地铁建设大规模的开展，盾构法隧道施工得到了广泛的应用。虽然我国在盾构隧道施工方面已取得大量的成功经验和技术积累，但仍然存在不少的技术问题有待探索。如何选择合理的盾构施工参数，通过参数的优化使土体受到的扰动最小，从而有效控制地表变形，以减少对邻近建筑物的影响，仍然是盾构设计与施工中必须面临的一个问题。

对此，国内学者已开展了不少有益的探索。文献［1］通过对广州地铁1、2号线盾构机的刀盘扭矩等主要技术参数和刀具布置型式的分析研究，对其合理性进行了评价。关于盾构机工作参数的匹配性研究方面，文献［2］结合广州地铁3号线天河客运站—华南师大站盾构区间隧道工程的施工，应用正交试验技术对土舱压力、推力、刀盘转速等主要掘进参数对掘进速度、刀盘扭矩的影响进行现场试验研究，并建立了土压平衡式盾构在软土中的掘进速度数学模型和刀盘扭矩数学模型。文献［3］以盾构前方的隆起量作为主要控制量，讨论了盾构各种控制参数的相互关系。文献［4］结合南京地铁一期盾构掘进过程中的监测数据，对土体变形特性与盾构工作参数(土舱压力、注浆量、出渣量)的关系进行了分析。文献［5］研究了上海轨道交通2号线下穿1号线时，盾构施工参数(正面压力、推进速度、注浆量)对1号线变形的影响。文献［6］结合上海轨道交通2号线的施工，研究了施工参数对地表沉降的影响，包括正面支护压力的大小、顶进推力的大小、盾构推进速度影响等。文献［7］通过模型试验研究了盾构机推力的影响因素、掘进速度和盾构推力的关系，以及掘进速度和贯入度、刀盘切削厚度之间的关系。文献［8］也通过模型试验研究了盾构机土仓压力变化、土仓压力值与螺旋输送机出渣率的关系，分析探讨了出渣量变化率与地层变形模量大小之间的关系。但是，上述对于盾构施工参数所开展的研究都是针对砂土和软土地层开展的，很少有在岩石地层中的研究。本文以南京地铁6号线下穿高速铁路桥梁工程为背景，研究盾构隧道全断面穿越岩层时施工控制参数的确定。

1 工程背景

1.1 工程概况

南京地铁6号线南京南站—胜太路站区间盾构隧道自北向南依次下穿京沪高速铁路高架桥、D3 走行线高架桥、沪汉蓉客运专线铁路高架桥、D5 走行线高架桥、宁安城际铁路高架桥、D6 走行线高架桥等共6 条铁路高架桥。下穿处的铁路高架桥均为预应力钢筋混凝土连续梁桥、群桩基础，桩长在25～29 m 之间，桩径为 1.25 m 和 1.5 m，桩端持力层为中风化泥质粉砂岩，基本承载力为1 300 kPa。下穿段盾构隧道外边缘与京沪高速铁路桥梁桩基的距离最近为6.4 m，隧道底部高于桩端2.5 m。下穿段盾构隧道与高速铁路高架桥平面位置关系如图1所示。

区间隧道采用国产CTE6440 型复合式土压平衡盾构机施工，开挖直径为6.47 m，盾尾间隙为30 mm。地铁上下行线由2 台盾构机先后推进，先施工左线隧道，约25 d 后开始施工右线隧道。下穿段盾构隧道中心埋深平均约27 m，地铁隧道左、右线的线间距约30 m，隧道结构外径为6.2 m、内径为5.5 m。

1.2 地质概况

下穿段盾构隧道全断面穿越中风化泥质粉砂岩，穿越段由上往下地层的主要物理力学性质指标见表1。地下水初见水位埋深为0.5～1.5 m，地下水静止水位为0.5～3.9 m，地下水无稳定的统一水位，随地势起伏而定。本区间地下水主要为孔隙潜水。孔隙潜水主要赋存于素填土中。素填土层结构松散，厚度不均，富水性一般，透水性一般。粉质黏土层以粉质黏土为主，夹少量砾石，包裹性较好，勘察时未测得承压水水位。本区间底部基岩主要为白垩系葛村组(K1g)泥质粉砂岩，裂隙不甚发育，且呈紧密闭合状，裂隙连通性差，含水微弱。

图1 盾构隧道与高速铁路高架桥平面位置关系图

表1 地层参数表

2 施工参数研究

2.1 施工参数分析

从控制地层位移和变形的角度看，土仓内设置的土压力值应能维持刀盘前方土体的稳定，不致因土压偏低造成土体坍塌、地下水流失;从减小施工损耗、提高功效的角度看，土仓内的土压力应尽可能低，以降低掘进推力和扭矩、提高掘进速度、降低对刀具的磨损，尤其在硬岩地层中长距离连续穿越多条高速铁路线路时应避免在穿越段换刀的可能。掘进时土仓压力的合理设置是建立在对刀盘前方水土压力准确计算的基础上，选择合适的计算方法对掘进面静止土压力值准确的计算就显得十分重要。由于本工程隧道全断面穿越中风化泥质粉砂岩，埋深均为27 m 左右，属于深埋隧道，因此土压力计算采用我国《铁路隧道设计规范》所采用的计算公式:

式中:

q——围岩竖直均布压力，kPa;

γ——围岩重度，kN/m3;

h——围岩压力计算高度，m;

S——围岩级别;

ω——宽度影响系数，ω =1 +i(B-5)，其中:B为坑道宽度，m;i 为B 每增加1 m 时的围岩压力增减率(当 B ＜5 m 时，取 i=0.2;B ＞5 m 时，可取 i =0.1)。

由式(1)、式(2)可计算得出本工程盾构土仓内土压力的理论值为0.08 MPa。

从图2 可以看出，盾构掘进过程中土仓压力在0.04～0.17 MPa 之间变化，约为理论土压力值的 50%～200%，但在施工过程中并没有引起地表产生比较明显的隆起和沉降。由此可得出，由于岩层的自稳性较好，为了提高掘进速度、降低对刀具的磨损，在岩层中进行盾构施工时可以将土仓压力的值控制在较低的水平，且土仓压力的波动不会引起掌子面的失稳。

图2 实测土仓压力变化曲线

盾构的推进速度与与土仓正面土压力、推力、土体性质等有关，应进行综合考虑。为了减小盾构施工对周围地层的扰动，在穿越段采取了较小的推进速度，见图3。由图3 可知，实测盾构推进速度在15～32 mm/min 之间变化，推进速度比较稳定，其平均推进速度为22.3 mm/min。

图3 实测盾构推进速度变化曲线

同步注浆量的大小在理论上等于每一环管片形成盾尾空隙的体积，而实际上注浆量的大小与土层情况、浆液性能、注浆压力、注浆管管路损耗及盾构曲线超挖等因素有关。在盾构掘进中，一个行程的理论注浆量Q 为:

式中:

D1——刀盘的理论掘削直径;

D2——管片外径;

m——行程长度;

a——浆液注入率，主要和注入压力决定的压密系数a1、土质系数a2、施工损耗系数a3、超挖系数a4等有关。根据《地下铁道工程施工及验收规范》a一般取 1.3～1.8 左右。

根据式(3)计算，当a 取1.8 时，每一环的同步注浆量为5.8 m3。从图4 可以看出，盾构穿越高速铁路桥群期间同步注浆量均在6 m3以上，平均注浆量约为6.6 m3，是理论同步注浆量的200%左右。

图4 实测同步注浆量变化曲线

考虑到管路损失，同步注浆压力通常取注浆点位处静止水土压力的 1.1～1.2 倍，即 0.09～0.10 MPa，在实际操作过程中应根据管路情况进行适当的调整，注浆压力最大不得超过0.4 MPa。从图5 可以看出，盾构的同步注浆压力在0.13～0.28 MPa 之间变化，平均注浆压力为0.21 MPa，注浆压力均大于理论的土压力(0.08 MPa)。

图5 实测同步注浆压力变化曲线

2.2 桥墩及地表变形分析

在盾构隧道施工过程中对桥墩和地表变形进行了实测。图6 至图9 为宁安城际铁路5#桥墩(盾构隧道外侧边缘离桩基的最近距离为6.6 m)的观测结果。由图6 可以看出，桥墩沉降整体呈现逐渐增大的趋势并最终趋于稳定，最大下沉为0.5 mm。由图7 可知，由于在5#桥墩两侧都要进行隧道施工，桥墩纵向水平位移呈现出来回波动的特点，桥墩先向左线隧道一侧发生偏移，位移达到最大值0.5 mm后开始减小，然后桥墩又向右线隧道一侧偏移，最终最大值达到0.2 mm 后趋于稳定。由图8 可知，5#桥墩横向水平位移也呈现出波动的特点，位移先向隧道推进方向(隧道由京沪高速铁路向宁安城际铁路方向推进)增大，当达到最大值0.7 mm 后又向相反方向发展，基本回归原来的位置。由图9 可知，5#桥墩先向左线隧道倾斜，但变化较小，最大倾角接近6″，之后向相反方向倾斜并基本回归到原先的状态。总的来说，盾构施工对于桥梁的影响很小。