盾构下穿京津城际铁路施工技术研究

2016-10-19易敏

天津建设科技 2016年4期

□文/易敏

盾构下穿京津城际铁路施工技术研究

□文/易敏

随着城市地铁工程不断发展，不可避免的出现地铁建设与既有铁路交叉的情况，由于铁路运行过程中，对各种变形要求严格，这就要求地铁的建设必须制定专项的技术措施进行应对。文章以天津地铁某区间下穿京津城际铁路为对象，进行了研究，提出了分析方法和施工应对措施。

地铁；盾构；下穿；铁路

1　工程概况

天津地铁某区间盾构需下穿京津城际铁路，京津城际铁路共2股道，碎石道床，无缝钢轨轨道。隧道左线与京津城际铁路的交角约为30°，隧道埋深为18.2 m左右，通过城际铁路时需穿下穿1根单钢柱接触网杆。隧道右线与京津城际铁路的交角约为27°，隧道埋深为18.3 m左右，通过城际铁路时需下穿道岔，其中隧道下穿2个道岔机器，侧穿5个道岔机器以及侧穿4根双钢柱接触网杆。隧道右线与城际铁路相交部位存在铁路道岔，该道岔位置铁路由2股道变为4股道，见图1。

图1　总体平面

根据铁路运营及地铁施工工程经验、铁道部《铁路线路维修规则》等相关标准，穿越国铁地段，施工引起的地面沉降和轨面沉降要求控制在±10 mm以内，每股轨线的两条轨道高差≯4 mm。

2　地质情况

本区段地层有第四系全新统人工填土层（Qml）、新近沉积层（Q43Nal）、第Ⅰ陆相层（Q43al）、第Ⅰ海相层（Q42m）、第Ⅱ陆相层（Q41al）及第Ⅲ陆相层（Q3eal），岩性主要为粘性土、粉土及砂类土。地表遍布第四系全新统人工填土层（Qml），以杂填土为主，局部为素填土，其厚度及分布变化不大，其组成成分复杂，土质松散，密实程度差。

盾构穿越地段主要为软土地层，地下水埋深较浅（约为3.77～4.01 m）地下水丰富，特别是紧邻盾构隧道底部的4粉砂层，渗透系数较大，地下水具有微承压性，对盾构施工影响大。

3　施工过程有限元分析

3.1计算参数

将土层分为3层并且每层土的参数均通过实际勘测资料标准值加权得出。根据施工实际情况，对铁路运营有影响的区间隧道的盾构施工分为两个阶段：第一阶段施工地铁右线隧道，第二阶段施工地铁左线隧道。沿盾构施工方向，两隧道的中线间距在穿越国铁段由18 m逐渐变为18.4 m。两隧道的埋深均约18 m。计算模型见图2。

图2　计算模型

3.2计算参数

每层土的参数均通过实际勘测资料标准值加权得出。

3.3荷载

模型中除自重外，还包括在地面上列车活载。列车活载采用特种活载模式，见图3。

图3　特种活载模式

轨道荷载P=54.4 kN/m，活载Q=250/1.6=156.25（kN/m），分布宽度为3.4 m，所以地面压力q=（P+Q）/ 3.4=61.95（kPa）。

3.4边界

模型中的6个面，除地面为自由面外，其他5个面均施加法向的约束。

3.5施工过程

计算中，每次进尺为1.2 m，开挖土体的半径为3.17 m，管片的外侧半径为3.1 m。每次施工过程中，开挖土体后施做管片，每次施工完成对掌子面施加盾构机推力。右线隧道施工完后土体竖向变形见图4，左线施工完土体竖向变形见图5，施工完地面沉降曲线如图6。地面上左右隧道正上方的点和隧道中间上方的点的沉降随施工过程变化的曲线见图7。

图4　右侧隧道施工完后竖向变形

图5　土体最后竖向变形

图6　施工完后地面沉降曲线

图7　地面上3点随施工过程变化

3.6计算结果

掘进右线隧道时，右线隧道上方地面沉降较其他两处的大，而且沉降速度也比其他两处快；当左线隧道开始施工时，右线隧道上方地面的沉降速度减慢，左线隧道上方地面的沉降速度要比其他两处快；将近左线隧道施工完成时，中间的沉降开始比其他两处的大，一直到施工完成。

施工及使用阶段地铁隧道能够承受国铁列车动荷载的影响，地面最大沉降值产生在两隧道之间，为9.51mm。

4　施工技术

4.1施工参数控制

严格控制施工参数，减少对土体的扰动，保证盾构掘进的连续性，尽量减少盾构推进中的挤压作用和同步注浆作用等施工因素对周围土体的影响。

同步注浆时必须要做到“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”，在同步注浆压力和注浆量方面进行双控，做到适时、足量。具体注浆参数还需通过地面沉降信息反馈来确定。

控制好盾构轴线与盾构纠偏幅度，避免轴线控制引起的超挖现象。单环轴线纠偏幅度控制在4 mm之内。同时针对曲线段超挖，通过加大盾构铰接装置的使用力度，预先计算好曲线偏转量，控制曲线超挖和曲线掘进扰动，以利于沉降控制。然后根据每环的测量结果和管片四周间隙情况，对盾构机下一环的推进提供精确依据，及时调整各区千斤顶的伸长量。

盾构施工中不减速施工；对沉降严格控制，只允许下沉，不允许隆起，最大不得超过7 mm，掘进开挖初期（1～2 d）沉降速率＜-2～-4 mm/d，其余时间沉降速率＜-1 mm/d。

盾构机操作人员严格执行指令，谨慎操作，对初始出现的小偏差及时纠正，尽量避免盾构机走“蛇”形，以减少对地层的扰动并为管片拼装创造良好的条件。

4.2土体改良

1）使盾构机前方土压计反映的土压更加准确；

2）减少螺旋出土扭矩，确保螺旋机出土顺畅；

3）减少盾构前方土体的挤压，及时填充刀盘旋转之后形成空挡，对控制盾构机前方土体压力机地面沉降有利；

4）大幅减低土体与刀盘摩擦系数，具有润滑保护刀盘的作用；

5）加强出土控制与观察，注意出土中是否有混凝土块并适当调整盾构掘进参数及渣土改良工作。

4.3径向注浆

国内外大量的实测资料及理论分析结果表明：就单条隧道而言，沉降槽曲线似正态分布曲线。从纵向来看，沉降主要发展规律：一是盾构掘进面的前方可能产生较大的地表隆起；二是施工沉降除土体损失引起的沉降外，还存在盾尾空隙沉降，见图8。

图8　盾构施工过程中地面隆陷纵断面曲线

由图8可见，盾构机在通过时的沉降比较明显。为了保证盾构通过期间铁路稳定，利用平径向注浆孔（位于盾构机中部），通过盾构机内膨润土系统进行注浆，采用优质膨润土填补盾构机掘进时刀盘与盾体之间产生的间隙，减少土体的沉降。

4.4盾尾防漏

盾尾密封油脂是防止漏浆的关键因素，在穿越铁路时要控制好油脂的注入时间与注入压力，保证其连续不间断注入。如发生漏浆现象，应暂停掘进，连续泵送盾尾油脂直到不再漏浆后方可连续掘进。

发生漏浆现象后，如果在不能阻止漏浆，将现场配备的海绵条实施应急封堵，即将海绵条沿环向全周围嵌入盾尾壳体与管片间的缝隙，防止继续漏浆而造成地面沉降。海绵条单块长度=管片长度+100 cm，尺寸为150 mm×150 mm。

4.5同步注浆与补浆措施

1）同步注浆。考虑曲线施工，提高注浆填充率至200%～250%，按照该注入率，每环注浆量为7 m3左右，同时适当提高同步注浆压力，注浆压力控制在0.25～0.4 MPa，注入操作严格按照操作规程进行，保证注浆设备工作正常、时常检修与保养并注意注浆作业结束后对管路的清洗，避免管路堵塞现象的发生。

因此在盾构掘进时，应注意掘进与注浆的同步性，坚持“掘进时及时注浆、不注浆不掘进、保证浆液质量和同步注浆数量和压力双控制”的原则进行同步注浆工作，减少和消除沉降的发生。

2）二次注浆与跟踪注浆。考虑对隧道结构影响，二次注浆压力控制在0.6 MPa之内，注浆量随注浆压力进行控制，持续注入。考虑到对盾尾的影响以及注浆影响范围，二次注浆位置选取在盾尾后5环以后的位置。当盾尾脱出位置单次沉降超过1.5 mm以上或盾尾发生渗漏现象，选取盾尾后部5～15环位置进行注浆加以控制。

下穿城际铁路和道岔时，变化量＜1.0 mm/d时，沉降地段每环注入浆液3 m3，注浆以单液浆为主。变化量在1.0～1.4 mm/d时，先注入单液浆，后注入双液浆，以双液浆为主，注浆量＞5 m3。变化量＞1.8 mm/d时，立即停止掘进，全力进入抢险阶段。

根据地面沉降检测反馈，及时对沉降明显地段进行跟踪注浆，跟踪注浆位置选取在沉降位置附近，由两侧开始向中间补充注入。注浆压力控制在0.6 MPa之内。跟踪注浆坚持平稳、持续的注入原则，以地面沉降检测情况为指导，保证持续对沉降进行控制，注浆压力逐步提升，先低后高、平稳注入。

同时，在铁路范围内，做好连续补浆准备，搭设移动平台，保证车架通过后同样能够及时控制，二次注浆在过铁路及特殊部位时要遵循“及时、少量多次”的原则。

3）注浆压力控制措施。严格控制注浆压力，注浆过程中，安排专人严格对注浆压力进行控制并记录并观察隧道结构变化。同时对注浆作业进行监督，避免注浆压力过大影响隧道结构造成不良后果，同时防止注浆压力过高导致浆液突窜至地表污染道床。

4.6轨道修复措施

在盾构机通过该区域过程中，向铁路部门相关单位申请，派铁路专业人员及时检查铁路线路轨距、方向、水平、高低等几何姿态，判断盾构隧道影响范围内的铁路是否完好。如果对盾构隧道范围内铁路没有影响，及时通知铁路部门恢复正常运行。

如果检查铁路存在问题，立即采取以下应急保护措施：

1）立即停止盾构掘进并保持土仓压力，分析原因并立即通知铁路相关单位，以取得其专业配合；

2）对沉降区进行二次注浆补强，采用42.5级普通水泥浆作为注浆材料，水泥浆的水灰比为1∶1，为加快凝结速度，浆液中加入速凝剂等外加剂。选用水玻璃和氯化钙，其用量约为水泥质量的1%～2%以控制沉降；

3）在铁路附近预备道渣，当铁路路基沉降过大时及时通过填筑道渣来调整轨道至合适位置；

4）加强整修轨面，每日使绝对变化量归零，减少变化速率。

4.7其他措施