盾构隧道下穿铁路框架桥涵及路基段施工工艺

2020-11-17高广鑫

设备管理与维修 2020年20期

高广鑫

（中铁十九局集团第七工程有限公司，广东广州 511458）

1 工程概况

某轨道交通R1 线下穿某铁路的区段在左K27+859～左K27+924 的范围。某铁路的框架桥涵结构为钢筋混凝土，布置走向呈南北分布，左右线分别下穿某铁路的框架桥涵与路基段。其中该铁路的框架桥结构为矩形框架，孔跨与孔跨的布置距离为10.5 m、15.0 m、15.0 m 以及10.5 m。桥上铁路是I 基段，分布的渡线与直线数量分别为1 股与7 股，工8 股道路，其中桥上还预留了两股，便于未来该股道不满足需求时开通使用。该铁路列车设计时速为120 km/h，轨道结构形式为有砟轨道。

2 施工准备

2.1 盾构机选型

从安全施工角度来分析，盾构机选型中很重要的一样因素就是地层渗透系数。按照当前的施工经验来看，当地层的透水系数＜1×10-7cm/s 时，需要选用土压平衡盾构；当1×10-7cm/s≤地层透水系数≤1×10-4cm/s，可以选用泥水式盾构或者是土压式盾构；当地层的透水系数＞1×10-4cm/s 时，选用泥水盾构。泥水平衡盾构的作用是保证开挖工作面的稳定性，从而保证能够顺利施工。

2.2 对后背进行修筑

后背是一种临时结构物，主要承受顶进的水平顶力的反作用力[1]。顶进工作要顺利开展，后背修筑效果是其中一个关键因素，其与顶进的质量息息相关。本项目后背的结构形式为重力式后背，将50 a 工字钢横梁铺设在墙背前当做桥梁，采用5M浆砌片石来铺设后背墙并将土层分层夯实在后背墙顶部。

2.3 对滑板进行修筑

在框架顶进时滑板有明确的导向作用，且预制框架的底板通常也是采用滑板。首先将10 cm 的厚碎石铺在坑底，然后再铺筑砼滑板，最后将钢筋网安放在滑板内之后再灌输C15 砼。需要注意的是滑板的厚度应≥20 cm，将导向支墩设置在滑板两侧，并将地锚梁均匀分布在滑板上，其间隔应保持为3 m。

3 盾构下穿施工

3.1 盾构下穿施工控制措施

左线盾构机与右线盾构机相比大不相同，其中左右线盾构机的不同之处主要表现在以下几方面：①日平均进度分别为14环与12 环，也就是分别为16.25 m 和14.4 m；②历时时间分别为102 h 和125 h；③跨度不同：左线盾构机横穿某铁路框架桥涵、右线盾构机跨越了两侧路肩以及某铁路八股轨道，其影响的范围高达75.6 m。

（1）掘进速度。在下穿某铁路期间，区间左右线开挖卵石层以及粉质黏土的速度保持在（40～45）mm/min，在全断面粉质黏土上其推进速度保持在（45～50）mm/min，其掘进参数会根据地层条件而进行实时调整。而掘进要想匀速进行就必须改良渣土，有效降低开挖土体扰动地层的时间。挖掘线路如图1 所示。

图1 挖掘线路

（2）渣土改良。在刚掘进卵石层时，区间右线刀盘扭矩开始出现波动，频率在（1600～2400）kN之间，需要注意的是其扭矩会随着卵石层的增大而增大，最大范围可增至（2500～3500）kN，推力也高达1300 t，但掘进的速度会有所降低。为了保持掘进速度，应对泡沫参数及时作出调整，如增大注入的泡沫量，泡沫混合液增大到50 L/min，减少刀具与卵石之间相互摩擦，达到降低刀盘扭矩，避免速度连续下降以及出土困难等在土仓内出现。

（3）总推力。在下穿某铁路期间，区间左右线全断面粉质黏土掘进总推力在（1000～1100）t，并且随着卵石层的递增，卵石层以及粉质茹土掘进的总推力将达到（1200～1200）t，为了避免在土仓内出现卵石堆积的情况，应对泡沫的注入量进行适当调整，避免出现推力递增的现象[2]。

（4）同步注浆配合比及注浆参数。下穿铁路施工的同步注浆浆液采用的是水泥厚浆，也就是充分拌和膨润土、水泥、砂、粉煤灰、消石灰以及水等原材料，在6 h 内会形成初凝。通过监测管片脱出盾尾后的沉降量，发现沉降值在可控范围内，对桥涵以及线路的影响不大。同步注浆浆液配比见表1。

表1 同步注浆浆液配比

（5）土仓压力控制。在计算左右线土仓压力时，因区间左右线下穿铁路的深度不同所以因分别计算。而在计算静止土压力时通常选取常用的土力学公式来计算，挑选盾构中心位置来计算其深度见式（1）：

式（1）中，P1、P2为水、土压力，单位kPa；K0为静止土压力系数，单位kPa；γ 为盾构中心上方各土层的容重；单位kN/m3；h 为土层厚度，单位m；20 为变动荷载，单位kPa。

在下穿路基段期间，区间左右线土仓压力分别在（0.15±0.01）MPa 以及（0.12±0.01）MPa，在掘至卵石层时为了确保连续掘进，左右线掘进方式相同；而在区间右线下穿路基段时，刀盘扭矩在施工到达水白下行时会逐渐变大，小粒径卵石会出现在渣土之中，在掘进进程中，通过分析监测的接触网支架、桥涵、路基、轨道数据，发现其影响不大。

（6）其他掘进参数。在下穿铁路期间，刀盘对接触网支架、桥涵、土体扰动、铁路路基以及道床等影响都不大，因为它的转速保持在（1.0±0.1）r/min，出土量保持在（51～53）m3，不会影响线路。

3.2 控制路基和框架桥涵不均匀沉降的方法

在某线下穿盾构之前，通常将补偿注浆孔打设在盾构施工所影响的路基下方[3]。将袖阀管提前预埋好，便于在施工尾期为地表补偿注浆，在路基坡脚地面将7 排间距为1.2 m 注浆孔设置其中，而注浆的管长大约在16～30 m，布置形状为梅花形。

（1）预加固盾构后再下穿。将注浆管埋在路基段地面上做第一组注浆，而全部注浆管与启动的注浆管比例为设置为20：1，注浆压力应＜0.3 MPa，此外，应将8 根袖阀管分别分布在注浆路基的两侧。

（2）加固范围。在路基段下方的地层上进行适当加固，并选取（0.3～0.5）MPa 注浆压力，其深度控制在5 m；而沿铁路方向且分布在桥涵南侧25 m 长度的范围则是平面注浆加固范围，为了降低铁路受到盾构穿越的影响，应将路基的沉降量控制好。

（3）过程中跟踪注浆。在盾构隧道进行施工作业时，从某铁路至掌子面的距离缩短为80 m 始，到穿越完成盾构隧道为止，监测显示，注浆管在路基沉至3.6 mm 时便会启用一半，另外，监测结果对注浆管的启动数量还会进一步进行确定。

（4）作业及检查标准。通常用压力来衡量每一步注浆作业是否结束，而（0.3～0.5）MPa 便是拟定的注浆终压力。在注浆进程中调整以及控制压力的依据为实时的监测结果。单段注浆压力与需求相符后便会自动停止，转而开始下一段注浆，采用路基监测值作为判断整体注浆作业结束的依据，当不再沉降且变形相对稳定后便会停止作业。

3.3 施工监测

在下穿盾构的进程中选取两种不同的监测系统，分别为Leica TS50 坐标和静力水准自动化沉降监测系统，设置的监测断面、路基桥涵监测点、轨道检测点、静力水准点以及接触网支柱监测点的数量分别是9 处、14 处、24 处、20 处、5 处。另外，根据相关规范要求，将沉降以及水平的位移量控制在6 mm。在主要影响区域，左右线下穿进程中其平均的沉降量分别为-0.66 mm和-0.71 mm、沉降累积最大值分别为-0.82 mm 和-0.80 mm，其平均沉降值远＜6 mm。在下穿该铁路时，-0.12 mm/d 是其最大的平均日变化量、-0.46 mm 是监测点的平均沉降量、-0.82 mm是最大的累计沉降量，在水平位移变化量上，X 与Y 方向累计最大偏移量分别为0.37 mm 和0.55 mm，平均偏移量分别是0.11 mm 和0.16 mm，均未超出控制值。