盾構機穿越隴海鐵路的保護技術

閆 逵

1 工程概況

西安市地鐵二號線TJSG-10標段盾構區間位于西安市未央路和北大街中軸線上,包括三個區間,線路跨度總長3720.68雙延米。其中安遠門—北大街區間盾構左、右線下穿5股隴海鐵路股道,電氣化鐵路區段,穿越長度約23m,其中有兩股道為正線采用60kg/m鋼軌,無縫線路;其余三股道為站線和牽出線,采用50kg/m鋼軌,正線及站線、牽出線均采用預應力混凝土枕碎石道床。

本標段采用兩臺小松TM614PMX土壓平衡盾構機進行區間隧道施工,區間采用鋼筋混凝土管片,外徑6m,厚0.3m,拼裝采用錯縫拼裝。

為確保盾構機安全、順利的穿越鐵路,保證鐵路干線的正常運行和人民生命、財產的安全,我們在施工過程中采取了一系列的技術安全措施來控制盾構機通過時造成的地表沉降和軌道變形。

2 地質條件

穿越區域覆蓋土層厚度為16.5m。盾構穿過的土層為古土壤、老黃土和粉質黏土層,黃土濕陷等級為Ⅰ級(輕微),地下水埋深為6 m～17.9m。

3 盾構機通過隴海鐵路沉降控制標準

3.1 沉降控制標準

沉降控制標準見表1。

表1 沉降控制標準 mm

3.2 地表沉降主要原因分析

1)盾構機到達前地表沉降,是由于盾構機掘進引起土體應力狀態改變造成,一般表現為地表隆起。

2)盾構機到達時的地表沉降,是由于開挖面上的平衡土壓力引起。

3)盾構機通過時的地表沉降,是由于盾構與土層之間的摩擦剪切力,以及盾構抬頭或叩頭引起。

4)盾構機通過后脫出盾尾時的地表沉降,是由于“建筑空隙”和應力釋放引起的。

5)盾構通過后長期固結沉降,是由于土體受盾構掘進擾動,土體再固結引起的。

4 小松TM614PMX土壓平衡盾構機的安全性和可靠性

1)刀盤采用面板式刀盤,開口率43%。由于開口率大,開挖面與刀盤之間的阻礙物少,土體容易進入土倉,土倉中的土體密度及壓力更接近開挖面的土體密度與壓力,因此,便于土壓力的控制。

2)盾體是用鋼板焊接而成的圓形筒體,內部焊有加強板,密封裝置良好,具有足夠的耐土壓、水壓的強度和剛度,抵擋周圍土體壓力。

3)盾構機采用8臺55 kW變頻電動機驅動,具有較大的扭矩和多擋轉速,可適應不同地層的掘進需要。

4)盾構機配備良好的泡沫和膨潤土注入系統,刀盤中心、周邊和土倉、螺旋機等處均設有注入點,并可根據情況調整各點的注入量,能有效地改良碴土,防止掘進過程中“泥餅”的形成。

5)結構管片在盾構機每循環推進后即行安裝,推進過程中,同步注漿又及時填充了結構管片與地層間的建筑空隙,不會造成開挖面與周圍土體的失穩,引起地面沉降就能被減至最少。由于充填及時,對剛拼好的幾環管片的支撐和承托作用加強,減小了管片移動的可能性,從而減少管片在推力作用下開裂和錯臺的可能。

6)盾構機具備高精度的導向測量系統。配備由美國Trimble公司生產的5603光波自動全站儀,導向精度高,能實時反映盾構機的當前位置和理論位置,并提供調整指示。

5 盾構施工參數的優化匹配

1)嚴格控制土倉壓力,保證掘進面穩定。在盾構穿越過程中必須嚴格控制土倉壓力,同時也必須嚴格控制與土倉壓力有關的施工參數,施工中應實時調整推進速度和出土量使土倉壓力波動控制在最小的幅度范圍內,以減少地面的變形和沉降。鑒于過鐵路前后地層分布較為連續,我們把盾構穿越鐵路前50m設為施工模擬段,設置了兩組分層沉降觀測點,參照施工模擬段的數據,調整和優化掘進參數。在盾構到達鐵路前20m處,降低推進速度,嚴格控制盾構方向。在實際施工過程中,土倉壓力一般控制在0.1 MPa～0.15 M Pa左右;掘進速度控制在30mm/min～50mm/min。2)嚴格控制注漿量和注漿壓力。a.同步注漿。同步注漿壓力設定為0.15 MPa～0.25 MPa,再根據地質情況、注漿速度、掘進速度、地面沉降情況等進行調整。同步注漿量控制在理論空隙量的150%～200%,注漿速度控制為0.0375 m3/min～0.0625 m3/min。b.二次注漿。在正常同步注漿施工后,進行了二次注漿,進一步填充管片與地層間的建筑空隙。二次注漿從盾尾后5環開始進行壁后注漿,二次注漿壓力與同步注漿壓力相同。3)嚴格控制盾構的姿態。盾構機在掘進過程中,由于地層土質變化、千斤頂推力不均、回填注漿不均、盾尾間隙不均以及已拼管片軸線不準等因素影響,不可能完全按設計方向推進,會產生姿態偏差。盾構姿態出現偏差時,要及時根據開挖面地層情況調整掘進參數和掘進方向,避免引起更大的偏差。同時糾偏要嚴格按照“勤糾偏,小糾偏”的原則,嚴禁大幅度糾偏,以降低土層的損失和對周圍土體的擾動。4)推力控制。穿越過程中,盾構機掘進時總推力控制在8000kN以下,確保不對土體造成過大的擾動。5)保證拼裝質量,減少管片變形/變位。隧道管片的變形量與管片拼裝的質量緊密聯系,在施工過程中,必須強化施工管理,保證盾構機的姿態控制和管片的定位準確,加強螺栓的一次擰緊和多次復緊工作。

6 實時監測,信息化管理

監測內容包括洞內拱頂沉降、洞周收斂;地面沉降、軌面沉降、軌距、高低量測。軌面監測是在正線及站線、牽出線左右股鋼軌分別設置測點,測點布設于靠近鋼軌的短軌枕或道床面上。測點沿線路方向設置,設置間距為5 m～10m。

我們采用了多種通訊工具,及時將監測數據快速的傳遞給指揮中心,指揮中心通過科學的分析判斷將盾構掘進參數的調整信息傳遞給盾構推進的工作面,指導盾構的掘進。

在實時監測的情況下可以根據地表隆起狀況及時調整推進速度及增大出土量,降低正面土倉壓力,達到降低地表隆起的目的。通過調整推進速度及減少出土量,提高正面土倉壓力方式來控制盾構機前方地表沉降。

7 既有線的加固措施

1)在盾構隧道與隴海鐵路交叉范圍的盾構右線右側30m及盾構左線左側30m范圍內采用扣軌的方法對鐵路線路進行了加固,線路加固的單線總長為750m,同時將盾構區域內的線路預抬高并對線路進行順坡處理。

線路加固方法為:先將混凝土軌枕內道碴隔三扒一,每隔3根混凝土枕加1根木枕并搗固道床。然后采用3—7—3方式扣軌進行線路加固(見圖1),即3根軌束分別鋪設在兩根軌的外側,7根軌束鋪設在兩根軌中間。每隔50cm用φ 22 U形螺栓與∠63×63×6的角鋼將軌束夾緊。軌束和枕木用U形螺栓和扁鐵制成的扣板連成一體。

2)線路兩側預埋注漿管,必要時從地表進行加固。預埋注漿管布設區域為盾構隧道兩側6 m范圍內,每條線路兩側各0.5m處沿鋼軌方向間距1 m布設注漿管,長度從路基至隧道頂以上2 m深度,約14.5m。因施工過程中沉降控制較好,未進行地表加固。

8 實效分析

通過實施以上技術措施,取得了明顯的效果。不僅保證了在盾構穿越過程中,隴海鐵路的安全和正常運營,而且也保證了盾構施工的順利進行。

從左右線盾構穿越隴海鐵路的監測數據表明,地面沉降和軌面沉降均未達到預警值,軌面最大沉降量-5.1 mm。

[1]張鐵柱.盾構隧道縱向計算模型及其問題分析[J].山西建筑,2008,34(20):314-315.