盾構(gòu)小半徑曲線下穿特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源施工難點(diǎn)及對(duì)策

王 巖,錢 新,矯偉剛

(1.北京住總市政工程有限責(zé)任公司,北京 100029;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué),北京 100083)

盾構(gòu)小半徑曲線下穿特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源施工難點(diǎn)及對(duì)策

王 巖1,錢 新1,矯偉剛2

(1.北京住總市政工程有限責(zé)任公司,北京 100029;2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué),北京 100083)

詳細(xì)闡述國(guó)內(nèi)首次的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)以 300m小曲線半徑成功下穿京滬、京九等 12股鐵路特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源施工概況、施工難點(diǎn)及施工對(duì)策,包括下穿前試驗(yàn)段的選取與總結(jié)、鐵路地基注漿及軌道加固、盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)選取與優(yōu)化等。

地鐵;盾構(gòu);小曲線;特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源;難點(diǎn)

盾構(gòu)法下穿鐵路必然會(huì)擾動(dòng)土體,引發(fā)地層損失和隧道周圍受擾動(dòng)或受剪切破壞的重塑土的再固結(jié),導(dǎo)致地面發(fā)生部分沉降,且可能造成地面塌陷;同時(shí),正在運(yùn)營(yíng)的列車對(duì)沉降、隆起和鋼軌間的差異沉降有著特殊的嚴(yán)格要求,較小的變化都會(huì)對(duì)列車安全運(yùn)行構(gòu)成災(zāi)難性的影響。因此,對(duì)盾構(gòu)隧道的設(shè)計(jì)、施工等主要參數(shù)進(jìn)行有效控制,制定一套完善的施工控制措施,達(dá)到減少對(duì)土工環(huán)境損傷,確保施工區(qū)域既有結(jié)構(gòu)物和地下管線等重要設(shè)施的安全是非常重要的[1]。

1 工程特點(diǎn)及工程環(huán)境情況

1.1 工程概況

北京地鐵大興線黃村火車站—義和莊站盾構(gòu)區(qū)間里程：右線 DK15+083～DK15+150、左線 DK 15+099～DK15+165,其范圍內(nèi)以 300m小曲線半徑連續(xù)下穿黃村火車站內(nèi)京滬、京九鐵路等 12股鐵路及站內(nèi)鐵路接觸網(wǎng)塔、站臺(tái)與雨棚、通信發(fā)射塔、車站站房、車站派出所等建/構(gòu)筑物,風(fēng)險(xiǎn)源多且較集中。

該工程采用 2臺(tái)海瑞克鉸接土壓平衡面板式盾構(gòu)機(jī)施工,該機(jī)器刀盤直徑 6280mm,襯砌管片外徑6 000mm,內(nèi)徑 5400mm,環(huán)寬1 200mm。盾構(gòu)下穿的12股鐵路線均為無(wú)縫電氣化線路,鋼筋混凝土軌枕,路基兩側(cè)有鐵路通信、信號(hào)電纜和電力電纜及電力塔桿,股道下基礎(chǔ)為碎石道床基礎(chǔ)。

盾構(gòu)下穿過(guò)程中,右線隧道與鐵路交疊投影長(zhǎng)度約為 67m,掘進(jìn)環(huán)數(shù) 56環(huán);左線隧道與鐵路交疊投影長(zhǎng)度約為 66m,掘進(jìn)環(huán)數(shù) 55環(huán);左右線隧道中心間距為 16.8～17.7m;隧道頂部覆土厚 11.4～12.2m。盾構(gòu)下穿京滬、京九鐵路等 12股道鐵路平面、剖面見(jiàn)圖1、圖2。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況

盾構(gòu)下穿特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源地段時(shí),該段地層主要為人工填土、第四紀(jì)新近沉積層和一般第四系沉積層,自上而下分別為雜填土①2、粉細(xì)砂②2、粉土③1、粉細(xì)砂③2、粉質(zhì)黏土③、黏土③3、粉細(xì)砂 ④1、圓礫⑥。盾構(gòu)隧道主要穿越地層為粉質(zhì)黏土③,部分地段洞頂位于粉細(xì)砂③2,且本區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)在地下穩(wěn)定水位以上。

2 盾構(gòu)下穿鐵路施工難點(diǎn)

(1)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高：土壓平衡盾構(gòu)下穿京滬、京九等12股鐵路及多個(gè)線間建/構(gòu)筑物施工在國(guó)內(nèi)已有的工程實(shí)踐中都是不多見(jiàn)的,且京滬、京九鐵路是全國(guó)鐵路南北運(yùn)輸?shù)拇髣?dòng)脈,風(fēng)險(xiǎn)源等級(jí)為特級(jí)。

(2)沉降控制嚴(yán)：參照我國(guó)鐵路工程線路靜態(tài)幾何尺寸允許偏差管理值的控制標(biāo)準(zhǔn)及地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范,在綜合考慮黃村火車站實(shí)際情況后,鐵路沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為：軌道最大沉降/隆起量≤5 mm;最大速率≤1 mm/d;兩軌沉降差≤4mm。

(3)地層穩(wěn)定性差：盾構(gòu)穿越鐵路地段隧道開(kāi)挖斷面地層上部為粉細(xì)砂層,該砂層自穩(wěn)性非常差,在盾構(gòu)推進(jìn)及鐵路運(yùn)行時(shí)該砂層極易坍塌,易造成地表較大沉降。

(4)小曲線施工難度大：盾構(gòu)以 300 m小半徑曲線(該盾構(gòu)機(jī)極限轉(zhuǎn)彎半徑為 250m)穿越多股軌道在國(guó)內(nèi)是沒(méi)有先例的,小曲線半徑施工將會(huì)導(dǎo)致隧道的超挖及軸線的控制難度增大等,導(dǎo)致地層損失加大,沉降加大。

(5)工期緊迫：根據(jù)施工計(jì)劃及與北京鐵路局協(xié)商安排,左右線盾構(gòu)將在“兩節(jié)”(60年國(guó)慶、中秋節(jié))前夕(2009年 09月 07日 ～2009年 09月 22日)及汛期通過(guò)京滬、京九等 12股鐵路,盾構(gòu)穿越期間必須保證施工安全,否則將造成重大的社會(huì)影響。

(6)動(dòng)荷載影響：下穿鐵路期間,12股鐵路列車將正常運(yùn)營(yíng),往往行車微小動(dòng)荷載將對(duì)盾構(gòu)開(kāi)挖面及地面沉降控制產(chǎn)生一定的影響,對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)要求較高。

(7)施工經(jīng)驗(yàn)少：缺少盾構(gòu)小曲線半徑下穿多股軌道的經(jīng)驗(yàn),對(duì)土壓平衡盾構(gòu)在如此復(fù)雜的地面環(huán)境下穿越粉細(xì)砂層的地層損失機(jī)理研究較少。

圖1 盾構(gòu)下穿京滬、京九等 12股道鐵路平面示意

圖2 盾構(gòu)下穿鐵路股道及工程地質(zhì)剖面

3 盾構(gòu)下穿鐵路施工對(duì)策

3.1 試驗(yàn)段選取及總結(jié)

為了確保盾構(gòu)順利、安全地通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)源,在經(jīng)過(guò)多次專家會(huì)議論證后決定,在地質(zhì)、水文環(huán)境情況與京九、京滬鐵路路基基本一致的本標(biāo)段線段選擇 500 m(鐵路前),作為盾構(gòu)下穿鐵路的試驗(yàn)掘進(jìn)段,通過(guò)試驗(yàn)段的掘進(jìn)及盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)、地表沉降、注漿等各項(xiàng)數(shù)據(jù)的總結(jié),確定盾構(gòu)下穿風(fēng)險(xiǎn)源的各項(xiàng)盾構(gòu)參數(shù),如土壓力大小、推進(jìn)速度、同步注漿量、注漿壓力、漿液配比以及二次補(bǔ)漿、后期注漿的位置、頻率、注入量、漿液材料和注入壓力等技術(shù)參數(shù);并通過(guò)試驗(yàn)段期間的各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)案多次演習(xí),為盾構(gòu)安全、順利的通過(guò)京滬、京九鐵路風(fēng)險(xiǎn)源提供了有力的保障。

3.2 地基注漿加固

結(jié)合本地段的工程地質(zhì)、水文條件,對(duì)盾構(gòu)下穿影響范圍內(nèi)的 12股鐵路采用二重管無(wú)收縮雙液注漿結(jié)合單液水泥漿液對(duì)鐵路路基進(jìn)行加固處理,減小土體間的孔隙率,使?jié){液與土體形成復(fù)合地基,提高土層的粘結(jié)力,內(nèi)摩擦角值,保證行車車輛的動(dòng)荷載對(duì)隧道開(kāi)挖面頂部粉細(xì)砂層擾動(dòng)達(dá)到最小,控制地層的沉降。

鐵路路基注漿參數(shù)：(1)注漿范圍為線路中心兩側(cè)各 2m,沿線路方向 75m,加固深度為 4m,分別從每股道的線路兩側(cè)施工,每側(cè) 10組;(2)注漿參數(shù)：注漿孔間距 1m,注漿孔深度 5～30m,注漿孔 φ42mm,注漿擴(kuò)散半徑 1m,注漿凝結(jié)時(shí)間 20 s～60min,注漿壓力 0.3～1.5MPa(穩(wěn)定時(shí)間為 15min);(3)漿液采用水泥-水玻璃無(wú)收縮雙漿液。漿液配合比(1m3漿液材料用量比例)：A液為水∶水玻璃 =1∶1(水玻璃 Be=40°),B液為水∶水泥 =1∶1,A液∶B液 =1∶1。加固斷面見(jiàn)圖3。

3.3 線路加固

圖3 鐵路路基注漿加固斷面示意(單位：mm)

鋼軌是一條以軌枕為彈性支座的連續(xù)承載梁,屬多支座超靜定系統(tǒng),列車通過(guò)時(shí),車軸下的軌枕受壓后向碎石道床產(chǎn)生彈性沉陷然后恢復(fù)穩(wěn)定,當(dāng)土體發(fā)生沉降時(shí),軌枕的支撐面會(huì)隨之下沉,相應(yīng)鋼軌的多支座超靜定系統(tǒng)也遭到破壞,在列車的微小動(dòng)荷載作用下,這些支撐面下沉的軌枕帶著鋼軌產(chǎn)生較大的變形量,導(dǎo)致鋼軌中應(yīng)力大大升高,土體沉降過(guò)大時(shí)可使鋼軌斷裂;軌枕的支撐面形成沉陷坑時(shí),列車通過(guò)就會(huì)受到來(lái)自下方的沖擊,這種垂直向上的沖擊可同列車的自振結(jié)合引發(fā)更大的列車振動(dòng),嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成出軌事故;同時(shí),鋼軌間產(chǎn)生的差異沉降如與列車的自振相結(jié)合,使得列車振幅增大,列車會(huì)發(fā)生搖擺運(yùn)動(dòng)[3～4],影響列車行駛安全,特別是隧道斷面頂部地層的粉細(xì)砂層自穩(wěn)性較差,在列車微小動(dòng)荷載反復(fù)作用下,會(huì)導(dǎo)致刀盤掌子面出現(xiàn)塌陷,地面產(chǎn)生大面積沉降,因此,需要對(duì)軌道進(jìn)行扣軌加固[4～6]。

本次扣軌采用 3-5-3加固方式,并在主軌與扣軌腰間放置間隔木,防止連電;鋼軌接頭錯(cuò)開(kāi) 1.0m以上,扣軌完成后扣軌兩端釘固臨時(shí)木梭頭(圖4)。線路加固期間,要求行車速度不超過(guò) 45 km/h。

圖4 鐵路軌道扣軌加固示意

3.4 盾構(gòu)推進(jìn)實(shí)施方案

本次盾構(gòu)下穿鐵路特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源工程,根據(jù)施工方案,右線盾構(gòu)機(jī)先行,左右線盾構(gòu)機(jī)前后間隔距離大于50m同時(shí)掘進(jìn)。盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中的技術(shù)施工措施如下。

(1)根據(jù)盾構(gòu)推進(jìn)情況及類似地層 500m試驗(yàn)段的經(jīng)驗(yàn),上土壓力控制在 0.12～0.14MPa;推進(jìn)速度控制在 15～20mm/min,掘進(jìn)量控制為 10環(huán)/d,刀盤轉(zhuǎn)速控制在 1.0～1.2 r/min,推力控制在12 000～14 000 kN。

(2)注漿量：考慮到曲線段可能超挖、鐵路沉降控制要求,實(shí)際注漿量為理論值的 2.0～2.2倍,每環(huán)注漿量為 6.0～6.6m3。

(3)漿液質(zhì)量：本風(fēng)險(xiǎn)源為特級(jí),且沉降要求高,來(lái)往動(dòng)荷載多,除保證漿液具有很好的流動(dòng)性、和易性、密度、泌水率等要求時(shí),必須確保其初凝時(shí)間≤5 h。通過(guò)多次現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及總結(jié),本次漿液初凝時(shí)間控制在≤4.5 h,具體配比見(jiàn)表1。

表1 同步注漿漿液配比(1m 3) kg

(4)出土量控制：安排專人記錄出土量情況,并將記錄結(jié)果與注漿量比較,本次出土量為 37m3,檢查中如出現(xiàn)異常,立即停機(jī)并進(jìn)行二次補(bǔ)漿。

(5)管片拼裝：通過(guò)提前拼裝轉(zhuǎn)彎環(huán)、調(diào)整管片楔形量、粘貼石棉橡膠板,調(diào)整盾尾襯砌管片切口垂直方向與盾構(gòu)中心線方向一致,采用加強(qiáng)型管片、多次復(fù)擰螺栓、勤糾偏、小糾偏保證管片拼裝質(zhì)量。

(6)二次、后期徑向注漿：在管片脫出盾尾 6環(huán)后沿隧道頂部?jī)蓚?cè)管片,即 3點(diǎn)至 10點(diǎn)間進(jìn)行二次補(bǔ)漿,補(bǔ)漿量為 1.2m3,補(bǔ)漿壓力 400 kPa,以注漿壓力控制為準(zhǔn)。漿液采用雙漿液,配比見(jiàn)表2。

表2 二次補(bǔ)漿雙漿液配比(每環(huán)) kg

考慮到鐵路列車行駛動(dòng)荷載對(duì)隧道后期沉降的影響,在管片脫出盾尾 30m左右后開(kāi)始進(jìn)行后期徑向注漿,具體是利用拱部和側(cè)部的 5個(gè)管片吊裝孔打入長(zhǎng)6m、管徑為 φ42mm的鋼花管注漿擴(kuò)散半徑 0.5m,注漿壓力 0.5～1.0MPa,不超過(guò) 1.0 MPa。對(duì)隧道周圍土層進(jìn)行注漿加固,漿液采用 HSC超細(xì)水泥漿液,配合比(1m3)為 HSC超細(xì)水泥∶水 =735kg∶735 kg,注漿示意見(jiàn)圖5。

圖5 后期徑向注漿示意(單位：m)

(7)小半徑曲線施工中由于盾構(gòu)機(jī)本身為直線形剛體,不能與曲線完全擬合,曲線半徑越小、盾構(gòu)機(jī)身越長(zhǎng),則擬合困難越大,軸線就比較難于控制,如控制不當(dāng),則造成超挖,地層損失大;同時(shí),小半徑曲線隧道每掘進(jìn)一環(huán),管片端面與該處軸線的法線方向在平面上將產(chǎn)生一定的角度,在千斤頂?shù)耐屏ο庐a(chǎn)生一個(gè)側(cè)向分力,受到側(cè)向分力的影響,隧道向圓弧外側(cè)偏移,導(dǎo)致軸線較難控制、管片受力不均及地層損失嚴(yán)重。本次施工首先通過(guò)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的鉸接裝置,使得盾構(gòu)機(jī)的前筒、后筒與行駛曲線趨于吻合,預(yù)先推出弧線態(tài)勢(shì),為管片提供良好的拼裝空間;然后根據(jù)同步注漿時(shí)調(diào)整曲線外側(cè)注漿量大于曲線內(nèi)側(cè),并保持推力均衡、勻速,控制隧道軸線側(cè)向偏移。在盾構(gòu)推進(jìn)千斤頂推力橫向分力作用下向曲線外側(cè)橫移。

3.5 監(jiān)測(cè)方案

為了全面了解盾構(gòu)下穿鐵路過(guò)程中的地表沉降情況及實(shí)現(xiàn)信息化施工在軌道交通重大風(fēng)險(xiǎn)源的應(yīng)用,本次風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)方案見(jiàn)表3。

表3 盾構(gòu)下穿鐵路風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)測(cè)方案

4 安全保證措施

為了確保本特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源安全順利的在“兩節(jié)”前夕通過(guò)鐵路,本項(xiàng)目部采取了一系列安全保證措施。

(1)工程施工前,成立由北京鐵路局、甲方、監(jiān)理、施工方、北京市質(zhì)監(jiān)站組成的現(xiàn)場(chǎng)指揮部,并認(rèn)真做好施工管理及操作人員安全技術(shù)交底工作。

(2)盾構(gòu)下穿鐵路前 30m,做好機(jī)械設(shè)備的檢修及各項(xiàng)施工材料準(zhǔn)備,并在指揮部、施工現(xiàn)場(chǎng)、項(xiàng)目部建立信息化施工。

(3)建立風(fēng)險(xiǎn)管理及應(yīng)急事件處理機(jī)構(gòu),從組織、方案、人員、設(shè)備物資等全方位予以保證;編制應(yīng)急預(yù)案并進(jìn)行多次演習(xí);準(zhǔn)備好各種應(yīng)急物資。

(4)鐵路線路監(jiān)護(hù)：下穿鐵路時(shí),在黃村火車站設(shè)駐站聯(lián)絡(luò)員和現(xiàn)場(chǎng)防護(hù)員,密切查看線路狀況,安排鐵路專業(yè)人員定時(shí)檢查線路軌矩、方向、水平、高低等幾何狀態(tài),出現(xiàn)異常時(shí)立即采取相應(yīng)措施。

(5)加強(qiáng)施工管理,嚴(yán)格執(zhí)行各項(xiàng)任務(wù)落實(shí)制度,并邀請(qǐng)鐵路及地鐵盾構(gòu)專家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。

5 沉降分析

圖6為右左線盾構(gòu)在 2009年 9月 10日、9月 12日、9月 14日、9月 16日連續(xù)通過(guò)黃良線與京九上行間地面、京滬上行與京滬下行間地面沉降變化曲線。從地面沉降曲線可以看出,盾構(gòu)到達(dá)前,地面沉降較大;左線盾構(gòu)通過(guò)后對(duì)右線沉降影響較大;右線盾構(gòu)通過(guò)導(dǎo)致左線盾構(gòu)到達(dá)前沉降突然較大,同時(shí)通過(guò)時(shí)對(duì)右線影響較大;盾構(gòu)管片脫出盾尾后沉降均呈直線下降變化;管片在進(jìn)行二次及后期注漿后,地面沉降均達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),對(duì)后期沉降起到了很好的控制穩(wěn)定作用。

圖6 左右線隧道中心點(diǎn)地面沉降變化曲線

6 結(jié)論

根據(jù)工程的實(shí)際進(jìn)展情況,右左線盾構(gòu)各于 2009年 09月 08日、2009年 09月 12日刀盤進(jìn)入鐵路,截止到 2009年 09月 14日、2009年 09月 18日,右左線盾尾均順利安全的脫離最后一條鐵路股道,合計(jì)共 11 d安全順利地通過(guò) 12股鐵路,沉降控制完全符合鐵路標(biāo)準(zhǔn)。

盾構(gòu)小半徑曲線成功下穿京滬、京九等 12股鐵路特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源的施工控制措施證明：盾構(gòu)下穿鐵路的一系列技術(shù)、安全措施,如試驗(yàn)段選取、地基注漿加固、股道扣軌及安全保證措施等很好地控制了特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源地表沉降,降低了施工風(fēng)險(xiǎn);盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)的選取解決了曲線施工的軸線控制、出土量超挖等問(wèn)題,同步注漿、二次及后期補(bǔ)漿很好地彌補(bǔ)了地層的損失量,控制了地表的沉降,對(duì)地層的后期穩(wěn)定起到了很好的控制作用,為以后其他類似工程提供了一些借鑒。

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U 455.43

A

1004-2954(2010)07-0099-04

2010-05-05;

2010-05-18

王 巖(1982—),男,助理工程師,2009年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)巖土工程專業(yè),工學(xué)碩士,E-mail：yanaini100@sina.com。