關于風險預控在盾構法下穿鐵路施工中的探討

許宏偉

(鄭州煤炭工業(集團)工程有限公司,河南鄭州 450000)

關于風險預控在盾構法下穿鐵路施工中的探討

許宏偉

(鄭州煤炭工業(集團)工程有限公司,河南鄭州 450000)

本文主要以盾構法施工穿越孟寶鐵路為例,采用風險預控方式針對主要風險因素制定相應措施,順利通過孟寶鐵路施工,為同類工程施工提供了一定的經驗借鑒。

盾構 下穿鐵路 風險預控 注漿加固

1 工程概況

平煤七星至姚電公司皮帶輸煤通道中4#轉運站～5#轉運站地下輸煤通道全長1392.83m,區間縱坡為-1.49%～-0.77%～+0.36%,盾構穿越孟寶鐵路的里程為K2+176.9～K2+167.9,穿越長度為9m,該區段縱坡為-1.49%,穿越段隧道設計頂板距地面最小垂距為5.2m,最大垂距8.4m。孟寶鐵路上有貨運和客運火車行駛,隧道穿越石灰巖,隧道上覆主要為粉質粘土層和石灰巖。由于孟寶鐵路位于隧道正上方,且路基和軌道不能承受較大的地層擾動,給隧道施工帶來了較大的安全隱患。

2 該地層盾構施工特點

孟寶鐵路下方土層盾構施工主要有以下的一般規律:(1)設備磨損;盾構在灰巖中掘進對刀具的沖擊和磨損都較大,每掘進250～350m須更換刀具,但是盾構機從始發到進入孟寶鐵路范圍僅掘進100.1m,刀具情況處于良好的運作狀態,不需要進行換刀。(2)地層變形規律;盾構穿越地層主要為石灰巖,巖體比較堅硬,圍巖的自穩性好對地層擾動較小,盾構施工形成的橫向沉降槽寬度相對較小,影響范圍相對較小。據以往施工中該種地層監測,地表沉降主要集中在盾構隧道正上方2倍隧道直徑范圍內。

3 盾構施工風險預控制

3.1 盾構掘進施工控制

盾構安全通過孟寶鐵路的首要措施是加強掘進參數的控制,使盾構以最佳狀態通過,最大程度的減小對孟寶鐵路的影響。盾構掘進時的控制主要遵循以下原則:加強施工設備管理,確保盾構連續勻速穿越;嚴格控制出渣量;保證注漿回填飽滿(含二次注漿);調整好盾構姿態。

(1)采用快速通過方法能減小對地層的擾動。因此在過此建筑物掘進速度控制在30～40mm/min,地面有列車通過時,通過地面電話通知盾構司機停止掘進。

(2)施工中,及時根據反饋的施工監測數據,對于參數不斷優化調整。主要的參數調整優化措施如下:

1)采用以滾刀、周邊刮刀為主的刀盤切削土層,以低轉速、大扭矩推進。2)適當提高掘進土壓力以防止塌陷,并在掘進中不斷調整優化。3)土倉壓力通過采取設定掘進速度、調整排土量或設定排土量、調整掘進速度兩種方法建立,并應維持切削土量與排土量的平衡,以使土倉內的壓力穩定平衡。4)盾構機的掘進速度主要通過調整盾構推進力、轉速(扭矩)來控制,排土量則主要通過調整螺旋輸送機的轉速來調節。在實際掘進施工中,應根據地質條件、排出的碴土狀態,以及盾構機的各項工作狀態參數等動態地調整優化。5)掘進時采取碴土改良措施增加碴土的流動性和止水性,密切觀察螺旋輸送器的栓塞和出土情況以調整添加劑的摻量。6)在盾構掘進速度一定的情況下,主要通過調整螺旋輸送機的轉速,調整出土量的大小,以達到維持土倉壓力的平衡。做好土量管理工作,對每環出土量進行測定,出土量控制在一定范圍內。保持盾構機良好的姿態。

(3)盾構在通過孟寶鐵路前,對盾構機及后配套系統要進行仔細全面檢修,確保通過時不出現機械故障,并對可能產生的故障預先做好修理準備,備足主要零配件,減少過孟寶鐵路停機檢修的風險。

(4)在整個盾構掘進施工期間,派專人監控出土量,每環(1.5m)出碴量控制在55m3以內,(考慮泡沫劑等碴土改良材料帶來的擴散系數取1.2)。穿越期間盡量減少盾構糾偏量,使盾構機均衡勻速施工,以減少盾構施工所產生的風險影響。

3.2 注漿加固控制

為保證盾構穿越孟寶鐵路時地表的穩定,進行注漿加固。注漿控制采用同步注漿和二次注漿。當管片脫離盾尾后,在土體與管片之間會形成環形空隙。同步注漿的目的是為了盡快填充環形間隙使管片盡早與地層共同作用,防止地面變形過大而危及周圍環境安全,同時作為管片外防水和結構加強層。并在盾尾通過后及時進行二次注漿,確保同步注漿的質量。根據長期盾構施工經驗,注漿量每環(1.5m)控制在6m3左右,注漿壓力0.2Mpa以上,最大程度利用同步注漿填充滿管片背后間隙。

3.2.1 同步注漿

(1)同步注漿方法、工藝;壁后注漿裝置由注漿泵、清洗泵、儲漿槽、管路、閥件等組成,安裝在第一節臺車上。當盾構掘進時,注漿泵將儲漿槽中的漿液泵出,通過四條獨立的輸漿管道,通到盾尾殼體內的4根同步注漿管,對管片外表面的環行空隙中進行同步注漿,在每條輸漿管道上都有一個壓力傳感器,在每個注漿點都有監控設備監視每環的注漿量和注漿壓力;而且每條注漿管道上設有兩個調整閥,當壓力達到最大時,其中一個閥就會使注漿泵關閉,而當壓力達到最小時,另外一個閥就會使注漿泵打開,繼續注漿。注漿量和注漿壓力的大小可以實現自動控制和手動控制,手動控制可對每一條管道進行單個控制,而自動控制可實現對所有管道的同時控制。

(2)注漿材料及配比設計;①注漿材料;采用水泥砂漿作為同步注漿材料,該漿材具有結石率高、結石體強度高、耐久性好和能防止地下水浸析的特點。水泥采用32.5普通硅酸鹽水泥,以提高注漿結石體的耐腐蝕性,使管片處于耐腐蝕注漿結石體的保護中,減弱地下水對管片混凝土的腐蝕。②漿液配比及主要物理力學指標;根據盾構施工經驗,同步注漿擬采用表5-2所示的配比。在施工中,根據地層條件、地下水情況及周邊條件等,通過現場試驗優化確定。

(3)同步注漿主要技術參數;①注漿壓力;由于是從盾尾圓周上的4個點同時注漿,上部兩個注漿孔的壓力控制在1.5bar,下部兩個注漿孔的壓力在2.0～2.5bar。②注漿量;盾構過特殊地段實際注漿量按實際出碴量進行控制,基本上控制在6m3,最大程度將管片背后填充密實。③注漿時間和掘進速度;在不同的地層中根據需不同凝結時間的漿液及掘進速度來具體控制注漿時間的長短。做到“掘進、注漿同步,不注漿、不掘進”,通過控制同步注漿壓力和注漿量雙重標準來確定注漿時間。注漿量和注漿壓力達到設定值后才停止注漿,否則仍需補漿。同步注漿速度與掘進速度匹配,按盾構完成一環掘進的時間內完成當環注漿量來確定其平均注漿速度。④注漿結束標準及注漿效果檢查;采用注漿壓力和注漿量雙指標控制標準,即當注漿壓力達到設定值,注漿量達到設計值的85%以上時,即可認為達到了質量要求。

(4)同步注漿的注意事項;①在開工前制定詳細的注漿作業指導書,并進行詳細的漿材配比試驗,選定合適的注漿材料及漿液配比。②制訂詳細的注漿施工設計和工藝流程及注漿質量控制程序,嚴格按要求實施注漿、檢查、記錄、分析,及時做出P(注漿壓力)－Q(注漿量)－t(時間)曲線,分析注漿速度與掘進速度的關系,評價注漿效果,反饋指導下次注漿。③成立專業注漿作業組,由富有經驗的注漿工程師負責現場注漿技術和管理工作。④根據洞內管片襯砌變形和地面及石人社區變形監測結果,及時進行信息反饋,修正注漿參數和施工工藝,發現情況及時解決。⑤做好注漿設備的維修保養,注漿材料供應,定時對注漿管路及設備進行清洗,保證注漿作業順利連續不中斷進行。

3.2.2 二次注漿

(1)盾構機穿越后考慮到環境保護和隧道穩定因素,如發現同步注漿有不足的地方,通過管片中部的吊裝孔進行二次補注漿,補充同步注漿未填充部分和體積減少部分,從而減少盾構機通過后土體的滯后沉降,減輕隧道的防水壓力,提高止水效果。(2)二次注漿使用盾構配套注漿泵,注漿前鑿穿管片吊裝孔外側保護層,安裝專用注漿用接頭。(3)二次注漿采用水泥漿,注漿壓力一般為0.2～0.4MPa。

3.3 監測控制

通過監測提前預測孟寶鐵路的情況,監測項目內容主要包括:通過孟寶鐵路前后10米的地表沉隆、火車軌道的沉隆、管片橢圓度監測。穿過段每5米布置一個監測點,10米布置一個監測斷面。通過監測數據顯示地面及火車軌道的穩定性;隧道內監測主要為橢圓度監測。監測頻率為在盾構通過前每天監測2次,通過時每天監測6～8次,通過后每天監測2次。

4 結語

本工程采用風險預控施工,施工前多次分析主要潛在風險,在施工中進行有針對性的控制,有效的減少風險發生,同時提高工程進度,有利于工程質量。穿過鐵路施工完成后,對比施工前后沉降測量結果,最大沉降量僅為10mm,取得了較好的社會效益及經濟效益。

[1]孫鈞,袁金榮.盾構施工擾動與地層移動及其智能神經網絡預測[J].巖土工程學報,2001.3.

[2]肖立,張慶賀.鐵路軌道下盾構施工所致地面沉降的數值模擬[J].同濟大學學報(自然科學版),2011.9.

許宏偉(1968—),男,河南新鄭人,工程師,1994畢業于焦作礦業學院,現從事礦山建設技術管理工作。