微型盾構(gòu)下穿既有鐵路和城市輕軌施工技術(shù)研究

張萬國

（中鐵十四局集團第四工程有限公司 山東濟南 250002）

1 引言

伴隨我國社會和經(jīng)濟快速發(fā)展，城市的環(huán)境保護工作越來越受到社會各部門的高度重視，頂管技術(shù)由于其施工速度快、適用性好、環(huán)保等優(yōu)點得到廣泛應(yīng)用。但由于盾構(gòu)頂管施工鄰近既有鐵路、城市輕軌等難題，其引起的沉降控制技術(shù)是此類工程的關(guān)鍵［1］。

祝嘉輝等［2］通過對泥水平衡頂管施工參數(shù)分析，得出施工引起地面沉降規(guī)律，并對施工技術(shù)做出改進。蔣加兵等［3］通過極限平衡法和超孔隙水壓力計算模型，研究開挖面支護壓力和微觀穩(wěn)定的影響規(guī)律。謝雄耀等［4］通過進行注漿質(zhì)量檢測并結(jié)合監(jiān)測預(yù)警平臺提出“微沉降”施工控制體系。周慶合等［5］通過分析現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬相結(jié)合，建立隧道施工計算模型，得到下穿過程中既有結(jié)構(gòu)變形與沉降控制方法間的關(guān)系。蔣曉天、張帥坤等［6－7］通過分析刀盤的選型配置和刀具磨損情況，提出一套有針對性的泥水盾構(gòu)刀盤配置。陳傳燦、龔?fù)⒚竦龋?－9］通過頂管技術(shù)研究，對掘進面穩(wěn)定控制系統(tǒng)及機具設(shè)備進行改進、升級。鄭磊、商厚勝等［10－11］通過選定最佳泥漿配比對頂管注漿減阻技術(shù)進行總結(jié)。

可以看出：國內(nèi)外諸多學(xué)者對泥水平衡式盾構(gòu)頂管施工過程中產(chǎn)生的地表沉降進行了一系列研究，但是在施工過程中通過系統(tǒng)地考慮施工方案、頂進參數(shù)以及通過采取預(yù)案防治的方法來控制沉降的研究較少。本文以實際工程案例為背景，通過對施工方案的比選、參數(shù)確定以及施工過程中可能出現(xiàn)的問題提出預(yù)防措施，對泥水平衡微型盾構(gòu)頂管過程沉降控制技術(shù)的提升改進具有理論和工程實踐意義。

2 工程概述及施工方案選擇

西安大橋位于長春市西安大路上，橋梁跨越京哈鐵路和輕軌3號線（見圖1），規(guī)劃西安橋兩側(cè)分別設(shè)置4座1－2.2 m防護涵，將既有橋上及兩側(cè)高壓電力、通信、自來水、燃?xì)夤芫€改遷入涵。防護涵與鐵路交叉角度89°。其中1、2號防護涵單管頂進區(qū)間長110 m，3、4號防護涵單管頂進區(qū)間長100 m。圓管涵最小埋深大于3 m（見圖2）。

圖1 平面位置關(guān)系

圖2 管道位置及橫斷面（單位：cm）

本項目工程施工采用泥水平衡微型盾構(gòu)頂管施工工藝。由于管道下穿既有鐵路和城市輕軌，而且1號管道與2號管道距離較近，易發(fā)生地面沉降，施工過程中必須保證地面建筑物安全穩(wěn)定，因此施工難度較大。為防止施工擾動面過大，防護涵頂進采用非開挖微型盾構(gòu)頂管施工工藝，在預(yù)留盾構(gòu)必須的施工通道后，能夠利用的工作面空間較為有限，因此，采用單管往復(fù)頂進模式，既保證了充足的施工空間又避免因下穿施工造成線路變形。

3 既有線路加固措施

由于軌道是剛性材質(zhì)冶煉而成，因此對輕軌線路采用50型3-5-3扣軌加固，預(yù)防因頂管施工造成土體沉降從而導(dǎo)致軌道沉降。京哈上、下行線路采用D16型鋼便梁加固（見圖3）。

圖3 線路加固平面

在加固作業(yè)時，作業(yè)人員將鋼軌搬運到已經(jīng)抽換的木枕上，在每根鋼軌就位時，使其與其他鋼軌拼成軌束梁。軌束梁成型后，在“U”型螺栓上安裝好扣軌夾板，上緊扣件，加固線路。扣軌端頭架設(shè)臨時梭頭。

4 頂進方案及頂力計算

（1）盾構(gòu)類型選擇

根據(jù)本項目現(xiàn)場地質(zhì)情況及設(shè)計資料，盾構(gòu)穿越地層主要為人工雜填土和粉質(zhì)黏土層，為保證施工過程安全穩(wěn)定的同時具有較高的自動化、對地面沉降影響小和快速高效的掘進速度，從地質(zhì)條件看，本工程最適宜泥水平衡盾構(gòu)頂管施工。

泥水平衡頂管施工是一種以全斷面切削土體，以泥水壓力來平衡土壓力和地下水壓力，利用泥水作為輸送棄土介質(zhì)的機械式頂管作業(yè)。泥水平衡頂管主要包括三個系統(tǒng)：頂管機、泥水輸送、泥水處理，這三個系統(tǒng)既獨立操作又相互配合，運行聯(lián)系見圖4。

圖4 頂管機、泥水輸送及處理系統(tǒng)運行流程

（2）刀盤和驅(qū)動選擇

根據(jù)現(xiàn)場復(fù)雜的地質(zhì)條件，并結(jié)合以往相關(guān)施工經(jīng)驗，確定采用變頻驅(qū)動面板式刀盤。

面板式刀盤對各種地層均能適應(yīng)，刀盤即使被磨損仍能保持整體強度不發(fā)生變形并且在半艙掘進時面板對開挖面有一定機械支撐作用，可破碎較大礫石，長距離盾構(gòu)及地質(zhì)變化較大的地層優(yōu)先考慮面板式刀盤。

在驅(qū)動方式上，有變頻電機驅(qū)動、液壓驅(qū)動和定速電機驅(qū)動幾種方式。由于本項目施工場地緊鄰居民區(qū)，綜合考慮具有傳動效率高、熱平衡性好、噪聲低的特點，宜采用變頻驅(qū)動。

（3）頂力計算

頂力控制作為施工掘進的重要參數(shù)之一，頂力控制的影響因素很多，對中小口徑的管道，控制頂力往往是管材的允許頂力。施工過程中避免因頂力不足造成機頭卡頓，需根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)情況進行受力分析（見圖5）。設(shè)計頂力為8 100 kN，最大頂力計算采用經(jīng)驗公式，最大頂進距離按110 m計算。管道頂力包括頂管機迎面阻力和頂進阻力。

圖5 頂管受力示意

根據(jù)軸力平衡，頂進力P一般可簡單認(rèn)為由迎面阻力PF、與管道摩阻力F兩部分組成，即：

式中：D1為管道外徑，2.64 m；L為頂管設(shè)計頂進長度，110 m；fk為頂管外壁與土單位面積摩阻力，按表1 取為5.0 kN／m2。

表1 摩阻力取值 kN／m2

式中：Dg為頂管機外徑，2.68 m；γ為管道所處土層重力密度，19.6 kN／m3；Hg為覆蓋土層的厚度，8.48 m。

經(jīng)過分析計算，頂力滿足要求，施工方案合理可行。

（4）壓漿減阻與泥漿置換

壓漿減阻的目的是為能夠及時填充由于管節(jié)與盾構(gòu)機頭在開挖面之間存在的空隙，在長距離頂管施工中對于頂管是否順利以及地表沉降控制尤為重要。補充管道外周泥漿損失的補漿材料要求粘滯度較小，流動性較大。觸變泥漿選用單液漿，在每次頂進中必須對頂管機頭后的第一個注漿斷面上壓注足量的泥漿，以使其形成完整的泥漿套，在頂進100 m范圍以后的補漿斷面上可每隔2～4 d定期補漿。

頂管完成后及時對管道外壁進行充填加固和漿液置換（見圖6）。置換漿體由管道內(nèi)部的壓漿孔壓注，注漿次數(shù)3次，兩次間隔時間不得大于12 h。使用的泥漿置換材料為水泥加粉煤灰漿。

圖6 注漿系統(tǒng)示意

每兩節(jié)混凝土管編為1組，每組3個注漿孔，前孔注漿，后孔排氣排漿，以此類推，直到全部完成。壓注完成后保壓1 h，保壓時注漿壓力為0.5 MPa。泥漿配合比見表2。

表2 膨潤土泥漿配合比

頂進前預(yù)先在管節(jié)鋼承口處安裝一道環(huán)形橡塑管（見圖7），在頂進過程中橡塑管受力壓扁，可以作為彈性材料緩沖兩混凝土管節(jié)之間的剛性頂力，極大地減小頂管破裂的概率。

圖7 橡塑管安裝現(xiàn)場

管外壁注漿完成后，使用探地雷達進行管外壁注漿效果檢查，在管道頂部及兩側(cè)上部，分別布設(shè)3條測線（見圖8）。如果雷達檢測出有空洞、土體疏松等情況，須重新向管外壁注漿，直到檢查合格為止。

圖8 監(jiān)測點布置（單位：mm）

5 頂進施工常見問題及預(yù)防措施

5.1 出洞時方向失控

泥水平衡工具管重量較大，當(dāng)土質(zhì)出現(xiàn)軟弱交替或土層軟弱時，在自重作用下容易產(chǎn)生機頭下沉現(xiàn)象，繼而引起頂管方向失控，尤其是在出洞前90～100 m時，在施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制管道軸線的角度與波動幅度，措施如下：

（1）出洞時給工具管預(yù)設(shè)一個向上的預(yù)抬值，角度可控制在3°以內(nèi)。

（2）對其后剩余工具管管節(jié)的接頭，使用16～20 mm螺栓連接成整體，提高管節(jié)的剛度和整體性。

（3）必要時對洞口周圍壓注水泥砂漿，形成剛性始發(fā)導(dǎo)向。

（4）通過頂進趨勢測定裝置來指導(dǎo)糾偏，做到“勤監(jiān)測，勤糾正”。

5.2 地面沉降

頂管施工會導(dǎo)致土體原始應(yīng)力的改變，造成地表沉降（見圖9）。

圖9 平行頂管施工引起地面沉降

黏性土滲透系數(shù)較小，采用泥水平衡微型盾構(gòu)頂管，地面沉降可以得到有效控制，但因管壁觸變泥漿除具減阻作用，還可起到填充管道外周空隙的作用。為實現(xiàn)泥漿套呈連續(xù)狀態(tài)且最大限度保證減小地面沉降的效果，建議如下：

（1）在原地面對頂進區(qū)域兩側(cè)采用斜向45°高壓旋噴樁進行土體加固，使之形成整體，提高土層固結(jié)能力。

（2）在機頭跟進注漿基礎(chǔ)上，通過混凝土管節(jié)同步進行補漿，從而使?jié){液成環(huán)。

（3）提高觸變泥漿性能，增大粘滯度，減少失水量，泥漿比重控制在1.2 g／cm3，粘度值控制在25～30 s。

5.3 頂力控制

管道頂進需詳細(xì)計算和分析工具管迎面土壓力和混凝土管節(jié)及工具管與外側(cè)土體摩阻力。頂力過大將會導(dǎo)致管節(jié)因強度不夠而破裂，影響施工進度，因此要進行頂力計算。但《實用給水排水工程施工手冊》所提到的阻力計算方法過于片面。在滲透系數(shù)較大使得水和土能各自分離的砂質(zhì)土條件下，考慮浸在地下水以下部分土體受到水浮力影響，迎面阻力計算見式（4）；在滲透系數(shù)較小使得水土不易分離的黏性土條件下，迎面阻力計算見式（5）。

式中：F1為迎面阻力，kN；Bc為管外徑，m；γt為土體容重，kN／m3；H1為地下水位以上部分高度，m；γ′t為土體浮容重，kN／m3；H2為地下水位以下部分高度，m；φ為土體內(nèi)摩擦角；Pw為掘進設(shè)備所處土層的地下水壓力，kPa；ΔP為給土艙預(yù)加壓力，一般為20 kPa；H為地面到掘進機中心的深度，m；α為綜合系數(shù)，取值見表3。K0為靜止土壓力系數(shù)，與土體性質(zhì)有密切關(guān)系：在砂性土中，K0＝0.25～0.33；在黏性土中，K0＝0.33～0.70。

表3 綜合系數(shù)α取值

6 結(jié)束語

本項目通過成功應(yīng)用微型盾構(gòu)頂管施工技術(shù)，系統(tǒng)總結(jié)了微型盾構(gòu)頂管技術(shù)下穿既有建筑物時地表沉降控制方法。通過系統(tǒng)考慮泥水平衡式微型盾構(gòu)頂管施工原理、泥漿配合比以及施工過程中產(chǎn)生的主要問題及應(yīng)對措施，對盾構(gòu)頂管沉降控制技術(shù)提出新的見解。

（1）泥水平衡式微型盾構(gòu)頂管施工過程安全穩(wěn)定，地表未產(chǎn)生過大沉降，同時具有較高的自動化、對既有線路影響小和快速高效的掘進速度。

（2）壓漿減阻技術(shù)在頂管施工過程中對減小頂管阻力起到至關(guān)重要的作用，其中泥漿配合比設(shè)定是重要的一環(huán)，穩(wěn)定性好的泥漿是確保順利施工的必要條件。

（3）合理的頂力參數(shù)選擇以及刀盤的選用能夠在施工過程中產(chǎn)生較小的扭矩，刀盤不易發(fā)生偏磨，能延長刀盤的使用壽命，保證施工順利進行，縮短工期。