盾構區間下穿既有線工程參數分析

雷海明

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司,北京 102600)

0 引言

在現代城市建設和交通發展中,隨著城市規模的不斷擴大和人口的增加,交通擁堵問題日益突出,對城市的發展和人們的生活造成了嚴重影響。為了解決交通擁堵問題,政府部門和交通建設單位紛紛采取盾構技術來進行地下線路建設,這一技術由于具有施工周期短、效率高、資源占用少等優點,成為城市軌道交通建設的首選技術。然而,隨著城市地下空間的日益擁擠和建設條件的復雜化,盾構區間下穿既有線工程在實施過程中面臨諸多困難和挑戰。首先,施工區域狹小,環境復雜,對施工機械和設備的要求較高。其次,隧道施工會對既有線路的運營造成一定的影響,需要制定合理的施工方案和嚴格的安全措施。此外,隧道施工過程中還會產生振動、噪聲等對周邊環境造成的影響,需要進行有效的治理和控制。為了保證盾構區間下穿既有線工程的順利進行,提高施工效率和質量,減少對既有線路的影響,需要對工程參數進行詳細分析和設計。本文將對盾構區間下穿既有線工程的施工參數進行分析,包括隧道設計參數、盾構機參數、施工方案參數等。通過對這些參數進行綜合考慮和優化設計,可以提高工程的施工效率和質量,減少對既有線路的影響,為城市交通建設提供有力保障。通過對盾構區間下穿既有線工程參數的分析,可以為工程設計和施工提供科學依據和技術支持,為實現城市交通的快速發展和改善人們出行條件做出貢獻。同時,也為國內外盾構工程的研究和應用提供參考和借鑒,推動盾構技術的進一步發展和應用。

1 工程概況

1.1 盾構區間概述

西安地鐵六號線二期工程廣濟街站—鐘樓站區間左線起止里程ZCK33+690.600—CK34+441.660,左線長750.126 m。右線起止里程YCK33+690.600—CK34+497.901,右線長807.392 m。區間主要采用盾構法施工,左右線分開呈魚腹式繞避鐘樓進入鐘樓站,沿途側穿世紀金花廣場、開元商城、地鐵2號線區間隧道等重要建構筑物。

盾構左線隧道在ZDK34+243.73—ZDK34+249.73(369環～373環)下穿地鐵2號線右線區間隧道,垂直凈距為8.299 m,在ZDK34+312.598—ZDK34+318.598(415環～418環)下穿地鐵2號線左線隧道,垂直凈距為6.00 m;盾構右線隧道在YDK34+246.075—YDK34+252.075(371環～375環)處下穿地鐵2號線右線區間隧道,垂直凈距為5.742 m,YDK34+307.966—YDK34+313.966(412環～416環)下穿地鐵2號線左線隧道,垂直凈距為3.99 m[1]。

下穿段隧道平曲線線形為右轉R=350 cm,豎曲線線性為29‰上坡掘進,既有地鐵2號線區間隧道在6號線盾構下穿時正常運行,環境風險等級為Ⅱ級。關系圖如圖1所示。

1.2 既有線水文地質情況

盾構下穿部位主要存在潛水,水位距6號線隧道拱頂9.7 m,距隧底15.7 m。既有線的變形控制及監測要求見表1。

表1 既有2號線隧道主要監測項目和控制值[2]

2 盾構區間下穿既有線前參數確定

2.1 試驗段劃分

根據設計圖紙地質剖面圖及現場情況,試驗段選擇與下穿區域范圍內地質相同的區域內進行,將風險源控制區劃分為試驗段和穿越段,具體劃分如圖2所示。

2.2 試驗段工程參數預設

根據施工進度,左線盾構區間下穿2號線期間,施工計劃如下(正常施工段10環/d～12環/d,穿越段8環/d)。

本次試驗段初始設定盾構參數及技術措施見表2。

表2 初始設定盾構參數

盾構下穿2號線前首先須對盾構機掘進過程中的各項參數進行設定,施工中再根據各種參數的使用效果及地質條件變化在適當的范圍內進行調整、優化。須設定的參數主要有土壓力、推力、刀盤扭矩、推進速度及刀盤轉速、出土量、同步注漿壓力、添加劑使用量等。

2.2.1 土壓力設定

盾構下穿2號線時,隧道頂部覆土厚度約23.4 m～25.4 m,土的平均重度取19 kN/m3,根據正面平衡壓力公式:P=k0γh,k0取0.3,代入公式得上部土壓力理論值P≈140 kPa。盾構在下穿過程中,根據2號線監測數據隆起或沉降變化,動態微調土壓力。

2.2.2 出土量的設定

本工程使用的管片外徑為6 000 mm,環寬為1 500 mm。刀盤的直徑為6 280 mm。

每環的出土量:

C=π·L·(D/2)2。

其中,D為刀盤直徑;L為管片環寬。

代入計算式計算出每環出土量為46.43 m3,由于渣土中有泥水及泡沫添加劑,在運輸組織設計中,按50 m3～53 m3考慮。每環出土量直接反映了盾構機在掘進施工過程中的超挖情況,當超挖較多時,會使出土量驟增。在掘進過程中,必須嚴格控制每環的出土量,并作好記錄。

2.2.3 盾構同步注漿

本區間同步漿液應具有一定強度、和易性、可填充性、凝結時間。同步漿液初凝時間不得超過6 h。根據設計要求,施工前需對漿液配合比進行相關實驗確定其滿足設計要求,若不滿足要求,則調整漿液配比并繼續相關實驗,直至滿足設計要求后方可使用。同步注漿配比表如表3所示。

表3 同步注漿配比表(每立方米)[3]

每推進一環的建筑空隙為:1.5×(6.28-6.0)/4=4.05 m3。

每環的壓漿量初步按建筑空隙的130%～150%計算,即每推進一環同步注漿量一般為5 m3～6 m3, 注漿壓力一般不超過0.4 MPa。

2.2.4 二次注漿

1)二次注漿主要采用水泥漿,特殊情況下,采用水泥、水玻璃雙液漿。通過管片對隧道間隙進行注漿填充。

2)水泥漿配比:m(水泥)∶m(水)=1∶1。

3)雙液漿配比:m(水泥)∶m(水玻璃)=1∶1。

4)注漿壓力、注漿量:壓力控制為0.4 MPa～0.5 MPa,同時加強建構筑物監測和隧道變形監測,密切關注管片錯臺,確保成型隧道安全。

5)水玻璃模數:2.6～2.8,波美度:39～48之間。

6)凝結時間:20 s～30 s。

7)管片脫出盾尾每5環后進行二次注漿,并多次重復注漿,確保空隙被全部填充密實。

8)當注漿壓力達到要求值時即停止壓注雙液漿,另壓注膨潤土漿液10 s,確保次注漿孔下次重復使用,然后更換下一個注漿孔。

2.3 試驗過程及參數總結

根據施工方案擬定的廣濟街站—鐘樓站左線下穿2號線試驗段為316環～355環,盾構掘進主要參數統計如圖3所示。

根據折線圖,此次316環～341環試驗段施工掘進參數統計范圍如表4所示。

表4 316環～341環試驗段掘進參數

3 盾構區間下穿既有線試驗段結果分析

3.1 試驗段結果

3.1.1 拼裝推進軸線偏差測量

測量人員已完成試驗段管片軸線偏差測量,成果均在規范要求范圍內,最大水平偏差為32環,-23.1 mm;最大垂直偏差為330環,-12.1 mm;最大上浮為332環,51.4 mm。具體數據見表5。

根據管片姿態測量結果,上浮量主要為35 mm～45 mm,后續施工推進過程可將垂直控制在-35 mm～-45 mm,滿足成型隧道控制0 mm～10 mm。

3.1.2 監控量測情況

根據監測數據,地表及過街通道沉降數據如下:

地下通道沉降速率最大為-0.12 mm(DXTDJGC-03),累計沉降最大為-0.29 mm(DXTDJGC-04);地表沉降速率最大為-0.35 mm(DBCZ33+850),累計沉降最大為-5.52 mm(DBCZ33+870)。

根據監測數據地表及建筑物沉降數據如表6,表7所示。

表6 地表沉降點統計

表7 建筑物沉降點統計[5]

3.2 結果分析與討論

左線試驗段掘進期間的地表及建筑物(地下通道)沉降變化試驗段的數據收集、分析:

1)地表沉降:地表沉降速率變化-0.35 mm～0.57 mm,累計沉降最大為-6.25 mm。

2)建筑物(地下通道):沉降速率變化0.20 mm～-0.30 mm,累計沉降最大為-1.05 mm。

即:在此段盾構施工中,地表沉降速率變化控制在-0.35 mm～0.57 mm,建筑物(地下通道)沉降速率變化在0.20 mm～-0.30 mm。均在可控范圍內,滿足盾構過建筑物(地下通道)的要求。

4 盾構區間下穿既有線正式穿越的參數擬定

4.1 分析及改進正式穿越的盾構掘進參數

結合試驗段的監測情況,經過分析并改進得出適用于正式穿越的盾構掘進施工參數如表8所示。

表8 正式穿越的盾構掘進施工參數

4.2 正式穿越的監測情況及總結

6號線二期盾構區間于2021年8月7日對既有線穿越。根據監測數據顯示:既有區間的沉降速率最大為-0.30 mm,累計沉降最大為-1.05 mm;地表沉降速率最大為-0.44 mm,累計沉降最大為-6.25 mm(見圖4,圖5)。

經過盾構試驗段施工及監測數據分析,通過優化盾構施工參數,在施工過程中管片脫出盾尾每5環后及時進行二次注漿,既有線的最大累計沉降僅為-1.05 mm,地表沉降最大為-6.25 mm,均滿足規范及設計的允許值。

5 結論

根據盾構區間下穿既有線的結果,可以得出以下幾點結論:

1)地質條件對試驗結果產生了顯著影響:地質條件是盾構區間下穿既有線試驗中最重要的因素之一。如果地質條件復雜、地層不穩定或存在較大的水位問題,將對施工過程和結果產生顯著影響。

2)盾構機的選擇和性能對試驗結果產生影響:盾構機的選擇是盾構區間下穿既有線試驗中另一個關鍵因素。盾構機的性能、適應性和操作控制水平將直接影響到施工過程的穩定性和效果。合理選擇和調整盾構機的相關參數對試驗結果的順利實現具有重要意義。

3)盾構區間下穿既有線的變形和位移控制:在試驗中,關注盾構區間下穿既有線的變形和位移控制是非常重要的。通過合理設置支護體系、控制注漿壓力、提前檢測變形和采取相應的補償措施等方式,可以有效降低下穿過程中的變形和位移。

4)設備和工藝的改進對試驗結果的提升起到了積極作用:通過試驗,可以發現一些設備和工藝上的不足之處,進而改進和優化。例如,提升注漿設備的效率、改進施工工藝流程以及優化支護結構等,都可以對試驗結果的順利實現起到積極的推動作用。

綜上所述,盾構區間下穿既有線的結果分析是一個綜合的工作,需要綜合考慮地質條件、盾構機的選擇和性能、變形和位移控制以及設備和工藝的改進等因素。通過科學的數據分析和經驗總結,可以為盾構區間下穿既有線的工程施工提供指導和參考。