富水砂層盾構下穿高速鐵路控制技術研究

肖 穎,張 玄,朱凱強,劉帥磊,楊 濤

(1.中交二公局第三工程有限公司,陜西 西安 710016; 2.西安工程大學,陜西 西安 710048)

0 引言

隨著我國軌道交通和鐵路建設的大力發展,地鐵區間隧道穿越高速鐵路軌道的交會工程越來越多,但過往案例的穿越對象多為建筑物,穿越高速鐵路的尚少。高速鐵路以無砟軌道為路基,對軌道平順性要求極高[1-5]。掘進會引起地層損失和周邊環境擾動,新建隧道必然會對既有高速鐵路產生擾動,甚至引起高速鐵路橋樁發生不均勻沉降,而微小的軌道差異沉降或變形都會嚴重威脅到列車的運行安全[6]。盾構穿越施工涉及土層、水土作用、機械掘進等,由于高速鐵路的特殊性與擾動嚴控性,很難借鑒其他穿越工程的研究成果,因此針對盾構下穿高速鐵路施工難題展開相關的控制技術研究具有重要指導意義。

1 工程概況

西安軌道交通10號線東風路站—學府路站區間地鐵盾構隧道在里程CK15+805.594—CK17+503.575處下穿鄭西、大西客運專線灞河特大橋線路,如圖1所示。穿越處左、右線的轉彎半徑分別為1 200,700m。左、右線與鄭西客專平面夾角分別約為76.2°,80.4°,與大西客專平面夾角分別約為78.1°,83.2°,隧道拱頂埋深14.3m,隧道均側穿橋樁,盾構隧道外皮距鄭西客專灞河特大橋和大西客專灞河特大橋橋樁最小凈距分別約為8.95,8.50m。區間場地土層地表分布薄厚不均的雜填土及黃土狀土,其下為細砂、中砂等。盾構隧道主要穿越細、中砂地層。場地內地下潛水位埋深6.800～14.800m,地下水位高程359.670～368.080m,考慮到周圍河水水位等漲幅影響,水位年變幅1.0～3.0m。盾構隧道下穿鐵路地質斷面如圖2所示,下穿土層參數如表1所示。

表1 下穿土層參數

圖1 區間下穿概況

圖2 盾構隧道下穿鐵路地質斷面

2 盾構砂層掘進控制技術

地面沉降控制技術的關鍵是穩定盾構開挖面,及時填充隧道與地層之間的空隙,控制盾構的掘進參數。

2.1 盾構掘進控制措施

此下穿區間采用的φ6 470土壓平衡盾構機主要有土壓平衡、氣壓輔助、常壓3種掘進模式,如圖3所示。本工程選取土壓平衡掘進模式,通過維持掘進過程中開挖量與出土量的平衡來有效保證開挖面的穩定,進而控制地面沉降及對周邊地層的擾動。

圖3 土壓平衡盾構機掘進模式

盾構推進速度主要與正面土倉壓力、千斤頂推力、土層性質等因素有關。穿越時要綜合考慮多因素的協同影響,適當調整推進速度,穩定總推力,以減小地層擾動。此工程盾構下穿高速鐵路地段隧道洞身穿越地層范圍為中砂層,此類地層的工程經驗推進速度為35～55mm/min,日均進尺量為14～18m,實際穿越期間的推進速度控制在35～40mm/min,預計日均進尺量為12～14m,并保持連續掘進。

刀盤開挖直徑為6 470mm,前盾直徑為 6 440mm,單邊最大間隙30mm,該段間隙無土壓支撐、無漿液回填。盾體上部是拱頂沉降控制的難點,針對該問題,在盾體周邊預留的注入孔注入膨潤土,減小盾體上方沉降,降低盾體在砂層中的摩擦力,進而降低推力,減小地層擾動。

2.2 盾構掘進姿態控制技術

1)側穿前調整好盾構機姿態并減少糾偏次數,根據200m試驗段得到的數據確定合理的預偏量,根據隧道曲線半徑大小確定曲線段左轉彎環和標準環的搭配比例。糾偏量控制在每環2mm以內,減少對土體的擾動,施工時重點觀察推進軸線位置變化。注漿時,保持盾構外側注漿量大于內側,避免因盾構機頂進壓力造成管片向曲線外漂移,保證盾構沿設計曲線方向運動。

2)盾構掘進期間,利用自動導向測量系統進行實時監測,并對隧道線路和盾構掘進軸線進行日常復核。由于管片會在側向壓力下偏移到軸線外側,為使隧道最終偏差控制在規范要求范圍內,應考慮在合理的施工條件下為開挖隧道預留一定偏差[7]。根據理論計算和相關施工實踐經驗綜合分析,并考慮開挖區域的地層條件與高速鐵路橋樁埋深,在曲線隧道掘進過程中設置預偏量25～30mm。曲線半徑越小,預偏差越大[8]。在施工過程中,通過監測小半徑段隧道的偏差,適當調整預偏差值。

根據試驗段管片姿態控制結果,確定最終預偏量;推進時速控制在35～40mm/min,連續不間斷推進;每環糾偏量≤10mm/環,油缸壓差≤50bar,行程差≤80mm。掘進參數如表2所示。

表2 曲線段下穿橋樁掘進參數

3 盾構掘進參數

3.1 平衡壓力的設定

盾構施工時,應結合開挖土層的變化設置土壓力值,時刻保持掌子面的壓力平衡,預防地層超挖、欠挖等。開挖完成后應及時填補管片及開挖土體間的間隙,防止后期土體收斂造成地面沉降。如需短時間緊急停機時,啟動盾構機的PID(proportional integral derivative)自動保壓系統。

結合盾構土層地質條件并根據200m盾構試驗段的參數調控土倉壓力,將土倉平衡壓力提高0.1～0.2bar,定為1.0～1.2bar。適當保持土壓平衡,不能出現過大的壓力波動。

P0=k0γH

(1)

式中:P0為靜止土壓力;k0為靜止土壓系數;γ為掘削地層的土體重度(kN/m3),γ=19.4kN/m3;H為掘削面上頂到地面的覆蓋土層的厚度(m),H=12～14m;k0=1-sinφ′,φ′為有效內摩擦角,φ′=33.2°。

將以上參數帶入式(1),得P0=104.8～122.2kN/m2。

3.2 推進出土量控制

采用φ6 470開挖直徑,管片寬度為1.5m,可實現的開挖實土方量為49.29m3/環,根據本標段地質情況及實際掘進記錄,測定松散系數為1.1～1.2(根據試驗段掘進確定準確松散系數),并觀察記錄出土量,平衡進尺量與出土量,每環出土量控制值為64m3。渣土車容量為18m3,控制每車進尺500mm。若出土量超標,應記錄當前里程,并在盾構通過后立即進行二次補漿[9]。必要的情況下采取地面補注漿。掘進1環的出土量控制在57m3左右,計算過程如下:

V=πλD2L/4

(2)

式中:λ為松散系數,該松散系數在試驗段確定,此處取λ=1.1～1.2;D為刀盤開挖直徑,D=6 470mm;L為管片寬度,L=1 500mm。

將以上參數帶入式(2),得V=54.22～59.15m3。

3.3 同步注漿及二次注漿

對于注漿,采取雙控指標控制(注漿量和注漿壓力),在全斷面砂層掘進時,每環壓漿量應達到6.2m3或注入壓力達到4bar。優先選擇注漿量控制,若出現異常,如注漿量不足6.2m3而注入壓力達到4bar,需排查管路情況,預防注漿管路孔徑縮小導致的注入壓力升高,而誤判注漿達到結束標準。若注漿量過低而注入壓力已經達到設定值,可判定為拱頂沉降或應力釋放導致注入困難,及時跟進二次注漿,填補拱頂沉降或應力釋放產生的地層空隙[9]。砂漿填充如圖4所示。

圖4 砂漿填充示意

同步注漿漿液性能控制:漿液的初凝時間為5h以內,單日固結體強度不低于0.2MPa,28d抗壓強度不低于2.5MPa;稠度8～12cm,固結收縮率<5%,傾析率<5%。

普通段注漿量計算:

V=πλ(D2-d2)L/4

(3)

式中:λ為充盈系數,λ取1.5;d為隧道管片直徑,d=6 200mm。

將以上參數帶入式(3),得V=6.04m3。

穿越高速鐵路段時注漿量較普通段增加0.3～0.4倍,即7.8～8.5m3。為確保盾構施工后的沉降控制,盾構施工時有必要在洞內采取環箍二次注漿措施[10],如圖5所示。

圖5 二次注漿

二次注漿漿液選用高強水泥與水玻璃雙液漿,并根據不同地層調整雙液漿配合比,保證漿液擴散半徑不小于0.5m。盾構推進過后相鄰兩環作為一環箍,每6環進行一次環箍注漿,且施作空間在距刀盤13環處。每環5個孔,每孔注入量為0.3～0.5m3,注漿壓力為0.4～0.5MPa。

3.4 下穿區注漿

下穿高速鐵路盾構期間,應按規范要求加強施工監測,及時反饋沉降變形信息。根據監測數據,調整盾構機的各種參數,必要時,根據沉降值的差異性制定加固方案,進行二次補強注漿加固地層。

注漿設備主要有攪拌機、注漿泵、小型鉆機。小導管在洞內采用鉆機頂入或鉆孔安裝方式埋入管片注漿孔內,由于小導管注漿施工時盾構掘進不停工,應派專人針對施工位置進行交通指揮。

盾構下穿高速鐵路范圍采用E型特殊加強襯砌管片。鄰接塊和標準塊上各增加2個注漿孔,原普通段每環管片注漿孔數量由6個增至16個。管片背后注漿采用1∶1水泥-水玻璃雙液漿,注漿管范圍為隧道外輪廓外3m。小導管采用無縫鋼管,規格為φ42,壁厚3.5mm,鋼管長3.0m。注漿孔間距為150mm,直徑為5～8mm,呈梅花形布置。隧道內深孔加固如圖6所示。

圖6 隧道內深孔加固示意

3.5 盾構掘進中渣土改良

渣土改良主要通過添加泡沫或膨潤土達到改良效果。穿越橋墩期間,除少量地段含粉質黏土外,其余均為中砂層,下穿橋墩地層均為中砂層。渣土改良采取以膨潤土為主、泡沫為輔的土體改良方式。前方沉降較難控制時,采用充分膨化的膨潤土對掌子面開挖提供護壁保護。

1)膨潤土

膨潤土是由蒙脫石類礦物組成的黏土,具有良好的懸浮性和觸變性,濾失量小、通壁性能好、配置方便。膨潤土的主要性能參數如表3所示。

表3 膨潤土的主要性能參數

2)泡沫劑

盾構施工專用泡沫劑是渣土改良產品。具有發泡率高、滲透快、無毒害、無腐蝕、綠色環保等特點。泡沫劑對渣土性能改良效果較好,其各項指標均符合施工要求,可較好地解決噴涌等施工難題,確保盾構達到最佳推進效果,泡沫劑的主要性能參數如表4所示。

表4 泡沫劑的主要性能參數

4 結語

1) 盾構在下穿掘進過程中,施工難度大,須嚴格控制掘進姿態,同時協調各掘進參數,完善渣土改良,保證土壓平衡盾構能較好地適應在砂層掘進。

2) 根據現場盾構下穿既有高速鐵路路段的隧道埋深與地質條件,通過200m盾構試驗段,確定盾構下穿施工的具體掘進施工參數。其中分別控制掘進速度為35～40mm/min、出土量為54～60m3、二次注漿壓力為0.4～0.5MPa、下穿注漿量為7.8～8.5m3/環、土倉壓力為1.0～1.2bar。下穿過程中同步注漿和二次注漿要及時跟進。