富水软土地层盾构隧道下穿大型铁路编组站掘进控制技术*

王小刚

(中国水利水电第七工程局有限公司,四川 成都 610081)

0 引言

随着我国经济的快速发展,城市轨道交通项目建设也逐渐兴起,其中盾构施工法因其对周边环境影响小、适应范围广及施工快速等优点[1]在地铁隧道建设中得到广泛运用。近年来,城市地铁建设密度不断增加,建筑物地下室及基础工程等地下部分也越发复杂,尤其在建筑密度很高的一线城市,会不可避免地出现隧道下穿既有重要建(构)筑物。在隧道施工过程中,盾构掘进必然会对周边地层产生扰动,破坏地层原始的力学平衡,从而造成地层竖向沉降及既有结构变形、内力变化,施工过程中需严格监测和控制既有结构的变形[2]。因此,针对盾构隧道下穿施工对既有结构的影响引起越来越多的技术人员及学者的重视。

开展盾构隧道下穿施工的研究方法主要包括数值模拟、室内模型试验及施工监测数据分析3方面。阮雷等[3],陈聪等[4],孙雪兵[5]对盾构施工的全过程进行了数值模拟,分析了埋深、桩隧净距等条件下盾构施工对铁路桥梁结构变形及地表沉降的影响规律。章慧健等[6]采用数值模拟方法,基于隧道与建筑物间的夹岩应力状态变化趋势,建立隧道近接建筑物施工的影响分区。蔡向辉[7-8],贺思悦[9]建立既有铁路轨道实体模型,探讨了盾构下穿施工过程中轨道变形规律,并分析了不同开挖参数的影响。王立新等[10-11]进行模型试验与数值模拟,分析了隧道开挖过程中高速铁路路基的地表沉降、上方桩基础轴力及围岩径向应力,并验证了管幕加固工法的效果。杨林松等[12]通过土工离心机模拟超大直径盾构下穿铁路,研究了铁路沿线及隧道地表的沉降规律。杨成永等[13],何川等[14],祝思然等[15],崔玉龙[16]结合数值模拟和现场测试数据,研究了新建隧道影响下已运营隧道的地层变形、加固措施、隧道位移,提出了盾构隧道近距离下穿已运营隧道的变形控制措施。杨建烽等[17],刘士海等[18],朱蕾等[19],张琼方等[20]对既有结构变形进行现场监测数据分析,探究既有隧道在新建隧道盾构下穿过程施工中的沉降控制方法。谢雄耀等[21]结合壁后注浆雷达检测和自动化监测平台提出了“微沉降”的施工控制技术,对盾构隧道下穿老旧建筑物的地表沉降进行了控制。

上述研究多针对变形规律与沉降控制,而对于建(构)筑物加固措施、盾构穿越过程中关键技术的总结及应用效果的研究较少。基于此,本文以郑州地铁8号线五龙口站—同乐站区间为工程背景,提出工程重难点的同时,对施工过程中加固参数、盾构施工关键技术及实施效果进行总结,以期为类似盾构下穿工程提供借鉴和参考。

1 工程概况

郑州地铁8号线五龙口站—同乐站区间(以下简称“五—同区间”)为8号线一期工程的第10个区间,位于8号线线路中段。右线长 2 103.329m(含长链5.379m),左线长 2 096.363m(含短链1.660m)。区间为V坡,最大坡度为2.4%,最小曲线半径R=700m,线间距11～32m,隧道拱顶埋深12.3～28.7m。区间正线隧道采用盾构法施工,支护结构采用C50混凝土、P12抗渗等级的钢筋混凝土管片衬砌,衬砌环外径6.2m,内径5.5m,宽1.5m,厚0.35m。区间采用通用楔形管片,管片最大楔形量40mm。管片采用错缝拼装方式,每环管片纵缝采用12个M30连接螺栓,每环环缝采用16个M30连接螺栓。

郑州火车北编组站是亚洲最大的列车编组站,也是五—同区间盾构隧道下穿施工重点关注的建(构)筑物。该站南北长6 000余m、东西宽800余m, 占地5.3km2,采用双向纵列式三级六场机械化驼峰编组站站型。区间隧道以82°的交角下穿郑州北编组站编组场,其中,隧道穿越郑州北编组站长度为633m。根据郑州北编组站现场调查情况与收集到的相关资料,区间隧道穿越郑州北编组站铁路区段线上设备主要有轨道、道床、接触网立柱、接触网、信号灯等相关专业设施设备,此外隧道还下穿站内卸货仓库等建(构)筑物,如图1所示。其中,盾构隧道与接触网立柱基础的最小竖向净距约为13.25m,与卸货仓库桩基的最小竖向净距为12.96m。

图1 郑州北编组站构筑物分布Fig.1 Distribution of structures in Zhengzhou North Marshalling Station

2 工程水文地质条件

在穿越郑州北编组站范围区间,隧道主要穿越③36,③37黏质粉土地层和③41粉砂地层,郑州北编组地质断面如图2所示,该段隧道拱顶埋深16.7～25.4m。其中③36黏质粉土呈黄褐色,湿,密实,干强度及韧性低,摇震反应中等,稍有黏性,含少量姜石,一般粒径5～15mm,局部夹粉质黏土薄层,黄褐色,可塑;③37黏质粉土呈黄褐色,湿,中密,干强度及韧性低,摇震反应中等,稍有黏性,含少量姜石,一般粒径5～25mm,局部夹粉质黏土薄层,黄褐色,可塑,局部姜石富集,一般粒径5～25mm,最大粒径55mm;③41粉砂呈褐黄色,饱和,密实,主要矿物成分为长石、石英,含少量云母。

图2 盾构穿越郑州北编组站段地质断面(单位:m)Fig.2 Geological section of shield crossing Zhengzhou North Marshalling Station(unit:m)

本站区域勘察期间地下水稳定水位埋深为8.0～13.2m, 据调查,本场地地下水年变幅为1.0～2.0m,近3～5年地下水变幅3.0～5.0m,历史最高水位埋深为1.0m。地下水类型为第四松散岩类潜水,地下水主要赋存于粉土、粉质黏土中,主要由大气降水入渗、地表渗水、地下水侧向径流等补给,地下水的排泄主要为开采排泄和蒸发排泄。本区段未发现诸如塌陷、岩溶、滑坡、采空区、地面沉降、地裂缝等不良地质作用。场地地形平坦,不存在天然边坡。

3 工程重难点

综合考虑五—同区间下穿大型编组站的水文地质条件、诸多风险源等因素,本区段施工过程中存在以下重难点。

1)软土地层刀盘结饼 五—同区间隧道穿越郑州北编组站段地质条件为黏质粉土,在此类地层掘进时,刀盘中心区和土仓中心区易形成“泥饼”,产生堵仓现象,造成刀盘转动负荷加大,排土不畅,甚至停止转动,同时造成土仓内温度升高,影响主轴承密封的寿命,严重时会造成主轴承密封老化破坏,“泥饼”现象往往会堵塞刀箱,使刀具发生偏磨。

2)地表沉降控制 在粉质黏土、黏质粉土、粉砂地层条件下,盾构机掘进施工时会产生较大沉降。另外,由于刀盘掘进扰动地层产生超挖,此时同步注浆尚不能补充,易形成空洞。故即使当时不会发生沉降,但盾构过后地面会陆续发生沉降。

3)螺旋机喷涌 盾构穿越郑州北编组站段地层部分含粉砂层,粉砂层为本区间的含水层,隧道拱顶低于地下水位线,隧道掘进施工有涌水风险。富水粉砂地层中承压水位高,土仓一旦建压极易发生螺旋机出口的喷涌,导致土仓失压。

4)砂层卡盾磨损 富水粉砂、黏质粉土地层自稳性较差,当土仓压力过低时易发生坍塌,或在盾体长度范围内(土仓压力已不能影响到该区域)收敛围裹盾体,由于砂层的摩擦阻力大,盾体所受推阻力很大,易发生卡盾现象。砂性渣土对刀具及螺旋机的磨损作用强烈。

4 大型编组站线路加固方案

在盾构机穿越郑州北编组站前,为尽量降低盾构施工对既有铁轨线路的影响,对郑州北编组站内外通线、内通线、B7线路扣轨进行加固,加固长度为65m,顺铁路方向两侧各32.5m,采用3-5-3扣轨加固方式,如图3所示。

图3 扣轨加固布置Fig.3 Reinforcement layout of rail fastening

其中,外通线、内通线、B7线线路方向为纵梁,垂直于线路方向为横梁,纵梁采用P50钢轨,横梁采用木枕。在线路既有2根混凝土枕间增加1根木枕,采用隔一插一的方法增加木枕,木枕尺寸为320cm×28cm×22cm(长×高×宽),如图4所示。木枕上放置钢轨作为纵梁,横梁与纵梁间隙采用木楔填块填充,纵梁布置形式为:内通线、外通线、B7线轨道两外侧各采用3根P50轨进行加固,3根轨道采用“正-反-正”方式紧密贴合,顺铁路线路平行布置,距铁路线路既有轨道448mm。在外通线、内通线、B7线线路轨道正中间采用5根P50轨进行扣轨加固,5根轨道采用“正-反-正-反-正”的方式紧密贴合,顺铁路线路布置。扣轨与横梁采用U形螺栓连接,螺栓采用φ22圆钢制成,U形螺栓宽264mm,长472mm,端部80mm为螺纹段,螺纹为M22型,U形螺栓从木枕下方穿过,带有螺纹端朝上,方便安装扣板进行紧固;扣板尺寸长477mm,高110mm,在扣板两侧各有φ22螺栓孔,U形螺栓从扣板螺栓孔穿出后,采用2个螺母进行紧固,如图5所示。

图4 扣轨加固断面布置Fig.4 Layout of track fastening section

图5 扣轨、枕木联接Fig.5 Rail fastening and sleeper connection

5 盾构施工关键技术

5.1 掘进参数控制

为确保盾构安全、匀速地穿越郑州大型北编组站风险源,盾构推进过程中须减少对周边土体的超挖,避免较大的地层波动,穿越铁路段施工过程中盾构掘进参数如表1所示。

表1 掘进参数设定Table 1 Excavation parameter setting

5.2 渣土改良控制

盾构机在穿越大型郑州编组站时,由于主要穿越地层为黏质粉土,为稳定开挖面,防止刀盘产生泥饼、降低刀盘扭矩,联合采用泡沫剂和高分子材料对渣土进行改良。渣土改良添加剂参数如表2所示。

表2 渣土改良添加剂参数Table 2 Parameters of additives for soil improvement

在掘进过程中出现刀盘结泥饼现象,采取高分子材料和发泡剂配合使用预防和解决盾构机在黏土层中的掘进问题。高分子材料的稀溶液也可在黏性土中使用,其能在渣土表面形成一层韧性高分子膜,具有极好的润滑性能,可防止土仓内结泥饼,使黏土成塑性流动,减少刀具和皮带的磨损。实际使用时,砂砾层中建议按0.2%～0.5%的比例稀释,注入率为10%～20%;在黏性土中建议按0.03%～0.1%的比例稀释,注入率为25%～40%。当与其他外加剂配合使用时,可酌量增减。

5.3 出土量控制

为保证开挖面及土仓的土压平衡,盾构机推进过程中须严格控制螺旋输送机的出土量。本区段盾构掘进地层主要为黏质粉土地层,根据前期掘进出土测取经验值,盾构掘进理论出土量为48.83m3/环,每环理论出土量乘松散系数1.15～1.2,为56.1～58.6m3。须严密观测每环出渣量,在土斗装土时密切关注摄像头和土车满载/空载信息,以便及时停止螺旋输送机。土车装土前,应观察渣车内剩余土量,掘进后观察满斗装载量,以估算出土量。龙门式起重机装有称重系统来精确计算出土量,做好记录,出现异常情况及时汇报并分析原因。同时也应注意检查皮带机的皮带张紧力,若松弛要及时调节。当发现土体状况不良时,可通过加入泡沫或膨润土调节。

掘进时还须配合地面监测,及时调整掘进参数,使盾构安全平稳推进。同时加强盾构掘进尺与出土量的对比,避免超量出土。

5.4 同步注浆控制

盾构推进过程中,同步注浆压力应略大于该地层位置的静止水压力,同时避免浆液进入盾构机土仓中,一般而言,注浆压力取1.1～1.2倍的静止水压力。最初的注浆压力是根据理论静止水压力确定的,在实际掘进过程中需不断优化调整。若注浆压力过大,会导致管片变形,还易漏浆;若注浆压力过小,则浆液无法渗入岩层裂隙中,止水效果差。

由于从盾尾圆周上多点同时注浆,考虑到水压力的差别和防止管片大幅度下沉和浮起的需要,各点的注浆压力将不尽相同,并保持合适的压差,以达到最佳效果。下部每孔的压力比上部每孔的压力大0.5～1bar。在盾构穿越郑州北编组站时,上部注浆压力为2～2.5bar,下部注浆压力为3～3.5bar,同步注浆配合比为:水泥∶砂∶粉煤灰∶膨润土∶水(kg/m3)=160∶800∶400∶66∶533。

另外,同步注浆速度应与掘进速度相匹配,按盾构完成1.5m/环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度,达到均匀注浆的目的。注浆结束标准采用注浆压力和注浆量双指标控制,即当注浆压力达到设定值,注浆量达到设计值的95%以上时,即可认为满足质量要求。通过监控量测对本设计参数进行优化,使注浆效果更佳。注浆效果检查主要采用分析法,即根据压力-注浆量-时间曲线,结合管片、地表及周围建筑物量测结果进行综合评价。

5.5 二次注浆

根据区间图纸设计,盾构穿越郑州北编组站隧道每环管片增设10个注浆孔,施工过程中根据监测情况及时进行二次补浆,以限制地层沉降,确保铁路路基的安全。

盾构推进时同步注浆的浆液在填补建筑空隙时可能会存在一定间隙,且浆液的收缩变形也可能引起地面沉降。为控制土体后期沉降量,应根据监测数据进行二次注浆,结合现场施工及监测情况对浆液配合比进行动态调整,保证浆液能快速充填密实,并在较短时间内达到一定强度。

管片脱出盾尾后,需及时对隧道顶部135°范围内的预留注浆孔进行二次补偿注浆,隔断地下水向刀盘方向流动的路径,填充同步注浆未能填充到的建筑空隙。

二次注浆主要有单液浆和双液浆2种注入方案,单液浆一般采用水∶水泥=1∶1(质量比)的水泥浆液,手动控制;双液浆采用水泥浆∶水玻璃=1∶1(体积比)的混合浆液。注浆压力控制在3～5bar,注浆量为0.5～1.2m3/环。施工时应通过现场试验调整注浆压力确保注浆扩散半径。注浆时机应控制在距开挖面20m左右。

5.6 克泥效工法

为确保盾构顺利下穿,并保证地面安全,避免地面不均匀沉降,预防建筑物、铁路的沉降变形、开裂等。根据设计要求对该下穿段采用克泥效工法降低地表沉降风险。在试验段同步注入克泥效,及时填充开挖形成的间隙,保证上方土体稳定,从而降低第3阶段盾构掘进扰动引起土体自然下沉及后续沉降的风险,并通过沉降数据及时调整注入参数,为后期进入风险源时提供经验与参数参考。

克泥效工法是将高浓度的泥水材料(“克泥效”水溶液,常用浓度为380～420kg/m3)与塑强调整剂(水玻璃40°Be′)2种液体分别以配管压送到盾体径向孔处,再将2种液体以体积比20∶1的比例混合,形成高黏度塑性、具有支撑力的挡水性胶化体后,在盾构机掘进过程中同步注入到盾体外,填充盾体与土体间的间隙,有效控制盾构推进时所引起的第3阶段沉降,辅助第4阶段沉降控制。

根据区间地质条件,下穿郑州北编组站隧道穿越范围内主要为黏质粉土地层,本站区域勘察期间地下水稳定水位埋深8～13.2m,注入率为150%。因此注入克泥效应既能填充开挖面与盾体间间隙,又能将对地层的影响降低到最小。

5.7 施工实施成果

郑州市轨道交通8号线五—同区间盾构下穿郑州北编组站过程中,地表竖向累积变化最大值为 -4.76mm, 水平累积变化最大值为-1.88mm;内外通线竖向累积位移最大变化区间为-4.85～3.54mm,水平累积位移最大变化区间为-3.80～2.89mm;B7线路竖向累积位移最大变化区间为 -4.78～0.73mm, 水平累积位移最大变化区间为 -2.29～1.44mm; 接触网杆支柱的倾斜累积变化区间为-0.11%～0.14%,小于0.3%的预警值;最大沉降 -2.97mm。 上述累积变化值均符合设计要求,下穿区间对铁路运营均未产生影响。

6 结语

盾构隧道在穿越大型铁路编组站时,首先通过大型编组站线路的扣轨加固减小了盾构掘进对既有运营铁路轨道的影响;随后通过控制盾构施工过程中的土仓压力、推力、扭矩、掘进速度、刀盘转速等掘进参数,进一步减小土体扰动,并根据地层沉降变化及时调整盾构施工参数;最后结合渣土改良、出土量控制、同步注浆、二次注浆及克泥效工法及时控制隧道周边地层变形。采用上述措施大大降低了施工风险,保证了盾构穿越大型铁路编组站的施工安全。