盾构区间下穿既有线工程参数分析

雷海明

(中铁第五勘察设计院集团有限公司,北京 102600)

0 引言

在现代城市建设和交通发展中,随着城市规模的不断扩大和人口的增加,交通拥堵问题日益突出,对城市的发展和人们的生活造成了严重影响。为了解决交通拥堵问题,政府部门和交通建设单位纷纷采取盾构技术来进行地下线路建设,这一技术由于具有施工周期短、效率高、资源占用少等优点,成为城市轨道交通建设的首选技术。然而,随着城市地下空间的日益拥挤和建设条件的复杂化,盾构区间下穿既有线工程在实施过程中面临诸多困难和挑战。首先,施工区域狭小,环境复杂,对施工机械和设备的要求较高。其次,隧道施工会对既有线路的运营造成一定的影响,需要制定合理的施工方案和严格的安全措施。此外,隧道施工过程中还会产生振动、噪声等对周边环境造成的影响,需要进行有效的治理和控制。为了保证盾构区间下穿既有线工程的顺利进行,提高施工效率和质量,减少对既有线路的影响,需要对工程参数进行详细分析和设计。本文将对盾构区间下穿既有线工程的施工参数进行分析,包括隧道设计参数、盾构机参数、施工方案参数等。通过对这些参数进行综合考虑和优化设计,可以提高工程的施工效率和质量,减少对既有线路的影响,为城市交通建设提供有力保障。通过对盾构区间下穿既有线工程参数的分析,可以为工程设计和施工提供科学依据和技术支持,为实现城市交通的快速发展和改善人们出行条件做出贡献。同时,也为国内外盾构工程的研究和应用提供参考和借鉴,推动盾构技术的进一步发展和应用。

1 工程概况

1.1 盾构区间概述

西安地铁六号线二期工程广济街站—钟楼站区间左线起止里程ZCK33+690.600—CK34+441.660,左线长750.126 m。右线起止里程YCK33+690.600—CK34+497.901,右线长807.392 m。区间主要采用盾构法施工,左右线分开呈鱼腹式绕避钟楼进入钟楼站,沿途侧穿世纪金花广场、开元商城、地铁2号线区间隧道等重要建构筑物。

盾构左线隧道在ZDK34+243.73—ZDK34+249.73(369环～373环)下穿地铁2号线右线区间隧道,垂直净距为8.299 m,在ZDK34+312.598—ZDK34+318.598(415环～418环)下穿地铁2号线左线隧道,垂直净距为6.00 m;盾构右线隧道在YDK34+246.075—YDK34+252.075(371环～375环)处下穿地铁2号线右线区间隧道,垂直净距为5.742 m,YDK34+307.966—YDK34+313.966(412环～416环)下穿地铁2号线左线隧道,垂直净距为3.99 m[1]。

下穿段隧道平曲线线形为右转R=350 cm,竖曲线线性为29‰上坡掘进,既有地铁2号线区间隧道在6号线盾构下穿时正常运行,环境风险等级为Ⅱ级。关系图如图1所示。

1.2 既有线水文地质情况

盾构下穿部位主要存在潜水,水位距6号线隧道拱顶9.7 m,距隧底15.7 m。既有线的变形控制及监测要求见表1。

表1 既有2号线隧道主要监测项目和控制值[2]

2 盾构区间下穿既有线前参数确定

2.1 试验段划分

根据设计图纸地质剖面图及现场情况,试验段选择与下穿区域范围内地质相同的区域内进行,将风险源控制区划分为试验段和穿越段,具体划分如图2所示。

2.2 试验段工程参数预设

根据施工进度,左线盾构区间下穿2号线期间,施工计划如下(正常施工段10环/d～12环/d,穿越段8环/d)。

本次试验段初始设定盾构参数及技术措施见表2。

表2 初始设定盾构参数

盾构下穿2号线前首先须对盾构机掘进过程中的各项参数进行设定,施工中再根据各种参数的使用效果及地质条件变化在适当的范围内进行调整、优化。须设定的参数主要有土压力、推力、刀盘扭矩、推进速度及刀盘转速、出土量、同步注浆压力、添加剂使用量等。

2.2.1 土压力设定

盾构下穿2号线时,隧道顶部覆土厚度约23.4 m～25.4 m,土的平均重度取19 kN/m3,根据正面平衡压力公式:P=k0γh,k0取0.3,代入公式得上部土压力理论值P≈140 kPa。盾构在下穿过程中,根据2号线监测数据隆起或沉降变化,动态微调土压力。

2.2.2 出土量的设定

本工程使用的管片外径为6 000 mm,环宽为1 500 mm。刀盘的直径为6 280 mm。

每环的出土量:

C=π·L·(D/2)2。

其中,D为刀盘直径;L为管片环宽。

代入计算式计算出每环出土量为46.43 m3,由于渣土中有泥水及泡沫添加剂,在运输组织设计中,按50 m3～53 m3考虑。每环出土量直接反映了盾构机在掘进施工过程中的超挖情况,当超挖较多时,会使出土量骤增。在掘进过程中,必须严格控制每环的出土量,并作好记录。

2.2.3 盾构同步注浆

本区间同步浆液应具有一定强度、和易性、可填充性、凝结时间。同步浆液初凝时间不得超过6 h。根据设计要求,施工前需对浆液配合比进行相关实验确定其满足设计要求,若不满足要求,则调整浆液配比并继续相关实验,直至满足设计要求后方可使用。同步注浆配比表如表3所示。

表3 同步注浆配比表(每立方米)[3]

每推进一环的建筑空隙为:1.5×(6.28-6.0)/4=4.05 m3。

每环的压浆量初步按建筑空隙的130%～150%计算,即每推进一环同步注浆量一般为5 m3～6 m3, 注浆压力一般不超过0.4 MPa。

2.2.4 二次注浆

1)二次注浆主要采用水泥浆,特殊情况下,采用水泥、水玻璃双液浆。通过管片对隧道间隙进行注浆填充。

2)水泥浆配比:m(水泥)∶m(水)=1∶1。

3)双液浆配比:m(水泥)∶m(水玻璃)=1∶1。

4)注浆压力、注浆量:压力控制为0.4 MPa～0.5 MPa,同时加强建构筑物监测和隧道变形监测,密切关注管片错台,确保成型隧道安全。

5)水玻璃模数:2.6～2.8,波美度:39～48之间。

6)凝结时间:20 s～30 s。

7)管片脱出盾尾每5环后进行二次注浆,并多次重复注浆,确保空隙被全部填充密实。

8)当注浆压力达到要求值时即停止压注双液浆,另压注膨润土浆液10 s,确保次注浆孔下次重复使用,然后更换下一个注浆孔。

2.3 试验过程及参数总结

根据施工方案拟定的广济街站—钟楼站左线下穿2号线试验段为316环～355环,盾构掘进主要参数统计如图3所示。

根据折线图,此次316环～341环试验段施工掘进参数统计范围如表4所示。

表4 316环～341环试验段掘进参数

3 盾构区间下穿既有线试验段结果分析

3.1 试验段结果

3.1.1 拼装推进轴线偏差测量

测量人员已完成试验段管片轴线偏差测量,成果均在规范要求范围内,最大水平偏差为32环,-23.1 mm;最大垂直偏差为330环,-12.1 mm;最大上浮为332环,51.4 mm。具体数据见表5。

根据管片姿态测量结果,上浮量主要为35 mm～45 mm,后续施工推进过程可将垂直控制在-35 mm～-45 mm,满足成型隧道控制0 mm～10 mm。

3.1.2 监控量测情况

根据监测数据,地表及过街通道沉降数据如下:

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

根据监测数据地表及建筑物沉降数据如表6,表7所示。

表6 地表沉降点统计

表7 建筑物沉降点统计[5]

3.2 结果分析与讨论

左线试验段掘进期间的地表及建筑物(地下通道)沉降变化试验段的数据收集、分析:

1)地表沉降:地表沉降速率变化-0.35 mm～0.57 mm,累计沉降最大为-6.25 mm。

2)建筑物(地下通道):沉降速率变化0.20 mm～-0.30 mm,累计沉降最大为-1.05 mm。

即:在此段盾构施工中,地表沉降速率变化控制在-0.35 mm～0.57 mm,建筑物(地下通道)沉降速率变化在0.20 mm～-0.30 mm。均在可控范围内,满足盾构过建筑物(地下通道)的要求。

4 盾构区间下穿既有线正式穿越的参数拟定

4.1 分析及改进正式穿越的盾构掘进参数

结合试验段的监测情况,经过分析并改进得出适用于正式穿越的盾构掘进施工参数如表8所示。

表8 正式穿越的盾构掘进施工参数

4.2 正式穿越的监测情况及总结

6号线二期盾构区间于2021年8月7日对既有线穿越。根据监测数据显示:既有区间的沉降速率最大为-0.30 mm,累计沉降最大为-1.05 mm;地表沉降速率最大为-0.44 mm,累计沉降最大为-6.25 mm(见图4,图5)。

经过盾构试验段施工及监测数据分析,通过优化盾构施工参数,在施工过程中管片脱出盾尾每5环后及时进行二次注浆,既有线的最大累计沉降仅为-1.05 mm,地表沉降最大为-6.25 mm,均满足规范及设计的允许值。

5 结论

根据盾构区间下穿既有线的结果,可以得出以下几点结论:

1)地质条件对试验结果产生了显著影响:地质条件是盾构区间下穿既有线试验中最重要的因素之一。如果地质条件复杂、地层不稳定或存在较大的水位问题,将对施工过程和结果产生显著影响。

2)盾构机的选择和性能对试验结果产生影响:盾构机的选择是盾构区间下穿既有线试验中另一个关键因素。盾构机的性能、适应性和操作控制水平将直接影响到施工过程的稳定性和效果。合理选择和调整盾构机的相关参数对试验结果的顺利实现具有重要意义。

3)盾构区间下穿既有线的变形和位移控制:在试验中,关注盾构区间下穿既有线的变形和位移控制是非常重要的。通过合理设置支护体系、控制注浆压力、提前检测变形和采取相应的补偿措施等方式,可以有效降低下穿过程中的变形和位移。

4)设备和工艺的改进对试验结果的提升起到了积极作用:通过试验,可以发现一些设备和工艺上的不足之处,进而改进和优化。例如,提升注浆设备的效率、改进施工工艺流程以及优化支护结构等,都可以对试验结果的顺利实现起到积极的推动作用。

综上所述,盾构区间下穿既有线的结果分析是一个综合的工作,需要综合考虑地质条件、盾构机的选择和性能、变形和位移控制以及设备和工艺的改进等因素。通过科学的数据分析和经验总结,可以为盾构区间下穿既有线的工程施工提供指导和参考。