富水砂层盾构下穿高速铁路控制技术研究

肖 颖,张 玄,朱凯强,刘帅磊,杨 涛

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

0 引言

随着我国轨道交通和铁路建设的大力发展,地铁区间隧道穿越高速铁路轨道的交会工程越来越多,但过往案例的穿越对象多为建筑物,穿越高速铁路的尚少。高速铁路以无砟轨道为路基,对轨道平顺性要求极高[1-5]。掘进会引起地层损失和周边环境扰动,新建隧道必然会对既有高速铁路产生扰动,甚至引起高速铁路桥桩发生不均匀沉降,而微小的轨道差异沉降或变形都会严重威胁到列车的运行安全[6]。盾构穿越施工涉及土层、水土作用、机械掘进等,由于高速铁路的特殊性与扰动严控性,很难借鉴其他穿越工程的研究成果,因此针对盾构下穿高速铁路施工难题展开相关的控制技术研究具有重要指导意义。

1 工程概况

西安轨道交通10号线东风路站—学府路站区间地铁盾构隧道在里程CK15+805.594—CK17+503.575处下穿郑西、大西客运专线灞河特大桥线路,如图1所示。穿越处左、右线的转弯半径分别为1 200,700m。左、右线与郑西客专平面夹角分别约为76.2°,80.4°,与大西客专平面夹角分别约为78.1°,83.2°,隧道拱顶埋深14.3m,隧道均侧穿桥桩,盾构隧道外皮距郑西客专灞河特大桥和大西客专灞河特大桥桥桩最小净距分别约为8.95,8.50m。区间场地土层地表分布薄厚不均的杂填土及黄土状土,其下为细砂、中砂等。盾构隧道主要穿越细、中砂地层。场地内地下潜水位埋深6.800～14.800m,地下水位高程359.670～368.080m,考虑到周围河水水位等涨幅影响,水位年变幅1.0～3.0m。盾构隧道下穿铁路地质断面如图2所示,下穿土层参数如表1所示。

表1 下穿土层参数

图1 区间下穿概况

图2 盾构隧道下穿铁路地质断面

2 盾构砂层掘进控制技术

地面沉降控制技术的关键是稳定盾构开挖面,及时填充隧道与地层之间的空隙,控制盾构的掘进参数。

2.1 盾构掘进控制措施

此下穿区间采用的φ6 470土压平衡盾构机主要有土压平衡、气压辅助、常压3种掘进模式,如图3所示。本工程选取土压平衡掘进模式,通过维持掘进过程中开挖量与出土量的平衡来有效保证开挖面的稳定,进而控制地面沉降及对周边地层的扰动。

图3 土压平衡盾构机掘进模式

盾构推进速度主要与正面土仓压力、千斤顶推力、土层性质等因素有关。穿越时要综合考虑多因素的协同影响,适当调整推进速度,稳定总推力,以减小地层扰动。此工程盾构下穿高速铁路地段隧道洞身穿越地层范围为中砂层,此类地层的工程经验推进速度为35～55mm/min,日均进尺量为14～18m,实际穿越期间的推进速度控制在35～40mm/min,预计日均进尺量为12～14m,并保持连续掘进。

刀盘开挖直径为6 470mm,前盾直径为 6 440mm,单边最大间隙30mm,该段间隙无土压支撑、无浆液回填。盾体上部是拱顶沉降控制的难点,针对该问题,在盾体周边预留的注入孔注入膨润土,减小盾体上方沉降,降低盾体在砂层中的摩擦力,进而降低推力,减小地层扰动。

2.2 盾构掘进姿态控制技术

1)侧穿前调整好盾构机姿态并减少纠偏次数,根据200m试验段得到的数据确定合理的预偏量,根据隧道曲线半径大小确定曲线段左转弯环和标准环的搭配比例。纠偏量控制在每环2mm以内,减少对土体的扰动,施工时重点观察推进轴线位置变化。注浆时,保持盾构外侧注浆量大于内侧,避免因盾构机顶进压力造成管片向曲线外漂移,保证盾构沿设计曲线方向运动。

2)盾构掘进期间,利用自动导向测量系统进行实时监测,并对隧道线路和盾构掘进轴线进行日常复核。由于管片会在侧向压力下偏移到轴线外侧,为使隧道最终偏差控制在规范要求范围内,应考虑在合理的施工条件下为开挖隧道预留一定偏差[7]。根据理论计算和相关施工实践经验综合分析,并考虑开挖区域的地层条件与高速铁路桥桩埋深,在曲线隧道掘进过程中设置预偏量25～30mm。曲线半径越小,预偏差越大[8]。在施工过程中,通过监测小半径段隧道的偏差,适当调整预偏差值。

根据试验段管片姿态控制结果,确定最终预偏量;推进时速控制在35～40mm/min,连续不间断推进;每环纠偏量≤10mm/环,油缸压差≤50bar,行程差≤80mm。掘进参数如表2所示。

表2 曲线段下穿桥桩掘进参数

3 盾构掘进参数

3.1 平衡压力的设定

盾构施工时,应结合开挖土层的变化设置土压力值,时刻保持掌子面的压力平衡,预防地层超挖、欠挖等。开挖完成后应及时填补管片及开挖土体间的间隙,防止后期土体收敛造成地面沉降。如需短时间紧急停机时,启动盾构机的PID(proportional integral derivative)自动保压系统。

结合盾构土层地质条件并根据200m盾构试验段的参数调控土仓压力,将土仓平衡压力提高0.1～0.2bar,定为1.0～1.2bar。适当保持土压平衡,不能出现过大的压力波动。

P0=k0γH

(1)

式中:P0为静止土压力;k0为静止土压系数;γ为掘削地层的土体重度(kN/m3),γ=19.4kN/m3;H为掘削面上顶到地面的覆盖土层的厚度(m),H=12～14m;k0=1-sinφ′,φ′为有效内摩擦角,φ′=33.2°。

将以上参数带入式(1),得P0=104.8～122.2kN/m2。

3.2 推进出土量控制

采用φ6 470开挖直径,管片宽度为1.5m,可实现的开挖实土方量为49.29m3/环,根据本标段地质情况及实际掘进记录,测定松散系数为1.1～1.2(根据试验段掘进确定准确松散系数),并观察记录出土量,平衡进尺量与出土量,每环出土量控制值为64m3。渣土车容量为18m3,控制每车进尺500mm。若出土量超标,应记录当前里程,并在盾构通过后立即进行二次补浆[9]。必要的情况下采取地面补注浆。掘进1环的出土量控制在57m3左右,计算过程如下:

V=πλD2L/4

(2)

式中:λ为松散系数,该松散系数在试验段确定,此处取λ=1.1～1.2;D为刀盘开挖直径,D=6 470mm;L为管片宽度,L=1 500mm。

将以上参数带入式(2),得V=54.22～59.15m3。

3.3 同步注浆及二次注浆

对于注浆,采取双控指标控制(注浆量和注浆压力),在全断面砂层掘进时,每环压浆量应达到6.2m3或注入压力达到4bar。优先选择注浆量控制,若出现异常,如注浆量不足6.2m3而注入压力达到4bar,需排查管路情况,预防注浆管路孔径缩小导致的注入压力升高,而误判注浆达到结束标准。若注浆量过低而注入压力已经达到设定值,可判定为拱顶沉降或应力释放导致注入困难,及时跟进二次注浆,填补拱顶沉降或应力释放产生的地层空隙[9]。砂浆填充如图4所示。

图4 砂浆填充示意

同步注浆浆液性能控制:浆液的初凝时间为5h以内,单日固结体强度不低于0.2MPa,28d抗压强度不低于2.5MPa;稠度8～12cm,固结收缩率<5%,倾析率<5%。

普通段注浆量计算:

V=πλ(D2-d2)L/4

(3)

式中:λ为充盈系数,λ取1.5;d为隧道管片直径,d=6 200mm。

将以上参数带入式(3),得V=6.04m3。

穿越高速铁路段时注浆量较普通段增加0.3～0.4倍,即7.8～8.5m3。为确保盾构施工后的沉降控制,盾构施工时有必要在洞内采取环箍二次注浆措施[10],如图5所示。

图5 二次注浆

二次注浆浆液选用高强水泥与水玻璃双液浆,并根据不同地层调整双液浆配合比,保证浆液扩散半径不小于0.5m。盾构推进过后相邻两环作为一环箍,每6环进行一次环箍注浆,且施作空间在距刀盘13环处。每环5个孔,每孔注入量为0.3～0.5m3,注浆压力为0.4～0.5MPa。

3.4 下穿区注浆

下穿高速铁路盾构期间,应按规范要求加强施工监测,及时反馈沉降变形信息。根据监测数据,调整盾构机的各种参数,必要时,根据沉降值的差异性制定加固方案,进行二次补强注浆加固地层。

注浆设备主要有搅拌机、注浆泵、小型钻机。小导管在洞内采用钻机顶入或钻孔安装方式埋入管片注浆孔内,由于小导管注浆施工时盾构掘进不停工,应派专人针对施工位置进行交通指挥。

盾构下穿高速铁路范围采用E型特殊加强衬砌管片。邻接块和标准块上各增加2个注浆孔,原普通段每环管片注浆孔数量由6个增至16个。管片背后注浆采用1∶1水泥-水玻璃双液浆,注浆管范围为隧道外轮廓外3m。小导管采用无缝钢管,规格为φ42,壁厚3.5mm,钢管长3.0m。注浆孔间距为150mm,直径为5～8mm,呈梅花形布置。隧道内深孔加固如图6所示。

图6 隧道内深孔加固示意

3.5 盾构掘进中渣土改良

渣土改良主要通过添加泡沫或膨润土达到改良效果。穿越桥墩期间,除少量地段含粉质黏土外,其余均为中砂层,下穿桥墩地层均为中砂层。渣土改良采取以膨润土为主、泡沫为辅的土体改良方式。前方沉降较难控制时,采用充分膨化的膨润土对掌子面开挖提供护壁保护。

1)膨润土

膨润土是由蒙脱石类矿物组成的黏土,具有良好的悬浮性和触变性,滤失量小、通壁性能好、配置方便。膨润土的主要性能参数如表3所示。

表3 膨润土的主要性能参数

2)泡沫剂

盾构施工专用泡沫剂是渣土改良产品。具有发泡率高、渗透快、无毒害、无腐蚀、绿色环保等特点。泡沫剂对渣土性能改良效果较好,其各项指标均符合施工要求,可较好地解决喷涌等施工难题,确保盾构达到最佳推进效果,泡沫剂的主要性能参数如表4所示。

表4 泡沫剂的主要性能参数

4 结语

1) 盾构在下穿掘进过程中,施工难度大,须严格控制掘进姿态,同时协调各掘进参数,完善渣土改良,保证土压平衡盾构能较好地适应在砂层掘进。

2) 根据现场盾构下穿既有高速铁路路段的隧道埋深与地质条件,通过200m盾构试验段,确定盾构下穿施工的具体掘进施工参数。其中分别控制掘进速度为35～40mm/min、出土量为54～60m3、二次注浆压力为0.4～0.5MPa、下穿注浆量为7.8～8.5m3/环、土仓压力为1.0～1.2bar。下穿过程中同步注浆和二次注浆要及时跟进。