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地铁盾构下穿既有线铁路道岔区施工技术研究
发布日期:2018-02-08 11:01:58
 地铁盾构下穿既有线铁路道岔区施工技术研究

摘  要:为确保盾构区间下穿既有线铁路道岔区施工过程中,既有线铁路道岔区的运营和盾构施工安全,通过模拟计算分析,确定铁路路基沉降控制方案。采取路基预加固,并控制盾构掘进参数和洞内注浆的措施,成功完成了郑州市轨道交通2号线航海东路站~长江路站盾构区间下穿京广铁路道岔区施工,路基沉降可控。
关键词:下穿既有线  盾构区间  预加固  袖阀管注浆 道岔区


引言

        随着城市轨道交通建设的快速发展,施工过程中不可避免的会遇到区间隧道下穿既有线铁路的情况。盾构法施工区间隧道,采用调整掘进速度和洞内注浆的方法,基本能够控制地面沉降在可控范围内,但既有线铁路尤其道岔区沉降控制标准高,须进行预加固措施以达到盾构施工和铁路运营安全的目的。本文以郑州市轨道交通2号线航海东路站~长江路站盾构区间下穿京广铁路道岔区施工为例,介绍地铁盾构下穿既有线铁路道岔区施工技术。

1 工程概况


        郑州市轨道交通2号线一期工程航海东路站~长江路站区间为双线单洞圆型隧道,右线起讫里程YDK23+543.500~YDK24+981.000,全长1437.314m,左线起讫里程ZDK23+543.500~ZDK24+981.000,全长1437.578m,采用盾构法施工。盾构机从长江路站北端头右线始发,向北掘进至航海东路站,在航海东路站南端吊出转场,再次在长江路站北端头始发,掘进左线。

图1 航海东路站~长江路站平面示意图

        航海东路站~长江路站区间在YDK24+78.947~YDK24+101.798位置下穿京广铁路(北侧116号道岔~102号道岔,南侧112号道岔~247号道岔,斜向穿越铁路路基宽度约22m),隧道与铁路斜向交角139.1°,隧道结构顶部埋深约10.82m。铁路道床为碎石道床。


图2 盾构隧道与既有线铁路平面位置图

 
2 既有线铁路沉降控制标准

        区间隧道施工时,一般建构筑物沉降累计控制值为15mm,沉降速率控制指标2mm/d。铁路路基沉降控制要求较严格。按铁道部颁发的2006年10月1日起施行的修改合并后的《铁路线路修理规则》(铁运【2006】146号)文件,第6.2.1条和6.2.2条,制定了京广铁路的路基允许沉降标准:

(1)接触网线岔纵横向偏差≤7mm
(2)轨面沉降值不得超过8mm;
(3)相邻两股钢轨水平高差不得超过8mm;
(4)相邻两股钢轨三角坑不得超过8mm。

3 盾构施工模拟分析

3.1 盾构施工对地面沉降的影响模拟分析

3.1.1 模拟计算不采取保护措施地面沉降与隆起


        右线盾构开始掘进,掌子面前方土体卸荷,地面开始沉降,沉降约4mm。


        随着右线盾构的进一步掘进,地面沉降在累积,沉降区域在不断扩大,至右线盾构完全通过,地面沉降量达到10.1mm。

        左线盾构开始掘进,沉降量变化不大,沉降范围在扩大,地面沉降保持在约10.8mm。

        左线盾构掘进结束,地面沉降最大达到约11. 7mm。沉降范围在左线一侧扩大,和右线连为一体。

3.1.2 地面沉降与隆起变化过程描述


        盾构机开挖前,岩土体完成自身的固结沉降,随着盾构机每一步的开挖掘进,区间隧道因岩土体开挖初始地应力释放会导致洞室周边土体发生相应的应变位移,主要表现为竖直方向上岩土体的沉降,从而带动地面发生沉降。

        运用GTS软件对施工开挖每一步进行模拟,其中每一开挖步产生的岩土体位移变化量相互叠加。通过观察分析每一开挖步周边岩土体产生的位移变化量,可得出以下结论:

(1)每一步开挖后,掌子面前方约5m范围内因为土体卸荷导致地层开始下沉,但由于盾构机在掌子面处有一定的支护作用,地层下沉引起的地面下沉量不是很大,约3~5mm。
(2)随着盾构机的推进,在掌子面后方约10m范围内由于盾尾空缺以及建筑空隙引起地层沉降逐渐加大,从而导致地面沉降逐渐增大,最大时达到近11mm。
(3)开挖面过去约10~15米后,地层的扰动逐渐消失,同时盾尾脱出后产生的周边岩土与管片间的建筑空隙得到了盾尾同步注浆的及时填充, 对地层产生了很好的支撑,有效的抑制了地层沉降的进一步发展,地面沉降也开始趋于稳定。

3.2洞内注浆控制建筑物变形分析


        为抑制地面沉降,一般有地面加固及洞内处理两种方法。地面处理一般应用在地面有可操作施工空间及地面加固有明显效果的地方;洞内加固一般应用在地面无充分的施工场地并且加固对控制沉降有较高要求的地方;建筑物周边加固施工场地有限,所以优先考虑采用洞内加固措施。

        由于目前国内盾构掘进水平已经大幅度提高,在控制地面沉降方面已经有足够的经验和技术,所以通过以下洞内加固措施完全可以将地面沉降、构筑物变形控制在允许的范围内:

①同步注浆:同步注浆量应控制在理论空隙量的150%~200%,注浆速度控制为0.0375~0.0625m3/min。注浆材料选用水泥砂浆。
②二次注浆:加强二次注浆。二次注浆从盾尾后10环开始进行壁后注浆,二次注浆压力按比同步注浆压力高出0.01~0.03MPa来控制。二次注浆采用双液浆,双液浆的配比应通过试验确定,需保证注浆的饱满,同时防止浆液的大范围流动和流失,达到早强快凝的效果。
③补强注浆:如果盾构机通过后发现地面沉降超限,则经会商后可通过管片顶部开孔打花管进行洞内补强注浆。

3.2.1 模拟计算采取洞内注浆加固措施后地面沉降与隆起


        计算参数选取:洞内注浆加固范围管片外四周0.2m,加固后的土体无侧限抗压强度0.8MPa,弹性模量70MPa,黏聚力取40KPa,内摩擦角取40°。

        右线盾构开始掘进,掌子面前方土体卸荷,地面开始沉降,带动地面沉降约3mm。

        随着右线盾构的进一步掘进,地面沉降在累积,沉降区域在不断扩大,至右线盾构完全通过建筑物,地面沉降达到6.67mm。

        左线盾构开始掘进,地面沉降量达到约7.6mm,沉降范围在扩大。

        左线盾构掘进结束,地面沉降最大达到约8.6mm。沉降范围在右线一侧扩大,和右线连为一体。

3.2.2 地面沉降应于隆起变化过程描述


        计算模拟显示,通过一系列的控制措施,可以将地面沉降控制在9mm以内,可确保建筑物安全。因此盾构下穿建筑物过程中采取洞内注浆措施,控制建筑物变形及地面沉降。但不能够确保既有线道岔区路基沉降≤7mm。

2.3 采取路基预加固措施分析


        盾构隧道下穿铁路既有线除了采用控制掘进参数,洞内注浆加固等常规措施外,还需对铁路进行预加固,确保铁路正常运行。因此对加固措施进行了比选,根据比选结果,决定采用地面预注浆措施对铁路路基进行加固。

                   路基加固方案比选表                          表1

备选方案1、预注浆加固2、钢便梁加固或扣轨加固3、盾构施工过程中采取洞内注浆
该方案优点施工较为方便,不影响铁路既有线运营,改善铁路路基下土体。安全可靠,线路状态稳定,不需更换轨枕施工便利
该方案缺点加固施工过程中,对铁路路基下土体有挠动,施工过程中应进行监测施工较为复杂,对铁路运营有影响,需要要点停车或慢行盾构下穿铁路时,风险大,地面沉降无法控制到铁路允许沉降范围内
决策实施采用不采用不采用

2.3.1 预注浆加固保护措施

        采用分层注浆加固,注浆孔与地面的夹角根据沉降区到地面注浆钻孔区的距离决定。注浆材料采用复合浆液,缩短胶凝时间,以控制注浆压力和扩散范围,注浆压力和注浆速度根据线路轨道变形的监测数据进行调整,减小注浆对基床的影响。

        预加固时会对土体产生一定的扰动,随土体密实形成的隆起或沉降量超标很可能会影响铁路的正常运行。施工时采用预埋管作为必要的泄压孔,一旦监测组发现线路有隆起超过设计要求时立即打开泄压孔让多余的水泥浆液排出土体外,控制地面隆起。

        预加固注浆参数,要求PS≥0.6Mpa(路基下6m深度范围内不加固);加固区域如下图所示。
图3 预加固钻孔区平面图
图4 预加固区剖面图

2.3.2 模拟计算采取地面预注浆预加固后的路基沉降与隆起

        计算参数选取:铁路计算荷载,按中-活载,时速160km/h进行均布荷载转换,转化铁路股道范围内的均布荷载按100kpa考虑。管片厚度300mm。洞内注浆加固范围管片外四周0.2m,加固后的土体无侧限抗压强度0.8MPa,弹性模量70MPa,黏聚力取40KPa,内摩擦角取40度。地面预注浆加固范围按拱顶以上3m范围土体考虑。
FLAC三维模型轴测图

        盾构掘进过程中,盾构上方铁路路基沉降量最大约3.3mm

        盾构掘进过程中,取出边界效应,模型范围内地面最大沉降约5mm。

        计算模拟显示,通过一系列的洞内控制措施和地面预注浆加固,可以将铁路路基沉降控制在5mm以内,满足京广铁路的行车安全。

4 盾构法施工控制技术

4.1 确定掘进参数


        为减少盾构施工对周围土体的扰动,关键技术是保持盾构开挖面的稳定和管片脱出盾尾时及时填充盾尾建筑空隙。盾构开挖面的稳定通过优化掘进参数来控制,建筑空隙的填充则采用同步注浆、二次注浆等来实现。通过前100环掘进试验,总结的掘进参数如下:土仓压力0.8bar,推进速度3~4cm/min;排土量平均为55m3;刀盘转速1.2~1.3r/min;注浆压力0.15~0.2Mpa,注浆量6~6.5 m3

4.2 优化掘进参数


        盾构推进通过设定推进速度,调整盾构机的排土量来实现土压平衡,控制地层压力与土仓压力的差值在一定范围,将土仓压力波动控制在0.3bar内,以控制地面沉降。

        在推进到达铁路影响范围前50米左右时,按照预定的各项推进参数进行推进,根据地面沉降等各种反映出的变化,不断地调整推进参数,达到推进的理想参数配置,为真正穿越建筑物及铁路取得试验数据。

        盾构推进通过对土压传感器检测的数据来控制千斤顶的推进速度,推进速度控制在3~4cm/min,并在推进过程中保持匀速稳定,每日推进6~8环;排土量为理论值的98%,施工中保持推进速度与出土速度相匹配。

        盾构推进中,调整好盾构机姿态,使实际施工隧道轴线与设计轴线尽量保持一直,减少纠偏。

        为防止盾构掘进时,地下水及同步注浆浆液从盾尾窜入隧道,须在盾尾钢丝刷位置加强盾尾油脂注入,确保施工中盾尾与管片的间歇内充满盾尾油脂,以达到盾构的密封功能。

        定时保养盾构机,保持盾构机各部分的正常运转,以顺利通过穿越区。

4.3 同步注浆与二次注浆

(1)同步注浆


        同步注浆液采用单液浆,水泥砂浆基准配合比如下表所示。该浆液凝胶时间短,以便在填充地层的同时能尽早获得浆液固结体强度,保证开挖面安全并防止漏浆。

                       同步注浆配合比                          表2

细砂(㎏)水泥(㎏)膨润土(㎏)粉煤灰(㎏)水(㎏)初凝时间(h)
8581322091795976

        注浆压力为0.15~0.2Mpa左右,实际注浆量采用理论值的150%~200%,注浆速度控制为0.0375~0.0625m3/min。现场通过注浆压力和注浆量2个指标来控制。

        隧道推进过程中,注浆量根据不同的地质情况和地表隆陷监测情况进行调整和动态管理。以满足控制地表隆陷为原则,以控制地表稍微向上隆起1~3mm为宜。

(2)二次注浆


        根据地表沉降监测结果,及时有针对性的进行二次注浆。为保证浆液在管片外充填密实,减小地面沉降,对盾尾后部10环以外的管片进行壁后二次补浆,采用水泥-水玻璃双液浆,二次注浆压力按比同步注浆压力高出0.01~0.03MPa。双液浆的配比通过试验确定,保证注浆的饱满,同时防止浆液的大范围流动和流失,达到早强快凝的效果。

                        二次注浆配比                          表3

浆液名称水玻璃水灰比A、B液混合体积比
双液浆35Be°0.8~1.01:1
 

        施工中对各项参数(注浆量、注浆压力、注浆的点位、配合比、持续时间等参数)做详细记录,根据地层变形监测信息及时调整,在确保压浆质量的前提下,方能进行下一环的推进施工。随时观察隧道结构变化,避免注浆压力过大影响隧道结构安全或浆液突窜至地表。

5 铁路路基预注浆加固技术

5.1 加固范围


        为进一步抑制地面沉降,保证京广铁路运行安全,对铁路下方土体进行预注浆加固,要求PS≥0.6Mpa(路基下6m深度范围内不加固),预注浆加固采用袖阀管加固技术。对铁路112号道岔至247号道岔南侧距铁路5.186米处下方铁路道床土体进行地面预注浆加固处理,加固施工区长50米,宽4米,共设注浆孔200个,孔深16米~26米;对铁路116号道岔至108号道岔北侧距铁路4.76米处下方铁路道床土体进行地面预注浆加固处理,加固区长50米,宽1米,共设注浆孔50个,孔深16.2~17.8米,标高90.58~100.8m。

5.2 施工工艺
图5 路基加固施工流程图

5.3 施工内容

        (1)浆液材料的选择及配制

①材料的选择
水泥采用P.O 42.5水泥,保证新鲜无结块;
水玻璃:模数2.5~3.3,浓度30~45波美度。
②配合比
水灰比为 0.5,并掺加适量的速凝促进剂。现场施工前做压浆实验,确定最优配合比。
每立方土体需用水泥176kg、水玻璃5.67kg、促进剂10.3kg。
浆液初凝时间: 30~90s。


        (2)成孔及注浆

        成孔注浆前,先做几个注浆孔试压,注浆压力和注浆量以铁路轨道顶面不沉隆为控制标准,取得经验数据后,方可进行正式施工。

①孔位布置:加固区域第一排注浆斜孔按一排布置(距边线4m),孔距1000mm;加固区域其他注浆斜孔按梅花形布置,孔距1000mm。加固区注浆管布置图见下图:
图6 空位布置平面示意图

②钻孔:钻孔采用地质钻机,钻机定位并校正垂直度和倾斜度,钻机造孔至设计底标下0.3m,钻孔的位置与设计位置的偏差不大于50mm。
③安放塑料阀管并封口,以防泥土流入管内影响施工。
④插管:将注浆头插入花管内,接上注浆管,封堵管口。
⑤注浆:第一次注浆完成后,将注浆管向上再提升40cm,开始第二次地基土注浆,同样工序共进行数十次,就可由下而上完成整个加固厚度范围的注浆作业。注浆流量15~20L/min,注浆压力为1.5 Mpa,以下压力逐渐加大,但最大不超过2 Mpa,注浆压力和注浆量以铁路轨道顶面不沉隆为控制标准。
⑥冲洗:喷射施工完毕后,把注浆管等机械设备冲洗干净,避免管内、注浆机内残留水泥浆液。
⑦移动机具:将钻机等机具移到新孔位上。
⑧拔出注浆管,用砂浆将钻孔留下的空隙填满,保证今后盾构掘进时,土体的相对稳定。
⑨注浆顺序按跳孔间隔、先外围后内部的方式进行。


        (3)控制标准

                       注浆控制标准                     表4

检查项目允许偏差检查方法
各种注浆材料公称误差<3%称量对比
注浆孔位±尺量
注浆孔深±测绳
注浆压力(与设计参数对比)±10%检查对比

        注浆完成28天后,对加固土体进行钻芯取样,进行无侧限抗压强度试验,试验结果符合加固强度要求。

6 监控量测

6.1 监测频率


        地面沉降监测点布置纵向(沿轴线)剖面监测点和横剖面监测点,纵向(沿轴线)剖面监测点的布设一般需保证隧道顶部始终有监测点在监测,所以监测沿轴线方向监测点间距一般小于盾构长度,故取每隔5~6.5米在沿轴线方向布置一个测点。
监测横剖面:每隔10~15m布置一个横剖面,在横剖面上从盾构轴线由中心向两侧由近到远,按测点间距为2m;布设的范围为盾构外径的2~3倍,即线路左右各12~18m范围。


        对于轨面的监测,在每根轨道上沿轨道方向每3m设一个观测点,测点用红油漆标记,并统一编号。

        量测的频率为:盾构掘进时,地面监测频率为1次/2h,监测范围为机头前10m和后20m,监测结果在监测完成后30min内上报铁路相关部门。施工监测时与铁路工务段人员一起进行监测。对穿越节点的监测在穿越完成后一段时间内待地面沉降稳定后结束。

        监测数据与铁路部门的监测结果核对比较,保证监测数据的真实可靠。

6.2 监控量测数据分析

(1)试验段地面沉降量
根据试验段监测数据反应,地表沉降量最大为8mm。
(2)铁路加固后沉降量
地层加固情况下,根据对地面沉降的监测数据反应,盾构掘进过程中,地面沉降量最大为1.9mm。
图7 地面沉降观测统计折线图

7 结束语

        通过优化盾构掘进参数、洞内注浆,可满足建筑物变形、地面沉降控制标准,但不能确保铁路运营安全。根据列车运行安全要求,需要采取辅助措施保证铁路运行安全。通过对铁路路基进行注浆加固,并采取合理的盾构掘进参数,满足了铁路沉降允许标准。


(本文为中国土木工程学会轨道交通分会优秀论文选登

本文作者:中铁七局集团第五工程有限公司  王晓普
                   郑州市轨道交通有限公司    崔天麟
                   中铁七局集团有限公司      李红福 

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