砂卵石地層盾構(gòu)下穿運營鐵路施工技術(shù)

高成玉

[摘要]以洛陽地鐵1號線啟明南路站—塔灣站區(qū)間隧道盾構(gòu)下穿焦柳鐵路為工程背景，從地層預加固、下穿掘進參數(shù)選擇、渣土改良、同步注漿、二次注漿和大縱坡掘進施工等方面總結(jié)隧道下穿焦柳鐵路施工控制技術(shù)。

[關(guān)鍵詞]洛陽地鐵； 盾構(gòu)隧道； 砂卵石地層； 下穿鐵路； 施工技術(shù)

[中國分類號]U455.43? ? ? ? ? ? ? ? ? ? [文獻標志碼]A

0引言

由于具有施工安全性高、對周圍環(huán)境影響小及掘進速度快等特點，盾構(gòu)法已逐漸成為城市地鐵首選施工方法［1］。目前在盾構(gòu)隧道修建中，難免出現(xiàn)大量新建隧道下穿既有重要建構(gòu)筑物的情況，如何保證下穿過程中施工安全成為了目前學者的研究重點［2-4］。

李軍等［5］以長沙地鐵1號線下穿既有鐵路為背景，提出幾種加固方案并結(jié)合數(shù)值模擬驗證其可行性；張凱［6］依托望京隧道盾構(gòu)下穿地下車站工程，優(yōu)化總結(jié)了盾構(gòu)施工掘進參數(shù)；楊薈斯等［7］采用數(shù)值模擬的方法，提出隧道下穿既有地鐵時土艙壓力和注漿壓力對既有隧道影響較大；朱亦墨等［8］結(jié)合深圳地鐵下穿鐵路站場工程，提出盾構(gòu)下穿鐵路站場的施工監(jiān)測技術(shù)；舒波等［9］以成都4號線地鐵下穿既有線路為背景，總結(jié)成都砂卵石地層下穿施工技術(shù)；馬相峰等［10］結(jié)合數(shù)值模擬和成都6號線地鐵下穿鐵路現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，提出以列車速度和隧道埋深為自變量的路基沉降預測公式。

目前，洛陽地鐵1號線在啟明南路站—塔灣站區(qū)間安全順利完成下穿焦柳鐵路段施工，由此本文在現(xiàn)有研究基礎上，以洛陽地鐵1號線下穿焦柳鐵路為工程背景，從地層預加固、下穿掘進參數(shù)選擇、渣土改良、同步注漿、二次注漿和大縱坡掘進施工等方面總結(jié)洛陽地鐵下穿施工控制技術(shù)，以期為類似工程提供借鑒。

1工程概況

洛陽市軌道交通1號線啟明南路站—塔灣站區(qū)間隧道設計為兩分離式單洞盾構(gòu)隧道，區(qū)間從塔灣站西端始發(fā)向西掘進至啟明南路站東端頭吊出。塔灣站—啟明南路站主要位于中州東路下方，區(qū)間左、右線起終點里程為CK20+469.070～CK21+198.206，全長為729.136 m，左、右線線間距為15 m，線路最大縱坡為22.96‰。

區(qū)間盾構(gòu)隧道右線在里程YDK20+577.210～YDK20+608.941、左線在里程ZDK20+579.159～ZDK20+610.916處下穿焦柳鐵路立交箱涵（3股道），與鐵路線路的夾角約83°。其中焦柳鐵路框構(gòu)橋處區(qū)間結(jié)構(gòu)以下覆土約5.1 m，水位深約12 m。盾構(gòu)區(qū)間與鐵路軌面豎向凈距約19.7 m，與焦柳鐵路框構(gòu)橋工程樁水平凈距最近約為4.06 m，豎向凈距約為5.1 m。盾構(gòu)隧道的施工對焦柳鐵路的主要影響范圍為：東西方向距框構(gòu)橋邊緣均為30 m；南北方向距框架橋外邊緣南、北兩側(cè)分別為20 m左右。下穿過程中對地層擾動，可能引起運營中軌道面不均勻沉降、傾斜等，導致軌距增寬或變窄，影響列車正常運行。區(qū)間下穿焦柳鐵路段縱斷面（圖1）。

2工程水文地質(zhì)情況

啟塔區(qū)間所穿越的地層主要為細砂和卵礫石層，地層自上而下依次為雜填土、黃土狀粉質(zhì)黏土、黃土狀粉土、細砂和卵石。其中卵漂石巖性主要為安山巖、玄武巖、石英砂巖等。磨圓中等，多呈亞圓形，分選性差，微風化，卵石含量一般為60%～70%，粒徑以2～12 cm為主，充填物主要為細、中砂及圓礫，夾少量黏性土，最大粒徑可達40 cm；漂石含量一般為5%～8%之間。屬級配不良卵石；細砂呈褐黃、淺黃色局部漸變?yōu)榉凵?。砂礦物成分以石英、長石為主，次為云母等。含少量礫卵石及黏性土團塊。該層多呈透鏡體狀分布，層厚為0.60～6.00 m，層頂標高120.78～124.26 m。標貫實測擊數(shù)平均值N=10.8擊/30 cm。

區(qū)間地下水主要為第四系孔隙潛水，賦存于卵石層中，水位埋深為9.2～13.1m，其水量較大、水位較高，卵石層中孔隙潛水形成貫通的自由水面，對施工影響大。

3盾構(gòu)結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)設備主要參數(shù)

（1）區(qū)間結(jié)構(gòu)采用增設注漿孔的特殊預制管片拼裝而成。管片襯砌參數(shù)為：內(nèi)徑5 500 mm、外徑6 200 mm，管片厚度350 mm、環(huán)寬1.5 m。

（2）襯砌環(huán)由6塊管片構(gòu)成：3塊標準塊（中心角67.5°），2塊鄰接塊（中心角68°），一個封頂塊（21.5°），采用錯縫拼裝方式。

（3）襯砌環(huán)縫、縱縫采用彎螺栓連接，其中每環(huán)縱縫采用12根M30螺栓，每個環(huán)縫采用16根M30螺栓。

（4）區(qū)間采用2臺新購復合式土壓平衡盾構(gòu)機，盾體前盾外徑6 410 mm、中盾外徑6 400 mm、盾尾外徑6 390 mm。采用輻板式復合刀盤防止刀盤中心結(jié)成泥餅，刀盤最大開挖直徑6 410 mm，開口率為38 %，最大扭矩6 300 kN·m，最大推力42.575 kN。

4工程特點及難點

根據(jù)盾構(gòu)下穿焦柳鐵路段區(qū)間地層地質(zhì)情況及焦柳鐵路現(xiàn)狀，盾構(gòu)下穿施工過程中風險主要體現(xiàn)在幾方面：

（1）區(qū)段區(qū)間下穿焦柳鐵路，結(jié)構(gòu)覆土6 m左右，施工時可能引起運營中軌道面不均勻沉降、傾斜等，導致軌距增寬或變窄，影響列車正常運行。

（2）區(qū)間盾構(gòu)掘進掌子面主要為中密砂卵石地層，地層自穩(wěn)性較差。

（3）隧道埋深較淺，地層沉降控制要求和鐵路路基軌道變形控制標準高。

（4）區(qū)間地層存在大粒徑卵石，飽和抗壓強度高，易造成刀盤和刀具超耗、螺旋機卡機等現(xiàn)象。

5主要施工技術(shù)

5.1地層預加固處理

為保證地面鐵路運行正常的情況下，盾構(gòu)安全高效的穿越既有鐵路線，防止地面沉降過大，降低施工成本及附加成本的發(fā)生，區(qū)間盾構(gòu)下穿前對該段地層進行預加固處理。

盾構(gòu)機穿越前后30 m（穿越前右線YDK20+638.941～YDK20+644.941、左線ZDK ZDK20+640.916～ZDK20+646.916，穿越后右線YDK20+541.210～YDK20+547.210、左線ZDK20+543.159～ZDK20+549.159）分別進行地層預加固處理以供常壓開倉檢查更換刀具，確保在穿越施工中機械設備情況良好，保證盾構(gòu)機以良好的狀態(tài)快速連續(xù)通過該段。盾構(gòu)穿越段右線YDK20+577.210～YDK20+608.941、左線ZDK20+579.159～ZDK20+610.916采取地層預加固處理，保證穿越過程中安全可靠。具體加固范圍見圖2、圖3。

加固方式采用袖閥管注漿加固，注漿導管采用48×4 mm間距1 m×1 m梅花形布置的塑料袖閥管，注漿漿液水泥水玻璃雙液漿漿液，注漿壓力設置為0.8～1.0 MPa。

5.2掘進參數(shù)控制

本區(qū)段區(qū)間隧道埋深6.0～6.1 m，鑒于過鐵路前后地層分布較為連續(xù)，在盾構(gòu)穿越鐵路前50 m范圍內(nèi)設置2組分層沉降觀測點。通過第一組數(shù)據(jù)得到盾構(gòu)通過后的地層沉降變化情況，初步確定盾構(gòu)掘進各項參數(shù)；通過第二組數(shù)據(jù)來驗證盾構(gòu)掘進各項參數(shù)，以便進一步調(diào)整和修正參數(shù)。根據(jù)試驗段掘進參數(shù)情況，結(jié)合本區(qū)間設計線路線性特征擬定本區(qū)間盾構(gòu)掘進各項參數(shù)（包括推進速度、土倉壓力，總推力，排土量，刀盤扭矩，注漿壓力和注漿量），不同階段的地層狀況具體參數(shù)設定見表1。

5.3渣土改良控制

根據(jù)區(qū)間地質(zhì)條件和類似盾構(gòu)施工的經(jīng)驗，主要采取技術(shù)措施：

（1）在泥質(zhì)粉砂巖地層中掘進，擬采取分別向刀盤面和土倉內(nèi)注入泡沫的方法進行渣土改良，降低渣土粘性，同時增大刀盤開口率，防止泥餅形成。

（2）在下穿焦柳鐵路段過程中擬采用土壓平衡模式掘進時，向刀盤面、土倉內(nèi)和螺旋輸送機內(nèi)注入泡沫，并增加對螺旋輸送機內(nèi)注入的泡沫量，以利于螺旋輸送機形成土塞效應，防止噴涌。

本盾構(gòu)機泡沫系統(tǒng)共配置刀盤6個、螺旋輸送機8個、隔板2個注入口，膨潤土刀盤注入點和和泡沫注入點一致。區(qū)間采取最大濃度泡沫組成為：空氣（20份）：溶液（1份），其中溶液由97%水和3%泡沫原液組成。泡沫注入比取30%～60%，根據(jù)推進速度0.06 m/min，泡沫注入速度一般為34.8～68 m3/h。

5.4同步注漿控制

本區(qū)間同步注漿采用水泥漿，可適當添加其他材料以調(diào)節(jié)凝固時間。根據(jù)施工經(jīng)驗，下穿鐵路區(qū)間填充系數(shù)取2.0～2.5，保證注漿飽滿。注漿壓力取1.5～2.5 bar，注漿量控制在7～8.0 m3，實際施工中根據(jù)試驗段參數(shù)和地面監(jiān)測情況綜合考慮，適當調(diào)整。具體配比見表2。

5.5二次注漿

盾構(gòu)機穿越區(qū)間采用增設注漿孔的特殊管片，通過管片中部的注漿孔進行二次加強注漿，保證管片穩(wěn)定，減少盾構(gòu)機通過后土體的后期沉降，提高止水效果。二次注漿材料采用單液漿和雙液漿，單液漿一般采用水∶水泥=1∶1質(zhì)量比的水泥漿，雙液漿采用水泥漿∶水玻璃=1∶1體積比的混合漿。二次注漿從盾尾后5環(huán)開始進行壁后注漿。下穿段范圍內(nèi)通過鋼花管對隧道上方3 m左右范圍土層采用水泥漿進行二次注漿加固，以嚴格控制地層的后期變形。二次注漿示意見圖4。

5.6大縱坡掘進施工控制

本區(qū)段下穿焦柳鐵路段左右線均處于26.83‰坡度的上坡階段，上坡掘進時盾構(gòu)機底部油缸的推力的增大將對管片的上浮產(chǎn)生了很大的影響，因此掘進過程中，必須加強同步注漿及二次注漿的管理力度，保證管片壁后填充密實，同時適當調(diào)整砂漿的配合比，縮短砂漿的初定時間，減小管片的上浮幾率；同時盡量調(diào)整減小上下區(qū)域推進油缸的壓力差，減小上下壓力差帶來的管片上浮。同時坡度加大對洞內(nèi)運輸機械的性能要求更高，提高其制動性能，增設防滑、防溜裝置，合理地確定機械的載重量和良好的牽引力，避免超載現(xiàn)象而導致運輸機械爬坡能力減小發(fā)生倒車安全事故

5.7監(jiān)測結(jié)果分析

區(qū)間左右線先后分別順利完成盾構(gòu)下穿焦柳鐵路段施工，下穿區(qū)段隧道管片變形控制良好，鐵路軌面監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定，軌面最大累計沉降值為-1.6 mm，地表最大累計沉降值為-8.6 mm，參考GB 50157-2013《地鐵設計規(guī)范》、鐵運〔2006〕146號《鐵路線路修理規(guī)則》文件［11-12］和國內(nèi)類似穿越鐵路工程，本次監(jiān)測數(shù)據(jù)均遠低于控制標準，證明下穿過程中施工控制良好。

6結(jié)束語

根據(jù)盾構(gòu)下穿既有重要建構(gòu)筑物施工難題，本文從地層預加固、下穿掘進參數(shù)選擇、渣土改良、同步注漿、二次注漿和大縱坡掘進施工等方面總結(jié)洛陽地鐵1號線區(qū)間隧道盾構(gòu)下穿焦柳鐵路施工控制技術(shù)，通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)證明，此次下穿焦柳鐵路過程中沉降控制良好，對地表和鐵路擾動較小，施工效果顯著，可為類似盾構(gòu)下穿工程提供參考，具有工程推廣價值。

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