砂卵石地层中盾构连续近距下穿铁路风险控制研究

        随着城市地铁建设的快速发展，地铁穿越各式城市建构筑物的情况屡见不鲜，作为城市之间交通铁路线路四通八达，然而如何解决地铁线路正下穿铁路运营线路是困扰着地铁施工的一大难题。在绝大多数的情况下，采取在线路规划许可阶段调整线路走向避让铁路。
1工程概况
成都地铁5号线5标古柏站-泉水路站盾构区间采用2台外径为6.28m的土压平衡盾构机，底板埋深15.6～24.4m，最大坡度为27.67‰，最小曲线半径为350m。区间隧道连续下穿西环铁路联络线及侧穿西金厂特大桥（单、双线桥），随后继续沿规划商贸大道下穿四川建设机械厂、村庄及农田，穿过川建路（古柏路）最后在汇丰路处进入泉水路站。
2工程难点及风险分析
1）施工扰动将不可避免地引起周围地层的变形和既有盾构隧道的附加变形。然而盾构隧道刚度小、抗变形能力小，属于柔性结构。因此，减小对地层的扰动是将既有盾构隧道的变形控制在安全的范围之内的关键。2）既有铁路处于运营阶段，无法在既有铁路桥下采取有效的大范围加固措施，因此只能在新建隧道施工过程中采取有限的沉降控制措施。3）穿越位置处于富水砂卵石地层中，地层密实，若注浆压力过小，则浆液注入困难，注浆压力过大，则容易引起既有结构的不均匀隆起，甚至发生既有铁路路基形变，后果不堪设想。因此，考虑地层特点，合理选择注浆参数、确保注浆效果将直接关系到既有结构微变形控制目标的实现。
3穿越铁路技术
3.1设备管理
在盾构距离铁路专线约100m时停机，对设备进行维修保养，确保施工时顺利通过铁路地段。维修保养的项目主要有：检查主驱动系统、铰接系统、盾尾密封情况、推进系统、泡沫系统、油脂系统、空气系统、液压系统、循环水系统、拼装机、螺旋机、注浆机、膨润土管路等。检查全部控制线路确保无故障电气元件，通过检查更换有隐患的部件，确保设备的可靠运行。除此之外还要做好砂浆拌合站、电瓶车、龙门吊等全部配套设备的维修保养工作。
3.2地面加固
1）盾构穿越施工前，为防止盾构穿越施工引起地面沉降，针对盾构影响范围内的地层进行地面打孔注浆加固。 2）地层为密实砂卵石地层，地层内空隙小，采用的注浆材料为纯水泥浆液，保障浆液能在地层中均匀扩散。3）注浆时按先灌入稀浆后灌入浓浆的原则逐渐调整水灰比。正常注浆压力为0.5-2MPa。注浆压力控制在2.0MPa以内，并由下而上逐渐减小，视具体情况分别采用或作适当调整。平面注浆次序，每次都跳开一个孔进行注浆，以防止发生窜浆现象。间歇注浆：全孔段注浆完成后，间歇一段时间再进行第二次注浆，间歇时间控制在10～30min之内。终灌标准：（1）每孔至少进行两轮注浆;（2）注浆孔内平均每延米累计注浆量不小于0.8m3;（3）当注浆压力大于2MPa，吸浆量小于2.5L/min，稳定时间大于10min时停止注浆。
3.3优化膨润土注入参数
经过多种尝试，舍弃钙基膨润土改用钠基优质膨润土，并调整膨润土的发酵时间及豁稠度，一般在每环掘进过程中，向土仓内注入2-3方发酵至少24h以上、豁稠度为50的膨润土。现场膨润土配制及豁稠度调整进行全过程监控。膨润土的注入有效解决了卵石沉底无法排出造成 ‘刀盘抱死’的现象。
3.4试验段掘进分析
在试验段施工时，以控制地表沉降为目的进行试验掘进，对盾构机推进速度、推力、扭矩、刀盘转速、土仓压力、注浆量、膨润土泥浆和泡沫注入配合比等参数进行动态调整，得出1套对地表位移和变形影响最小的施工参数，掌握相同地质水文工况条件下盾构掘进参数与地表沉降规律。选择左线盾构机距穿越铁路100m作为试验段范围，试验段与盾构下穿铁路段地质相同，根据对不同断面的沉降监测及参数调整，确定盾构穿越铁路主要施工参数：土压力稳定在1.0～1.5bar（1bar=0.1MPa），推力控制在10500～12000kN，推进速度控制在45～55mm/min，同步注浆量每环为6～8m3（理论注浆量为5.6m3），每环的排土方量控制55-57方，重量通过龙门吊称重器进行测量为90-100t/环。
3.5大管棚注浆工艺
对铁路桥桩基区域固采用大管棚注浆工艺，大管棚管壁与地层之间存在一定空隙，由于砂卵石地层粒径大小不一，地层均一性较差，造成管壁与地层间空隙分布情况不一样。因此，大管棚注浆需采用流动性好，且具有微膨胀性的水泥（砂）浆，同时管壁预留孔洞尺寸及其位置，应与所注浆液特性、地层空隙情况相匹配。由于管棚长度大，注浆范围长，同时为防止过大的注浆压力引起地层劈裂破坏与地层隆起变形，因此注浆压力需要严格控制。
3.6现场监控量测
该工程进行地表沉降、地下水位、新建隧道初支净空收敛、初支拱顶沉降等常规监测，同时着重监测既有盾构隧道的变形。在施工期间，通过监测及时准确地掌握了施工过程中既有盾构隧道结构的状况，对可能发生的情况提供了及时、有效的预报，减少了工程风险。既有盾构隧道结构监测内容主要包括：隧道管片结构的竖向沉降与上浮、隧道管片结构的水平位移、轨道结构的竖向沉降与上浮、轨道结构的水平位移、盾构管片纵向错台、盾构管片张开量、盾构净空收敛。
4结语
综上所述，盾构在砂卵石地层连续下穿特级风险源时对设备进行适应性改造实践证明尤为重要，改造后的刀盘可有效防止刀盘磨损，确保盾构下穿过程的一次性顺利通过;对注浆系统改造可有效控制地面沉降;开挖系统改造后可避免刀盘由于功率不足导致的频繁启停而加大地层扰动问题。在此地层盾构下穿特大风险源时，要及时进行地面加固以及洞内加固，必要时可采取克泥效速凝剂加固措施，做好渣土改良措施，盾构掘进后及时采取有效的二次注浆加固措施，可有效防止地表沉降过大。
参考文献：
[1]贾少春.砂卵石地层盾构多次下穿连拱桥稳定性分析[J].铁道工程学报，2017，34（12）：89-94.
[2]陈海丰.软土地层地铁盾构穿越建（构）筑物安全控制研究[D].某：某交通大学，2017.
[3]张明聚，王妍，贾大鹏，等.盾构下穿高速铁路高架桥沉降变形控制技术[J].施工技术，2015，44（4）：68-72.
（作者单位：中铁十五局城市轨道交通工程有限公司） 

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