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  文章来源: 《铁道建筑技术》原作者:丁银平

技术前沿

盾构长距离顺穿既有铁路施工技术

来源: 作者: 发布时间: 2012-10-11

城市地铁盾构施工长距离顺穿西长上下行线路及北京丰台机务段站场,盾构总共穿越长度 715 m,属特级风险源,施工及沉降指标要求极高,再加上地层复杂,该标段采用先进的盾构施工技术,确保安全稳定地穿越。在盾构施工过程及背后等不同阶段采取各种注浆方式,针对砂卵石复合地层合理利用各种添加剂改良地质,提高掘进效率。这在国内地铁施工中尚属首例,其成功经验可为今后类似工程的设计、施工提供借鉴。
关键词 地铁 下穿铁路 盾构机 施工技术
 
1 引言
      城市地铁发展的日新月异,地铁线路的错综复杂,不可避免地会出现新建结构物与既有结构物邻近、侧穿或下穿等情况,加上地层的复杂性和不稳定性,地铁施工会干扰附近地层原有的平衡状态,引起附近地层应力重分布和变形,构成对周边既有结构和设施的附加荷载,使其发生附加变形等种种不利影响。因此,为了使地铁施工能够在保护好既有城市建筑环境的前提下安全有序地进行,就迫切需要研究地铁施工期间如何控制与其邻近的各种建( 构) 筑物的沉降变形。
       北京地铁十号线( 二期) 莲花桥站 ~ 六里桥站盾构区间( 以下简称六 ~ 莲区间) 线路下穿既有地铁,主要穿越力学稳定性较差的砂卵石地层。砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层,其基本特征是结构松散、无胶结,卵石粒经大小不等,在这种地质条件下,盾构施工极其困难。由于砂卵石地层的稳定性差,同时,盾构机密封舱内建立土压平衡比较困难,甚至实现不了土压平衡的功能,开挖工作面极易出现坍塌现象,同时,大粒径砂卵石不但切削或破碎困难,而且切削下来的渣土经螺旋输送机向外排出也十分困难。而且,当砂卵石处于密封舱内、螺旋输送机内以及盾构周围时,对盾构机的扰动振动很大,不利于掘进参数的调整,包括: 推进千斤顶的压力、螺旋输送机的转速及排土门的开度、盾构机位置及姿态控制等。在这种地质条件下要实现长距离顺穿既有铁路的“零沉降”,对盾构机的选型尤其刀盘刀具的选型、盾构掘进施工参数、注浆加固以及监控量测等辅助措施都提出了更高的要求。同时地铁盾构在即有铁路下穿行715 m 的距离,这在国内地铁应用中尚属首例,将为今后类似工程提供参考。
 
2 工程概况
2. 1 设计概况
      六里桥站 ~ 莲花桥站( 六莲区间) 从六里桥站出发,下穿京石高速后沿莲怡园东路向北敷设,过吴家村路后向北东方向下穿北京铁路分局北京西机务段,折向西三环中路,向北下穿莲花桥后至莲花桥站。右线盾构设计范围: 右 K46 +338. 844 ~ 右K47 + 238. 146; 左线盾构设计范围: 左 K46 + 338. 844~ 左 K47 + 246. 586。其中从 K46 + 539. 929 到 K47 +201. 185 为区间下穿北京西客站机务段。其间区间下穿京广上下行线、24 组道岔、多处接触网塔柱、30余次地下管线及多处地上建筑。
2. 2 工程地质情况
      本场地土层自上而下依次为人工填土层: 杂填土①1、粉土填土①、圆砾填土①3 层; 第四纪新近沉积层: 粉土②层、②1 粉质黏土层、粉细砂②3 层; 第四纪晚更新世冲洪积层: 卵石⑤层、中粗砂⑤1 层、卵石⑦层、中粗砂⑦1 层,粉质黏土⑧层、细中砂⑧3层,卵石⑨层,粉质黏土⑩层; 基岩为下第三纪长辛店组中等风化砾岩层、泥岩1 层和强风化砾岩3 层。
2. 3 水文地质情况
      根据本次勘察结果,存在二层地下水,为潜水( 二) 层和孔隙水( 五) 层。
区间起点: 水位埋深 23. 30 ~ 23. 50 m,标高为23. 51 ~ 23. 68 m; 区间终点: 水位埋深 13. 2 m,标高为 30. 69 m。根据地下水位,潜水水位位于隧道结构底板以下 0 ~1. 5 m 处。
2. 4 工程风险
      盾构区间需下穿铁路西长上下行线、北京机务段及北京西站与机务段、客车整备厂间的联络线等共计 21 股道,全长约 700 m。盾构由莲花桥西南角的始发井出发,由东北向西南以半径 320 m( 330 m)曲线依次下穿西长上行线、K3 线( 西站 2 道) 、K2线、K1 线、出库线、入库线、安 1 线,然后转为与铁路基本顺行穿越机 2 线、机 1 线、机 3 线、安 2 线,再以半径320 m( 330 m) 曲线穿越机4—机12 线,从北京机务段干沙间、信号楼、运转外勤车间下方穿过后,最后下穿西长下行线。其间需要穿越北京西站至客车整备场、北京机务段、北京机务段机 15—机 23场的三个咽喉区,穿越时与各条铁路交角范围为 8°~ 44°。
      西长线为北京铁路枢纽中重要干线之一,为京广铁路线列车进出北京西站的运输大通道,具有客车流量大的特点; 北京机务段承担着北京枢纽地区的大量机车检修、维修任务,也承担着进出北京西站机车整备的任务; 客车整备厂承担着进出北京西站客车整备的任务。
 
3 工程难点
3. 1 地质情况
3. 1. 1 地层特点
      砂卵石地层是一种典型的力学不稳定地层,颗粒之间的孔隙大,没有黏聚力,其基本特征是结构松散、无胶结,卵石粒径大小不等,且卵石空隙多被中、粗砂充填等。在无水状态下,颗粒之间点对点传力,地层反应灵敏,刀盘旋转切削时,刀盘与卵石层接触压力不等,导致刀头震动,在顶进力作用下容易破坏原来的相对稳定或平衡状态而产生坍塌,引起较大的围岩扰动,使开挖面和洞壁失去约束,从而引起较大的地层变形。围岩中的大块卵石、砾石越多,粒径越大,这种扰动程度就越大,特别是隧道顶部大块卵石剥落会引起上覆地层的突然沉陷。另外,本区间隧道顶部存在潜水,局部为粉细砂层,这将更容易产生松动、坍塌等不利后果。
3. 1. 2 砂卵石地层盾构开挖面失稳特征
      砂卵石地层在未受扰动条件下,土层颗粒仅依靠摩擦咬合作用维持本区域土体稳定,因此,盾构在砂卵石地层掘进过程中若出现开挖面压力不足、大块卵石排出或螺旋输送机的排土量大于刀盘切削土量等情况时,在刀盘前上方就会产生较大的空洞区域,卵石或砾石将相继松动,快速在开挖面上方引起较大的塌落区。另一方面,上覆含水砂性土层很容易产生比较明显的松动,甚至出现流砂、坍塌现象,将引起很大的局部地表沉降,甚至出现上方土体的突然冒落。因此,盾构掘进如何控制顶部富含潜水的砂卵石地层的稳定,将是施工中的重点和难点。
3. 2 盾构穿行既有铁路距离长
      盾构垂直下穿铁路和短距离下穿,在盾构施工中是很常见的,但是顺穿铁路715 m 的情况,在全国乃至全世界都属于首例。在盾构掘进之前,首先我们对刀盘的设计、刀具的改造、盾构注浆、土体改良等进行了优化; 其次,我们对在保证地表沉降的情况下,下穿铁路时如何始终保持一种掘进模式,进行了试验段施工。
 
4 解决措施和关键技术
4. 1 刀具改造
      为了增加刀盘的耐磨性和实用性,参照北京、成都、广州等地的类似工程中刀盘和刀具的磨损特点,对海瑞克原装刀盘进行了优化改造: 对刀盘刀圈和所有齿刀均增设了耐磨层和耐磨保护板、将部分滚动扭矩较大的原装滚刀更换为转动扭矩在25 N·m以下的新滚刀、并按照同心圆法在不同的轨迹线上布置先行贝壳刀,见图 1。

      先行贝壳刀比原装刀具高出 2 ~4 cm 左右,贝壳刀前端镶焊耐磨合金块,以增加其耐磨性。贝壳刀为先行切削土体的刀具,刀具切削土体时,贝壳刀在滚刀切削土体之前先行切削土体,将土体切割分块,为滚刀创造良好的切削条件。采用贝壳先行刀,可显著增加切削土体的流动性,大大降低切削刀的扭矩,提高刀具切削效率,减少切削刀的磨耗。
4. 2 径向补偿注浆
      为了控制地表沉降量,在进行同步注浆的同时,又增加了径向补偿式注浆与二次补浆相结合的措施。为填充同步注浆空隙,并对刀盘扰动的周围径向 3 ~4 m 的土体进行有效加固,减小隧道在施工过程中的沉降量,在管片脱离盾尾后进行径向补偿式注浆。径向补偿式注浆每 5 环进行 1次,在管片脱离盾尾第五环时进行,此时管片位于盾构机连接桥处,有足够的空间可进行注浆施工。径向补偿式注浆采用前进式注浆法进行: 为防止地下承压水渗漏,先将与管片吊装孔配套外有螺纹长50 cm 的钢管安装在管片吊装孔中,钢管安装时螺纹处用生料带缠绕,钢管外露10 cm 并接上单向球阀。采用 YT28 气腿式凿岩机进行钻孔,钻杆顶进时,注意保护管口不受损、变形,以便与注浆管路连接。钻孔过程中每循环钻进 50 cm 便进行注浆加固,加固成型后再进行钻进施工,如此循环钻孔和注浆两个步骤,逐步深入,直至钻孔、加固至隧洞径向 3 m。注浆位置选在每环管片图 2 中的 4 个注浆孔位置。

      根据掘进记录的出土情况和地面监测情况及时进行二次补浆施工,最大程度地补偿盾构机掘进过程中扰动区域的地层损失,有效控制了地表沉降。
4. 3 渣土改良措施
4. 3. 1 优化膨润土注入参数
      经过多种尝试,改用钠基优质膨润土,并调整了膨润土的发酵时间及粘稠度,一般在每环掘进过程中,向土仓内注入 5 ~7 m3发酵至少 24 h 以上粘稠度为 50 s 的膨润土。现场膨润土配制及粘稠度调整进行全过程监控。
4. 3. 2 加入高分子、分散剂和聚合物
      在地面上经过多次的试验,HHZ-A 分散剂溶液对泥饼的形成有着良好的防治效果,在盾构掘进时向土仓内分别增加注入 TAP 聚合物、HHZ-Z 高分子、HHZ-A 分散剂溶液及 Rheosoil143 发泡聚合物,通过刀盘搅拌,使所注入的溶液充分混合,这样能有效控制土仓内泥饼的形成,而且有效控制刀盘进土口处泥饼的形成,将泥饼对正常掘进的影响降至最低。
4. 3. 3 优化泡沫剂类型及注入参数
      经过大量的试验,得到优化泡沫剂类型及注入参数,试验方法如下。
      ( 1) 取渣土 1 kg 加入适量水后充分搅拌使渣土的含水量达到 30%。
      ( 2) 取 SLF30 + 10% SLFP1 型泡沫剂溶液 10 g配成 3%浓度的泡沫剂溶液,将配好的泡沫剂溶液加入喷壶( 喷壶的原理与发泡枪的原理相似) 中。
      ( 3) 在渣土内按体积比掺入 30% 的泡沫,充分搅拌后,发现渣土的性状发生明显的改变,加入的水与渣土和泡沫充分的融合在一起呈流朔状,渣土的黏性明显降低。
      优化后的泡沫剂添加剂,从以前单纯的泡沫剂更换为 SLF30 + 10% SLFP1 型泡沫剂,同时加入了Rheosoil143 发泡聚合物及 HHZ-02 分散型泡沫剂,按照一定比例调配,采取了多种改良材料共同对掌子面土体进行塑流化改良的措施,在这几种措施的综合作用下,掌子面土体的流塑性得到了有效改善,土压平衡得以真正建立,刀盘的扭矩也由以前的 250 bar 降至 140 bar,并且排土顺畅,效果明显。
4. 4 建立自动化监测系统
      在繁忙的铁路线上进行人工监控量测存在以下问题: ①线路上来往机车频繁,监测人员安全很难完全保证。②监测效率低,盾构下穿铁路属特技风险源,施工工程中需要随时掌握地面沉降情况,以便及时调整盾构参数,在715 m 的铁路线上监测势必不能满足施工要求。③人工消耗大。考虑到以上问题决定采用先进的全自动监测系统来完成监控量测任务。通过自动化监测系统为盾构信息化施工提供了保障。
 
5 结束语
      北京地铁十号线作为国家重点工程,工期紧、难度大,针对该地层对刀具的撞击、磨损相当大等难题,从盾构机、刀盘刀具等选型上入手,施工中采取超前、同步、二次注浆和径向补偿注浆措施,合理利用地质改良添加剂及半土压 ~ 半气压的掘进技术,提高掘进效率。这在国内地铁施工中尚属首例,为近距离穿越高等级既有线路提供了参考。
 

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