砂卵石地层大直径盾构穿越高速铁路高架桥关键施工技术应用

贺 威

(中国交通建设股份有限公司轨道交通分公司 ,北京100000)

1 工程概况

成都地铁17号线一期工程明光站—九江北站区间在里程YDK68+100～YDK68+150/ZDK68+105～ZDK68+155处下穿成蒲铁路高架桥,下穿段采用直径为φ8.634 m的盾构施工。穿越段成蒲铁路高架桥为多跨简支梁桥,单节梁长32.7 m,采用群桩基础形式,承台宽4.8 m,长7.6 m,设置6根桩基,桩长14.5 m,桩径φ1 m(图1)。盾构下穿运营铁路具有重大施工风险,应从施工全过程(事前、事中和事后)对盾构下穿造成的影响进行控制[1]。

图1 穿越段位置关系

2 工程地质地质概况

明光站—九江北站站盾构区间下穿成蒲铁路主要岩土层分层详细描述为:

<1-2>人工填土(Q4ml):浅黄色、灰褐等杂色,松散—稍密,干燥—稍湿。主要成分为黏土、卵石、建渣等,部分为种植土,含植物根茎,多含建筑垃圾及生活垃圾。该层厚薄不均,均一性差,多为欠压密土,广泛分布于拟建区间隧道地表,层厚度0.8～4.9 m。

<3-8>卵石土:灰色、灰白色饱和、松散～密实,石质成分以灰岩、花岗岩、砂岩等硬质岩为主。卵石含量占50%～80%,其余为中细砂及圆砾填充;局部夹漂石,卵石呈圆形、亚圆形,磨圆度良好,均匀性及分选性差。层厚30～55 m,粒径4～20 cm,卵石最大粒径约21 cm,不均匀系数Cu=1.38～268.44;曲率系数Cc=0.95～83.03,属不良级配土。

3 隔离加固措施

为降低盾构掘进对成蒲铁路高架桥的影响,在盾构隧道与高架桥桩之间设置四排共计72根隔离桩,隔离桩直径为φ1 000 mm,隔离桩间距为1 200 mm。桩顶设置尺寸为0.6 m×1.0 m的冠梁及尺寸为0.4 m×0.6 m的混凝土支撑(图2、图3)。

图2 隔离加固措施平面

图3 隔离加固措施剖面

4 盾构穿越前准备

(1)根据设计要求布设监测点及进行初值采集。

(2)彻底对盾构、龙门吊等设备进行检查,确保穿越段施工设备状况良好,作好管片、水泥等材料的储备,保证盾构连续、平稳、匀速穿越成蒲铁路高架桥,避免停机造成安全隐患。

(3)在靠近下穿区域设置50 m试验段。穿越时,根据试验段搜集的参数及理论计算合理确定施工参数,并根据监测数据动态调整,匀速、连续地穿越[2]。

5 盾构掘进控制重点

5.1 出土量控制

通过控制地层损失能有效减小盾构掘进对桥桩的影响[3]。本工程采取双控措施控制出渣量,通过对渣土体积进行统计及出渣量的称重统计每环出渣的总重量,并及时记录复核。每掘进一环理论出渣体积按下式进行计算:

式中:k为松散系数,针对本工程取1.2;D为盾构开挖直径;B为管片宽度。

根据上式计算,得出理论出土量为105 m3。

5.2 推进控制

导向系统后视基准点随着盾构推进前移,须采用人工测量的方式来进行精确定位。每掘进10 m通过人工测量对自动导向系统的数据进行校核,以确保盾构掘进方向无误。

5.3 盾构姿态控制

盾构机轴线与设计轴线偏差不得超过20 mm,须严格控制盾构掘进姿态,避免频繁或大幅度调整盾构姿态。正式穿越铁路高架桥前,须将盾构姿态调整到最佳,同时加强盾构机姿态的人工复核,确保盾构机推进轴线与设计轴线的偏差不超限。

5.4 同步注浆

选择强度高、凝结时间较短、耐久性好、稠度在9～12 cm的可硬性浆液,浆液初凝时间不得超过6 h。注浆压力应控制在0.2～0.4 MPa之间。为防止同步注浆时管片上浮,管片上部注浆压力应比管片下部注浆压力高0.05～0.10 MPa。

5.5 二次注浆

为确保浆液填充效果,同步注浆时须在盾尾后5环的位置进行二次跟踪注浆。浆液根据情况可采用单液浆或双浆液。二次注浆应遵循“多点、均匀、少量、多次”的原则,注浆量及注浆次数应根据地表沉降监测数据及时调整。

5.6 洞内径向加固注浆

盾构通过铁路高架桥后,通过增加注浆孔的特殊管片及时对管片径向3 m范围内进行加固注浆。浆液采用水灰比为1∶1的水泥单液浆,注浆压力不大于0.5 MPa(图4)。

图4 径向加固范围示意(单位:m)

6 盾构掘进参数

掘进控制参数详见表1。

7 穿越后控制措施

7.1 地面注浆加固

砂卵石地层盾构掘进后易产生滞后沉降,为消除滞后沉降带来的安全隐患,在盾构穿越过程中及穿越后,持续对地表进行监测,并进行24 h巡视,发现异常后及时采取地面袖阀管注浆对松散地层加固。地面加固注浆具体参数详见表2。

表2 地面加固注浆参数

7.2 应急处置

盾构穿越时安排专人24 h值守,实时观察盾构穿越区域周围道路情况。当出现塌陷、裂缝等情况时应立即进行围蔽,对周围人员、车辆进行疏导,并立刻采取回填措施,待确保地面稳定后开放交通管制。

8 实施效果

下穿铁路的关键问题是控制变形,核心难题是下穿施工的变形控制问题。设计要求桥桩沉降及位移允许值仅为2 mm,通过监测,盾构下穿成蒲铁路高架桥施工的实际沉降仅为0.9 mm。通过上述措施,顺利完成盾构下穿成蒲铁路高架桥施工,这也是全国首例大直径盾构机在富水砂卵石地层成功穿越运营中的高速铁路。

9 结论

成都轨道交通17号线一期工程明光站—九江北站区间盾构顺利下穿成蒲铁路高架桥,标志着本次富水砂卵石地层大直径盾构穿越高速铁路高架桥的施工技术合理、可靠,可供后续类似工程借鉴,相关技术总结为:

(1)隔离桩将铁路桥桩与地铁盾构安全隔离,既稳固了桥桩周边的土体,又降低了盾构施工对桥桩的影响,根本上减小了桥桩基础的沉降。

(2)临近下穿时,停机对盾构及相关设备进行检查,确保盾构能连续、平稳穿越铁路高架桥,避免停机造成重大安全隐患。

(3)注浆及渣土改良是关键。通过渣土改良保证渣土具有良好的流塑性,有利于降低刀盘扭矩、刀具磨损,防止卡螺机及刀盘结泥饼,造成掘进参数恶化。通过注浆措施能够对土体起到良好的加固效果,有效防止沉降,保证了铁路高架桥的安全。

(4)富水砂卵石地层滞后沉降具有产生周期长,后期不可预见和难以监控,盾构掘进后应重视滞后沉降的排查及处置,确保盾构穿越后铁路高架桥的安全。