孙少辉
(中铁建大桥工程局集团第二工程有限公司,广东深圳518083)
【摘要】随着轨道交通建设的快速发展以及地铁线路的扩建,地铁隧道穿越高铁桥梁的情况越来越多。然而,现有的盾构法新建地铁隧道研究在分析这种情况方面略有不足。因此文中从盾构掘进技术的角度出发,对一种新的隧道施工技术进行了探讨和研究,即施工前对盾构端进行加固,安装地铁区间隧道的隧道段,划分地铁区间隧道的隧道区,然后在特殊区间进行隧道施工。通过该技术的应用,可以有效地减少隧道向弧外的位移和沉降,保证隧道施工的安全。
0引言
盾构法在城市地铁的应用广泛,可以加快施工进度,减少对结构和周围环境的影响。但由于地质条件复杂多变,施工扰动对路基沉降的影响无法准确预测。因此理论方法和数值模拟都难以反映盾构掘进的真实作业环境[1]。文中介绍了对路基沉降和盾构机运行参数的全面实地监测。分析盾构掘进中操作参数及变化特征与路基沉降的关系以及控制措施的基础上,提出了铁路线下盾构掘进操作参数的合理设置建议和变形控制措施。
1项目概述
1.1新建某地铁隧道与既有线路位置关系
采用盾构法挖掘的新建隧道是南京地铁的一部分,线路从Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ号既有运营线下方穿过。既有隧道的覆土深度为14~22m,每段衬砌的宽度为1.2m,厚度为0.3m。隧道垂直净空最小为7.85m。
1.2地质条件
项目工程地形基本平坦,自上而下的地质条件为回填土、淤泥和砾石。掘进隧道主要位于砾石层中。根据剪切波速和重力贯入试验,异质砾石层属于低压缩性土。土粒组成较好,局部含漂石,30%为砂土和黏性土。地下水属于溶蚀水,范围为23.6~25.3m。
1.3加固措施和控制标准
采用一些加固措施,主要有灌浆加固和加固紧固轨道两种。以有效控制地面沉降、有砟轨道沉降,提高路基土强度。控制标准见表1。
1.4监测点布局
在双盾构隧道挖掘过程中,影响区域内三条监测线XXH1、XXH2和XXH3沿既有铁路线的两侧和中间布置,与轨道平行。每条监测线包含10个监测点(ZDH1-1~ZDH1-10、ZDH2-1~ZDH2-10、ZDH3-1~ZDH3-10),共设置了30个路基沉降自动监测点。自动监测使用静压液位系统检测现有铁路路基沉降。中央监测系统用于观测静压液位计发出的信号。
1.5盾构隧道的运行参数设置
项目根据隧道工作面与自动监控区域的相对位置,将盾构隧道的掘进过程分为三个阶段。
第Ⅰ阶段:盾构穿越前;第Ⅱ阶段:盾构穿越期间;第Ⅲ阶段:盾构穿越后。
根据现场试验,盾构运行参数设置为:土壤压力设定为(1.1~1.3)×105Pa,并根据不同的地质条件和埋深而变化;盾构匀速掘进速度保持在30~60mm/min;同步注浆量应为理论注浆量的1.5~2.0倍,约为每环5~7m³,以确保盾构段后方填土密实;开挖土方量应控制在46.5~48m³之间,其中土方松动系数为1.14;总推力需要根据实际情况进行调整;刀盘旋转扭矩需要根据盾构机的其他运行参数进行综合考虑。
2地铁右线情况
2.1右线隧道引起的路基沉降
图1显示了监测线路ZDH1、ZDH2和ZDH3上现有路基的沉降发展情况。
1)由于盾构机首先驶入ZDH1,然后到达ZDH3,因此盾构掘进引起的最大沉降产生在监测点ZDH3-1和ZDH3-2。
2)盾构隧道在第Ⅰ阶段掘进时,随着监测点与隧道面距离的减小,路基沉降量增大。
3)当盾构隧道在第Ⅱ阶段掘进时,由于盾构掘进引起的大量体积损失,首先会引起现有路基的剧烈沉降。随后,由于盾构机运行参数的实时调整,路基沉降逐渐减小。
4)当盾构隧道开挖到第Ⅲ阶段时,基底沉降逐渐趋于平缓。原因是隧道工作面距离监测点较远,分段已拼接成环,补偿和二次沉降也已完成,并进行了补偿和二次注浆。
5)ZDH1、ZDH2和ZDH3这三条监测线上现有基层的沉降发展呈S形曲线。最大沉降介于1.2~2.5mm之间,主要位于第880环附近。监测数据明显小于预警值(7.0mm),如表1所示。
6)盾构隧道掘进区主要位于卵石夹少量淤泥质黏土中。地质条件相对简单,因此,路基变形容易控制。
2.2右线隧道盾构运行参数随时间变化的监测数据
右线隧道运行参数随时间变化的监测数据如图2所示。运行参数的变化特征及对既有路基沉降的影响分析如下。
1)如图2(a)和(b)所示,开挖土方量和同步注浆量控制在0.5m左右,土方开挖量和同步注浆量分别控制在47m³和5.1 m³左右。路基沉降得到了很好的控制。当同步注浆量增至最大值,隧道掘进引起的路基沉降减小,甚至转化为隆起。
2)如图2(c)所示,870环附近刀盘旋转扭矩从5500~6000 kN.m,发展到变化曲线的谷底3500~4000kN.m时,现有路基会产生最大沉降。这表明扭矩会导致现有路基沉降显著增加。
3)如图2(d)所示,当盾构驶至第840~850环时,总推力为1500~1600t。由于第875~885环的总推力为1350~1500t,因此在监测线路ZDH1和ZDH2处产生了2.5mm的最大沉降。总推力为掘进过程中最小值。当总推力为1500~1750t,第885~900环时,监测线ZDH3的沉降量抬升了2.5mm。这表明在盾构掘进过程中,应实时调整总推力,可有效控制路基沉降。
4)图2(e)显示了盾构掘进速度,主要在40~48mm/min之间。当盾构掘进至第880环附近时,掘进速度达到最大值。此时,现有基层的沉降量增加到最大。极速导致刀盘旋转扭矩和总推力最小。这表明应严格控制盾构掘进速度,防止刀盘旋转扭矩和总推力减小,影响地面沉降。
5)如图2(f)所示,土壤压力的变化特征与刀盘旋转扭矩和总推力的变化特征相反,而与盾构驱动速度的变化特征相似。旋转扭矩和总推力的减小与盾构掘进速度的增加会导致地面极度沉降。
2.3右线盾构隧道运行参数对路基沉降的影响
图1和图2所示,在隧道右线行驶过程中,第870~880环和第900~910环的路基沉降和运行参数表现出异常现象。该异常现象有助于研究右线盾构隧道运行参数对路基沉降的明显影响规律。刀盘旋转扭矩和总推力不足、盾构掘进速度过快都会增加路基沉降,导致土壤压力增大。这三个运行参数之间存在着内在联系,即突然提高的掘进速度会导致刀盘旋转扭矩和总推力突然下降,从而无法平衡隧道面的土壤压力。
此外,虽然同步注浆可以补偿路基沉降,但注浆量控制不当会导致沉降转化为隆起。此外,及时、动态地调整运行参数对现有路基的变形控制是有利和必要的。通过同步、二次注浆和及时拼接成环,可以更快地稳定路基变形。
3地铁左线情况
3.1左线隧道引起的路基沉降
左线隧道引起现有路基沉降发展情况如图1。研究结果如下:
1)在盾构隧道开挖的第Ⅰ、第Ⅱ阶段,左线隧道诱导的沉降特征与右线隧道相同。需要注意的是,ZDH3-9和ZDH3-10在第Ⅱ阶段比其他监测点有更大的下降率。原因之一是位于第810~820环附近低位的运行参数导致,所有监测点的下降率都变大了。另一个原因是运行参数对ZDH3-9和ZDH3-10的影响更大,因为隧道工作面距离更近。
2)当盾构隧道在第Ⅲ阶段掘进时,由于各段立即拼接成环并进行补偿注浆,路基沉降变化趋稳[2-3]。而ZDH2-6和ZDH2-7等监测点的沉降量突然增加是由于盾尾脱节、注浆不及时、土体渗透性强以及硬化时间过长,对土体未形成足够的支撑力和刚度[4]。
3)当盾构隧道穿越监测线ZDH1-6区域时,沉降急剧下降,导致差异的影响因素可能是不同的地质条件。
4)由于左线隧道在卵石、细砂和淤泥质黏土的复合地层中开挖,左线隧道引起的路基沉降小于右线隧道。
3.2左线隧道盾构运行参数
随时间变化的监测数据与图2相似,且与右线相同。根据前述调查得到如下结果。
1)在盾构掘进过程中,土方开挖量和同步注浆量控制在设计值,对现有路基沉降的影响并不敏感。
2)在突变点,旋转扭矩的动态平衡可使路基变形趋于稳定[5]。
3)当盾构驶至第755~765环时,总推力设置为建议值,无法平衡隧道工作面的压力,故路基的沉降量明显增大。在765~775环时,为保持既有路基沉降的稳定,增加了总推力。当盾构驶至第810~820环时,总推力逐渐减小,既有路基沉降量增至最大。因此总推力是控制路基变形的关键因素。
4)由于土壤压力得到有效控制,左线隧道引起的路基沉降相对均匀。
3.3左线盾构隧道运行参数对路基沉降的影响
如图1和图2所示,左线盾构隧道的路基沉降发展特征和运行参数与右线基本相同。
然而,左线隧道的运行参数也与右线隧道一样存在异常现象。如适当调整运行参数后,右线隧道诱发的沉降发展曲线明显回升,而左线却有所不同。
4结语
文中介绍了一项案例研究,根据现场数据,对铁路线路基沉降和盾构机运行参数进行了全面研究。若干结论归纳如下。
1)根据盾构隧道工作面与自动监测区域之间的相对位置,将既有铁路路基的沉降发展分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ阶段,分别表示盾构机穿越监测区域之前、期间和之后的阶段。在盾构机穿越监测区域之前,铁路路基就已经产生了超前沉降和隆起。路基沉降在第Ⅰ阶段逐渐增大,在第Ⅱ阶段急剧增大,在第Ⅲ阶段由于立即拼接成环并进行补偿注浆而变为平缓。由于地质条件多变,一些产生极端沉降的监测点需要更多关注。
2)虽然路基变形的发展特征相似,但如果操作参数控制不当,也会出现骤升骤降甚至冒浆的情况。当运行参数设置较低时,路基沉降总是增加且难以稳定。运行参数的控制在很大程度上影响着既有路基的变形控制。
3)分析了盾构机运行参数的影响。开挖土方量的影响不敏感,容易控制。同步注浆量可以减小和恢复变形,但如果注浆量控制不当,会使基底产生隆起。刀盘旋转扭矩、总推力和盾构掘进速度是控制路基沉降的关键因素,需要实时调整才能达到动态平衡。驱动速度过快会导致旋转扭矩和总推力突然下降。
4)加固措施包括硅酸盐水泥―水玻璃灌浆加固路基土和轨道扣件加固。分析表明,其他措施,如补偿灌浆、二次灌浆、分段拼接成环等,都能立即很好地控制路基沉降。该案例研究可为相关工程中地铁隧道掘进施工技术设计提供一些有价值的参考。
转载文献来源:中国知网-新城建科技