合肥轨道交通2号线是贯穿主城区东西向的地下线, 走向基本与城市主干道长江路全线一致, 线路全长27.76km, 全部为地下线, 设地下车站24座。合肥市轨道交通2号科学大道站—怀宁路站盾构区间 (以下简称科—怀区间) 隧道下穿长江西路钢筋混凝土框架桥梁和其上的合福高铁、合武绕行线和铁路专用线。该区间线路与铁路在平面上基本正交 (交角约75°) , 隧道顶至地面竖向净距约为11.4m, 至路基顶竖向净距约为17.6m, 至国铁线路跨长江西路钢筋混凝土箱涵水平净距约1 m。为保障合肥轨道交通2号线下穿多条高铁线路与框架桥的安全, 对盾构机进行合理选型并进行需要的改进, 及时换刀;选用土压平衡掘进模式;进行渣土改良, 通过控制螺旋输送机的转速和盾构机的推进速度, 以达到调节土仓土压力与开挖面土压力的动态平衡, 确保开挖面稳定和控制地面沉降的目的;控制同步注浆压力, 将总推力、掘进速度、刀盘扭矩控制在合理的参数范围内。监测表明, 通过采取综合施工技术措施, 保障了框架桥涵和铁路路基的安全。

科—怀区间穿越地层主要为弱膨胀的黏土和风化岩, 洞身全断面穿越风化泥质砂岩, 原岩结构大部分已破坏, 泥质胶结, 局部含钙质, 岩体多风化明显, 风化裂隙发育, 岩质较软, 遇水易软化, 岩芯多呈短柱状, 局部碎块状。

科—怀区间地铁隧道下穿处埋深按18m计算, 结合土层地质条件, 按1∶1计算影响范围, 结合框架桥涵相关情况, 确定盾构施工对铁路各线影响距离为90m, 影响范围如下:合福高铁上行线 (984K+557—984K+647) , 合福高铁下行线 (984K+563—984K+653) ;合武绕行下行线 (13K+311—13K+401) , 合武绕行上行线 (15K+404—15K+494) ;18km专用线 (9K+791—9K+881) , 框架桥梁平面位置如图1所示。

区间隧道与铁路在平面上交角约75° (见图2) , 隧道顶至地面竖向净距约为11.4m, 至铁路路基顶竖向净间距约为17.6m, 至国铁线路跨长江西路钢筋混凝土框架桥梁底板净距约为7.5m, 隧道中心间距为9.5~10.3m, 主要穿越土层为 (10) ₃中等风化泥质砂岩层。

铁路框架桥横断面为13m+23m+13m三跨连续结构, 其中间23m跨度区域为机动车道, 两侧13m区域为人行通道和非机动车道;框架桥梁纵向为7.3m+12.3m+10.3m三跨分离式结构, 结构与结构之间设有伸缩缝。框架桥梁主要采用的是C35钢筋混凝土结构, 结构顶板厚度为1.1m, 侧墙和中隔板厚度为1.0m, 底板厚度为1.3m, 上部覆土厚度约为1.3m (包括道砟) 。

区间于里程YSK23+400—YSK23+435区段下穿合福铁路路基段、侧穿钢筋混凝土箱涵基础。根据目前资料, 穿越处有国铁合福高铁上下行线、合武绕行上行线、合武绕行下行线、合肥市地方铁路18km专用线等5条既有铁路, 线间距约5m。区间线路与铁路在平面上基本正交 (交角约75°) , 隧道顶至地面竖向净距约为11.4m, 至路基顶竖向净距约为17.6m, 至国铁线路跨长江西路钢筋混凝土箱涵水平净距约1m。穿越处地层为 (10) ₃层中等风化泥质砂岩。沉降控制要求高, 尽可能较少对地层的扰动。

根据对国内外盾构机选型比较, 也参考合肥轨道交通前期获得的盾构施工经验, 采用复合式土压平衡盾构机可以较好地满足施工中对盾构机的多项要求。经过比选, 最终选择左线采用中铁装备14号盾构机 (直径6 280mm, 仿海瑞克技术) , 右线采用德国海瑞克531号盾构机 (直径6 280mm) 。

要求盾构机密封土仓的土压力值能精确测定, 以便与设定的初始土压力值进行比较, 再进行相应调节。刀盘的开口率、开口形状及刀具布置适应软岩开挖要求。具有添加剂注入系统, 可以根据地质的不同情况, 添加泡沫或膨润土对切削下来的渣土进行改良。盾构机本身具有足够的密封能力, 能够防止盾体之外的水、土及浆液渗入盾构机内部。能够对掘进速度、刀盘转速、螺旋输送机转速、螺旋输送机闸门开度进行设定及调整, 保证开挖面的土压平衡, 减少地表隆陷。

刀盘周边配置11把单刃滚刀, 正面配置29把贝壳刀, 其配置形式以刀尖轨迹为依据, 保证其刀尖轨迹间距在100~200mm, 同时保证对称配置;刀盘中心位置装中心鱼尾刀, 另外安装刮刀28把, 边缘配置8把边刮刀。

刀具特别是滚刀要求:刀圈硬度要满足HRC57~HRC60, 刀圈厚度为28~32mm, 刀圈直径从常用的432mm增加到438mm, 这样能增加刀具的使用周期, 降低换刀频率, 刀体不能太软, 硬度在HRC40~HRC45适宜。

1) 采用既有盾构机刀盘, 但增加刀盘中心的开口率, 防止结泥饼。

2) 面板的耐磨性, 特别是侧面切口处设2道高强度耐磨块 (耐磨块镶嵌有耐磨合金块) , 中心的耐磨性加强。

3) 刀座U形块两边加焊耐磨保护块, 防止U形块磨损和刀箱磨损。

4) 刀盘面板上的泡沫口保护刀加焊耐磨网格, 减少其磨损。

刀具配置方案为:刀盘周边配置11把单刃滚刀, 正面配置29把贝壳刀, 其配置形式以刀尖轨迹为依据, 保证其刀尖轨迹间距在100~200mm, 同时保证对称配置;刀盘中心位置装中心鱼尾刀, 另外安装刮刀28把, 边缘配置8把边刮刀。

盾构机进入下穿铁路区域前50m设置刀具检查及更换点, 保证在下穿铁路施工过程中刀具完好。下穿铁路段施工时, 为减少对周边地层的扰动, 保持掌子面的稳定性, 选用土压平衡掘进模式。在土压平衡掘进模式下, 根据渣土的塑性和流动性, 在刀盘前和土仓中注入膨润土、泥浆或发泡剂, 与刀盘切削下来的岩土在土仓内进行搅拌, 使其变成塑流性的土体, 通过控制螺旋输送机的转速和盾构机的推进速度, 以达到调节土仓土压力与开挖面土压力的动态平衡, 确保开挖面稳定和控制地面沉降的目的。

为了取得施工经验参数, 进行了百环试验, 取得了相关经验参数数据。根据百环盾构掘进参数采集及地面沉降分析, 总结本区间掘进参数如表1所示。

同步注浆是盾构施工的重要工序, 注浆饱满、均匀是控制地表沉降的有力保证。注浆量按照以下公式进行理论计算^[2]:

式中:λ为注浆率 (一般取130%~180%) ;V为盾构施工引起的空隙 (m³) 。

式中:D为盾构切削外径 (m) (为6.28m) ;d为预制管片外径 (m) (预制管片外径6.0m) ;L为回填注浆段长即预制管片每环长度 (预制管片每环宽1.5m) 。

根据公式计算得注浆量为5.3~7.3m³/环。百环推进过程实际注浆量为5.5~6.0m³/环, 其中以6.0m³/环居多。

同步注浆实际压力大于开挖面的土压力, 一般可控制在1.1~1.2倍静止土压力范围内^[3]。同步注浆采用的浆液材料主要有水泥、粉煤灰、砂和膨润土等^[4]。本工程浆液配合比如表2所示。

通过对图3盾构推进参数的分析, 总推力控制在10 000~15 000k N, 掘进速度控制在30~50mm/min, 刀盘扭矩控制在2 000~3 000k N·m, 以上参数控制在合理的参数范围之内。

区间隧道下穿铁路可能会引起铁路基床变形, 影响轨道平顺性, 对铁路运营安全直接造成影响。施工过程中也会对附近建 (构) 筑物带来一定影响, 为确保盾构下穿铁路施工安全, 需要针对盾构下穿推进工况进行严格地监控测量^[5]。

进行了两方面监测, 包括线下变形监测与线上监测。

线下变形监测项目包括铁路两侧地表沉降监测、铁路框架桥沉降监测以及框架桥桥身裂纹长度及宽度变化的监测。

线上监测内容为路基沉降监测、铁轨几何形态变化监测及电气化接触杆沉降监测。线上监测均采用自动化监测手段来实现, 其中铁路路基沉降采用静力水准仪自动化系统监测;铁轨几何形态监测及电气化接触杆沉降监测采用全站仪自动化监测手段实现。

总结60个地表沉降监测点观测数据, 可得如下结论^[6,7]。

1) 地表各监测点沉降速率和累计沉降量均未达到监测报警值。沉降观测单次变化量均在2mm以内, 累计变化量大都在3mm以内。

2) 至本项目监测工作结束, 沉降变形趋于稳定, 地表监测点沉降的整体情况为铁路两侧地表隆起1~2mm, 与铁路框架桥边墙相连的翼墙及框架桥地板监测点下沉1~2mm。

根据监测数据分析, 认为地铁隧道下穿施工并未造成地表较大的沉降变化发生。

至本项目监测结束, 框架桥南孔南侧边墙各沉降监测点累计沉降1~1.5mm, 北侧中墙各沉降监测点沉降不明显, 中孔及北孔各监测点沉降均变化不大, 说明隧道施工对更靠近的框架桥南侧影响较大。但沉降变化量均较小, 在整个掘进过程中累计下沉最大也在1.5mm左右, 后期恢复至1mm左右。因此, 认为地铁隧道施工并未对框架桥造成明显沉降变化。

线上路基沉降监测采用静力水准仪自动化监测实现, 对监测成果分析可知, 在监测期间下沉量最大为4.5mm, 至本项目监测结束沉降变化趋于稳定, 最大沉降在3mm以内, 均小于路基沉降报警值8mm。因此, 认为隧道掘进未对铁路路基造成明显的沉降影响。

通过对铁轨几何形态变形的分析可知:

1) 铁轨轨距大都为增大, 至监测结束累计变化量在1~1.5mm。

2) 轨向监测数据显示线上五股道均向西侧偏移, 累计偏移量在2mm以内。

3) 各股轨道左右轨高低累计变化量在2mm以内。

4) 各股轨道累计水平变化量大都在2mm以内。

根据上述分析, 在整个监测期间, 各监测项目变形量均未达到预警、报警值, 认为隧道下穿施工对铁轨几何形态造成影响较小。

综上, 从整个监测周期的过程监测及最终累计变形来看, 各项监测内容变形均较为稳定, 变形量均未超过预警值, 认为此次隧道下穿国铁未对铁路及其附属构筑物产生明显变形影响。

实践证明, 在合肥地铁盾构下穿铁路施工中, 采用下列技术措施能够保障施工安全。

1) 对盾构机进行合理选型并进行必要的改进;在盾构机进入下穿铁路区域前50m设置刀具检查及更换点, 保证在下穿铁路施工过程中刀具的完好。

2) 为减少对周边地层的扰动, 保持掌子面的稳定性, 选用土压平衡掘进模式;进行渣土改良, 通过控制螺旋输送机的转速和盾构机的推进速度, 以达到调节土仓土压力与开挖面土压力的动态平衡, 确保开挖面的稳定和控制地面沉降的目的。

3) 同步注浆实际压力控制在1.1~1.2倍的静止土压力范围内。总推力控制在10 000~15 000k N, 掘进速度控制在30~50mm/min, 刀盘扭矩控制在2 000~3 000k N·m, 以上参数控制在合理的参数范围之内。