目前, 地铁已经被公认为是一种能够疏解城市人口流动密度、缓解路面交通拥堵和减少空气环境污染的最有效途径。盾构法施工技术因具有安全、便捷及地层扰动小等优势, 在城市地铁隧道施工中得到了广泛应用与推广。盾构法施工基本可以分为进洞始发、区间掘进、出洞接收3个阶段, 盾构进出洞则是盾构法施工中的关键环节^[1]。由于地质环境以及线路走向的限制, 不可避免地会遇到穿越不利地层、既有铁路下穿等复杂工程环境, 严格控制地层沉降变形、不发生涌水和塌方现象以及确保既有铁路运营安全, 将直接关系到盾构法施工的成败。

盾构穿越富水软弱地层等不利地层时, 根据实际工程环境, 目前的技术以注浆^[1]、高压旋喷桩^[2]、冷冻法^[1,2]、设置止水帷幕^[3]等措施为主, 起到了较好的施工效果。下穿既有建筑物时, 多采用监测信息反馈与实时调整盾构掘进参数相结合的施工措施^[4,5,6]。盾构出洞接收施工过程中, 主要采用设置钢护筒外延接收体的施工方法^[7,8,9]。上述成果为本工程的顺利实施提供了必要的技术支撑和借鉴, 然而结合工程的实际工程环境, 多种技术措施综合应用的报道尚属少见。同时, 有关考虑温度差异的外延接收体惰性砂浆的配合比研究缺乏系统性^[10,11]。

结合天津地铁5号线张兴庄站盾构出洞接收的实际工程情况, 进行必要的勘察后, 提出了既有轨道结构加强、多层次注浆跟进、人工垂直冻结帷幕和钢护筒外延接收体综合施工关键技术, 并采用信息化监测技术实时反馈信息以调整盾构掘进参数。

天津地铁5号线张兴庄站—志成路站区间为单洞单线双线隧道, 区间线路起于张兴庄站, 沿规划均富路敷设, 下穿北环线铁路、宜兴埠镇到达志成路站。区间上覆土厚度10.0~16.22m, 无联络通道。采用盾构法施工, 左、右线先后采用1台盾构机从志成路站始发, 张兴庄站接收。

到达张兴庄站接收前, 盾构先后下穿北环铁路和3号线地铁预留张兴庄站。北环双线铁路采用碎石道床, 路堤高度为5.58m, 货运通道, 路基坡脚距离接收端头井仅4.86m, 下穿段地铁隧道埋深16.22m;盾构接收张兴庄站为天津地铁5号线与3号线换乘站, 盾构接收时, 地铁站内空推横穿3号线张兴庄站, 在5号线站端盾构接收井处吊出。

区间隧道主要穿越粉质黏土地层, 局部穿越粉砂和粉土地层, 区间结构进入第1层微承压含水层, 所穿越地层岩性特征描述如表1所示。

表层地下水类型为第四系孔隙潜水, 地下水埋藏较浅, 勘察期间地下水位埋深0.50~1.60m, 高程0.610~1.800m。场地内有3层承压水含水层, 区间结构主要位于第1层微承压含水层。各承压含水层以黏性土隔水层分隔, 受季节影响较小, 稳定水位埋深3.00~3.50m。

1) 盾构接收工程环境特殊盾构机出洞接收前, 先后下穿北环双线铁路和3号线地铁站, 且接收端头井距离北环双线铁路路基坡脚仅4.86m, 紧邻3号线地铁站。因此, 盾构出洞接收期间, 周边工程环境对施工变形控制要求严格, 接收难度大。

2) 富水软弱地层接收施工接收段区间隧道位于第1层承压含水层, 该承压含水层以粉质黏土为主要隔水层顶板, 以粉土、粉砂、细砂层为主要含水层。盾构在承压含水层接收, 极易发生涌水、涌泥、涌砂、坍塌等事故。

3) 短距离内穿越不同地层盾构机出洞接收过程中, 短距离内穿越不同性质的地层, 现场施工情况复杂, 无成熟经验可以参考。

鉴于天津地铁5号线张兴庄站盾构出洞接收所处工程环境和水文地质条件的复杂性, 在进行详细地质勘察和设计并开展一系列冻结土体力学性能和惰性砂浆配合比试验后, 基于信息化监测实时反馈技术, 提出了采用既有轨道结构加强、多层次注浆跟进、垂直人工冻结帷幕和钢护筒+惰性砂浆外延接收体综合施工关键技术, 并结合信息化监测技术实时反馈的信息调整盾构掘进参数。盾构出洞接收纵断面如图1所示。

盾构出洞接收前, 近似正交下穿北环双线铁路, 对应第252~272环隧道管片, 地层岩性以粉质黏土为主, 为第1层微承压含水层。为防止刀盘上方土体塌方而引起铁路路堤的不均匀沉降, 影响线路的轨道几何形位, 须对线路进行必要的加固及做好应急措施, 确保铁路运营安全。

加固范围为盾构隧道中线两侧各25m, 即每股铁路线路加固长度约为66m;加固方式采用3-5-3扣轨加强技术。其中, 吊轨梁采用50kg/m钢轨, 组装方式为3-5-3扣, 吊轨与其下面的普通岔枕采用U形螺栓和角钢连在一起以增强其整体性, 并设置轨距杆。同时, 加固段钢筋混凝土轨枕间穿插长木枕, 并在轨底增设绝缘胶垫和垫板, 以加固轨面并减少对电气信号的干扰。

基于信息化监测反馈的多层次注浆技术, 主要分为盾构掘进同步注浆、二次补强注浆和二次跟踪注浆3个阶段, 各阶段的注浆参数如表2所示。

铁路下穿阶段, 盾构壁后注浆采用同步注浆, 注浆时确保注浆压力, 直到填满每环管片上部2.5m³的开挖空隙为止。此时所采用的浆液为单液浆, 其质量配合比为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶砂∶水=175∶350∶55∶770∶318。

盾尾远离铁路轨道后5d, 通过二次补强注浆可以有效控制铁路路基二次沉降。同时考虑铁路列车动荷载的影响, 二次补强注浆时合理加大注浆压力, 且考虑对盾尾的影响, 注浆位置选取盾尾后5环的位置。此时所采用的浆液为双液浆, 缩短凝固时间, 其体积配合比为水泥浆 (水泥∶水=1∶1) ∶水玻璃 (35°Be'水玻璃∶水=1∶1.5) =1∶1。

下穿铁路路基完毕后10~20d, 根据地面沉降监测信息反馈, 专门在拖车车架位置安装1台注浆泵, 及时对沉降明显地段进行二次跟踪注浆, 坚持平稳、持续和少量多次的注浆原则, 采用先注单液浆、后注双液浆, 且以双液浆为主的注浆顺序。

盾构接收端头井土体加固, 受施工场地的限制, 水平冻结加固无法施工, 采用“水平注浆+垂直冻结法地基加固”施工方法。利用冻结孔冻结加固地层, 使端头井洞门范围内土体冻结成高强度和不透水的帷幕, 为洞门破除提供条件。

1) 水平注浆盾构进洞冷冻加固前, 先对端头井周边地层进行水平改良注浆, 注浆采用单液浆, 浆液水灰比1∶1, 注浆压力为0.5~1.0MPa, 流量控制在15~20L/min。根据监测数据调整注浆压力, 加强现场观察, 发现地面跑浆或有隆起时, 立即停止注浆。

2) 垂直冻结设计冻结壁有效厚度为2.9m。根据不同负温条件下地层土体剪切强度与冷冻负温的关系 (见图2) , 冻结壁设计平均温度>-10℃, 冻结壁交圈时间18~25d, 积极冻结时间35d, 垂直冻结孔依照盾构掘进方向依次布置A, B, C 3排, 数量分别为16, 15, 14人, 孔深均为25.589m, 竖直倾角-90°, 冻结管规格为127mm×5mm。

为避免盾构于人工垂直冻结帷幕内滞留时间过长, 需在人工积极冻结30d后且刀盘距离加固区60m时, 提前着手端头井洞门破除工作。端头井洞门凿除工序如下。

1) 在加固区做水平探孔, 检查洞门有无漏水、涌砂情况, 并钻芯取样检测土体强度、渗透性等物理力学性能指标。

2) 在端头井洞门处搭设脚手架, 开始第1次洞门凿除工作, 人工凿除端头井地下连续墙外层70%的围护结构。凿除时, 将洞门划分为9部分, 按照先下后上、先中间后两侧的顺序进行破除。

3) 当盾构刀盘距加固区0.5m时, 停机检查, 确保盾构处于最佳状态。同时, 拔除冻结管路, 迅速完成剩余30%的洞门破除工作, 尽量缩短洞门土体无支撑时间。第2次洞门凿除施工顺序为从下向上跳割割除钢筋, 然后清理洞门凿除产生的废渣、脚手架等, 尽快推进盾构至洞门掌子面, 减少洞门土体暴露时间。

钢护筒是直径比盾构略大、长度略长的圆筒状钢结构, 一端开口、另一端封闭, 开口端预埋在破除的洞门内, 从而形成封闭系统;同时, 在钢护筒内填入经试配的惰性砂浆, 形成外延接收体, 密闭后以模拟地下土水压力, 最终完成盾构接收。

根据钢护筒的安装和盾构掘进过程, 钢护筒受力可分为4种工况, 即惰性砂浆充满钢护筒、盾构刀盘进入钢护筒、盾构完全进入钢护筒且未发生砂浆跑冒现象、盾构完全进入钢护筒且发生砂浆跑冒现象, 并计算得到土压力分别为120.6, 31.1, 303.1, 226.6 k N/m²。取第3种工况为最不利力学组合, 最终确定钢护筒面板、圆弧肋、横肋、堵板、反力架等结构的形式和材质。

因盾构接收端张兴庄站为地铁5号线与3号线换乘站, T形换乘, 5号线为地下3层车站, 3号线为地下2层车站, 已经运营, 钢护筒需从5号线盾构孔吊装下井组装完成后, 平推约20m至接收洞门, 与预埋钢环连接 (见图3) 。

待将钢护筒平推顶升到位后, 安装钢护筒后端反力架和环向支撑, 并最终将钢护筒与端头井洞门预留钢环进行连接和密封, 如图4所示。

为防止盾构进入钢护筒后发生“载头”, 造成姿态偏离、管片拼装困难、破损渗漏等问题, 须在钢护筒底部60°夹角范围内浇筑1层200 mm厚的M75砂浆垫层, 并伸入洞门内与人工冻结帷幕相接。

钢护筒内所充填的惰性砂浆是模拟地层土体的一个外延接收体, 通过一系列室内试验研究了不同配合比砂浆的初凝时间和14d抗压强度, 最终确定惰性砂浆质量配合比为水泥∶粉煤灰∶矿粉∶水∶减水剂∶砂=20∶355∶55∶300∶6.4∶1 200。

在钢护筒安装检查完毕后进行护筒回填, 砂浆回填施工一次完成, 回填采用地泵输送方式, 浇筑分3层进行, 第1层为下部120°范围浇筑, 待第1层浇筑好的填料初凝后再浇筑第2层填料, 第2层填料高度为中部60°范围, 第2层初凝后第3层一次浇筑完成。

因接收井上部封闭, 为了将填料输送至钢护筒内, 采用地泵进行泵送, 从5号线张兴庄盾构吊装孔下料, 泵送至钢护筒内。

盾构短距离内穿越北环双线铁路、人工垂直冻结帷幕和钢护筒内惰性砂浆时, 掘进地层性质和工程环境发生了改变, 维持土仓压力稳定、调整盾构姿态、合理控制盾构参数是保证盾构接收顺利完成的关键。根据现场实际情况、监测信息反馈和数值模拟仿真, 确定盾构掘进参数如表3所示。其中, 盾构刀盘直径为6.37m, 管片宽度为1.5m。

鉴于本项目工程环境复杂, 短距离内需要连续穿越既有双线铁路和3号线地铁站, 并在钢护筒内完成出洞接收, 极易对运营线路、车站造成影响。因此, 在盾构推进过程中必须根据地表和构筑物的变形反馈优化盾构掘进参数、控制盾构掘进姿态, 从而实现施工过程信息化, 确保工程本身、沿线工程环境和构筑物的安全。

为此, 建立了地表、隧道、工程构筑物变形监测数据监控中心网络信息管理平台, 监控范围包括盾构推进左、右线轴线外各30m范围内的铁路轨道和接触网杆、地表、盾构管片、地铁3号线;监控频率根据监测数据变化情况、盾构施工情况、监测断面距掘进面的距离等情况综合考虑, 当出现监测速率发展变化较大等异常情况时, 及时增大监测频率。

1) 线路加固完毕后, 要严格检查线路的方向、水平、轨距及加固螺栓扣件是否松动, 加固体系严禁侵限, 做到每过一次列车检查1遍。

2) 扣轨梁与枕木、扣轨梁与横梁、横梁与纵梁间均需采用专用扣板和U形螺栓连接牢固。专用扣板的钢板厚度应≥12mm、宽度≥100mm, U形螺栓直径应≥22mm。

3) 待盾构顺利通过, 各项监测数据稳定且无不良变化, 按照“先装后拆、后装先拆”的顺序拆除临时扣轨, 回填道砟, 加强本段线路养护, 扣轨施工完成后以及拆除扣轨和恢复线路正常运营前, 均应对道床进行捣固, 以保证道床的稳定。

1) 制订严格的冻结施工质量标准。在打第1个冻结孔时, 分析主要地层钻进过程的参数变化情况, 如有异常, 及时采取针对性措施;控制冻结孔间距和监测钻孔倾斜度, 如个别超标, 分析交圈情况, 决定是否采用补孔或纠偏措施。

2) 不同的地质条件采用不同的钻进参数, 严格控制钻进压力;钻进过程中严格监测孔斜, 施工前几个孔时要增加测斜次数。测斜后及时绘制钻孔偏斜透视图, 发现超偏及时纠正。

3) 严格执行冻结管焊接操作规程, 不仅要确保焊缝不漏, 而且要保证接缝强度。冻结管安装后及时进行测压试漏, 并复测孔深, 绘制冻结壁形成预计图。

4) 每个冻结器都要安装控制阀门, 及时调整各冻结器的流量, 通过流量和温度测定, 随时掌握冻结器的运行情况;监测地层的温度变化, 及时预计冻结壁的发展状况。

1) 洞门直径为6.70 m, 凿除洞门时须搭设工作平台, 工作平台搭设条用钢管需经过挑选, 弯曲或破损严重不可使用, 且工作人员须持证上岗。

2) 洞门破除为高空作业, 除系好安全带外, 须一人工作, 一人观察工作面的稳定情况, 保证安全。

3) 洞门破除时, 及时检查掌子面的土质情况与设计是否一致。

短距离内连续下穿既有北环双线铁路和3号线地铁、且在富水软弱地层内进行盾构出洞接收工作, 工程环境复杂、工程难度大、施工步骤环环相扣, 为此采取既有轨道结构加强、多层次注浆跟进、垂直人工冻结帷幕、钢护筒外延接收体和信息化监控反馈等多项综合技术, 周边工程环境累计沉降变形及变化率均在控制范围内 (见表4) , 盾构顺利穿越既有铁路和3号线地铁, 并完成盾构出洞接收。

通过天津地铁5号线张兴庄站盾构出洞接收工程的实际情况, 针对短距离连续下穿既有双线铁路和3号线地铁以及富水软弱地层的复杂工程环境, 结合地质勘探和信息化监测反馈技术, 从工程条件、技术方案及施工措施等方面详细阐述了既有轨道加强、多层次双控注浆、人工垂直冻结帷幕、端头井洞门破除以及钢护筒外延接收体等多项综合施工关键技术, 并通过监测数据反映了施工效果。