大纵坡盾构区间下穿客运专线施工关键技术
1 工程概况
本文主要以天津市滨海新区第1条地铁B1线土建施工一标段为例, 详细分析了大纵坡盾构区间下穿客运专线施工关键技术。
该工程主要包括一站一区间一出入线段, 其中盾构区单线隧道右线总长1 399.81m, 左线1 346.29m, 隧道断面面积34.19m2。区间设置2处联络通道, 其中一处兼做废水泵房。联络通道分别长6.4, 5.4m, 通道内净尺寸为1.5m×2.1m。
区间结构采用预制管片拼装而成。预制管片衬砌参数:内径5 900mm, 外径6 600mm, 管片厚度350mm, 环宽1.5, 1.2m。衬砌环由1块封顶块、2块邻接块、3块标准块组成, 采用错缝拼装的拼装方式 (见图1) 。
盾构区间左、右线分别从津秦客运专线的115～116号墩和116～117号墩间穿过。区间结构外皮距桥墩承台底2.69m, 距桥桩水平净距为8.26～9.07m, 区间平面设置3处曲线, 半径分别为400, 450, 400m。区间纵断面为V形坡, 线路坡依次为2‰, 28‰, 5‰, 6.305‰, 24‰, 坡长分别为120, 200, 610, 210, 220m。线路轨面埋深为12.84～20.33m, 隧道覆土埋深7.58～15.07m (见图2) 。
图1 盾构区间平面
Fig.1 Plan of shield tunneling interval
盾构区间下穿津秦客运专线 (永定新河特大桥) , 该客运专线为国铁高铁级, 津秦客运专线轨道板为整体道床, 设计速度为350km/h, 正线数目为双线。津秦客运专线铁路轨面标高为10.657m, 桥墩顶标高为6.263m, 承台底面标高为-1.737～-2.005m, 每个桥墩下为8根直径1m、长度为52～54m桩基, 此处地面标高1.054m。津秦客运专线铁路桥为预制箱梁简支桥, 隧道侧穿铁路桥桩最小净距8.26m, 隧道覆土5.38m (见图3) 。
图2 盾构区间与津秦客运专线位置 (单位:m)
Fig.2 Location of shield tunneling interval and Tianjin-Qinhuangdao passenger dedicated line (unit:m)
2 总体方案思路
结合该线路使用现状, 考虑对其采取隔离桩配合洞内注浆的加固措施, 确保其在盾构施工期间铁路线路正常运营。
2.1 采用隔离桩的目的
本工程区间施工采用盾构法, 盾构机掘进期间, 一方面, 由于盾构机外壳与土体、管片与土体存在间隙, 以及注浆不及时和浆液自身收缩, 导致土体产生地层损失, 引起地层产生沉降;另一方面, 盾构机对掌子面的预压力和土层的水土压力不一致, 引起相应土体受拉、受压, 出现沉降或隆起;同时, 施工扰动、渗漏水、盾构机低头和抬头、超挖等也引起地层沉降或隆起, 上述情况将不同程度地引起土体隆起或沉降, 从而引起上部既有铁路线桥墩范围土体的变形沉降或隆起, 如变形过大时, 将严重影响铁路正常运营和安全。所以在既有铁路线盾构机穿越范围施工隔离桩 (混凝土灌注桩) , 从而防止对外侧土体的扰动变形或隆起。
2.2 总体方案
主要从前期勘探、隔离桩施工、推进试验段施工与监测、盾构施工控制、监控量测等方面, 确保穿越既有铁路线安全 (见表1) 。
表1 盾构下穿客运专线主要施工措施
Table 1 Main construction measures for shield tunneling under the passenger dedicated line
1) 隔离桩方案下穿客运专线, 为确保客运专线安全稳定, 本受影响区域采用隔离桩方式, 隔离桩为800@900钻孔灌注桩, 隔离桩范围, 沿隧道线路方向超出既有桩基2.5倍洞径 (36.8m) , 桩长14.42m, 伸入隧道底3m, 桩顶做800mm×800mm混凝土冠梁、400mm厚混凝土盖板, 施工采用正循环钻孔灌注桩形式。
2) 盾构选型与试验段方案根据区间纵断面分析, 区间隧道上半部分处于粉质黏土地层中, 局部在以粉砂为主地层中, 考虑泥水平衡式盾构机占用施工场地较大, 本区间采用土压平衡式盾构机, 在开始掘进的右线区间前100m作为盾构施工试验段, 并对试验段地面沉降、周边构筑物位移等进行监测。及时对盾构机的掘进控制参数、地层沉降规律进行分析比较, 以确定盾构机在不同地层中的掘进参数, 把施工对周边环境的影响控制在允许范围内。
图3 区间下穿津秦客运专线铁路桥断面
Fig.3 Cross section of the bridge crossing Tianjin-Qinhuangdao passenger dedicated line
3 具体施工工艺
3.1 穿津秦客运专线隔离保护施工
针对盾构区间下穿津秦客运专线施工, 根据铁路局要求, 增加千斤顶顶升应急预案, 开始施工隔离桩前, 将准备好的千斤顶安装到位, 区间下穿施工期间, 根据监控量测数据, 如轨道沉降值临近预警值, 及时启用应急措施, 采用液压顶升同步控制系统对既有桥梁进行顶升。待盾构机通过桥梁影响范围后1个月, 拆除千斤顶 (总周期14个月) , 顶升范围为115, 116, 117号桥墩。
3.2 隔离桩施工
3.2.1 隔离桩
为确保区间施工期间津秦客运专线正常运营, 区间隧道左、右线两侧各设1排800@900钻孔灌注桩为隔离桩, 位于区间隧道与桥桩之间, 沿区间隧道线路方向超出桩基2.5倍洞径 (36.8m) , 隔离桩距区间隧道外皮净距为2.0m, 共计164根, 桩长14.42m, 伸入隧道底3m。混凝土强度等级为C30, 隔离桩平面如图4所示。
图4 隔离桩平面 (单位:m)
Fig.4 Plan of the isolation pile (unit:m)
采用正循环潜水钻机成孔, 导管法灌注水下混凝土的施工方法完成隔离桩施工, 考虑隔离桩的间距较小, 采取隔桩跳打施工, 在相邻灌注桩灌注混凝土24h后再进行相邻桩成孔施工。
3.2.2 冠梁及盖板
为保证盾构下穿过程中安全及地表不发生沉降, 在隔离桩顶设置冠梁及钢筋混凝土盖板, 冠梁尺寸800mm×800mm, 盖板连通冠梁, 宽10.6m, 厚400mm;冠梁、盖板混凝土强度等级为C30, 混凝土盖板、冠梁的混凝土保护层厚度为30mm (见图5) 。
图5 冠梁及盖板横断面
Fig.5 Cross section of top beams and cover plates
3.3 盾构下穿施工
津秦客运专线轨道板为整体道床, 设计速度为350km/h, 正线数目为双线, 轨面标高为10.657m, 桥墩顶标高为6.263m, 承台底面标高为-1.737～-2.005m, 每个桥墩下为8根直径1m、长度52m的桩基, 盾构管片与津秦客运专线交叉如图6所示。
图6 盾构管片与津秦客运专线交叉示意
Fig.6 Intersection of shield segment and the passenger dedicated line
根据区间纵断面分析, 区间隧道上半部分处于粉质黏土地层中, 局部在粉砂为主地层中, 考虑泥水平衡式盾构机占用施工场地较多, 造价较高且适用于砂性土层, 因此, 本区间采用1台6 810复合式土压平衡盾构机, 均为德国海瑞克公司生产;且针对本工程地质水文条件、地上建筑物、地下构筑物及周边环境等情况需在开始掘进的前100m宜作为盾构施工的试验段及盾构推进模拟监测段, 对试验段地面沉降等进行监测, 对盾构机的掘进控制参数、地层的沉降规律进行分析比较, 以确定盾构机在不同地层中的掘进参数, 把施工对周边环境的影响控制在允许范围内。主要措施如下。
3.3.1 施工参数控制
1) 盾构掘进速度。速度控制在20～30mm/min, 确保下穿客运专线过程中盾构推进匀速稳定, 避免速度频繁变化。
表2 监测控制值与预警判别
Table 2 Monitoring control value and early warning discrimination
2) 盾构总推力。区间左、右线推力控制在18 000kN以内。
3) 盾构扭矩与刀盘转速。左、右线推进过程中, 刀盘扭矩<1 800kN·m, 刀盘转速约1r/min。
4) 根据下穿津秦客运专线的地质情况将掘进土压力控制在0.18～0.2MPa, 确保土仓压力与开挖面水土压力平衡。
5) 确保注浆压力与水土压力平衡, 注浆处水土压力提高0.01～0.02MPa。
6) 出土量与掘进的进尺平衡, 做到进尺量必须与出土量均衡。
7) 盾构掘进进行严格线形控制和姿态控制, 在铁路下纠偏坡度控制在±1‰内, 平面偏差为15mm内, 一次纠偏量≤5mm, 避免对土体超挖与扰动。
3.3.2 同步注浆与二次注浆
1) 同步注浆盾构施工地层中以粉土、粉质黏土、粉砂为主的渗透系数较大, 实际注浆量取值为理论值的1.5～2.5倍, 即4.98～8.3m3/环, 注浆压力宜控制在0.2～0.4MPa。注浆过程中, 及时加强掘进区域地面沉降隆起监测, 分析数据, 调整盾构机掘进参数和注浆压力。
2) 二次注浆二次注浆采用压力控制, 压力控制在0.4～0.6MPa, 下穿客运专线时, 当日变化量<0.7mm时, 沉降地段注浆以单液浆为主。当日变化量在0.7～0.8mm时, 先注入单液浆, 后注入双液浆, 以双液浆为主, 当日变化量>0.8mm时立即停止掘进, 分析原因并采取措施。
3.3.3 管片背后深孔注浆
区间盾构穿越过程中, 在津秦客运专线框架桥两侧各30m范围内, 施作二次深孔加强注浆加固以提高管片强度和稳定性, 减少后期沉降, 注浆时应遵循“多点、低压、多次”注浆原则, 降低注浆压力影响。双液 (水泥浆与水玻璃掺合物) 注浆孔深约3m, 注浆扩散半径2～3m, 注浆形成有效厚度≥2m的注浆圈, 注浆压力为0.4～1.2MPa, 注浆压力与注浆量双控, 在管片出盾尾5环后即可进行。注浆结束后, 拆除注浆头, 用双快水泥砂浆对注浆孔进行封堵, 带上螺堵。
3.3.4 盾构管片加强措施
管片加强配筋配置, 内、外侧均采用HRB40028主受力筋, 加强范围为盾构通过客运专线及前后各5环;管片连接处采用8.8级高强螺栓, 利用纳米粉末渗锌防腐, 渗锌厚度>50μm。
3.4 隔离保护施工过程监测
1) 监测项目隔离保护施工过程监测中, 主要对114～118号墩进行位移及沉降监测。在桩基正式施工前1周开始初始值测量。初始值测量3次, 取其平均值作为初始值。
2) 监测周期及频率监测周期为1次/d (参考杭州地铁1号线下穿沪杭高铁余杭南站高架车站的监测频率) 。监测控制值与预警判别如表2所示。
3) 监测点布置持续对114～118号墩进行监测, 隔离保护施工监测点的布置考虑以后盾构施工对114～118号墩的监测, 布置永久观测点。
4) 监测方法监测采用自动化监测和人工监测相结合的方法进行。自动化监测采用全站仪自动化监测, 自动化监测系统布设如图7所示。在施工过程中如果自动监测系统发现问题则采取人工进行不定期监测。
图7 全站仪自动化监测系统布设
Fig.7 Layout of automatic monitoring system for total station
5) 施工监测结果经采取前期勘探分析、隔离桩设计与施工、推进试验段施工与监测、盾构施工控制、监控量测等一系列措施, 从而确保了穿越既有铁路客运专线的安全质量。从施工准备、施作隔离桩、施工冠梁及盖板、盾构穿越等施工环节, 总计用时约80d。经施工监测表明, 桥墩沉降累计1.1mm, 相邻墩差异沉降0.4mm, 桥墩平面位移无变化。
4 结语
本盾构区间下穿津秦客运专线桥被列为一级风险源, 通过采取隔离桩以及盾构下穿施工、稳定性监测等一系列措施, 确保了该部位施工过程质量安全。工程施工积累的经验可为后续盾构穿越桥梁、周边建筑物等设施施工提供参考, 其关键技术值得推广与借鉴。
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