中铁十一局集团城市轨道工程有限公司
摘要：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。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。
关键词：复杂工程；富水软弱地层内；盾构出洞；接收技术
1工程概况
1.1隧道施工概况
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。
1.2工程地质与水文地质
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。
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。
2盾构出洞接收关键技术
2.1既有轨道加强+多层次双控注浆
2.1.13-5-3扣轨加强技术
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。
2.1.2多层次注浆技术
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。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。
2.2人工地层冻结封堵+端头井洞门破除
2.2.1垂直人工冻结帷幕
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,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,C3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。
2.2.2端头井洞门破除
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。
2.3钢护筒定位安装+惰性砂浆配合比
2.3.1钢护筒定位安装
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120.6,31.1,303.1,226.6kN/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。
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。
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200mm厚的M75砂浆垫层,并伸入洞门内与人工冻结帷幕相接。
2.3.2惰性砂浆配合比
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∶1200。
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。
结论
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。
参考文献：
[1]赵洪岩,韩新奇,李森.富水软弱地层盾构始发洞门破除施工技术[J].建筑技术,2018,49(11):1152-1155.
[2]汪永剑,丁仕辉,丘宏余.软弱富水地层盾构到达端头加固技术[J].人民珠江,2017,38(06):61-65.