土压平衡盾构下穿铁路施工工艺.pdf

土压平衡盾构下穿铁路施工工艺 1 前言 1.1 工艺工法概况 一个城市中地铁网络往往由多条线路组成，随着线路的增多，线路相互交叉及下穿各种建（构）筑物将无法避免，城市地铁建设中会有大量地铁隧道下穿铁路线，用土压平衡盾构机进行隧道施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降，确保地面建（构）筑物结构安全等优点，成为地铁隧道施工的首选。研究好盾构法隧道下穿铁路的施工工法，具有较强的技术经济效益和一定的社会效益。1.2 工艺原理 土压平衡盾构是在机械式盾构的前部设置隔板，在刀盘旋转的作用下，刀具切削开挖面的泥土，破碎的泥土通过刀盘的开口进入土仓，使土仓和排土用的螺旋输送机内充满切削下来的泥土，依靠盾构千斤顶的推力通过隔板给土仓内的渣土施加压力，使土压作用于开挖面以平衡其水土压力。这样就可以尽量避免修建隧道对土体的扰动，确保铁路运营安全。2 工艺工法特点 2.1 对铁路运营影响小；2.2 辅助工法少；2.3 经济性高。3 适用范围 适用于盾构下穿运营铁路线、运营地铁线等施工。4 主要引用标准 4.1地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范（GB 50307）4.2地下铁道设计规范（GB50157）4.3铁路隧道施工技术安全规范（GBJ404）4.4地下铁道工程施工及验收规范（GB50299）4.5盾构法隧道施工与验收规范（GB50446）5 施工方法 5.1 对既有铁路运营线路的评估、加固 根据客运专线铁路无碴轨道铺设条件评估技术指南（铁建设2005158 号）规定，对需要下穿的既有铁路运营线路进行安全评估，制定出相关的沉降控制指标，并根据详细的地质及工况条件，制定出无扰动加固路基线路方案，确保铁路运营安全。5.2 盾构掘进 盾构机下穿既有铁路运营线采用土压平衡模式进行隧道掘进。该模式的工作原理就是盾构机在土压平衡状态（作业面水土压力与土仓中的泥土压力平衡）下进行隧道掘进。刀盘开挖下来的碴土充填满泥土仓，并被装在切削刀盘后面及隔板上的搅拌臂强制搅拌，借助盾构推进油缸的推力通过隔板进行加压，产生泥土压，这一压力作用于整个作业面，使作业面稳定，刀盘切削下来的碴土量与螺旋输送机向外输送量相平衡，维持泥土仓内压力稳定在预定的范围内。在盾构下穿既有铁路运营线过程中，匀速、连续、均衡施工。掘进过程中始终保证土仓压力与作业面水土压力的动态平衡，同时利用螺旋输送机进行与盾构推进量相应的排土作业，掘进过程中始终维持开挖土量与排土量的平衡，以保持正面土体稳定。另外，做好掘进、拼装等各工序的衔接以及盾构队作业班的交接工作，尽量减少非工作时间。在掘进过程中，各关键岗位(盾构司机、管片拼装工、电瓶车司机、龙门吊司机)选用有丰富施工经验的人员，定岗定人。在施工过程中加强对机械设备的维修保养，尽量保证不因机械故障而停机，保证盾构机连续掘进。掘进速度应严格按照技术交底进行，严禁擅自改变，确保盾构机匀速向前掘进，减少对土体扰动。5.3 监测 对既有铁路运营线采用远程自动化实时监测，同时，为满足施工期间及工后一定周期的日常维修安全监测要求，辅以人工监测的方法。远程自动化实时监测采用 ADMS 测量机器人监测系统，该系统由五部分组成：监测站、控制计算机房、基准点、变形点和测量机器人。监测站：根据现场条件，选择自动变形监测系统监测站。该站需建观测墩，安置测量机器人，并保证有较好的通视条件。控制计算机房：控制计算机房一般选设在办公区附近，有较好的供电等条件。机房内的计算机通过通讯电缆或数据电台和监测站全站仪相联。在控制机房能实时了解监测站全站仪的运行情况。另外，通过埋设于机房与监测站的专用电缆给全站仪供电并通讯。基准点：在变形区以外，需建至少三个稳定的基准点。变形点：根据实际需要，在变形体上选择若干变形监测点，每个监测点上安置有对准监测站的单棱镜。5.4 二次注浆 下穿既有运营铁路施工完毕后，通过对监测数据分析，确定二次注浆时间、注浆量。整个二次注浆全过程必须有实时监测信息反馈，保证既有铁路线的运营安全。6 工艺流程及操作要点 6.1 施工工艺流程 施工工艺流程如下所示：图1 施工工艺流程 6.2 操作要点 6.2.1 施工准备 包括调查、评估、协调联系、方案论证、监测系统布设、应急准备等，各项准备工作必须充分，且得到落实后才能进行下穿作业施工。6.2.2 预保护措施 1对既有铁路运营线路基及两条相交线路之间土体提前进行加固。2 在盾构机进行下穿施工期间，既有铁路运营线列车限速（小于50km/h）。6.2.3 盾构掘进控制 6.2.3.1 土压平衡掘进模式 1 采用土压平衡模式进行下穿掘进，其土仓压力控制采取以下两种操作模式:1)通过螺旋输送机来控制排土量的模式:即通过土压传感器检测，改变螺旋输送机的转速控制排土量，以维持开挖面土压稳定的控制模式。此时盾构的推进速度人工事先给定。2)通过推进速度控制进土量的模式:即通过土压传感器检测控制盾构千斤顶推进速度，以维持开挖面土压稳定的控制模式。此时螺旋输送机的转速事先给定。在下穿掘进过程中根据需要可以不断转化控制模式，以保证开挖面的稳定。2 在盾构下穿施工中，为了保持开挖面的稳定，根据围岩条件适当注入添加剂，确保碴土的流动性和止水性，同时要慎重进行土仓压力和排土量进行管理。1)在硬塑或坚硬状花岗岩残积土层、碎屑岩全风化带、强风化带地层中采用土压平衡模式掘进时，向刀盘面、土仓内和螺旋输送机内注入泡沫，并增加对螺旋输送机内注入的泡沫量，以增加了碴土的流动性。2)在粘性土地层中掘进时，采取向刀盘面和土仓内注入泡沫改良碴土。3)在粘性土内添加泡沫，增加了碴土的流动性，减少摩擦力，利于碴土的排出，减少泥土的堵塞。6.2.3.2 盾构姿态控制 1 采用自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测 2 采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向 推进油缸按上、下、左、右分成四个组，每组油缸都有一个带行程测量和推力计算的推进油缸，根据需要调节各组油缸的推进力，控制掘进方向。3 纠偏 在盾构机穿越铁路线过程中，如掘进方向出现偏差，只要线路可调，就不需要进行纠偏，待穿越完毕后在进行处理。6.2.3.3 土压平衡状态下的设定土压力 PkH【k：土压力的侧向系数，视覆土性质和厚度而定，一般在 0.50.7 之间。：土的容重；H：隧道中心埋深】在工程实施过程中，根据实际情况，以及和出土量的有机结合，所有上述土压力设定值可作适当调整。6.2.3.4 推进出土量控制 理论出土量/4D2L/46.2821.546.4m3/环 考虑岩土的松散系数，盾构掘进时的实际出土体积约为 67.5 m3/环。由于盾构机的特殊构造，使其无法观察掌子面情况，我们只能通过出土量的大小来推算掌子面情况，出土量过大，掌子面就可能出现了坍塌，所以必须控制好出土量。根据计算，实际每环出土量为 70m3（虚方）左右，用渣车出土计量为每环 4.5 斗左右。现场实际计量时，出土量控制可采用掘进 300mm 出渣 1 车来控制。过程中一旦有超量现象，必须对该区段进行处理，包括二次补浆，乃至地面注浆加固等措施。6.2.3.5 同步注浆量 在盾构施工中，当管片脱离盾尾后，在土体与管片之间会形成一道宽度为 115140mm 的环型空隙。为了尽快填充环形间隙使管片尽早支撑地层，防止地层变形过大而危及 1 号线安全需要进行注浆。同步注浆采用盾尾壁后注浆方式。注浆要做到“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”，通过控制同步注浆压力和注浆量（注浆压力控制在 0.25Mpa 左右，每环注浆量 6.5m3左右）双重标准来确定注浆时间。具体注浆参数需通过试验段地面沉降情况进行确定。注浆配合比采用如下设定，并在施工过程中酌情对配合比进行调整。表 1 同步注浆配合比 名称 水泥 膨润土 粉煤灰 砂 水 初凝时间 材料用量(kg/m3)250 75 50 400 根据实际情况调整 180min 6.2.4 选择试验段 在正常掘进段选择地质条件及线路条件与下穿铁路区域相似的区段设定为试验段，在此试验段模拟出最佳的掘进参数，为下穿区域初始阶段盾构掘进各个相关参数的确定作为参考。6.2.5 盾构掘进下穿铁路线施工要点 1严格以土压平衡状态下的土压力计算值为盾构掘进施工的土压设定值，施工中仅可以在项目工程师认可的前提下，进行微量的调整。同时可以通过土体位移和深层沉降的监测信息，对土压设定值进行修正。2严格以理论出土量为盾构弃土控制值，每环出土量偏差不得超过2m3。为了避免数量统计误差，施工中尽可能将土箱清洗干净。一旦出现超挖现象，必须如实反馈，在后续注浆施工中，将针对性的进行超量注浆。3避免大幅度的轴线纠偏动作。由于较大幅度的纠偏，对地层的扰动也非常大，所以在控制好土压力和出土量的前提下，必须减小纠偏幅度。盾构纠偏原则为“勤纠、少纠”。4同步注浆及时、足量。为了避免同步注浆跟不上，或注浆量不够而引起对地层的扰动，过程中安排专人负责注浆工序，每环、定时、定量进行同步注浆，并做好注浆记录。5在此地段掘进加强地面隆降检测，及时分析数据，调整盾构机掘进参数和注浆压力。6盾构机停机期间，必须观察土仓压力，保持土仓压力平衡。避免长时间停机造成土仓内渣土的固结，使土仓压力降低，造成地面沉降。7在未到重叠隧道段前和到达区间联络通道加固区域进行刀具的检查，确保刀具的完好性。6.2.6 铁路线实时监测 1铁路线能够承受的变形数值有限，在超出一定限度后可能引发严重安全事故。上海及广州的工程实例证明，临近新建工程施工或下穿正在运营的铁路，对铁路所造成的影响主要包括既有结构的沉降、弯曲和扭曲变形、开裂，变形缝的扩展和错动，造成结构性能指标的下降。结构变形严重时，可能会引起结构与道床的剥离、轨道设备几何形位的改变：如轨道水平、轨道前后高低、直线轨向（或曲线正矢）的改变，严重时形成“三角坑”、“吊板”、“暗坑”等病害，使行车平顺性变差，诱发冲击、摇晃甚至于造成脱轨，对行车安全造成重大威胁。因此，在新建线路施工时必须对既有线路进行实时监测。2险情的发生往往有突然性，只有进行足够密度的监测数据采集，才能从监测数据上发现连续的变化征兆，进而能够提供给决策人员及时采取措施，排除险情，消除隐患。而传统的水准测量、水平位移监测手段需要监测人员在现场作业，采用实时自动化监测系统可实时掌握在新建线路建设过程中对铁路结构形状和道床、轨道状况的影响，提供动态监测数据，为建设方及运营方提供及时可靠的数据和信息，以便及时评定地铁施工对铁路结构和轨道的影响，及时指导施工采取必要预案措施、运营加强维修养护措施，对可能发生的事故提供及时、准确的预报，使有关各方有时间做出反应，避免恶性事故的发生，确保既有线安全运营。3对铁路线按三级预警制度进行管理，即，预警值、报警值、控制值三级。预警值取控制值的 50%，报警值取控制值的 80%，结构变形控制指标如下：表 2 结构变形控制指标 项目 预警值 报警值 控制值 道床平顺度 2.0mm/10m 3.2mm/10m 4.0mm/10m 左右轨道差异沉降 2.0mm 3.2mm 4.0mm 三角坑 2.0mm/18m 3.2mm/18m 4.0mm/18m 结构绝对变形量 10.0mm 16.0mm 20.0mm 隧道相对变形量 1/5000 1/3125 1/2500 备注：监测控制值是指既有运行线地铁列车正常运行的极限值，预警值是指引起警戒措施的起始值，报警值是指需提出警告的初始值。4自动监测系统原理如下图 6.2.7二次注浆 同步注浆后管片上方可能会存在通道。另外同步注浆浆液凝固后体积会产生一定程度的收缩，为有效防止既有一号线产生后期沉降，控制计算机房 图 2 自动监测系统原理示意图 测量机器人 基准点 1 基准点 n 变形点 1 变形点 n 监测站 计算机数据处理系统 成果输出 供电 及通讯模块 在交汇区及交汇区前后 10m 范围进行洞内二次注浆，充填管片背后的空腔。从脱出盾尾 50 米开始，每隔 2 环在管片顶部注浆孔打开注双液浆，直到管片超出二次注浆加固范围为止。注浆的具体方法是把管片上的注浆孔打开注双液浆，将背后的空腔封堵住。注浆压力暂定：0.8Mpa，注浆配比如下表。注浆过程中要根据铁路线的自动测量系统的数据反馈，实时调整注浆参数。表 3 二次注浆配合比 7 劳动力组织 表 4 劳动力组织 序号 工 种 人数 1 施工队长 2 2 班长 2 3 盾构机操作司机 2 4 管片拼装工 8 5 注浆工 4 6 机电工 4 7 司索工 8 8 电瓶车司机 4 9 龙门吊司机 3 10 普通工人 20 11 实时监测人员 4 12 铁路单位配合人员 10 小计 71 8 主要机具设备 表 5 主要机具设备 序号 设备名称 数量 规格型号 主要工作性能指标 一 盾构隧道施工专用设备 二 实时测量、监测设备 1 精密水准仪 1 台 DSZ-2 2 全站仪 1 台 TCA1103 3 ADMS 测量机器人监测系统 1 套 水泥（g）水（ml）水玻璃（ml）初凝时间 终凝时间 150 60 108.4 2min40s 14min30s 4 倾斜测试仪 1 台 Hcx-2b 5 水位观测仪 1 台 VW-1 9 质量控制 9.1 易出现的质量问题 9.1.1在盾构下穿掘进过程中土仓压力泄压过快，造成欠压掘进，引起既有铁路运营线下沉。9.1.2同步注浆不饱满，同步浆液凝固过程中收缩过快形成空洞，管片裂缝，管片过量错台，造成既有铁路运营线沉降。9.1.3 盾构隧道后期下沉、上浮、水平位移，引起既有运营铁路变形。9.2 保证措施 9.2.1 盾构机下穿掘进前，对土仓内土压传感器进行检定，必须确保土压力的显示正确，同时掘进数据必须可以传输到地面监控室，当下穿掘进时土仓内压力保持不住，立即向土仓内注入提前准备好的膨润土浆液。9.2.2 盾构机下穿掘进过程中，及时进行隧道内二次补充注浆，其注浆量与注浆压力控制需根据既有铁路运营线实时监测情况确定。9.2.3 对既有运营线、新建地铁隧道长时间进行监测，监测周期至少 1 年，防止工后沉降引起既有铁路运营线变形。10 安全措施 10.1 主要安全风险分析 10.1.1 正在运营的铁路线因沉降过大影响营运，甚至造成停运的风险,社会责任重大。10.1.2 盾构机及后配套设备故障导致停机引起的安全风险。10.2 保证措施 10.2.1 在盾构通过铁路过程中，匀速、连续、均衡施工。掘进过程中始终保证土仓压力与作业面水土压力的动态平衡，同时利用螺旋输送机进行与盾构推进量相应的排土作业，掘进过程中始终维持开挖土量与排土量的平衡，以保持正面土体稳定。另外，做好掘进、拼装等各工序的衔接以及盾构队作业班的交接工作，尽量减少非工作时间。在掘进过程中，各关键岗位(盾构司机、管片拼装工、电瓶车司机、龙门吊司机)选用有丰富施工经验的人员，定岗定人。在施工过程中加强对机械设备的维修保养，尽量保证不因机械故障而停机，保证盾构机连续掘进。掘进速度应严格按照技术交底进行，严禁擅自改变，确保盾构机匀速向前掘进，减少对土体扰动。10.2.2 施工现场设立下穿既有铁路运营线施工指挥办公室，铁路运营单位、政府应急办、以及所有参与设计、施工的相关单位现场24 小时监控办公，各家单位及政府部门密切配合，形成有效的快速应急反应机制。10.2.3 盾构机通过铁路过程中，因设备故障停机后，土仓内压力变小，迅速通过盾壳上的径向注浆孔向盾体周围注入 Na 基膨润土，注入量及压力通过土仓内压力传感器确定。11 环保措施 坚持“预防为主、防治结合、综合治理、化害为利”的原则，环保管理符合地铁施工期间环境保护的要求。采取各种有效措施，对容易引起环境污染的各种渠道严格控制，明确环保重点。切实贯彻环保法规，严格执行国家及地方政府颁布的有关环境保护，水土保持的法规、方针、政策和法令，及时提报有关环保设计。编制实施性施工组织设计时，把施工生产的环保工作作为其中一项内容。加强环保教育，采用各种方式宣传环保法规、政策、知识。强化环保管理，健全内部环保管理机制，定期进行环保检查，及时处理违章事宜。并与地方政府环保部门建立工作联系，接受外部监督。噪音、振动控制：通过设隔音罩、隔音板，尽量使用环保机具等措施，将施工期间施工机械的噪音控制在最低限度，满足国家和深圳市有关法规要求，符合建筑施工场界噪声限界（GB12523）。采取有效措施将施工产生的振动减小到最低幅度，不影响周围建筑物安全，不破坏有关单位精密仪器正常精度和影响居民身体健康，符合城市区域环境震动标准（GB10070）的要求。合理安排施工，避免机械过于集中；合理安排施工时间，尽量避免安排噪音大的工序在中午、夜间和节假日施工。加强废水废气废碴的管理：淤泥、污水排放管理：弃土（石）、弃渣、弃泥浆的排放要事先取得监理工程师的批准，并报请市有关部门批准，不随意排放。淤泥和废浆定点堆放，采取必要的固化措施后及时外运，夜间运输，一次不装得过满，在出大门前认真冲洗，并加篷布遮盖严防掉渣。