微型盾构下穿既有铁路和城市轻轨施工技术研究

2021-09-17张万国

铁道建筑技术 2021年8期

张万国

（中铁十四局集团第四工程有限公司山东济南 250002）

1 引言

伴随我国社会和经济快速发展，城市的环境保护工作越来越受到社会各部门的高度重视，顶管技术由于其施工速度快、适用性好、环保等优点得到广泛应用。但由于盾构顶管施工邻近既有铁路、城市轻轨等难题，其引起的沉降控制技术是此类工程的关键［1］。

祝嘉辉等［2］通过对泥水平衡顶管施工参数分析，得出施工引起地面沉降规律，并对施工技术做出改进。蒋加兵等［3］通过极限平衡法和超孔隙水压力计算模型，研究开挖面支护压力和微观稳定的影响规律。谢雄耀等［4］通过进行注浆质量检测并结合监测预警平台提出“微沉降”施工控制体系。周庆合等［5］通过分析现场监测数据与数值模拟相结合，建立隧道施工计算模型，得到下穿过程中既有结构变形与沉降控制方法间的关系。蒋晓天、张帅坤等［6－7］通过分析刀盘的选型配置和刀具磨损情况，提出一套有针对性的泥水盾构刀盘配置。陈传灿、龚廷民等［8－9］通过顶管技术研究，对掘进面稳定控制系统及机具设备进行改进、升级。郑磊、商厚胜等［10－11］通过选定最佳泥浆配比对顶管注浆减阻技术进行总结。

可以看出：国内外诸多学者对泥水平衡式盾构顶管施工过程中产生的地表沉降进行了一系列研究，但是在施工过程中通过系统地考虑施工方案、顶进参数以及通过采取预案防治的方法来控制沉降的研究较少。本文以实际工程案例为背景，通过对施工方案的比选、参数确定以及施工过程中可能出现的问题提出预防措施，对泥水平衡微型盾构顶管过程沉降控制技术的提升改进具有理论和工程实践意义。

2 工程概述及施工方案选择

西安大桥位于长春市西安大路上，桥梁跨越京哈铁路和轻轨3号线（见图1），规划西安桥两侧分别设置4座1－2.2 m防护涵，将既有桥上及两侧高压电力、通信、自来水、燃气管线改迁入涵。防护涵与铁路交叉角度89°。其中1、2号防护涵单管顶进区间长110 m，3、4号防护涵单管顶进区间长100 m。圆管涵最小埋深大于3 m（见图2）。

图1 平面位置关系

图2 管道位置及横断面（单位：cm）

本项目工程施工采用泥水平衡微型盾构顶管施工工艺。由于管道下穿既有铁路和城市轻轨，而且1号管道与2号管道距离较近，易发生地面沉降，施工过程中必须保证地面建筑物安全稳定，因此施工难度较大。为防止施工扰动面过大，防护涵顶进采用非开挖微型盾构顶管施工工艺，在预留盾构必须的施工通道后，能够利用的工作面空间较为有限，因此，采用单管往复顶进模式，既保证了充足的施工空间又避免因下穿施工造成线路变形。

3 既有线路加固措施

由于轨道是刚性材质冶炼而成，因此对轻轨线路采用50型3-5-3扣轨加固，预防因顶管施工造成土体沉降从而导致轨道沉降。京哈上、下行线路采用D16型钢便梁加固（见图3）。

图3 线路加固平面

在加固作业时，作业人员将钢轨搬运到已经抽换的木枕上，在每根钢轨就位时，使其与其他钢轨拼成轨束梁。轨束梁成型后，在“U”型螺栓上安装好扣轨夹板，上紧扣件，加固线路。扣轨端头架设临时梭头。

4 顶进方案及顶力计算

（1）盾构类型选择

根据本项目现场地质情况及设计资料，盾构穿越地层主要为人工杂填土和粉质黏土层，为保证施工过程安全稳定的同时具有较高的自动化、对地面沉降影响小和快速高效的掘进速度，从地质条件看，本工程最适宜泥水平衡盾构顶管施工。

泥水平衡顶管施工是一种以全断面切削土体，以泥水压力来平衡土压力和地下水压力，利用泥水作为输送弃土介质的机械式顶管作业。泥水平衡顶管主要包括三个系统：顶管机、泥水输送、泥水处理，这三个系统既独立操作又相互配合，运行联系见图4。

图4 顶管机、泥水输送及处理系统运行流程

（2）刀盘和驱动选择

根据现场复杂的地质条件，并结合以往相关施工经验，确定采用变频驱动面板式刀盘。

面板式刀盘对各种地层均能适应，刀盘即使被磨损仍能保持整体强度不发生变形并且在半舱掘进时面板对开挖面有一定机械支撑作用，可破碎较大砾石，长距离盾构及地质变化较大的地层优先考虑面板式刀盘。

在驱动方式上，有变频电机驱动、液压驱动和定速电机驱动几种方式。由于本项目施工场地紧邻居民区，综合考虑具有传动效率高、热平衡性好、噪声低的特点，宜采用变频驱动。

（3）顶力计算

顶力控制作为施工掘进的重要参数之一，顶力控制的影响因素很多，对中小口径的管道，控制顶力往往是管材的允许顶力。施工过程中避免因顶力不足造成机头卡顿，需根据现场地质情况进行受力分析（见图5）。设计顶力为8 100 kN，最大顶力计算采用经验公式，最大顶进距离按110 m计算。管道顶力包括顶管机迎面阻力和顶进阻力。

图5 顶管受力示意

根据轴力平衡，顶进力P一般可简单认为由迎面阻力PF、与管道摩阻力F两部分组成，即：

式中：D1为管道外径，2.64 m；L为顶管设计顶进长度，110 m；fk为顶管外壁与土单位面积摩阻力，按表1 取为5.0 kN／m2。

表1 摩阻力取值 kN／m2

式中：Dg为顶管机外径，2.68 m；γ为管道所处土层重力密度，19.6 kN／m3；Hg为覆盖土层的厚度，8.48 m。

经过分析计算，顶力满足要求，施工方案合理可行。

（4）压浆减阻与泥浆置换

压浆减阻的目的是为能够及时填充由于管节与盾构机头在开挖面之间存在的空隙，在长距离顶管施工中对于顶管是否顺利以及地表沉降控制尤为重要。补充管道外周泥浆损失的补浆材料要求粘滞度较小，流动性较大。触变泥浆选用单液浆，在每次顶进中必须对顶管机头后的第一个注浆断面上压注足量的泥浆，以使其形成完整的泥浆套，在顶进100 m范围以后的补浆断面上可每隔2～4 d定期补浆。

顶管完成后及时对管道外壁进行充填加固和浆液置换（见图6）。置换浆体由管道内部的压浆孔压注，注浆次数3次，两次间隔时间不得大于12 h。使用的泥浆置换材料为水泥加粉煤灰浆。

图6 注浆系统示意

每两节混凝土管编为1组，每组3个注浆孔，前孔注浆，后孔排气排浆，以此类推，直到全部完成。压注完成后保压1 h，保压时注浆压力为0.5 MPa。泥浆配合比见表2。

表2 膨润土泥浆配合比

顶进前预先在管节钢承口处安装一道环形橡塑管（见图7），在顶进过程中橡塑管受力压扁，可以作为弹性材料缓冲两混凝土管节之间的刚性顶力，极大地减小顶管破裂的概率。

图7 橡塑管安装现场

管外壁注浆完成后，使用探地雷达进行管外壁注浆效果检查，在管道顶部及两侧上部，分别布设3条测线（见图8）。如果雷达检测出有空洞、土体疏松等情况，须重新向管外壁注浆，直到检查合格为止。

图8 监测点布置（单位：mm）

5 顶进施工常见问题及预防措施

5.1 出洞时方向失控

泥水平衡工具管重量较大，当土质出现软弱交替或土层软弱时，在自重作用下容易产生机头下沉现象，继而引起顶管方向失控，尤其是在出洞前90～100 m时，在施工过程中应严格控制管道轴线的角度与波动幅度，措施如下：

（1）出洞时给工具管预设一个向上的预抬值，角度可控制在3°以内。

（2）对其后剩余工具管管节的接头，使用16～20 mm螺栓连接成整体，提高管节的刚度和整体性。

（3）必要时对洞口周围压注水泥砂浆，形成刚性始发导向。

（4）通过顶进趋势测定装置来指导纠偏，做到“勤监测，勤纠正”。

5.2 地面沉降

顶管施工会导致土体原始应力的改变，造成地表沉降（见图9）。

图9 平行顶管施工引起地面沉降

黏性土渗透系数较小，采用泥水平衡微型盾构顶管，地面沉降可以得到有效控制，但因管壁触变泥浆除具减阻作用，还可起到填充管道外周空隙的作用。为实现泥浆套呈连续状态且最大限度保证减小地面沉降的效果，建议如下：

（1）在原地面对顶进区域两侧采用斜向45°高压旋喷桩进行土体加固，使之形成整体，提高土层固结能力。

（2）在机头跟进注浆基础上，通过混凝土管节同步进行补浆，从而使浆液成环。

（3）提高触变泥浆性能，增大粘滞度，减少失水量，泥浆比重控制在1.2 g／cm3，粘度值控制在25～30 s。

5.3 顶力控制

管道顶进需详细计算和分析工具管迎面土压力和混凝土管节及工具管与外侧土体摩阻力。顶力过大将会导致管节因强度不够而破裂，影响施工进度，因此要进行顶力计算。但《实用给水排水工程施工手册》所提到的阻力计算方法过于片面。在渗透系数较大使得水和土能各自分离的砂质土条件下，考虑浸在地下水以下部分土体受到水浮力影响，迎面阻力计算见式（4）；在渗透系数较小使得水土不易分离的黏性土条件下，迎面阻力计算见式（5）。

式中：F1为迎面阻力，kN；Bc为管外径，m；γt为土体容重，kN／m3；H1为地下水位以上部分高度，m；γ′t为土体浮容重，kN／m3；H2为地下水位以下部分高度，m；φ为土体内摩擦角；Pw为掘进设备所处土层的地下水压力，kPa；ΔP为给土舱预加压力，一般为20 kPa；H为地面到掘进机中心的深度，m；α为综合系数，取值见表3。K0为静止土压力系数，与土体性质有密切关系：在砂性土中，K0＝0.25～0.33；在黏性土中，K0＝0.33～0.70。