關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控在盾構(gòu)法下穿鐵路施工中的探討

許宏偉

(鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))工程有限公司,河南鄭州 450000)

關(guān)于風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控在盾構(gòu)法下穿鐵路施工中的探討

許宏偉

(鄭州煤炭工業(yè)(集團(tuán))工程有限公司,河南鄭州 450000)

本文主要以盾構(gòu)法施工穿越孟寶鐵路為例,采用風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控方式針對主要風(fēng)險(xiǎn)因素制定相應(yīng)措施,順利通過孟寶鐵路施工,為同類工程施工提供了一定的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

盾構(gòu) 下穿鐵路 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控 注漿加固

1 工程概況

平煤七星至姚電公司皮帶輸煤通道中4#轉(zhuǎn)運(yùn)站～5#轉(zhuǎn)運(yùn)站地下輸煤通道全長1392.83m,區(qū)間縱坡為-1.49%～-0.77%～+0.36%,盾構(gòu)穿越孟寶鐵路的里程為K2+176.9～K2+167.9,穿越長度為9m,該區(qū)段縱坡為-1.49%,穿越段隧道設(shè)計(jì)頂板距地面最小垂距為5.2m,最大垂距8.4m。孟寶鐵路上有貨運(yùn)和客運(yùn)火車行駛,隧道穿越石灰?guī)r,隧道上覆主要為粉質(zhì)粘土層和石灰?guī)r。由于孟寶鐵路位于隧道正上方,且路基和軌道不能承受較大的地層擾動,給隧道施工帶來了較大的安全隱患。

2 該地層盾構(gòu)施工特點(diǎn)

孟寶鐵路下方土層盾構(gòu)施工主要有以下的一般規(guī)律:(1)設(shè)備磨損;盾構(gòu)在灰?guī)r中掘進(jìn)對刀具的沖擊和磨損都較大,每掘進(jìn)250～350m須更換刀具,但是盾構(gòu)機(jī)從始發(fā)到進(jìn)入孟寶鐵路范圍僅掘進(jìn)100.1m,刀具情況處于良好的運(yùn)作狀態(tài),不需要進(jìn)行換刀。(2)地層變形規(guī)律;盾構(gòu)穿越地層主要為石灰?guī)r,巖體比較堅(jiān)硬,圍巖的自穩(wěn)性好對地層擾動較小,盾構(gòu)施工形成的橫向沉降槽寬度相對較小,影響范圍相對較小。據(jù)以往施工中該種地層監(jiān)測,地表沉降主要集中在盾構(gòu)隧道正上方2倍隧道直徑范圍內(nèi)。

3 盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控制

3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)施工控制

盾構(gòu)安全通過孟寶鐵路的首要措施是加強(qiáng)掘進(jìn)參數(shù)的控制,使盾構(gòu)以最佳狀態(tài)通過,最大程度的減小對孟寶鐵路的影響。盾構(gòu)掘進(jìn)時的控制主要遵循以下原則:加強(qiáng)施工設(shè)備管理,確保盾構(gòu)連續(xù)勻速穿越;嚴(yán)格控制出渣量;保證注漿回填飽滿(含二次注漿);調(diào)整好盾構(gòu)姿態(tài)。

(1)采用快速通過方法能減小對地層的擾動。因此在過此建筑物掘進(jìn)速度控制在30～40mm/min,地面有列車通過時,通過地面電話通知盾構(gòu)司機(jī)停止掘進(jìn)。

(2)施工中,及時根據(jù)反饋的施工監(jiān)測數(shù)據(jù),對于參數(shù)不斷優(yōu)化調(diào)整。主要的參數(shù)調(diào)整優(yōu)化措施如下:

1)采用以滾刀、周邊刮刀為主的刀盤切削土層,以低轉(zhuǎn)速、大扭矩推進(jìn)。2)適當(dāng)提高掘進(jìn)土壓力以防止塌陷,并在掘進(jìn)中不斷調(diào)整優(yōu)化。3)土倉壓力通過采取設(shè)定掘進(jìn)速度、調(diào)整排土量或設(shè)定排土量、調(diào)整掘進(jìn)速度兩種方法建立,并應(yīng)維持切削土量與排土量的平衡,以使土倉內(nèi)的壓力穩(wěn)定平衡。4)盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度主要通過調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)力、轉(zhuǎn)速(扭矩)來控制,排土量則主要通過調(diào)整螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)。在實(shí)際掘進(jìn)施工中,應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、排出的碴土狀態(tài),以及盾構(gòu)機(jī)的各項(xiàng)工作狀態(tài)參數(shù)等動態(tài)地調(diào)整優(yōu)化。5)掘進(jìn)時采取碴土改良措施增加碴土的流動性和止水性,密切觀察螺旋輸送器的栓塞和出土情況以調(diào)整添加劑的摻量。6)在盾構(gòu)掘進(jìn)速度一定的情況下,主要通過調(diào)整螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速,調(diào)整出土量的大小,以達(dá)到維持土倉壓力的平衡。做好土量管理工作,對每環(huán)出土量進(jìn)行測定,出土量控制在一定范圍內(nèi)。保持盾構(gòu)機(jī)良好的姿態(tài)。

(3)盾構(gòu)在通過孟寶鐵路前,對盾構(gòu)機(jī)及后配套系統(tǒng)要進(jìn)行仔細(xì)全面檢修,確保通過時不出現(xiàn)機(jī)械故障,并對可能產(chǎn)生的故障預(yù)先做好修理準(zhǔn)備,備足主要零配件,減少過孟寶鐵路停機(jī)檢修的風(fēng)險(xiǎn)。

(4)在整個盾構(gòu)掘進(jìn)施工期間,派專人監(jiān)控出土量,每環(huán)(1.5m)出碴量控制在55m3以內(nèi),(考慮泡沫劑等碴土改良材料帶來的擴(kuò)散系數(shù)取1.2)。穿越期間盡量減少盾構(gòu)糾偏量,使盾構(gòu)機(jī)均衡勻速施工,以減少盾構(gòu)施工所產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)影響。

3.2 注漿加固控制

為保證盾構(gòu)穿越孟寶鐵路時地表的穩(wěn)定,進(jìn)行注漿加固。注漿控制采用同步注漿和二次注漿。當(dāng)管片脫離盾尾后,在土體與管片之間會形成環(huán)形空隙。同步注漿的目的是為了盡快填充環(huán)形間隙使管片盡早與地層共同作用,防止地面變形過大而危及周圍環(huán)境安全,同時作為管片外防水和結(jié)構(gòu)加強(qiáng)層。并在盾尾通過后及時進(jìn)行二次注漿,確保同步注漿的質(zhì)量。根據(jù)長期盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn),注漿量每環(huán)(1.5m)控制在6m3左右,注漿壓力0.2Mpa以上,最大程度利用同步注漿填充滿管片背后間隙。

3.2.1 同步注漿

(1)同步注漿方法、工藝;壁后注漿裝置由注漿泵、清洗泵、儲漿槽、管路、閥件等組成,安裝在第一節(jié)臺車上。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)時,注漿泵將儲漿槽中的漿液泵出,通過四條獨(dú)立的輸漿管道,通到盾尾殼體內(nèi)的4根同步注漿管,對管片外表面的環(huán)行空隙中進(jìn)行同步注漿,在每條輸漿管道上都有一個壓力傳感器,在每個注漿點(diǎn)都有監(jiān)控設(shè)備監(jiān)視每環(huán)的注漿量和注漿壓力;而且每條注漿管道上設(shè)有兩個調(diào)整閥,當(dāng)壓力達(dá)到最大時,其中一個閥就會使注漿泵關(guān)閉,而當(dāng)壓力達(dá)到最小時,另外一個閥就會使注漿泵打開,繼續(xù)注漿。注漿量和注漿壓力的大小可以實(shí)現(xiàn)自動控制和手動控制,手動控制可對每一條管道進(jìn)行單個控制,而自動控制可實(shí)現(xiàn)對所有管道的同時控制。

(2)注漿材料及配比設(shè)計(jì);①注漿材料;采用水泥砂漿作為同步注漿材料,該漿材具有結(jié)石率高、結(jié)石體強(qiáng)度高、耐久性好和能防止地下水浸析的特點(diǎn)。水泥采用32.5普通硅酸鹽水泥,以提高注漿結(jié)石體的耐腐蝕性,使管片處于耐腐蝕注漿結(jié)石體的保護(hù)中,減弱地下水對管片混凝土的腐蝕。②漿液配比及主要物理力學(xué)指標(biāo);根據(jù)盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn),同步注漿擬采用表5-2所示的配比。在施工中,根據(jù)地層條件、地下水情況及周邊條件等,通過現(xiàn)場試驗(yàn)優(yōu)化確定。

(3)同步注漿主要技術(shù)參數(shù);①注漿壓力;由于是從盾尾圓周上的4個點(diǎn)同時注漿,上部兩個注漿孔的壓力控制在1.5bar,下部兩個注漿孔的壓力在2.0～2.5bar。②注漿量;盾構(gòu)過特殊地段實(shí)際注漿量按實(shí)際出碴量進(jìn)行控制,基本上控制在6m3,最大程度將管片背后填充密實(shí)。③注漿時間和掘進(jìn)速度;在不同的地層中根據(jù)需不同凝結(jié)時間的漿液及掘進(jìn)速度來具體控制注漿時間的長短。做到“掘進(jìn)、注漿同步,不注漿、不掘進(jìn)”,通過控制同步注漿壓力和注漿量雙重標(biāo)準(zhǔn)來確定注漿時間。注漿量和注漿壓力達(dá)到設(shè)定值后才停止注漿,否則仍需補(bǔ)漿。同步注漿速度與掘進(jìn)速度匹配,按盾構(gòu)完成一環(huán)掘進(jìn)的時間內(nèi)完成當(dāng)環(huán)注漿量來確定其平均注漿速度。④注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)及注漿效果檢查;采用注漿壓力和注漿量雙指標(biāo)控制標(biāo)準(zhǔn),即當(dāng)注漿壓力達(dá)到設(shè)定值,注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)值的85%以上時,即可認(rèn)為達(dá)到了質(zhì)量要求。

(4)同步注漿的注意事項(xiàng);①在開工前制定詳細(xì)的注漿作業(yè)指導(dǎo)書,并進(jìn)行詳細(xì)的漿材配比試驗(yàn),選定合適的注漿材料及漿液配比。②制訂詳細(xì)的注漿施工設(shè)計(jì)和工藝流程及注漿質(zhì)量控制程序,嚴(yán)格按要求實(shí)施注漿、檢查、記錄、分析,及時做出P(注漿壓力)－Q(注漿量)－t(時間)曲線,分析注漿速度與掘進(jìn)速度的關(guān)系,評價(jià)注漿效果,反饋指導(dǎo)下次注漿。③成立專業(yè)注漿作業(yè)組,由富有經(jīng)驗(yàn)的注漿工程師負(fù)責(zé)現(xiàn)場注漿技術(shù)和管理工作。④根據(jù)洞內(nèi)管片襯砌變形和地面及石人社區(qū)變形監(jiān)測結(jié)果,及時進(jìn)行信息反饋,修正注漿參數(shù)和施工工藝,發(fā)現(xiàn)情況及時解決。⑤做好注漿設(shè)備的維修保養(yǎng),注漿材料供應(yīng),定時對注漿管路及設(shè)備進(jìn)行清洗,保證注漿作業(yè)順利連續(xù)不中斷進(jìn)行。

3.2.2 二次注漿

(1)盾構(gòu)機(jī)穿越后考慮到環(huán)境保護(hù)和隧道穩(wěn)定因素,如發(fā)現(xiàn)同步注漿有不足的地方,通過管片中部的吊裝孔進(jìn)行二次補(bǔ)注漿,補(bǔ)充同步注漿未填充部分和體積減少部分,從而減少盾構(gòu)機(jī)通過后土體的滯后沉降,減輕隧道的防水壓力,提高止水效果。(2)二次注漿使用盾構(gòu)配套注漿泵,注漿前鑿穿管片吊裝孔外側(cè)保護(hù)層,安裝專用注漿用接頭。(3)二次注漿采用水泥漿,注漿壓力一般為0.2～0.4MPa。

3.3 監(jiān)測控制

通過監(jiān)測提前預(yù)測孟寶鐵路的情況,監(jiān)測項(xiàng)目內(nèi)容主要包括:通過孟寶鐵路前后10米的地表沉隆、火車軌道的沉隆、管片橢圓度監(jiān)測。穿過段每5米布置一個監(jiān)測點(diǎn),10米布置一個監(jiān)測斷面。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示地面及火車軌道的穩(wěn)定性;隧道內(nèi)監(jiān)測主要為橢圓度監(jiān)測。監(jiān)測頻率為在盾構(gòu)通過前每天監(jiān)測2次,通過時每天監(jiān)測6～8次,通過后每天監(jiān)測2次。

4 結(jié)語

本工程采用風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控施工,施工前多次分析主要潛在風(fēng)險(xiǎn),在施工中進(jìn)行有針對性的控制,有效的減少風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生,同時提高工程進(jìn)度,有利于工程質(zhì)量。穿過鐵路施工完成后,對比施工前后沉降測量結(jié)果,最大沉降量僅為10mm,取得了較好的社會效益及經(jīng)濟(jì)效益。

[1]孫鈞,袁金榮.盾構(gòu)施工擾動與地層移動及其智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測[J].巖土工程學(xué)報(bào),2001.3.

[2]肖立,張慶賀.鐵路軌道下盾構(gòu)施工所致地面沉降的數(shù)值模擬[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011.9.

許宏偉(1968—),男,河南新鄭人,工程師,1994畢業(yè)于焦作礦業(yè)學(xué)院,現(xiàn)從事礦山建設(shè)技術(shù)管理工作。