軟土地層下盾構(gòu)穿越高速鐵路技術(shù)探究

□文 /范明猛

1 工程概況

天津地鐵6號線北竹林站—西站站盾構(gòu)區(qū)間，盾構(gòu)機(jī)從北竹林站大里程端頭井始發(fā)向西站站方向掘進(jìn)。盾構(gòu)隧道自始發(fā)152 m后進(jìn)入國鐵站場范圍，以直線段下穿170 m的國鐵站場，在里程D1K16+37.833～DK15+814.781范圍（左線125～264環(huán)，右線136～286環(huán)）內(nèi)穿越津秦高鐵及南倉城際聯(lián)鐵路站場鐵路群。南倉城際聯(lián)鐵路站場路基段下設(shè)水泥砂漿樁，樁長10 m，樁底標(biāo)高-11.10 m；水泥攪拌樁，樁長6 m，樁底標(biāo)高-7.10 m。隧道穿越區(qū)段距離路基加固段188 m，未在盾構(gòu)穿越影響范圍。盾構(gòu)隧道在鐵路站場鐵路群區(qū)域內(nèi)平面線形為直線，立面為單向坡，坡度為1.3704%和0.3%。

2 津秦高鐵、南倉城際聯(lián)鐵路站場與盾構(gòu)位置關(guān)系

津秦高鐵設(shè)計(jì)為2股道，穿越范圍內(nèi)鐵路為有渣道床，隧道側(cè)穿2處道岔和1處安全聯(lián)絡(luò)線，盾構(gòu)穿越段長度約35 m，盾構(gòu)隧道與津秦高鐵線路程44.18°立面交叉，鐵路行車速度約為80 km/h。穿越津秦高鐵過程中，左線需下穿2處接觸網(wǎng)桿，側(cè)穿1處接觸網(wǎng)桿；右線穿越津秦高鐵過程中需下穿1處接觸網(wǎng)桿，側(cè)穿1處接觸網(wǎng)桿。見圖1。

南倉城際聯(lián)鐵路站場共2股道，有渣道床，無縫鋼軌軌道，左線隧道側(cè)穿1處道岔，右線隧道下穿1處道岔，盾構(gòu)穿越段長度約50 m，盾構(gòu)隧道與南倉城際聯(lián)線路程36.72°立面交叉，盾構(gòu)隧道軸線與南倉城際聯(lián)鐵路站場相交部位距天津西站站臺約300 m，列車行駛速度約為160 km/h。穿越南倉城際聯(lián)鐵路站場過程中，左線需下穿1處接觸網(wǎng)桿，側(cè)穿2處接觸網(wǎng)桿；右線穿越南倉城際聯(lián)過程中需下穿1處接觸網(wǎng)桿。見圖2。

圖1 津秦高鐵與盾構(gòu)位置關(guān)系

圖2 南倉城際聯(lián)與盾構(gòu)位置關(guān)系

3 地質(zhì)概況

隧道下穿股道影響區(qū)段，洞身主要通過地層為粉質(zhì)粘土、粘土、粉砂、粉土層中；表層地下水類型為第四系孔隙潛水。賦存于第Ⅱ陸相層以下粉砂及粉土中的地下水具有微承壓性，為微承壓水。

4 施工控制指標(biāo)

既有鐵路控制指標(biāo)主要受路基、線路、軌道及線路養(yǎng)護(hù)情況等因素的影響，主要包括路基沉降、位移最大速率、軌道幾何尺寸容許偏差、軌道坡度允許控制值。

區(qū)間下穿的津秦高鐵和南倉城際聯(lián)鐵路站場均為有砟道床線路，根據(jù)《高速鐵路有砟軌道線路維修規(guī)則》等相關(guān)要求，結(jié)合既有設(shè)計(jì)施工經(jīng)驗(yàn)，采用經(jīng)常保養(yǎng)（舒適度Ⅱ級）進(jìn)行控制。見表1。

表1 高鐵線路參考控制值

續(xù)表1

5 施工控制措施

5.1 地面路基加固措施

為保證既有津秦鐵路的運(yùn)營安全，需要在下穿施工前，對高鐵路基進(jìn)行加固，埋設(shè)注漿管并設(shè)置自動化監(jiān)測點(diǎn)，根據(jù)自動監(jiān)測數(shù)據(jù)，實(shí)時跟蹤注漿，及時對鐵路路基進(jìn)行注漿加固[2]。

1）注漿方法。結(jié)合既有線施工的要求，將選擇重量較輕，操作靈活，角度可0°～360°任意調(diào)節(jié)的TXU-75型地礦鉆機(jī)置于線間和兩側(cè)路肩處并確保施工設(shè)備不侵線。使用φ52 mm×2 m、可絲扣連接的雙重鉆桿并配合硬質(zhì)合金鉆頭成孔，成孔后打入φ50 mm袖閥管，提高該路段注漿成孔效率。

2）注漿范圍。線路中心兩側(cè)各5 m，沿線路方向55 m，隧道中線兩側(cè)各8 m，加固深度為路基下2～5 m。分別從每股線路兩側(cè)施工，每組孔號分別用奇數(shù)孔和偶數(shù)孔表示，注漿管布置見圖3。注漿孔在路肩下2 m處開始布設(shè)，用φ50 mm袖閥管，梅花型布置，注漿孔豎向間距1 500 mm；縱向沿線路布設(shè)，距離路肩2 000 mm，每行前后錯開1 500 mm，注漿管埋設(shè)深度見圖4和圖5。

3）注漿順序。注入順序采取先外后內(nèi)，隔孔跳注順序進(jìn)行施工，為減小注漿施工對行車安全的影響,在線路兩側(cè)對稱分布設(shè)備，同時鉆孔、同時注漿、保證注漿液擴(kuò)散的相對均勻。外圍先注入水泥-水玻璃雙液漿以便有效的控制漿液跑、冒、漏現(xiàn)象發(fā)生，提高加固效。

圖3 注漿管布置平面

圖4 津秦高鐵注漿管埋深

圖5 南倉城際聯(lián)鐵路站場注漿管埋深

4）注漿材料。注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿配合比A液為水∶水玻璃=1∶1，水玻璃35°Be'；B液為水∶水泥=1∶1；A液∶B液=1∶1。水泥為P.O42.5普通硅酸鹽水泥。

注漿時，可根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)節(jié)漿液的配合比，以滿足施工工藝要求，確保工程質(zhì)量及鐵路正常運(yùn)營的安全。

5）注漿壓力控制。施工時若注漿壓力不足就達(dá)不到填充的目的，若壓力過高就有可能引起軌道隆起，所以要嚴(yán)格控制注漿壓力。當(dāng)達(dá)到以下指標(biāo)：外側(cè)與軌道附近應(yīng)控制在0.5 MPa左右，內(nèi)部孔位壓力控制在1.0 MPa，終壓穩(wěn)定15 min；單孔注漿量達(dá)到設(shè)計(jì)注漿量的1.5～2倍且進(jìn)漿量明顯減少；發(fā)現(xiàn)路基側(cè)向冒漿或路基道碴滲漿；可立即結(jié)束本孔注漿施工。注漿效果檢測方法采用雷達(dá)探測法，對注漿完成的鐵路路基進(jìn)行雷達(dá)探測，以確保注漿效果，防止在鐵路路基下出現(xiàn)空洞，如探測發(fā)現(xiàn)空洞對路基進(jìn)行補(bǔ)注漿。

6）路基注漿加固期間的線路高程監(jiān)測。在路基注漿施工期間，為保證線路穩(wěn)定，使列車安全通過施工區(qū)域，施工現(xiàn)場備足道碴、人工及機(jī)具設(shè)備，線路工進(jìn)行線路檢查，以便發(fā)現(xiàn)問題后隨時對線路進(jìn)行整修。同時加強(qiáng)對鐵路線路和鐵路路基標(biāo)高的監(jiān)測，以防止路基隆起和線路變形。為此，采取同步監(jiān)測的方法進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，在注漿加固施工期間，對線路高程進(jìn)行自動化監(jiān)測，每60 min自動上傳一次監(jiān)測數(shù)據(jù)[3]。將監(jiān)測結(jié)果隨時通知工務(wù)段現(xiàn)場監(jiān)護(hù)人員，當(dāng)出現(xiàn)沉降、隆起數(shù)值報(bào)警時，及時通知工務(wù)段搶修線路。

5.2 洞內(nèi)加強(qiáng)措施

為保證盾構(gòu)施工過程中鐵路站場的安全，除同步注漿、二次注漿外，在洞內(nèi)需進(jìn)行二次深孔注漿。在盾構(gòu)穿越高鐵前100 m開始安裝16孔特殊管片，在管片出盾尾5環(huán)后進(jìn)行二次深孔注漿。見圖6。

圖6 二次深孔注漿剖面

1）二次深孔注漿成孔方式及成孔流程。由于隧道所穿越土層中存在承壓水，在成孔時，必然會有泥漿流出，由此而帶來的地層損失、污染隧道環(huán)境、增加注漿難度的問題非常突出；因此，鉆孔與注漿必須同時進(jìn)行。采用φ33.7 mm鍍鋅鋼管制成15 cm鉆頭并加焊鋼筋，將注漿鋼管與鉆頭套絲連接后，使用風(fēng)動鑿巖機(jī)成孔。注漿深度為3 m，考慮到作業(yè)空間限制，將注漿管設(shè)計(jì)成每段長1.5 m，每隔0.15 m對稱鉆2排出漿孔并在孔外包彈性橡膠環(huán)，形成單向漿液通道。見圖7。

圖7 二次深孔注漿管

2）二次深孔注漿過程控制。二次深孔注漿設(shè)備在第一節(jié)臺車與盾尾之間，選取臺車一側(cè)搭設(shè)固定注漿平臺，用來擺放注漿設(shè)備。見圖8。

圖8 二次深孔注漿施工

注漿壓力為0.4～1.2 MPa，注漿量2.35 m3，考慮計(jì)量誤差及施工精度，每孔注漿量控制在2.5 m3。結(jié)合地表監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用試驗(yàn)段最佳注漿參數(shù)，實(shí)施二次深孔注漿。

3）漿液試驗(yàn)及配比。雙液漿注入地層后，凝結(jié)時間不宜過長，避免注漿孔內(nèi)漿液在重力作用下聚集，致使?jié){液無法均勻分布，同時因隧道所處地層有微承壓水且水頭壓力較大，凝膠時間過長會導(dǎo)致地下水改變漿液原有參數(shù)，使?jié){液強(qiáng)度降低。針對要求，制作不同條件的試塊進(jìn)行試驗(yàn)，見表2。

表2 雙液漿強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)試驗(yàn)最終確定合理的配比，使其最大限度適應(yīng)地質(zhì)條件，滿足注漿加固的要求。見表3。

表3 二次深孔注漿漿液參數(shù)

注漿時，先加壓再開啟出漿閥；結(jié)束時，先關(guān)閉出漿閥，再卸壓。這樣可以防止承壓地下水倒流進(jìn)入注漿范圍內(nèi)，影響加固效果，二次深孔注漿流程見圖9。

圖9 二次深孔注漿流程

4）注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)。二次深孔注漿采用以下2個依據(jù)作為判斷注漿是否結(jié)束的標(biāo)準(zhǔn)：

（1）注漿壓力逐步升高、當(dāng)達(dá)到注漿終壓并繼續(xù)保壓注漿5 min以上；

（2）單孔注漿量與設(shè)計(jì)注漿量大致相同，注漿結(jié)束時的進(jìn)漿量一般低于20～30 L/min。

在注漿達(dá)到結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)后，注入少量清水沖洗注漿管，保證后續(xù)二次深孔注漿需求。

6 路基沉降監(jiān)測

施工完成后高鐵路基沉降監(jiān)測自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)見圖10。

圖10 自動化監(jiān)測路基沉降累計(jì)變化曲線

津秦高鐵最大累計(jì)沉降值為-6.57 mm，南倉城際聯(lián)鐵路站場最大累計(jì)沉降值為-5.17 mm；降均在高鐵路基控制范圍內(nèi)。

盾構(gòu)穿越高鐵整個過程及穿越完成后最終累計(jì)監(jiān)測情況說明，各項(xiàng)監(jiān)測指標(biāo)變化速率及最終累計(jì)變形均在高鐵線路控制指標(biāo)范圍內(nèi)，變化較為平穩(wěn)。監(jiān)測數(shù)據(jù)說明了上述盾構(gòu)穿越高鐵措施的有效性。

7 技術(shù)總結(jié)

實(shí)踐證明，在軟土地層下盾構(gòu)下穿高速鐵路施工中，采用下列加強(qiáng)技術(shù)措施能夠保障盾構(gòu)穿越高鐵時，高鐵運(yùn)營安全。

1）洞內(nèi)采取的加強(qiáng)措施。為保證盾構(gòu)施工過程中高速鐵路的運(yùn)營安全，在盾構(gòu)穿越高鐵范圍內(nèi)除常規(guī)同步注漿、二次注漿外，還還應(yīng)采取二次深孔注漿，以減少對高鐵路基的影響，滿足高鐵運(yùn)營要求。二次深孔注漿漿液采用雙液漿，注漿壓力為0.4～1.2 MPa，每環(huán)管片注漿孔位為16孔，管片為特殊管片。

2）地面采取的加強(qiáng)措施。在盾構(gòu)下穿既有高速鐵路前，需要對高鐵路基進(jìn)行加固，加固方式為雙液注漿加固。在高鐵路基兩側(cè)布設(shè)袖閥管，布設(shè)范圍為隧道中線兩側(cè)各8 m，加固深度為路基下2～5 m。注入順序采取先外后內(nèi)，隔孔跳注順序進(jìn)行施工。