土壓平衡盾構(gòu)下穿鐵路施工工藝工法

1、土壓平衡盾構(gòu)下穿鐵路施工工藝工法1前言1.1工藝工法概況一個城市中地鐵網(wǎng)絡(luò)往往由多條線路組成，隨著線路的 增多，線路相互交叉及下穿各種建（構(gòu)）筑物將無法避免， 城市地鐵建設(shè)中會有大量地鐵隧道下穿鐵路線，用土壓平衡 盾構(gòu)機進行隧道施工具有自動化程度高、節(jié)省人力、施工速 度快、一次成洞、不受氣候影響、開挖時可控制地面沉降， 確保地面建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)安全等優(yōu)點，成為地鐵隧道施工 的首選。研究好盾構(gòu)法隧道下穿鐵路的施工工法，具有較強 的技術(shù)經(jīng)濟效益和一定的社會效益。1.2工藝原理土壓平衡盾構(gòu)是在機械式盾構(gòu)的前部設(shè)置隔板，在刀盤 旋轉(zhuǎn)的作用下，刀具切削開挖面的泥土，破碎的泥土通過刀 盤的開口進入土倉，使

2、土倉和排土用的螺旋輸送機內(nèi)充滿切 削下來的泥土，依靠盾構(gòu)千斤頂?shù)耐屏νㄟ^隔板給土倉內(nèi)的 渣土施加壓力，使土壓作用于開挖面以平衡其水土壓力。這 樣就可以盡量避免修建隧道對土體的擾動，確保鐵路運營安 全。2工藝工法特點2.1對鐵路運營影響?。?.2輔助工法少;2.3經(jīng)濟性高。3適用范圍適用于盾構(gòu)下穿運營鐵路線、運營地鐵線等施工。4主要引用標(biāo)準(zhǔn)4. 1地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范（GB 50307）4.2地下鐵道設(shè)計規(guī)范（GB50157）4.3鐵路隧道施工技術(shù)安全規(guī)范（GBJ404）4.4地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范（GB50299）4.5盾構(gòu)法隧道施工與驗收規(guī)范（GB50446）5施工方法5.

3、1對既有鐵路運營線路的評估、加固根據(jù)客運專線鐵路無碴軌道鋪設(shè)條件評估技術(shù)指南（鐵建設(shè)2005158號）規(guī)定，對需要下穿的既有鐵路運營 線路進行安全評估，制定出相關(guān)的沉降控制指標(biāo)，并根據(jù)詳 細的地質(zhì)及工況條件，制定出無擾動加固路基線路方案，確 保鐵路運營安全。5.2盾構(gòu)掘進盾構(gòu)機下穿既有鐵路運營線采用土壓平衡模式進行隧 道掘進。該模式的工作原理就是盾構(gòu)機在土壓平衡狀態(tài)（作 業(yè)面水土壓力與土倉中的泥土壓力平衡）下進行隧道掘進。 刀盤開挖下來的碴土充填滿泥土倉，并被裝在切削刀盤后面及隔板上的攪拌臂強制攪拌，借助盾構(gòu)推進油缸的推力通過 隔板進行加壓，產(chǎn)生泥土壓，這一壓力作用于整個作業(yè)面， 使作業(yè)面穩(wěn)定

4、，刀盤切削下來的碴土量與螺旋輸送機向外輸 送量相平衡，維持泥土倉內(nèi)壓力穩(wěn)定在預(yù)定的范圍內(nèi)。在盾構(gòu)下穿既有鐵路運營線過程中，勻速、連續(xù)、均衡 施工。掘進過程中始終保證土倉壓力與作業(yè)面水土壓力的動 態(tài)平衡，同時利用螺旋輸送機進行與盾構(gòu)推進量相應(yīng)的排土 作業(yè)，掘進過程中始終維持開挖土量與排土量的平衡，以保 持正面土體穩(wěn)定。另外，做好掘進、拼裝等各工序的銜接以 及盾構(gòu)隊作業(yè)班的交接工作，盡量減少非工作時間。在掘進 過程中，各關(guān)鍵崗位（盾構(gòu)司機、管片拼裝工、電瓶車司機、 龍門吊司機）選用有豐富施工經(jīng)驗的人員，定崗定人。在施 工過程中加強對機械設(shè)備的維修保養(yǎng)，盡量保證不因機械故 障而停機，保證盾構(gòu)機連續(xù)掘

5、進。掘進速度應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù) 交底進行，嚴(yán)禁擅自改變，確保盾構(gòu)機勻速向前掘進，減少 對土體擾動。5.3監(jiān)測對既有鐵路運營線采用遠程自動化實時監(jiān)測，同時，為 滿足施工期間及工后一定周期的日常維修安全監(jiān)測要求，輔 以人工監(jiān)測的方法。遠程自動化實時監(jiān)測采用ADMS測量機 器人監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由五部分組成：監(jiān)測站、控制計算機 房、基準(zhǔn)點、變形點和測量機器人。監(jiān)測站：根據(jù)現(xiàn)場條件，選擇自動變形監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測站。該站需建觀測墩，安置測量機器人，并保證有較好的通視條 件?？刂朴嬎銠C房：控制計算機房一般選設(shè)在辦公區(qū)附近， 有較好的供電等條件。機房內(nèi)的計算機通過通訊電纜或數(shù)據(jù) 電臺和監(jiān)測站全站儀相聯(lián)。在控制機房能實

6、時了解監(jiān)測站全 站儀的運行情況。另外，通過埋設(shè)于機房與監(jiān)測站的專用電 纜給全站儀供電并通訊。基準(zhǔn)點：在變形區(qū)以外，需建至少三個穩(wěn)定的基準(zhǔn)點。變形點：根據(jù)實際需要，在變形體上選擇若干變形監(jiān)測 點，每個監(jiān)測點上安置有對準(zhǔn)監(jiān)測站的單棱鏡。5.4二次注漿下穿既有運營鐵路施工完畢后，通過對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析， 確定二次注漿時間、注漿量。整個二次注漿全過程必須有實 時監(jiān)測信息反饋，保證既有鐵路線的運營安全。6工藝流程及操作要點6.1施工工藝流程施工工藝流程如下所示：對既有運營鐵路避有評估下穿施工方案的碰定正常段盾構(gòu)掘進下穿段屑枸掘進套敝的瑚定 TOC o 1-5 h z 3:下穿施二前厝構(gòu)機核查禁修4下穿掘進施

7、-T對鐵路&實時監(jiān)測 12n*未報警I啟動應(yīng)劇芝理疝隧贏通卜圖1施工工藝流程6.2操作要點6.2.1施工準(zhǔn)備包括調(diào)查、評估、協(xié)調(diào)聯(lián)系、方案論證、監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)、 應(yīng)急準(zhǔn)備等，各項準(zhǔn)備工作必須充分，且得到落實后才能進 行下穿作業(yè)施工。6.2.2預(yù)保護措施1對既有鐵路運營線路基及兩條相交線路之間土體提前 進行加固。2在盾構(gòu)機進行下穿施工期間，既有鐵路運營線列車限 速（小于50km/h）。6.2.3盾構(gòu)掘進控制6.2.3.1 土壓平衡掘進模式1采用土壓平衡模式進行下穿掘進，其土倉壓力控制采 取以下兩種操作模式：1）通過螺旋輸送機來控制排土量的模式：即通過土壓傳 感器檢測，改變螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速控制排土量

8、，以維持開挖 面土壓穩(wěn)定的控制模式。此時盾構(gòu)的推進速度人工事先給 定。2）通過推進速度控制進土量的模式：即通過土壓傳感器 檢測控制盾構(gòu)千斤頂推進速度，以維持開挖面土壓穩(wěn)定的控 制模式。此時螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速事先給定。在下穿掘進過程中根據(jù)需要可以不斷轉(zhuǎn)化控制模式，以 保證開挖面的穩(wěn)定。2在盾構(gòu)下穿施工中，為了保持開挖面的穩(wěn)定，根據(jù)圍 巖條件適當(dāng)注入添加劑，確保碴土的流動性和止水性，同時 要慎重進行土倉壓力和排土量進行管理。1）在硬塑或堅硬狀花崗巖殘積土層、碎屑巖全風(fēng)化帶、 強風(fēng)化帶地層中采用土壓平衡模式掘進時，向刀盤面、土倉 內(nèi)和螺旋輸送機內(nèi)注入泡沫，并增加對螺旋輸送機內(nèi)注入的 泡沫量，以增加了碴

9、土的流動性。2）在粘性土地層中掘進時，采取向刀盤面和土倉內(nèi)注入 泡沫改良碴土。3）在粘性土內(nèi)添加泡沫，增加了碴土的流動性，減少摩 擦力，利于碴土的排出，減少泥土的堵塞。6.2.3.2盾構(gòu)姿態(tài)控制1采用自動導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測量輔助進行盾構(gòu)姿態(tài)監(jiān)測2采用分區(qū)操作盾構(gòu)機推進油缸控制盾構(gòu)掘進方向推進油缸按上、下、左、右分成四個組，每組油缸都有 一個帶行程測量和推力計算的推進油缸，根據(jù)需要調(diào)節(jié)各組 油缸的推進力，控制掘進方向。3糾偏在盾構(gòu)機穿越鐵路線過程中，如掘進方向出現(xiàn)偏差， 只要線路可調(diào)，就不需要進行糾偏，待穿越完畢后在進行 處理。6.2.3.3 土壓平衡狀態(tài)下的設(shè)定土壓力P = kyH【k： 土壓力

10、的側(cè)向系數(shù)，視覆土性質(zhì)和厚度 而定，一般在0.50.7之間。Y ： 土的容重；H：隧道中心 埋深】在工程實施過程中，根據(jù)實際情況，以及和出土量的 有機結(jié)合，所有上述土壓力設(shè)定值可作適當(dāng)調(diào)整。6.2.3.4推進出土量控制理論出土量= k/4XD2XL = k/4X6.282 X 1.5 = 46.4m3/ 環(huán)考慮巖土的松散系數(shù)，盾構(gòu)掘進時的實際出土體積約為 67.5 m3/環(huán)。由于盾構(gòu)機的特殊構(gòu)造，使其無法觀察掌子面 情況，我們只能通過出土量的大小來推算掌子面情況，出土 量過大，掌子面就可能出現(xiàn)了坍塌，所以必須控制好出土量。 根據(jù)計算，實際每環(huán)出土量為70m3 （虛方）左右，用渣車出 土計量為每

11、環(huán)4.5斗左右?，F(xiàn)場實際計量時，出土量控制可 采用掘進300mm出渣1車來控制。過程中一旦有超量現(xiàn)象，必須對該區(qū)段進行處理，包括 二次補漿，乃至地面注漿加固等措施。6.2.3.5同步注漿量在盾構(gòu)施工中，當(dāng)管片脫離盾尾后，在土體與管片之間 會形成一道寬度為115140mm的環(huán)型空隙。為了盡快填充 環(huán)形間隙使管片盡早支撐地層，防止地層變形過大而危及1 號線安全需要進行注漿。同步注漿采用盾尾壁后注漿方式。注漿要做到“掘進、 注漿同步，不注漿、不掘進”，通過控制同步注漿壓力和注 漿量(注漿壓力控制在0.25Mpa左右，每環(huán)注漿量6.5ms左 右)雙重標(biāo)準(zhǔn)來確定注漿時間。具體注漿參數(shù)需通過試驗段 地面沉

12、降情況進行確定。注漿配合比采用如下設(shè)定，并在施 工過程中酌情對配合比進行調(diào)整。表1同步注漿配合比名稱水泥膨潤土粉煤 灰砂水初凝時間材料用量(kg/m3)2507550400根據(jù)實際情況調(diào)整180min6.2.4選擇試驗段在正常掘進段選擇地質(zhì)條件及線路條件與下穿鐵路區(qū)域 相似的區(qū)段設(shè)定為試驗段，在此試驗段模擬出最佳的掘進參 數(shù)，為下穿區(qū)域初始階段盾構(gòu)掘進各個相關(guān)參數(shù)的確定作為 參考。6.2.5盾構(gòu)掘進下穿鐵路線施工要點.嚴(yán)格以土壓平衡狀態(tài)下的土壓力計算值為盾構(gòu)掘進施 工的土壓設(shè)定值，施工中僅可以在項目工程師認可的前提 下，進行微量的調(diào)整。同時可以通過土體位移和深層沉降的 監(jiān)測信息，對土壓設(shè)定值進

13、行修正。.嚴(yán)格以理論出土量為盾構(gòu)棄土控制值，每環(huán)出土量偏 差不得超過2ms。為了避免數(shù)量統(tǒng)計誤差，施工中盡可能將土 箱清洗干凈。一旦出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，必須如實反饋，在后續(xù)注漿施工中，將針對性的進行超量注漿。.避免大幅度的軸線糾偏動作。由于較大幅度的糾偏， 對地層的擾動也非常大，所以在控制好土壓力和出土量的前 提下，必須減小糾偏幅度。盾構(gòu)糾偏原則為“勤糾、少糾”。.同步注漿及時、足量。為了避免同步注漿跟不上，或 注漿量不夠而引起對地層的擾動，過程中安排專人負責(zé)注漿 工序，每環(huán)、定時、定量進行同步注漿，并做好注漿記錄。.在此地段掘進加強地面隆降檢測，及時分析數(shù)據(jù)，調(diào) 整盾構(gòu)機掘進參數(shù)和注漿壓力。.盾構(gòu)

14、機停機期間，必須觀察土倉壓力，保持土倉壓力 平衡。避免長時間停機造成土倉內(nèi)渣土的固結(jié)，使土倉壓力 降低，造成地面沉降。.在未到重疊隧道段前和到達區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道加固區(qū)域進 行刀具的檢查，確保刀具的完好性。6.2.6鐵路線實時監(jiān)測.鐵路線能夠承受的變形數(shù)值有限，在超出一定限度 后可能引發(fā)嚴(yán)重安全事故。上海及廣州的工程實例證明，臨 近新建工程施工或下穿正在運營的鐵路，對鐵路所造成的影 響主要包括既有結(jié)構(gòu)的沉降、彎曲和扭曲變形、開裂，變形 縫的擴展和錯動，造成結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的下降。結(jié)構(gòu)變形嚴(yán)重 時，可能會引起結(jié)構(gòu)與道床的剝離、軌道設(shè)備幾何形位的改 變：如軌道水平、軌道前后高低、直線軌向（或曲線正矢） 的改

15、變，嚴(yán)重時形成“三角坑”、“吊板”、“暗坑”等病害， 使行車平順性變差，誘發(fā)沖擊、搖晃甚至于造成脫軌，對行 車安全造成重大威脅。因此，在新建線路施工時必須對既有 線路進行實時監(jiān)測。.險情的發(fā)生往往有突然性，只有進行足夠密度的監(jiān) 測數(shù)據(jù)采集，才能從監(jiān)測數(shù)據(jù)上發(fā)現(xiàn)連續(xù)的變化征兆，進而 能夠提供給決策人員及時采取措施，排除險情，消除隱患。 而傳統(tǒng)的水準(zhǔn)測量、水平位移監(jiān)測手段需要監(jiān)測人員在現(xiàn)場 作業(yè)，采用實時自動化監(jiān)測系統(tǒng)可實時掌握在新建線路建設(shè) 過程中對鐵路結(jié)構(gòu)形狀和道床、軌道狀況的影響，提供動態(tài) 監(jiān)測數(shù)據(jù)，為建設(shè)方及運營方提供及時可靠的數(shù)據(jù)和信息， 以便及時評定地鐵施工對鐵路結(jié)構(gòu)和軌道的影響，及時

16、指導(dǎo) 施工采取必要預(yù)案措施、運營加強維修養(yǎng)護措施，對可能發(fā) 生的事故提供及時、準(zhǔn)確的預(yù)報，使有關(guān)各方有時間做出反 應(yīng)，避免惡性事故的發(fā)生，確保既有線安全運營。.對鐵路線按三級預(yù)警制度進行管理，即，預(yù)警值、 報警值、控制值三級。預(yù)警值取控制值的50%，報警值取控 制值的80%，結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)如下：表2結(jié)構(gòu)變形控制指標(biāo)項目預(yù)警值報警值控制值道床平順度2.0mm/10m3.2mm/10m4.0mm/10m左右軌道差2.0mm3.2mm4.0mm異沉降三角坑2.0mm/18m3.2mm/18m4.0mm/18m結(jié)構(gòu)絕對變形量10.0mm16.0mm20.0mm隧道相對變形量1/50001/31251

17、/2500備注：監(jiān)測控制值是指既有運行線地鐵列車正常運行的 極限值，預(yù)警值是指引起警戒措施的起始值，報警值是指需 提出警告的初始值。.自動監(jiān)測系統(tǒng)原理如下圖6.2.7二次注漿同步注漿后管片上方可能會存在通道。另外同步注漿漿 液凝固后體積會產(chǎn)生一定程度的收縮，為有效防止既有一號 線產(chǎn)生后期沉降，在交匯區(qū)及交匯區(qū)前后10m范圍進行洞內(nèi) 二次注漿，充填管片背后的空腔。從脫出盾尾50米開始， 每隔2環(huán)在管片頂部注漿孔打開注雙液漿，直到管片超出二 次注漿加固范圍為止。注漿的具體方法是把管片上的注漿孔 打開注雙液漿，將背后的空腔封堵住。注漿壓力暫定：0.8Mpa，注漿配比如下表。注漿過程中要根據(jù)鐵路線的自

18、動 測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)反饋，實時調(diào)整注漿參數(shù)。表3二次注漿配合比水泥（g）水（ml）水玻璃（ml）初凝時間終凝時間15060108.42min40s14min30s7勞動力組織表4勞動力組織序號工種人數(shù)1施工隊長22班長23盾構(gòu)機操作司 機24管片拼裝工85注漿工46機電工47司索工88電瓶車司機49龍門吊司機310普通工人2011實時監(jiān)測人員412鐵路單位配合人員10小計718主要機具設(shè)備表5主要機具設(shè)備序號設(shè)備名稱數(shù)量規(guī)格型 號主要工作性能指標(biāo)一盾構(gòu)隧道施工專用設(shè)備二實時測量、監(jiān)測設(shè)備1精密水準(zhǔn)儀1臺DSZ-22全站儀1臺TCA11033ADMS測量機器人監(jiān)測系統(tǒng)1套4傾斜測試儀1臺Hcx-2

19、b5水位觀測儀1臺VW-19質(zhì)量控制9.1易出現(xiàn)的質(zhì)量問題9.1.1在盾構(gòu)下穿掘進過程中土倉壓力泄壓過快，造成 欠壓掘進，引起既有鐵路運營線下沉。9.1.2同步注漿不飽滿，同步漿液凝固過程中收縮過快 形成空洞，管片裂縫，管片過量錯臺，造成既有鐵路運營線 沉降。9.1.3盾構(gòu)隧道后期下沉、上浮、水平位移，引起既有 運營鐵路變形。9.2保證措施9.2.1盾構(gòu)機下穿掘進前，對土倉內(nèi)土壓傳感器進行檢 定，必須確保土壓力的顯示正確，同時掘進數(shù)據(jù)必須可以傳 輸?shù)降孛姹O(jiān)控室，當(dāng)下穿掘進時土倉內(nèi)壓力保持不住，立即 向土倉內(nèi)注入提前準(zhǔn)備好的膨潤土漿液。9.2.2盾構(gòu)機下穿掘進過程中，及時進行隧道內(nèi)二次補 充注漿

20、，其注漿量與注漿壓力控制需根據(jù)既有鐵路運營線實 時監(jiān)測情況確定。9.2.3對既有運營線、新建地鐵隧道長時間進行監(jiān)測， 監(jiān)測周期至少1年，防止工后沉降引起既有鐵路運營線變形。 10安全措施10.1主要安全風(fēng)險分析10.1.1正在運營的鐵路線因沉降過大影響營運，甚至造 成停運的風(fēng)險，社會責(zé)任重大。10.1.2盾構(gòu)機及后配套設(shè)備故障導(dǎo)致停機引起的安全風(fēng)險。10.2保證措施10.2.1在盾構(gòu)通過鐵路過程中，勻速、連續(xù)、均衡施工。 掘進過程中始終保證土倉壓力與作業(yè)面水土壓力的動態(tài)平 衡，同時利用螺旋輸送機進行與盾構(gòu)推進量相應(yīng)的排土作 業(yè)，掘進過程中始終維持開挖土量與排土量的平衡，以保持 正面土體穩(wěn)定。另

21、外，做好掘進、拼裝等各工序的銜接以及 盾構(gòu)隊作業(yè)班的交接工作，盡量減少非工作時間。在掘進過 程中，各關(guān)鍵崗位（盾構(gòu)司機、管片拼裝工、電瓶車司機、 龍門吊司機）選用有豐富施工經(jīng)驗的人員，定崗定人。在施 工過程中加強對機械設(shè)備的維修保養(yǎng)，盡量保證不因機械故 障而停機，保證盾構(gòu)機連續(xù)掘進。掘進速度應(yīng)嚴(yán)格按照技術(shù) 交底進行，嚴(yán)禁擅自改變，確保盾構(gòu)機勻速向前掘進，減少 對土體擾動。10.2.2施工現(xiàn)場設(shè)立下穿既有鐵路運營線施工指揮辦 公室，鐵路運營單位、政府應(yīng)急辦、以及所有參與設(shè)計、施 工的相關(guān)單位現(xiàn)場24小時監(jiān)控辦公，各家單位及政府部門 密切配合，形成有效的快速應(yīng)急反應(yīng)機制。10.2.3盾構(gòu)機通過鐵路過程中，因設(shè)備故障停機后，土 倉內(nèi)壓力變小，迅速通過盾殼上的徑向注漿孔向盾體周圍注 入Na基膨潤土，注入量及壓力通過土倉內(nèi)壓力傳感器確定。 11環(huán)保措施堅持“預(yù)防為主、防治結(jié)合、綜合治理、化害為利”的原則，環(huán)保管理符合地鐵施工期間環(huán)境保護的要求。采取各種有效措施，對容易引起環(huán)境污染的各種渠道嚴(yán)格控制，明確環(huán)保重點。切實貫徹環(huán)保法規(guī)，嚴(yán)格執(zhí)行國家及地方政府頒布的有 關(guān)環(huán)境保護，水土保持的法規(guī)、方針、政策和法令，及時提 報有關(guān)環(huán)保設(shè)計。編制實施性施工組織設(shè)計時，把施工生產(chǎn) 的環(huán)保工作作為其中一項內(nèi)容。加強環(huán)保教育，采用各種方式宣傳環(huán)保法規(guī)、政策、知 識