大粒径卵石地层地铁区间隧道下穿铁路的工法选择Word文档下载推荐.docx
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根据地质勘察[1]情况,该段卵石地层中分布有漂石,漂石一般粒径20~200mm,含量15.8%~69.0%,细中砂充填约25%~35%;
局部夹漂石,一般粒径200~430mm,含量10.8%~69.4%,其中11.0~17.0m漂石含量50.2%~69.4%,最大粒径430mm。
图1:
孟家村站~前泥洼站区间与丰台编组站平面关系
根据铁路运营养护维修的相关规定(TB10082-2005),铁路两条钢轨间的横向高差≤4mm,任意10m范围内的最大沉降差≤5mm。
以此作为铁路运营安全指标。
下穿铁路施工有盾构法和矿山法两种工法,根据地质条件、水文条件和不同类型盾构的适用条件等因素综合分析,本工程施工可考虑选择土压平衡式盾构及泥水平衡式盾构。
鉴于干燥砂卵石层自稳性较差,本工程敞开式盾构慎选。
具体选择需结合盾构施工地层条件情况、土体改良措施及安全、经济性确定。
若采用盾构法,由于卵石粒径较大,且可能有大的漂石,须慎重考虑盾构机选型和盾构机刀盘形式选择,同时在施工时注意时时校正盾构机掘进方向,防止由于地层中漂石的影响导致盾构机跑偏。
另外,如果在260m的穿越期间内需处理漂石、换刀,则难度较大,但从盾构工法本身来讲,其控制沉降要好一些,正常可以将地面沉降控制在10mm以内。
对于矿山法而言,首先面临的是降水施工,在股道之间打降水井,场地条件等受限,可实施性不强,降水本身也会产生一定的沉降,矿山法施工的地面沉降值也要比盾构法大一些,但对于此地层,采用矿山法施工似乎可以降低盾构法的漂石处理、换刀等潜在风险,且工程灵活性更大一些,可以考虑在站场外设竖井开挖,工期也比较有保证。
因此,本区间穿越铁路站场的工法选择就尤为重要。
2 盾构工法选择
2.1选择理由和存在问题
对于标准的单线区间隧道,正常情况下,采用盾构法施工的沉降控制要优于矿山法施工,且盾构法不需要降水,若保持好开挖面稳定,土体扰动就比矿山法小,最终引起的沉降值也要小,工程安全性、可靠性要明显好于矿山法,且目前国内大多的下穿铁路工程越来越多的采用盾构施工。
然而对于本工程,选择盾构工法有几点难题需要解决:
砂卵石地层的盾构机选型和刀盘形式问题、可能会碰到大漂石的处理问题、如果需要换刀怎样处理,下面予以简单讨论。
2.2盾构机选型及刀盘形式
有关盾构机选型的研究[2-3]已经非常深入了,有关选型依据、程序、方法等在此就不详述了,本区段属于砂质土、地层自稳性差,首先应考虑采用密闭型的盾构施工,就泥水盾构与土压平衡盾构两者而言,如果从图2来判断,适合于泥水盾构,但本工程地下水位在隧道底板以下,地层含水量可能主要以层间滞水为主,且加杂有粉土和粘性土,也可以考虑土压平衡盾构。
若采用泥水盾构,就必须具备较大的地面空间来存放配套大型的泥浆处理和循环系统,而本工程盾构从车站一端始发,空间较小,很难满足其要求,且由于地层中存在较大粒径石块,须增加一个碎石机,在输出泥浆前,先将大石块粉碎,无形中降低了效率、增加了成本,本身此段区间距离较短,且目前北京地铁还没有应用泥水盾构施工的先例,如若应用则风险、造价等过大。
图2:
盾构选型与地层的关系
当然,选择土压平衡盾构也不是说一点问题都没有了,与泥水盾构相比,土压平衡盾构开挖面稳定的建立更难一些,特别是在砂卵石地层,想建立起土压平衡很困难,有些地段甚至无法建立,这就需要很好的土体改良技术做支持。
就本工程而言,结合北京地铁实践情况,推荐选用加泥式土压平衡盾构机。
除了盾构机型式外,刀盘形式也同样重要,是采用辐条式好还是面板式好,表1是辐式与面板式刀盘土压特性比较,可以看出,辐条式比面板式更具有优势,但辐条式也有个问题,本工程可能存在大粒径的卵石(石),由于没有面板阻挡,如果大漂石直接进入螺旋输送机内,而被卡住不能排出或者强行排出,很可能会损伤螺旋输送机。
相对来讲,面板式由于开口率低,则会阻止大粒径的卵石进入螺旋输送机,阻止程度可以通过面板的开口率大小来调整。
此外,如果发生需要人工在开挖面破碎大漂石、换刀等作业时,面板式的条件要比辐条式好很多,根据经验,对于粒径50cm以内的漂石,可以通过面板式刀盘进入螺旋输送机而顺利排出。
表1:
辐条式与面板式刀盘土压特性比较
比较项目
面板式
辐条式
开挖面水土压平衡控制
一般存在三个压力:
P1:
开挖面-面板之间;
P2:
面板开口进口之间;
P3:
面板与密封舱内壁之间(即土压计压力)。
其中:
P2受面板开口影响不易确定,而P3=P1-P2,开挖面压力不易控制,同时控制压力实际低于开挖面压力。
只有一个压力P,密封舱内土压计压力与开挖面的压力相等,因而平衡压力易于控制
砂、土适应性(粒径<15cm)
由于开挖面土体受面板开口影响,进入密封舱内不顺畅,易粘结,易堵塞
仅有几根辐条,同时辐条后均高有搅拌叶片,土、砂流动顺畅,不易堵塞
2.3换刀及漂石处理
对于刀具的布置,砂卵石地层石英含量较高,对刀具的磨损非常严重,且大粒径石块的破碎会减小刀具寿命甚至摧毁,因此在刀具选择上,要考虑其耐磨性、刚度、硬度与碎石的能力,总之,要使其顺利完成700多米的区间一次掘进而不换刀。
如果需要换刀,也要避免在铁路股道下换刀,换刀可以有两种方法,一种是在施工前就计划好,对拟定区域的地层进行加固,待盾构到达后,从地面挖竖井下去换刀,安全有保障,但工期长、成本大,且选择竖井的地面条件要求较高。
此外,本工程地下水位低,卵石地层自稳性好,也可考虑对开挖面加固后,通过开仓进入前面进行换刀,开挖面加固可以通过地面向下注浆来实现,也可以研究从盾构机内向开挖前方注浆,同样,大漂石的处理也可以通过后一种方法来实现,当然,作为应付含大漂砾的砂卵石层的措施,可在面板前安装盘形滚刀破碎漂砾,在盾构机设计时,要考虑破碎大粒径漂石的刀具要求,同时适当增大盾构机有效功率。
因此,本工程可考虑采用附带碎石功能、适应较长距离卵石地层施工不换刀的面板式加泥式土压平衡盾构。
2.4 盾构法下穿的技术措施
如采用盾构法施工,主要有以下几方面技术措施:
1)对于下穿铁路的保护主要是加强施工管理着手,在盾构通过前做好地勘工作,防止在推进过程中意外情况发生。
2)盾构距离铁路20米外50米范围内做一试验段,模拟盾构下穿铁路的情况,优化施工参数,使盾构的推进对土体的环境的影响降到最低。
制定详细的监测计划,对监测数据进行分析处理,预测盾构穿越既有线的沉降值,为以后是否启动应急预案做参考。
3)加强同步注浆和二次注浆。
4)由于铁路基础为碎石道床,因此可以根据监测情况实施抬轨补砟。
5)根据监测情况必要时可以实施纵横梁扣轨加固。
6)对过往车辆实施限速,最高时速不应超过45km/h。
3 矿山工法选择
由于本区间长727m,丰台编组站处在区间的中部长约260米,如丰台编组站采用矿山法方案,则两端采用再盾构就失去意义,因此整个区间都要调整为矿山法方案。
区间断面为两个独立的马蹄形单洞隧道,开挖外轮廓宽6米,高6.3米,就矿山法而言,断面较小,难度不大,通常在地层条件较好的情况下,采用全断面法施工,考虑到本工程对沉降要求非常高,采用加临时仰拱的CD法,并采用长短结合注浆(上断面帷幕注浆)施工(图3、4)。
图3:
上断面帷幕注浆示意图图4:
开挖步序图
主要技术措施包括上断面帷幕注浆、双排小导管、开挖步距为50cm,每榀增加两根φ42的锁脚锚管等,其中上断面的φ68注浆长管孔距0.8m,行距0.6m,注浆段长10~15m,分段长0.6m。
拱部φ32注浆小导管长2.0m,环向间距0.3m,每榀两环。
4两种工法下的沉降数值分析与工法综合比较
4.1两种工法下的沉降数值分析
到底采用盾构法和矿山法,哪一个沉降更小一些,为此,利用有限元模拟软件进行了数值分析[4],结果如下图5、图6及表2所示:
图5:
盾构法下穿丰台货场沉降图图6:
矿山法下穿丰台货场沉降图
表2:
两种工法最大沉降值比较表
工法
地表最大沉降(mm)
拱顶最大沉降(mm)
矿山法
全断面法
24
29
CD法
15
21
CD法(采取加固措施)
12
盾构法
13
16
盾构法(采取加固措施)
10
通过模拟计算结果可以看出,采用盾构法施工的沉降控制要优于矿山法。
但二者差别不是很大。
这主要跟地层关系较为密切。
说明在砂卵石地层条件下,盾构法沉降较大,但与矿山法相比,还是有其优势。
4.2区间下穿丰台货场两种工法的综合比较
下表3是对两种工法从各个角度的综合分析比较:
表3:
两种工法综合比较表
工法项目
沉降控制
沉降较小,对既有铁路、建筑物及周围管线影响小(根据经验可控制在-10mm以内)。
沉降相对较难控制,对既有铁路、建筑物及周围管线影响较大,一般情况会超过-20mm。
环境影响
对整个区间周边的环境影响相对较小。
因本区间周边及上方的建筑物较多,故对环境影响较大。
如下穿河流(新丰草河),正穿大直径的管线(Ф1500污水管),侧穿丰台货场的职工宿舍楼等。
施工难度
因本地段处在砂卵石地层,盾构的施工有一定难度,可以通过增大盾构机的开口率,增加破碎机构等相关措施来克服。
技术成熟,因地层以砂卵石地层为主,施做辅助措施比较困难,土体自稳能力相对差,施工难度较大。
地下水对工法的影响
较小,不需要降水。
较大,必须在无水环境的条件下作业,因下穿铁路段约260米,降水作业空间条件受限。
对上方建筑物的影响
一般不需迁改,轨道需做减振措施。
地面有大量的低矮的平房,多为1~3层,年代久远,无基础或为条基,抗沉降和倾斜的能力差,拆迁量很大,约17740平方。
工程造价
较低,可控性好,土建费用6776.5万元(4.6w/m)+减振道床费607.6万,总价7384.1万
土建费用8001.4万元(5.5w/m不含拆迁费)+拆迁费用2.61亿,共增加2.67亿元。
需要说明的是,对于区间穿越的房屋而言,即便是盾构下穿时不拆除,但由于房屋年代久远,基础形式较差,也很难保证其不开裂或出现其他更为严重影响使用的情况,再加上后期的震动影响等因素,因此还是建议最好在盾构施工前与矿同法同样做拆除考虑,如此一来,经综合考虑,本区间推荐采用盾构法下穿丰台编组站。
5类似条件下的盾构法下穿铁路的工程实例
北京地铁四号线角门北路站~北京南站区间采用盾构法施工,盾构机从北京南站东南角盾构始发井始发,区间右线以25°
小交角下穿京山铁路,下穿铁路段长度是28.45米,区间左线以21°
交角下穿京山铁路,下穿铁路长度是40.22米(图7所示)。
隧道顶部距铁路路基13.2米,盾构区间涉及的地层以砂卵石和中粗砂地层,位于地下水位之上。
图7:
四号线角~北盾构区间下穿京山铁路示意图
施工主要技术措施包括:
1)加强对盾构施工的管理,在盾构通过前做好地勘工作,防止在推进过程中意外情况发生。
2)加强洞内同步注浆及后补充注浆。
3)对区间下穿影响范围的轨道实施扣轨加固。
5)前后盾构机错开的距离不小于100米。
6)对过往列车实施限速,最高时速不应超过60km/h。
最终,区间在始发状态下以小半径、小交角成功穿越京山铁路。
区间下穿铁路最大沉降量仅为4mm。
6结语
盾构法和矿山法各有特长,到底选择哪一种工法,取决于地质情况与综合环境等多方面因素,北京地铁10号线二期孟家村站~前泥洼站区间下穿丰台铁路货场是一个很好的案例,工程本身地质情况较为复杂,应该说更有利于矿山法的发挥,但对沉降的高要求,却又使盾构工法略为占优,虽然说最终推荐了盾构法,但心里还是不踏实,因为盾构法面临的施工问题似乎要比矿山法更多一些,而且都是难题。
本工程目前仍没有实质性开工,最终采用盾构法施工的可能性很大,但也不排除与铁路部门的协调后改变的可能性,总之,无论采用何种工法,最终的铁路沉降控制值是下阶段关心的重点。
参考文献:
[1]北京航天勘察设计研究院.地铁10号线二期02合同段三环新城站~丰管路站区间岩土工程详细勘察报告[R].北京.2008.
[2]张凤祥,傅德明,杨国祥,项兆池.盾构隧道施工手册[M].北京:
人民交通出版社,2005:
130-133.
[3]周文波.盾构法隧道隧道技术及应用[M].北京:
中国建筑工业出版社.2004:
32~36.
[4]宋克志,王梦恕.砂卵石地层盾构穿越铁路的施工效应分析[J].烟台师范学院学报(自然科学版),2005,21
(1):
76-80.
审稿意见:
1即将修建的北京地铁10号线二期孟家村站~前泥洼站下穿丰台铁路货场区间隧道工法选择,通过工程地质情况和轨道沉降要求,进行了矿山法和盾构工法的比选论述,文章的总体思路可以作为城市地铁区间隧前期工法选择论证之范例;
2本工程采用土压平衡盾构法施工应属首选,无论采用何种工法,最终的铁路沉降控制值和运输中的安全是重点;
3对大粒径的处理不仅让它能顺利地通过面板式刀盘进入土仓,还必须补充说明盾构选用的螺旋输送机能否通50cm粒径,(按50cm粒径只能釆用无中心轴的带式螺旋输送机方案,但此种输送机强度低,其盾构机必须具有修理和更换输送机的设计,如输送机中心叶片头可退出土仓并设有关闭其接口的门,将土仓与螺旋输送机隔断),请补充以求完善这一点;
4该区间隧道无论釆用哪种工法施工,其成功经验都是十分保贵的,成都地铁盾构区间期待着该区间釆用盾构工法的成功经验,以利参照;
5本文立题正确,论证翔实,论述清楚,文字流畅,具有很强的指导意义,建议作者适当补充后,近期全文刊登。
柴永模2008.11.17于成都
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