某轨道交通线扩能提升工程盾构下穿特大桥技术总结

某轨道交通线扩能提升工程盾构下穿特大桥技术总结工程概况轨道交通13号线扩能提升工程13B线后厂村站～新龙泽站区间涉及京张高铁预留段位于昌平区回龙观村南侧，区间北起位于昌平区欧德宝汽车交易市场南侧的盾构始发井，先后向南下穿龙祥制版工业园数栋房屋、东北环铁路、京张高铁动车所、西二旗左线特大桥、地铁昌平线及京新高速公路，最后到达京新高速公路西侧的盾构接收井。盾构隧道外径6m，内径5.4m，壁厚0.3m。区间隧道基本穿越粉质黏土及细砂层。京张高铁西二旗左线特大桥设计速度目标值120km/h，有砟轨道、无缝线路，60kg/m钢轨，全桥长2429.7m，共75跨，17-31.1m简支现浇箱梁（单线）、41-31.1m简支现浇箱梁（双线）、15-23.1m简支现浇箱梁（双线）、(40+64+40)m现浇连续梁（跨越既有13号线处）。区间在YK56+051.572~YK56+091.830（ZK56+071.663~ZK56+111.925）下穿京张高铁西二旗左线特大桥，隧道顶埋深约15.7~16.1m，隧道左、右线线间距约25.6m。13B线穿越范围28~30号墩为31.1m简支现浇箱梁（双线），28#桥墩墩高17m，采用11根∅1000钻孔灌注桩，桩长53.5m；29#、30#桥墩墩高17m，采用10根∅1000钻孔灌注桩，桩长53.5m。桥桩基础均为钻孔灌注摩擦桩，耐久性设计年限100年。京张高铁西二旗左线特大桥现状照片工程地质及水位地质情况1）地形、地貌及周边环境条件工程场地位于北京平原，地形整体平坦，地面高程一般不超过50.0m。场地原分布为居民区，现状为拆迁后荒地，部分为林地，周边无重大建（构）筑物、河流、湖泊。2）工程地质场区属华北平原构造带，场区及附近地区无活动断裂带，地质构造对该区地铁工程影响较小。场地地层呈河流相多元结构特征，地层层位总体稳定，起伏不大，局部分布透镜体，层内岩性状态稳定，表层为人工填土层，其下为第四系全新统冲洪积粉质黏土、粉土、砂土及卵砾石土层。详细地层分布如下：按照地层年代成因、成因类型、岩土类别和工程地质特性，由上到下分述如下：（1）第四系全新统人工填土层①1杂填土：杂色，稍密，稍湿。主要由砾石，砂和黏性土组成，夹杂大量碎砖块和建筑垃圾等。平均层厚1.73m，层顶标高43.95～45.70m，层底标高41.80～43.86m。该层场地均有分布。（2）第四系全新统冲洪积②粉质黏土：褐黄色，可塑，干强度韧性中等，土质不均，切面光滑，有光泽，含铁锰氧化物，局部含粉土薄层。层厚1.90～6.20m，平均厚度3.42m，层顶标高38.58～42.50m，层底标高35.25～36.80m。该层在场地内均匀分布。②1粉土：黄褐色，稍密，潮湿，土质均匀。层厚2.40～5.00m，平均厚度3.60m，层顶标高41.80～43.86m，层底标高38.58～40.15m。该层在场地内均匀分布。③细砂：黄褐色，中密，饱和，矿物成份以石英、长石为主，砂质较纯，局部夹少量粉土薄层，层厚2.60～11.30m，平均厚度8.71m，层顶标高27.65～36.80m，层底标高22.95～30.55m。该层在场地内均匀分布。③1粉土：灰褐色，中密，饱和，土质不均，切面粗糙，局部含少量的粉砂。层厚1.10m，层顶标高30.45m，层底标高29.35m。该层在场地内呈透镜体分布。③2粉质黏土：灰褐色，可塑，土质不均，局部含粉土、细砂薄层。层厚2.90m，层顶标30.55m，层底标高35.25～27.65m。该层在场地内呈透镜体分布。③4圆砾：杂色，密实，饱和，圆砾母岩成分以砂岩、花岗岩为主，磨圆度中等，呈浑圆状或圆棱状，一般粒径2～20mm，最大粒径约44mm，约占55%，余为杂砂充填。层厚1.50～4.70m，平均厚度3.24m，层顶标高24.56～28.42m，层底标高22.58～24.22m。该层场地内均有分布。④粉质黏土：灰褐色，可塑，干强度韧性中等，土质不均，切面光滑，有光泽，局部含粉土薄层。层厚2.30～10.60m，平均厚度7.90m，层顶标高17.50～24.22m，层底标高13.08～20.50m。该层在场地内均匀分布。④1粉土：褐灰色，中密，饱和，土质不均，局部含粉质黏土。层厚3.50～5.00m，平均厚度4.00m，层顶标高22.95～23.60m，层底标高18.60～19.45m。该层在场地内呈透镜体分布。④3细砂：黄褐色，密实，饱和，矿物成份以石英、长石为主，砂质较纯，局部夹少量粉质黏土薄层，层厚3.00m，层顶标高20.50m，层底标高17.50m。该层在场地内呈透镜体分布。⑤圆砾：杂色，密实，饱和，圆砾母岩成分以砂岩、花岗岩为主，磨圆度中等，呈浑圆状或圆棱状，一般粒径2～20mm，最大粒径约42mm，约占55%，余为杂砂及黏性土充填。层厚4.50～8.20m，平均厚度6.71m，层顶标高11.10～14.92m，层底标高5.28～9.72m。该层场地内均有分布。⑤3细砂：黄褐色，密实，饱和，矿物成份以石英、长石为主，砂质较纯，局部夹少量砾石，层厚1.00～6.30m，平均厚度2.45m，层顶标高7.50～14.80m，层底标高5.70～13.17m。该层在场地内呈透镜体分布。⑥粉质黏土：黄褐色，可塑，干强度韧性中等，土质较均匀，部含少量铁锰氧化物，切面光滑，有光泽。层厚6.00～12.70m，平均厚度8.18m，层顶标高5.28～7.57m，层底标高-7.00～1.57m。该层在场地内均匀分布。⑥1粉土：褐灰色，密实，饱和，土质不均，局部含粉质黏土。层厚大于4.40m，层顶标高-1.32m。该层在场地内呈透镜体分布。⑦细砂：灰褐色，密实，饱和，矿物成份以石英、长石为主，砂质较纯，层厚大于3m，层顶标高-7.18～-2.25m，该层在场地内均匀分布。⑦3粉砂：黄褐色，密实，饱和，矿物成份以石英、长石为主，砂质不纯，局部夹少量粉土薄层，平均厚度5.60m，该层在场地内呈透镜体分布。本明挖段土层岩土施工工程分级Ⅰ~Ⅲ，详见地质纵断面图。通过搜集场地气候资料，结合本次勘察成果，依据《混凝土结构耐久性设计规范》（GB/T50476－2008），确定拟建工程所处环境类别为一般环境，环境作用等级为Ⅰ-C。根据《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》(DBJ11－501－2009)(2016年版)之附录E，拟建场地地基土的标准冻结深度为0.80m。3）水文地质：（1）地下水分布特点拟建场地下55m深度范围内揭露了3层地下水，第一层为潜水，第二、第三层为微承压水。第一层水：潜水，主要含水层为细砂③、粉土③1、圆砾土③4、粉土④1、细砂④3层，静止水位埋深10.2～12.1m，绝对标高32.68～33.86m。地下水主要接受大气降水、侧向径流及越流补给，以侧向径流的方式排泄。该层水在整个场地范围内连续分布。第二层水：微承压水，主要含水层为圆砾⑤、细砂⑤/3层，静止水位埋深29.6～32.3m，绝对标高13.08～14.92m。该层水具有微承压性，但位于基坑开挖深度以下，对基础施工影响不大。第三层水：微承压水，主要含水层为粉土⑥/1、细砂⑦、粉砂⑦/3层，该层水具有微承压性，但位于基坑开挖深度以下，对基础施工影响不大。场区含水层属于华北平原区单一潜水含水层，含水层主要为第四系全新统冲洪积砂土或圆砾层，第四系全新统冲湖积粉质黏土层构成上覆含水层的相对隔水底板，构成统一的潜水含水体。勘察期间（2018.10.19-2018.11.17）地下水位埋深10.2～12.1m。本次勘察未见上层滞水，但由于绿化灌溉、大气降水、管道渗漏等原因，场地内不排除局部存在上层滞水的可能性。（2）地下水动态变化规律场区潜水主要补给来源为大气降水、侧向迳流补给及上层越流补给，主要排泄方式以侧向迳流及向下越流补给的方式排泄。地下水位动态受季节性气候变化影响较大，一般来说，春、冬季为枯水期，水位有所下降，夏、秋季为丰水期，地下水位有所回升，地下水年幅度变化在2.0～3.0m。（3）地下水水质的腐蚀性评价按照《岩土工程勘察规范》（GB50021-20012009年版）及其局部修订的条文，并结合当地经验，场区环境类型属Ⅱ类，渗透类型属强透水。综合判定，场地内地下水对混凝土具微腐蚀性；场地内地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋（长期浸水）具微腐蚀性、（干湿交替）具弱腐蚀性，产生腐蚀作用的主要离子为Cl-，场地土对混凝土具有微腐蚀性；对钢筋混凝土结构中的钢筋具有微腐蚀性；场地土对钢结构具有微腐蚀性。4）抗浮设计水位建议本工程场地抗浮设防水位根据清河站场区历年最高水位值确定，建议抗浮设计水位标高为自然地面，高程为44.0m。检测结论1）桥面系及附属设施桥面泄水孔未见堵塞，伸缩缝未见异常、破损、脱落，梁端止水带未脱落破损，护栏完好。2）上部结构（1）该段桥第27跨和第31跨为简支现浇箱梁，上部结构整体状况较好。其中：第28跨距27墩3.6m右侧翼板存在淅白，面积0.2m×1.2m；第30跨梁距30-2号支座0.4m、距左侧梁底边0.15m处梁底面露筋，面积0.3m×1.5m；（2）桥梁梁体混凝土强度推定值满足C50设计等级要求；（3）梁体混凝土碳化深度在0.5~1.5mm之间；（4）梁体钢筋保护层厚度在30~42mm之间；3）支座本桥段支座共计16个，支座为球形支座，外观质量完好。4）下部结构（1）本桥段下部结构外观质量完好；（2）桥梁墩柱混凝土强度推定值满足C35设计等级要求；（3）墩柱混凝土碳化深度在0.5~1.5mm之间；（4）墩柱筋保护层厚度在37~47mm之间；（5）检测范围内墩柱垂直度在-0.6‰~+1.3‰之间。专项设计1）相对位置关系及处理措施区间在YK56+051.572~YK56+091.830（ZK56+071.663~ZK56+111.925）下穿京张高铁西二旗左线特大桥，平面夹角约52度，隧道顶埋深约15.7~16.1m，隧道左、右线线间距约25.6m。盾构穿越地层为粉质黏土、粉土、细砂层，风险等级为特级。13B线下穿京张高铁西二旗左线特大桥平面位置关系图13B线下穿京张高铁西二旗左线特大桥剖面图下穿西二旗左线特大桥采取的主要工程技术措施：（1）施工前应对桥梁进行详细调查，并进行检测和评估。（2）隧道与桥梁桩基之间设置隔离桩及横撑，减小隧道开挖对桩基周边土体的扰动。（3）穿越前设置实验段，调整并确保盾构机性能良好，严格控制掘进参数，确保匀速、均衡、连续通过，严格控制地层损失率。（4）选择合理的同步注浆和二次注浆浆液及注浆参数，及时进行同步注浆及二次注浆，填充管片与土体间的空隙；（5）穿越范围内，由盾构机径向孔向盾体外注入克泥效，及时填充开挖直径和盾体之间的空隙。（6）及时布设测点，穿越过程中加强对动车所股道的监控量测，并根据监测结果及时调整盾构掘进参数；（7）制定针对性的应急预案。2）克泥效工艺克泥效工法是在盾构机掘进的同时，采用A、B两液，混合后从前体肩部的径向注浆孔注入的方式。混合后的液体呈粘稠状，可以及时填充盾构机掘进引起的盾体与土体的间隙。其中A液为高浓度的泥水材料（克泥效水溶液，常用浓度为400~500kg/m2），B液为塑强调整剂（水玻璃40be'）。两种液体分别以配管压送到盾体径向孔处，再将该两种液体以体积比20：1的比例混合，形成高黏度塑性具有支撑力挡水性胶化体后，在盾构机掘进的过程中同步注入到盾体外，填充盾体与土体之间的间隙，达到有效控制盾构推进时所引起的盾构通过时引起的沉降，辅助盾尾间隙处沉降控制。盾构开挖直径为6280mm，盾尾直径为6230mm，每立方溶液400kg克泥效粉，注入率120%，每米间隙为0.49m3/m，每米注入A液量为0.59m3/m，每米注入B液量为29.5L。3）洞内注浆加固方案洞内注浆加固横剖面在盾构距离西二旗左线特大桥桥桩前后6m范围内，从二次注浆孔及拱部管片增设的预留注浆孔打孔，插入注浆管进行注浆，对土层加固改良，提高地层稳定性，减小区间下穿施工对西二旗左线特大桥的影响。每环管片壁后注浆孔共计16个，通过壁后注浆孔向区间结构拱部180°范围内进行深孔注浆，径向注浆长度2.0m，注浆管采用PVC管，长度大于2.5m，浆液采用普通水泥浆，水灰比为0.8:1，注浆压力根据现场试验后确定，注浆浆液扩散半径0.7m，离盾尾5～10环时开始注浆，采用后退式分段注浆，实施前先用水泥-水玻璃浆液对管片外1.5m范围进行填充注浆，采用同步对称注浆，注浆压力控制在0.5~0.8MPa，应提前施做注浆试验，确定合理的浆液配比、注浆压力等指标，注浆过程中及时监测管片变形，注浆时对管片内表面实施变形监测，并根据每块管片的变形情况及时调整注浆参数和工艺。数值模拟分析数值模拟计算（1）计算模型数值模拟采用岩土与隧道有限元分析软件MIDASGTSNX进行三维有限元分析。计算时假定土体为连续介质，土体采用实体单元模拟，隧道管片采用板单元模拟。盾构下穿京张高铁西二旗左线特大桥计算模型盾构下穿京张高铁西二旗左线特大桥计算模型相互关系图（2）计算结果采取加固措施后，计算结果如下：盾构穿越完成后西二旗左线特大桥墩顶水