CN114657817A - 控制盾构近距离下穿铁路路基变形的方法 - Google Patents

控制盾构近距离下穿铁路路基变形的方法 Download PDF

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程勇
刘继国
陈湘生
王雪涛
舒恒
杨林松
宋明
史世波
李金�
彭文波
崔庆龙
孟鹏
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Abstract

本发明公开了一种控制盾构近距离下穿铁路路基变形的方法，该方法包括：确定铁路沿线需要注浆的范围；在确定的注浆范围内的铁路路基两侧打注浆孔；在盾构下穿铁路施工过程中，对铁路轨道和/或路基进行实时监测；如果铁路轨道和/或路基的沉降差超过规范要求，则利用所述注浆孔对所述路基下的土体进行注浆加固。利用本发明方案，可以有效避免盾构近距离下穿施工对铁路正常运营的影响。

Description

控制盾构近距离下穿铁路路基变形的方法
技术领域
本发明涉及隧道盾构施工技术领域，具体涉及一种控制盾构近距离下穿铁路路基变形的方法。
背景技术
盾构隧道近距离(通常小于1～2倍盾构机直径)下穿运营高速铁路施工会对铁路路基造成影响，特别是高速运行的列车，即使是微小的变化都可能会对列车安全运行构成灾难性的影响。目前一般控制盾构施工影响的措施多是从盾构施工出发，通过控制盾构施工过程以达到控制盾构施工对下穿铁路的影响，但是随着大直径盾构隧道越来越多，工况越来越复杂，盾构近接施工越来越普遍，并且近接距离越来越小，只通过控制盾构施工过程已无法满足敏感建(构)筑物变形要求，需同时采取超前加固的措施，目前，常见的路基沉降处理方法有挤密桩加固、土工合成材料加固、管桩加固、局部置换加固、注浆加固等，但是对于运营的高速铁路，所有的处理措施都不能影响火车的日常使用，因此加固措施的选择受到了极大的限制。而且，盾构施工的控制措施对减小下穿铁路路基变形的效果有限，也不易根据铁路路基的实时监测数据进行调整。
发明内容
本发明提供一种控制盾构近距离下穿铁路路基变形的方法，能够有效避免盾构近距离下穿施工对铁路正常运营的影响。
为此，本发明提供如下技术方案：
本发明提供一种控制盾构近距离下穿铁路路基变形的方法，所述方法包括：
确定铁路沿线需要注浆的范围；
在确定的注浆范围内的铁路路基两侧打注浆孔；
在盾构下穿铁路施工过程中，对铁路轨道和/或路基进行实时监测；
如果铁路轨道和/或路基的沉降差超过规范要求，则利用所述注浆孔对所述路基下的土体进行注浆加固。
可选地，所述确定铁路沿线需要注浆的范围包括：
根据隧道穿越地层和盾构机类型，确定盾构隧道横断面地表沉降曲线；
根据所述地表沉降曲线的下垂段范围，确定铁路沿线需要注浆的范围。
可选地，所述根据隧道穿越地层和盾构机类型，确定盾构隧道横断面地表沉降曲线包括：
根据隧道穿越地层和盾构机类型确定计算参数，所述计算参数包括：地表沉降槽系数K、地层损失率VL；
根据所述计算参数利用以下公式确定盾构隧道横断面地表沉降曲线：
Figure BDA0003543244500000021
Figure BDA0003543244500000022
i＝K﹒z0；
其中，Sv(x)为地表距离隧道中心线x处地表沉降量，Sv,max为地表最大沉降量，i为沉降槽宽度，D为隧道开挖直径，z0为隧道埋深。
可选地，所述根据隧道穿越地层和盾构机类型确定计算参数包括：
根据隧道穿越地层的条件确定所述地表沉降槽系数K：
根据所述隧道穿越地层的条件盾构机类型确定所述地层损失率VL。
可选地，所述注浆孔为斜孔。
可选地，所述利用所述注浆孔对所述路基下的土体进行注浆加固包括：
对当前铁路轨道和/或路基的沉降差处于最大段范围内的路基下的土体进行注浆，并在注浆结束后，检查所述铁路轨道和/或路基的沉降差是否仍然超过所述规范要求；
如果是，则重复进行注浆过程，直至所述铁路轨道和/或路基的沉降差不超过所述规范要求。
可选地，注浆工艺采用以下任意一种：花管注浆、袖阀管注浆、动态阻塞注浆。
可选地，所述方法还包括：确定盾构近距离下穿铁路的影响区段；所述确定铁路沿线需要注浆的范围包括：在所述影响区段内确定铁路沿线需要注浆的范围。
可选地，所述方法还包括：根据监测结果进行施工参数调整。
可选地，所述施工参数包括以下任意一种或多种：掌子面支护压力、掘进速度、钻进工艺、钻机位置。
本发明提供的控制盾构近距离下穿铁路路基变形的方法，通过对铁路路基和下穿隧道之间的土体进行加固，这样不但可以避免加固过程受限于铁路天窗时间，而且还可以避免因加固过程控制不当对铁路路基造成的二次病害。
附图说明
图1是本发明实施例控制盾构近距离下穿铁路路基变形的方法的流程图；
图2是本发明实施例中隧道横断面地表沉降曲线的示意图；
图3是本发明实施例中盾构近距离下穿铁路路基下土体加固方式的示意图；
图4是图3的沿垂直于铁路轨线A-A的剖面图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例的方案，下面结合附图和实施方式对本发明实施例作进一步的详细说明。
针对在盾构施工需要近距离下穿铁路的场景下，现有的盾构施工方式无法对正常运行下铁路路基进行加固的问题，本发明提供一种控制盾构近距离下穿铁路路基变形的方法，可以有效避免盾构近距离下穿对铁路正常运营的影响。
如图1所示，是本发明实施例控制盾构近距离下穿铁路路基变形的方法的流程图，包括以下步骤：
步骤101，确定铁路沿线需要注浆的范围。
在具体应用中，首先需要对盾构近距离下穿铁路的影响范围进行评估，确定盾构近距离下穿铁路的影响区段，在所述影响区段内再进一步确定铁路沿线需要注浆的范围。
具体地，可以根据隧道穿越地层和盾构机类型，确定盾构隧道横断面地表沉降曲线；然后根据所述地表沉降曲线的下垂段范围，确定铁路沿线需要注浆的范围。
其中，盾构隧道横断面地表沉降曲线的计算可以采用Peck经验公式，具体如下：
Figure BDA0003543244500000041
Figure BDA0003543244500000042
i＝K﹒z0；
其中，Sv(x)为地表距离隧道中心线x处地表沉降量，Sv,max为地表最大沉降量，i为沉降槽宽度，D为隧道开挖直径，z0为隧道埋深，即隧道轴线到地表的距离。
上述地表沉降槽系数K和地层损失率VL可以根据隧道穿越地层和盾构机类型来确定。具体地，可以根据隧道穿越地层的条件确定所述地表沉降槽系数K，根据所述隧道穿越地层的条件盾构机类型确定所述地层损失率VL。
图2是本发明实施例中隧道横断面地表沉降曲线的示意图示意图。
其中，地层损失率VL可以根据AS和AT来计算，即VL＝AS/AT，其中，AS表示高斯沉降曲线所代表的面积，AT表示代表隧道开挖面积。
步骤102，在确定的注浆范围内的铁路路基两侧打注浆孔。
所述注浆孔采用斜孔，斜孔的具体间隔及角度可以根据具体工程中可施工的空间来确定，比如，如果铁路两侧可施工的范围不够大，则倾斜的角度比较大，如果可施工的范围够大，则倾斜的角度可较小。需要说明的是，不能在铁路路基范围内进行施工，也就是说，注浆孔要打在铁路路基之外，以免对铁路路基产生影响，带来安全隐患。
进一步地，在打注浆孔的过程中，也可以通过相应的监测体系进行铁路轨道和路基变形的实时监测反馈，根据反馈的监测结果可以动态、精细地调整钻进工艺和钻机布置，使钻孔作业的影响尽量地均匀和缓慢。比如，如果铁路路基沉降测量值出现变化，则调整钻机打孔方向，增加与铁路路基的距离。
步骤103，在盾构下穿铁路施工过程中，对铁路轨道和/或路基进行实时监测。
因为在盾构施工影响范围内铁路轨道和路基的沉降是不均匀的，所以需要根据实际监测结果，分区域、分、阶段的进行注浆，使得铁路轨道和路基的沉降变形变得较为均匀。
在具体应用中，可以主要监测铁路轨道差及铁路路基的沉降，铁路路基及轨道的沉降的变化趋势决定了是否需要注浆。
步骤104，如果铁路轨道和/或路基的沉降差超过规范要求，则利用所述注浆孔对所述路基下的土体进行注浆加固。
如图3所示，是盾构近距离下穿铁路路基下土体加固方式的示意图，图4是图3的沿垂直于铁路轨线A-A的剖面图。
其中，θ为新建隧道轴线与铁路轨线夹角(0<θ≤90°)，L为沉降曲线下垂段范围内的注浆孔间距，L可以根据注浆加固规范来确定，应能使加固土体在平面和深度范围内连成一个整体。具体由加固的地层条件和实际工程中的施工条件确定，在该示例中，注浆间距L可取1-3m。
需要说明的是，在本发明实施例中，注浆过程可以重复多次进行，具体地，首先对当前铁路轨道和/或路基的沉降差处于最大段范围内的路基下的土体进行注浆，并在注浆结束后，检查所述铁路轨道和/或路基的沉降差是否仍然超过所述规范要求；如果是，则重复进行注浆过程，直至所述铁路轨道和/或路基的沉降差不超过所述规范要求。
当然，如果一次注浆的效果可以达到铁路路基的相对变形不超过规范允许的范围，也可以无需反复注浆，对此需要根据实际的工程情况确定。
需要说明的是，注浆浆液的类型可以根据地质条件决定的，可根据现有的相关标准来确定即可。
本发明提供的控制盾构近距离下穿铁路路基变形的方法，通过对铁路轨道和/或路基的实时监测，并根据监测结果进行注浆过程并决定是否需要重复注浆过程，通过注浆过程实现对铁路路基和下穿隧道之间的土体进行加固，这样不但可以避免加固过程受限于铁路天窗时间，而且还可以避免因加固过程控制不当对铁路路基造成的二次病害，很好地保证盾构过程中铁路轨道和路基的安全性。
需要说明的是，在本发明控制盾构近距离下穿铁路路基变形的方法另一非限制性实施例中，还可以根据监测结果进行施工参数调整。其中所述施工参数包括但不限于以下任意一种或多种：掌子面支护压力、掘进速度、钻进工艺、钻机位置等。
下面举例进一步详细说明基于本发明方案在盾构施工过程中对铁路路基变形的控制方式。
假设某隧道工程，盾构机直径约16m，下穿某城际铁路，竖向最小净距约17m，隧道线路与铁路夹角约60°，盾构机为泥水平衡，盾构隧道下穿城际铁路段的地层为石英砂岩和泥岩夹砂岩，土石工程分级为IV～VI级，掌子面地质条件评定为弱岩,地表沉降槽系数K根据工程经验推荐值为0.5。
基于上述情况，计算得到盾构隧道施工引起的横断面地表沉降曲线沉降槽宽度i＝K﹒z0＝0.5(16/2+17)＝12.5m，城际铁路沿线需要注浆的范围是2*i/cos60°＝50m。
在该应用中，根据隧道埋深、隧道工程地质条件，采用深层加固方案，铁路路基注浆可以采用花管注浆、袖阀管注浆、动态阻塞注浆等工艺。其中袖阀管注浆技术具有分段、定量、局部施压、可反复多次注浆的优点，能够保证注浆的效果和质量，可以较好地满足运营高速铁路路基加固。另外，根据加固区地层条件，选择合适的注浆浆液，注浆孔间距在1.5～3.0m之间，注浆管与地表水平方向成20～60°角。
在注浆孔的过程中，通过监测体系进行路基变形的实时监测反馈，然后动态、精细地调整钻进工艺和钻机布置，使钻孔作业的影响尽量地均匀和缓慢。
在盾构过程中，监测参数主要为轨道结构的竖直变形与横向变形。其中竖直变形为第一控制参数，通过上、下行竖向变形的监控，可基本掌握轨道结构的横向变形。对于竖向变形的监控，可在整治区段建立全覆盖沉降实时监测系统，采集频率须达到秒级，注浆作业时才能做到及时反馈；对于横向变形的监控，可在整治区段建立全站仪测量机器人系统，受制于该技术的实时性，监测时必须结合竖向变形监控，共同对横向位移进行评估。所述横向位移是指轨道的相对横向位移，可通过铁路轨道两侧多个测点测量的位移变化计算得到。根据变形监控结果，当轨道结构变形超过规范要求时，借助与变形联动的注浆控制技术划定抬升区段、制定分次抬升与纠偏量，开展控制性注浆抬升与纠偏，从而将城际铁路沿线需要注浆的范围内的变形控制在限值之内。也就是说，根据实时测量的铁路轨道沉降差和/或铁路路基的沉降，通过控制注浆压力和注浆速率来控制注浆。具体地，在需要注浆范围内，分析计算在沿铁路轨道附近布置的每相邻两个监测点的沉降差，按照由大到小进行排序，针对最大沉降差的范围内土体，先进行注浆加固，并监测相应监测点的数据，随后针对下一个范围内的土体进行注浆，并监测相应监测点的数据，直到轨道变形符合规范要求。
需要说明的是，所述规范要求可根据相关的标准中的具体数据来确定，比如，中国国家标准中规定铁路轨道线路的允许相对变形是5mm/10m，如果某段轨道变形超过此规定，那就在该区段内进行控制性注浆，并随时监测轨道变形，直到轨道变形小于5mm/10m。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体实施方式对本发明进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及装置，其仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种控制盾构近距离下穿铁路路基变形的方法，其特征在于，所述方法包括：
确定铁路沿线需要注浆的范围；
在确定的注浆范围内的铁路路基两侧打注浆孔；
在盾构下穿铁路施工过程中，对铁路轨道和/或路基进行实时监测；
如果铁路轨道和/或路基的沉降差超过规范要求，则利用所述注浆孔对所述路基下的土体进行注浆加固。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定铁路沿线需要注浆的范围包括：
根据隧道穿越地层和盾构机类型，确定盾构隧道横断面地表沉降曲线；
根据所述地表沉降曲线的下垂段范围，确定铁路沿线需要注浆的范围。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据隧道穿越地层和盾构机类型，确定盾构隧道横断面地表沉降曲线包括：
根据隧道穿越地层和盾构机类型确定计算参数，所述计算参数包括：地表沉降槽系数K、地层损失率VL；
根据所述计算参数利用以下公式确定盾构隧道横断面地表沉降曲线：
Figure FDA0003543244490000011
Figure FDA0003543244490000012
i＝K﹒z0；
其中，Sv(x)为地表距离隧道中心线x处地表沉降量，Sv,max为地表最大沉降量，i为沉降槽宽度，D为隧道开挖直径，z0为隧道埋深。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据隧道穿越地层和盾构机类型确定计算参数包括：
根据隧道穿越地层的条件确定所述地表沉降槽系数K：
根据所述隧道穿越地层的条件盾构机类型确定所述地层损失率VL。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述注浆孔为斜孔。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用所述注浆孔对所述路基下的土体进行注浆加固包括：
对当前铁路轨道和/或路基的沉降差处于最大段范围内的路基下的土体进行注浆，并在注浆结束后，检查所述铁路轨道和/或路基的沉降差是否仍然超过所述规范要求；
如果是，则重复进行注浆过程，直至所述铁路轨道和/或路基的沉降差不超过所述规范要求。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，注浆工艺采用以下任意一种：花管注浆、袖阀管注浆、动态阻塞注浆。
8.根据权利要求1至7任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：确定盾构近距离下穿铁路的影响区段；
所述确定铁路沿线需要注浆的范围包括：在所述影响区段内确定铁路沿线需要注浆的范围。
9.根据权利要求1至7任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据监测结果进行施工参数调整。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述施工参数包括以下任意一种或多种：掌子面支护压力、掘进速度、钻进工艺、钻机位置。
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