復雜環境下的既有隧道擴挖改造技術

周清福

(中鐵二十二局六公司，吉林長春 130000)

隨著城市現代化水平的不斷提高，地下軌道交通呈現快速發展的趨勢。隨著目前越來越多的地下交通工程交疊設計與施工，相互影響的情況不斷出現，新建線路穿越既有線路和橋梁的擾動控制分析成為了該領域工程研究的主要方向之一［1，2］。

隧道穿越施工是一項存在多項不確定因素共同作用的綜合工程。以隧道穿越既有鐵路和橋梁為例:隧道下穿鐵路引起的鐵路線路變形，加劇了軌道的不平順，不僅加大了輪軌間的沖擊力，加速軌道架構和基床的破壞，對鐵路運營安全也產生嚴重影響［3］;在隧道下穿立交橋過程中，隧道開挖破壞了原有的平衡狀態，隧道上方及周圍土體必然會發生位移，橋梁樁基受土體位移的影響也會發生位移和變形，樁周土的沉降對樁基產生拖曳作用引起樁基沉降，降低其承載力。為了保證既有鐵路和橋梁的安全運營，目前采取的措施主要有兩個，一方面主要對地基土進行加固處理，包括徑向全斷面注漿及超前小導管注漿等;另一方面是對既有鐵路線路加固處理，減少施工對既有線路的擾動。但是傳統的隧道穿越施工主要是針對暗挖法或盾構法的新建隧道，而對于利用既有隧道擴挖改造隧道的穿越施工研究很少。本文以哈爾濱市軌道交通一號線西大橋站～教化廣場區間SK8+414～SK8+451段為工程依托，該段為既有7381隧道利用段，下穿濱綏鐵路及西大橋，主要介紹了針對這種復雜環境下對既有鐵路線路和隧道區間的地層加固技術以及對既有隧道的單側擴挖改造施工技術，以期為地鐵建設的同類改造工程提供參考。

1 工程概況

西大橋站～教化廣場站區間全長679 m。為既有7381隧道利用段，隧道采取單位邊挖法施工。SK8+414～SK8+451段為下穿濱綏鐵路及西大橋段，其余段為既有7381隧道改造區間。濱綏鐵路為單線鐵路，SK8+414～SK8+451段為碎石道床。西大橋為市政橋梁，形式為三跨簡支梁結構，與濱綏鐵路正交并上跨鐵路，7381隧道與橋梁平行，在該橋梁樁基間穿過，7381隧道上方覆土約13 m。西大橋樁基距離既有7381結構外墻距離為一側約為500 mm，另一側約為1 000 mm。區間此段地質為粉質粘土、粉細砂及松散土體。地下水位標高為119．9 m，承壓水頭高約1 m。

2 加固方案

2．1 線路加固施工方案

加固范圍總長28．5m，線路加固平面示意圖見圖1，其Ⅰ—Ⅰ斷面圖見圖2，施工時行車限速40 km/h。

縱梁:線路兩側縱梁采用3根55c工字鋼組合而成，見圖3中的③，縱梁兩端設置矩形鋼筋混凝土墩臺。

圖1 線路加固平面示意圖

圖2 — 斷面示意圖Ⅰ Ⅰ

圖3 Ⅱ— Ⅱ 斷面示意圖

扣軌:在既有軌道兩側分別設置3×P43軌束，見圖3中的②，距離既有軌道(見圖3中的①)90 mm。

橫抬梁:每隔一根枕木設置一根橫抬梁(見圖3中的④)，橫抬梁設置在既有枕木(見圖3中的⑤)下，橫抬梁底部設置32a槽鋼;橫抬梁通過U形螺栓與P43軌束及縱梁連接。

2．2 隧道加固施工方案

區間改造施工至該段時，應先根據測量結果確定橋梁樁基位置，在洞內采用徑向注漿方式加固既有結構周邊土體，增加樁側阻力。區間改造施工至橋樁段落時，首先應采用洞內徑向注漿措施將受影響的橋樁全部加固完成后，才實施區間改造施工，區間改造施工應以快速開挖，快速封閉、二襯緊跟的原則［4］。

1)超前注漿加固。區間改造施工至鐵路中線下方兩個各15 m范圍內時，除采用因加固橋梁需要的洞內徑向注漿措施外，需采用超前導管超前支護地層，小導管采用D=42 mm，L=4．5 m普通鋼管，鋼管搭接長度1．5 m，壁厚4 mm。環向間距15 cm，自開挖面起拱線打入約為12根～14根(視測量放樣情況而定)，如圖4所示。管頭為30°的錐體，預留止漿段長1．0 m，花管部分鉆有φ8 mm注漿孔，梅花形布置。2)徑向注漿加固。加固范圍為SK8+414～SK8+451。全段面徑向打設 φ42@500×500，頂拱入射角45°～60°。梅花形布置，L=3 m。管頭為30°的錐體，預留止漿段長1．0 m，花管部分鉆有φ8 mm注漿孔，梅花形布置，@200 mm，如圖4所示。3)注漿要求。注漿采用1∶0．8水泥、水玻璃雙液漿。初襯背后為粘性土用超細水泥漿。注漿壓力注漿量雙重控制，單管 0．1 m3，壓力大于 0．5 MPa 可結束注漿;單管 0．05 m3，壓力大于1 MPa可結束注漿。

圖4 徑向注漿加固示意圖

3 既有隧道施工技術

3．1 區間施工工序

單側擴挖法施工順序:第一步:鑿除既有結構側墻部位混凝土;第二步:施作側墻部位初期支護，并架設型鋼支撐;第三步:拆除型鋼支撐，破除既有結構仰拱混凝土;第四步:施作仰拱初期支護，封閉成環;第五步:施作仰拱二襯及回填混凝土;第六步:模筑拱墻鋼筋混凝土。

3．2 施工控制要點

1)既有隧道破除及土方開挖措施。既有隧道結構破除采用320，75c挖機配液壓錘結合人工風鎬破除。破除作業采用跳槽施工，單側擴挖每個槽段寬度為3．0 m，雙側擴挖每個槽段寬度為1 m，槽段間距離定為10 m，每個區間設5個～7個工作面。每個槽段采用液壓錘破除時，上下邊緣各留出約30 cm～40 cm，采用人工風鎬修鑿，以免影響保留混凝土結構的整體性。既有隧道結構鑿除后，需要對結構凈空范圍內的土體進行開挖作業。土方開挖主要采用人工開挖，320挖機配合并裝車外運，超挖量控制在10 cm以內，嚴禁欠挖。既有結構鑿除及土方開挖過程中，超前預報與監控量測必須緊跟作業面，及時分析反饋，指導安全施工［5］。2)初期支護。初期支護采用C25噴射混凝土、鋼筋網鋪設與格柵鋼架施工，施工步驟與開挖步驟相同。采用風鉆鉆孔，鉆孔直徑為48 mm，深度比導管插入長度視情況而定。用人工錘擊的方法將導管打入。個別不能打入時用風鉆采用特制鉆桿將小導管頂入，注漿泵注漿。3)隧道初期支護背后回填注漿。初期支護施作完畢后，為加固初支背后由于開挖面與填充噴射混凝土可能有的空隙，以最大限度地減少圍巖松動和地表沉降及結構滲水，在初期結構封閉成環3 d后，即進行初期支護背后回填注漿。4)隧道防水層施工。隧道防水設計采用全包防水，即一層土工布+一層ECB防水板，全部采用無釘鋪設，仰拱澆筑5 cm細石混凝土保護層。沿隧道縱向施工縫，防水板每隔8．9 m設一道外貼式止水帶分區。5)二次襯砌施工。區間擴挖隧道，襯砌工序安排采取先拱墻后仰拱施工，仰拱混凝土采用定型鋼模施工，每段施工長度定為20 m，拱墻混凝土均采用模板9 m臺車施工。二襯施工方法:先施作仰拱及軌下回填，再進行拱墻襯砌。隧道襯砌采用整體模板臺車模筑，暗挖風道往車站兩端隧道襯砌采用簡易拼裝式構件臺架及組合鋼模板，泵送混凝土進行灌注。6)二襯砌背后回填注漿。二襯回填注漿在二襯拱墻混凝土灌注后28 d后進行。施工結構二次襯砌鋼筋混凝土時，通過預留的錐形檢查孔，作為二襯背后回填注漿時的注漿孔。回填注漿壓力不宜過高，只要能克服管道阻力和二襯防水板之間空隙阻力即可，壓力過高，易造成結構變形，所以注漿壓力應控制在0．3 MPa～0．5 MPa。

4 結語

本文以哈爾濱地鐵1號線利用既有隧道采用單側擴挖下穿濱綏鐵路及西大橋段(SK8+414～SK8+451)為研究背景，通過對加固方案和施工技術的深入研究，得到:1)既有鐵路的沉降變形和隧道穩定性之間是相互耦合的，隧道開挖破壞了土體結構的原有平衡，引起地表的沉降變形，地表的沉降變形引起既有線路的沉降變形，線路的沉降變形加劇了軌道的不平順，不僅加大了輪軌間的沖擊力，這種沖擊力作用在地層之上，對地層產生了擾動，改變了地層應力應變狀態，從而對隧道的穩定性產生影響。因此線路加固和地層加固是相輔相成的，同時采用效果更顯著。2)在隧道下穿立交橋過程中，隧道開挖破壞了原有的平衡狀態，隧道上方及周圍土體必然會發生位移，橋梁樁基受土體位移的影響也會發生位移和變形，樁周土的沉降對樁基產生拖曳作用引起樁基沉降。然而，地層加固改善了地層的物理力學性質，對地層的抗擾動能力有所提高，所以在同等擾動情況下，地層的變形會減小，且隨著地層物理力學性質的提高，樁側摩阻力會相應的增大，提高了樁基的承載力。3)施工工程中需要嚴格控制施工工序，先施工11 m側墻初支，每次開挖寬度不超過1．5 m，初支完成后架設工鋼支撐。初支完成后再施工仰拱初支，仰拱初支施工完成11 m后施工仰拱二襯。待11 m仰拱二襯強度到達70%后，破除下一段側墻及仰拱，破除方法同前一段。仰拱一次破除寬度不超過3 m，仰拱全部施工完成后利用模板臺車施工頂拱二次襯砌。

［1］劉招偉，王夢恕．地鐵隧道盾構法施工引起的地表沉降分析［J］．巖石力學與工程學報，2003，22(8):1297-1301．

［2］陶連金，孫 斌，李曉霖，等．超近距離雙孔并行盾構施工的相互影響分析［J］．巖石力學與工程學報，2009，28(9):1856-1861．

［3］徐干成，李成學．地鐵盾構隧道下穿京津城際高速鐵路影響分析［J］．巖土力學，2009，30(2):269-276．

［4］TZ 204-2008，鐵路隧道工程施工技術指南［S］．

［5］劉招偉，趙運臣．城市地下工程施工監測與信息反饋技術［M］．北京:科學出版社，2006．