地鐵區(qū)間近距離下穿既有運(yùn)營線區(qū)間隧道設(shè)計(jì)分析

王 根，王 林

(1.安徽省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院股份有限公,，安徽 合肥 230088;2.公路交通節(jié)能環(huán)保技術(shù)交通運(yùn)輸行業(yè)研發(fā)中心，安徽 合肥 230088)

0 引 言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，城市新建地鐵線路與已運(yùn)營地鐵線路不可避免地會(huì)出現(xiàn)近距離施工問題，因此確保新建地鐵隧道的順利施工以及既有隧道的安全運(yùn)營尤為重要。盾構(gòu)法施工是城市修建地鐵隧道的首選工法，其中盾構(gòu)區(qū)間近距離穿越建構(gòu)筑物施工的風(fēng)險(xiǎn)控制是工程設(shè)計(jì)的重難點(diǎn)。本文以合肥5號(hào)線區(qū)間隧道下穿1號(hào)線運(yùn)營隧道為例，從設(shè)計(jì)角度出發(fā)，對(duì)區(qū)間隧道平縱斷面、附屬結(jié)構(gòu)設(shè)置及風(fēng)險(xiǎn)控制等內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)和探討分析。

1 工程概況

合肥地鐵5號(hào)線高鐵站-祁門路站區(qū)間于高鐵站北端出發(fā)，由南向北下穿龍川路市政隧道(已通行)和1號(hào)線運(yùn)營線區(qū)間隧道，進(jìn)入祁門路站南端。區(qū)間單線長737.389 m，采用“V”形節(jié)能坡設(shè)計(jì)，埋深11.6～33.3 m。圓形區(qū)間隧道建筑限界Ф5 200 mm，盾構(gòu)隧道內(nèi)徑Ф5 400 mm，管片厚度300 mm。標(biāo)準(zhǔn)襯砌環(huán)管片由1塊封頂塊、2塊鄰接塊及3塊標(biāo)準(zhǔn)塊組成，采用彎螺栓連接成環(huán)。管片環(huán)寬1 500 mm，環(huán)間采用錯(cuò)縫拼裝方式,如圖1所示。

圖1 區(qū)間管片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)區(qū)間消防要求，長度超過600 m隧道應(yīng)設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道，同時(shí)為滿足區(qū)間隧道防、排水要求，在線路最低點(diǎn)處設(shè)置廢水泵房。本區(qū)間設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道與廢水泵房合建，采用礦山法施工，復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)。

2 平縱斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)

高鐵站為1、4和5號(hào)線換乘車站，土建部分均由1號(hào)線施工單位代建并已完成施工。5號(hào)線區(qū)間隧道出高鐵站后與1號(hào)線區(qū)間隧道為平行布置，為增大兩條線平面交角，同時(shí)減小正下穿距離，5號(hào)線區(qū)間直線段下穿龍川路市政隧道后分別銜接R=450 m和R=400 m平曲線接入祁門路站，線路呈“S”形。

龍川路市政隧道北側(cè)為未規(guī)劃地塊，分布9～12 m多年建筑堆土，呈半固結(jié)-固結(jié)狀態(tài)。為增大與1號(hào)線區(qū)間隧道凈距，5號(hào)線區(qū)間線路出高鐵站后以23.66‰的下坡到達(dá)最低點(diǎn)，再以29‰的上坡接至祁門路站，最小豎曲線半徑R=3 000 m。經(jīng)過線路優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終選定距離1號(hào)線隧道約12 m處設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道及泵房，如圖2所示。

圖2 1、5號(hào)線區(qū)間平面設(shè)計(jì)

區(qū)間隧道采用1臺(tái)盾構(gòu)從祁門路站上行線始發(fā)，掘進(jìn)至高鐵站并在站內(nèi)調(diào)頭，高鐵站上行線二次始發(fā)，掘進(jìn)至祁門路站接收吊出。盾構(gòu)隧道穿越地層為黏土層，盾構(gòu)機(jī)在29‰的隧道縱坡下推進(jìn)時(shí)，應(yīng)采取以下相關(guān)措施。

(1)嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)油缸推力，謹(jǐn)慎糾偏，避免盾構(gòu)機(jī)“上浮”或 “磕頭”，特別是在同步注漿漿液沒有完全提供約束力的情況下。

(2)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)所有設(shè)備應(yīng)平穩(wěn)和安全，電瓶車停車后，要采取防滑、防溜措施，保證施工過程中不出現(xiàn)任何運(yùn)輸上的安全事故。

(3)每環(huán)管片推進(jìn)結(jié)束后，須擰緊當(dāng)前環(huán)管片的連接螺栓，并在下一環(huán)推進(jìn)時(shí)進(jìn)行復(fù)緊，克服作用于管片上的推力所產(chǎn)生的垂直分力，減少隧道的上浮。

(4)應(yīng)適當(dāng)增加隧道測量的頻率，通過多次測量來確保盾構(gòu)測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 風(fēng)險(xiǎn)控制設(shè)計(jì)

3.1 相對(duì)位置關(guān)系

5號(hào)線區(qū)間隧道在里程SK22+593-SK22+643(XK22+560-XK22+610)約50 m長度范圍斜下穿1號(hào)線運(yùn)營隧道望湖城站～高鐵站區(qū)間上行線，平面交角約21°。由空間相對(duì)位置關(guān)系，兩區(qū)間隧道外輪廓最小豎向高程差為2.65 m，最小結(jié)構(gòu)凈距約3.24 m。5號(hào)線區(qū)間正下穿段劃分為重點(diǎn)影響區(qū)(上、下行線長度各50 m范圍)，區(qū)間正下穿前后15環(huán)劃分為次要影響區(qū)，影響區(qū)內(nèi)5號(hào)線區(qū)間線間距10～11.0 m，隧道頂最小覆土厚度約27.8 m。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和地方管理?xiàng)l例，結(jié)合區(qū)間穿越建構(gòu)筑物重要性等級(jí)分析，本次5號(hào)線區(qū)間隧道下穿1號(hào)線區(qū)間運(yùn)營隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅰ級(jí)，應(yīng)進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)并評(píng)估隧道施工對(duì)1號(hào)線運(yùn)營隧道的影響程度和范圍。

3.2 1號(hào)線區(qū)間運(yùn)營隧道現(xiàn)狀

1號(hào)線望湖城站-高鐵站區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，隧道內(nèi)徑Ф5400 mm，管片厚度300 mm，襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)同5號(hào)線。望湖城站-高鐵站區(qū)間上行線于2015年初隧道貫通，2016年12月1號(hào)線全線開通運(yùn)營。由竣工圖資料顯示，5號(hào)線高鐵站-祁門路站區(qū)間下穿1號(hào)線區(qū)間上行線的里程為SK14+571-SK14+665，長約94 m。

根據(jù)1號(hào)線望湖城站-高鐵站區(qū)間竣工報(bào)告及運(yùn)營位移監(jiān)測報(bào)告顯示，區(qū)間穿越段局部位置最大累計(jì)沉降為3.9 mm(監(jiān)測數(shù)據(jù)截至2018年12月)。由第三方檢測報(bào)告顯示，區(qū)間穿越段實(shí)測襯砌管片存在錯(cuò)臺(tái)、環(huán)縫滲漏及表面混凝土剝落等缺陷，局部管片裂縫最大寬度0.4 mm，最大錯(cuò)臺(tái)15 mm；實(shí)測道床混凝土存在少量裂縫，裂縫最大寬度0.6 mm；其中，檢測缺陷僅存在于隧道內(nèi)極少數(shù)位置，并不影響隧道安全運(yùn)營。

3.3 盾構(gòu)掘進(jìn)沉降分析

5號(hào)線區(qū)間下穿1號(hào)線區(qū)間運(yùn)營隧道施工重難點(diǎn)是控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中引起的地層沉降及隧道自身沉降。根據(jù)大量現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，盾構(gòu)施工引起的地層沉降大致可分為5個(gè)階段：

(1)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前的隆沉，測點(diǎn)離盾構(gòu)切口3～20 m范圍內(nèi)所發(fā)生的隆沉變化，一般沉降量很小，認(rèn)為是隧道開挖導(dǎo)致的應(yīng)力釋放、重分布所致。

(2)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)時(shí)的隆沉，測點(diǎn)離盾構(gòu)切口0～3 m范圍內(nèi)所發(fā)生的隆沉變化。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)設(shè)定土壓力較大、推力較大、出土量小于100%時(shí)，地表呈隆起變化；當(dāng)設(shè)定土壓力較小、推力較小、出土量大于100%時(shí)，地表呈沉降變化。

(3)盾構(gòu)通過時(shí)的沉降，從開挖面到達(dá)觀測點(diǎn)的正下方直到盾構(gòu)機(jī)尾部通過觀測點(diǎn)為止期間產(chǎn)生的沉降，表現(xiàn)為沉降顯著增大的過程，主要是盾構(gòu)推進(jìn)過程中對(duì)土的擾動(dòng)所致。

(4)盾構(gòu)通過后的沉降，盾尾通過觀測點(diǎn)的正下方到盾尾距離觀測點(diǎn)1～3環(huán)期間產(chǎn)生的沉降，表現(xiàn)為沉降急劇增大的過程。主要是盾殼脫離隧道管片后，管片與地層間形成盾尾空隙，地層向盾尾空隙產(chǎn)生徑向收斂，造成地層損失而引起的沉降。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中通過同步注漿方式來充填盾尾空隙，控制沉降。

(5)后期固結(jié)沉降，土的固結(jié)和次固結(jié)(蠕變殘余變形)引起的沉降，一般沉降量較小。

由上分析可知，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工過程中，地層沉降主要發(fā)生在盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)、通過后和工后沉降三個(gè)階段。按照上述5個(gè)階段劃分的地面縱向變形曲線如圖3所示。

圖3 地表縱向沉降歷時(shí)曲線

3.4 風(fēng)險(xiǎn)控制措施

穿越影響區(qū)地層均為黏土層，地層均勻且含水量小，推薦采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。穿越重點(diǎn)影響區(qū)前設(shè)置長度約100 m的試驗(yàn)段，由試驗(yàn)段成果優(yōu)化下穿段的推進(jìn)參數(shù)。

(1)應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際情況，計(jì)算掘進(jìn)壓力，施工中實(shí)時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)壓力參數(shù)。

(2)盾構(gòu)機(jī)勻速掘進(jìn)，禁止在下穿段停機(jī)，控制每循環(huán)的出碴量，保持開挖土量和出土量的平衡，密切關(guān)注碴土的物理性能，以計(jì)算優(yōu)化控制碴土量。

(3)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)密切注意涌水量，若掌子面有水溢出時(shí)，應(yīng)立即封閉螺旋輸送機(jī)倉門，給掌子面或土倉室內(nèi)注入泡沫或膨潤土止水。

(4)盾構(gòu)機(jī)在曲線上掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)軸線控制較困難，應(yīng)放慢掘進(jìn)速度、小幅度糾偏、減少超挖及加大注漿量，同時(shí)加強(qiáng)糾偏測量工作，以減少地層損失和沉降。

穿越段施工時(shí)，需考慮若嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)不能滿足沉降變形要求的風(fēng)險(xiǎn)，因此必須采取合理的措施對(duì)地層進(jìn)行渣土改良和加固處理。綜合穿越段水文地質(zhì)情況和相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，5號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間穿越施工過程中推薦采用“洞內(nèi)注漿”加固方案。

首先通過盾體超前注漿填充盾體與土體之間的間隙，控制盾體通過時(shí)的沉降；然后在盾構(gòu)管片拼裝時(shí)進(jìn)行同步注漿，管片與盾殼之間的間隙填充密實(shí)，控制盾尾間隙下沉，即盾構(gòu)通過后的沉降；最后根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，實(shí)施管片二次注漿，控制工后沉降。“洞內(nèi)注漿”加固方案對(duì)注漿參數(shù)和漿液配比有嚴(yán)格的技術(shù)要求。

施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測，尤其穿越影響區(qū)應(yīng)加密監(jiān)控量測的監(jiān)測點(diǎn)和監(jiān)測頻率，及時(shí)處理監(jiān)測數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工。1號(hào)線區(qū)間運(yùn)營隧道內(nèi)采用實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、上傳、分析，超限警報(bào)等自動(dòng)化、及時(shí)化，且不影響1號(hào)線正常運(yùn)營。

4 結(jié)束語

5號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間下穿1號(hào)線區(qū)間運(yùn)營隧道是合肥地鐵建設(shè)首個(gè)新建線路區(qū)間下穿既有運(yùn)營線區(qū)間工程項(xiàng)目，隨著合肥城市軌道交通的長遠(yuǎn)規(guī)劃和建設(shè)發(fā)展，本工程成功實(shí)施累計(jì)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和工程經(jīng)驗(yàn)可為后期越來越多、越來越復(fù)雜的類似下穿工程提供參考。