黃土地層盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道施工參數(shù)及變形控制試驗(yàn)研究

劉旭全 劉驚東 宋領(lǐng)弟

摘 要：結(jié)合西安地鐵 5 號(hào)線南稍門站—文藝路站盾構(gòu)區(qū)間下穿地鐵 2 號(hào)線施工實(shí)踐，對(duì)盾構(gòu)下穿既有運(yùn)營(yíng)隧道施工過程中隧道變形控制進(jìn)行試驗(yàn)研究。通過現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究分析既有隧道變形規(guī)律，提出盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)動(dòng)態(tài)取值范圍和既有隧道變形控制技術(shù)措施，從而保證地鐵2 號(hào)線正常運(yùn)營(yíng)。

關(guān)鍵詞：地鐵;黃土地層;盾構(gòu)隧道;施工參數(shù);隧道變形;控制

1 工程概況

西安地鐵5號(hào)線南稍門站—文藝路站區(qū)間起于南稍門站，經(jīng)過南稍門十字、南關(guān)正街及長(zhǎng)安北路以西，沿友誼東路東西方向布設(shè)，洞頂覆土10.14～18.46 m。右線隧道長(zhǎng)度為719.510 m，起止里程為YDK33+700.174～YDK34+419.684，左線隧道長(zhǎng)度為719.502 m，起止里程為ZDK33+700.174～ZDK34+419.684，線間距為15.5～17 m，用盾構(gòu)法施工。隧道設(shè)計(jì)為圓形襯砌斷面，采用單層鋼筋混凝土裝配式結(jié)構(gòu)形式，盾構(gòu)管片形式為平板型，管片外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，環(huán)寬為1.5m。盾構(gòu)機(jī)選用日本小松TM614PMX土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，自文藝路站始發(fā)，南稍門站接收出洞。下穿的既有地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道里程段落為ZDK33+723.967～DK33+743.375，長(zhǎng)度為19.408 m，5 號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)拱頂和2號(hào)線隧道仰拱底最小凈距為2.52 m。 按照施工要求，5號(hào)線盾構(gòu)下穿期間必須保證2 號(hào)線正常運(yùn)行，其環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為II級(jí)。

根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖及地質(zhì)勘查報(bào)告等資料，工程所在地地貌屬黃土梁洼區(qū)。地層自上至下依次為全新統(tǒng)人工填土、新黃土、老黃土、粉質(zhì)黏土。場(chǎng)地內(nèi)素填土、新黃土及古土壤均具濕陷性，施工過程中易遇水濕陷。地層主要存在潛水，地下水位埋深9.5～12.1m，具微腐蝕性。水位距5號(hào)線隧道拱頂8.7 m，距隧道底部14.7m。盾構(gòu)隧道與既有隧道關(guān)系如圖1所示。

2 盾構(gòu)施工參數(shù)選擇

本隧道采用日本小松公司生產(chǎn)的TM614PMX土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工，盾殼厚度為40 mm，盾尾間隙為 30mm，主機(jī)總長(zhǎng)（刀盤—螺旋機(jī)尾部）為8.68 m;刀盤開口率為45%，刀盤開挖直徑為6.16 m，最大推力為37730kN。南稍門站—文藝路站區(qū)間盾構(gòu)下穿2號(hào)線可以分為試驗(yàn)段和下穿段2部分組織施工，其中試驗(yàn)段包含第393環(huán)～第 442環(huán)，下穿段范圍為第443環(huán)～472 環(huán)。

2.1 試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

2.1.1 土倉(cāng)壓力

根據(jù)公式P= kγh（P為平衡壓力，γ為土體的平均重度，取18 kN/m3，h為隧道埋深，取值18.24～18.45m），土的側(cè)向靜止平衡壓力系數(shù)k取0.44，由此計(jì)算可得盾構(gòu)機(jī)上部土壓力設(shè)定值范圍為0.14～0.15MPa。

2.1.2 推進(jìn)速度及推力

結(jié)合業(yè)主工期要求和西安地區(qū)地質(zhì)條件，并借鑒其他城市施工經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制值為20mm/min，推力為10 000～15000kN。

2.1.3 掘進(jìn)方向

考慮該施工段因地層原因管片有上浮現(xiàn)象，盾構(gòu)垂直姿態(tài)允許范圍為-30～-40 mm，盾構(gòu)機(jī)水平偏差不大于±20 mm 。

2.1.4 出土量

在施工中嚴(yán)格按理論出土量出土，每環(huán)出土量偏差不超過1 m3，經(jīng)計(jì)算理論出土量為44.8 m3 /環(huán)。為了維持一定土壓力，保證盾構(gòu)正面土體的穩(wěn)定，實(shí)際出土量為理論出土量的98%～100%。

2.1.5 同步注漿量和壓力

經(jīng)計(jì)算，每環(huán)的理論建筑空隙為2.43 m3，實(shí)際注漿量應(yīng)為理論值的130%～180%，即為3.16～4.37m3，暫定注漿量4 m3，實(shí)際根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不斷調(diào)整，注漿壓力控制在0.25 MPa，這樣地表沉降能夠得到有效控制。

同步注漿漿液采用現(xiàn)場(chǎng)自拌而成，下穿段同步漿液初凝時(shí)間不大于6 h，漿液稠度為100～120，泌水率<5%。同步注漿壓力應(yīng)控制在0.25 MPa，注漿量與注漿壓力可根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果作適當(dāng)調(diào)整。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)沉降量超限時(shí)，及時(shí)進(jìn)行二次注漿，注漿液選用水泥、水玻璃雙液漿，水玻璃（40波美度）與水按1 ： 3稀釋，水泥漿水灰比為1 ： 1，水泥漿 ： 水玻璃溶液為1 ： 1（體積比），初凝時(shí)間為20 s，注漿壓力為0.3 MPa。

2.2 下穿段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

結(jié)合試驗(yàn)段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)以及適時(shí)監(jiān)控變形情況，對(duì)下穿段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并不斷優(yōu)化調(diào)整。下穿段盾構(gòu)推力分布曲線如圖2所示，由圖2可知，盾構(gòu)機(jī)的推力控制范圍為17 300～17 990 kN;盾構(gòu)推進(jìn)刀盤扭矩分布曲線如圖3所示，由圖3可知，盾構(gòu)刀盤扭矩為1685.4～1774.5 kN · m; 盾構(gòu)掘進(jìn)速度分布曲線如圖4所示，由圖4可知，盾構(gòu)掘進(jìn)速度為30～45mm/min;注漿壓力分布曲線如圖5所示，由圖5可知，注漿壓力為0.13～0.18 MPa。

3 既有隧道變形監(jiān)測(cè)分析

3.1 監(jiān)測(cè)方案及儀器

在地鐵2號(hào)線運(yùn)營(yíng)隧道內(nèi)安裝全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別按左線隧道和右線隧道2 個(gè)區(qū)域布設(shè)。每條隧道從監(jiān)測(cè)區(qū)域中間位置開始布點(diǎn)，盾構(gòu)下穿2號(hào)線正上方主要影響區(qū)域內(nèi)按5 m間距布設(shè)1組監(jiān)測(cè)斷面，兩端外延區(qū)域內(nèi)按10 m間距布設(shè)1組監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面布設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。其中，隧道結(jié)構(gòu)中下部布設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（A，C），監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)凈空收斂及水平位移;隧道拱頂布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（B），用于監(jiān)測(cè)隧道拱頂沉降;地鐵道床每個(gè)斷面布設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（D，E），用于監(jiān)測(cè)地鐵道床沉降。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖6所示。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備的軟、硬件主要包括測(cè)量機(jī)器人、棱鏡、通訊箱及供電電纜、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、計(jì)算機(jī)及專用軟件等。測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過專用軟件實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，并生成監(jiān)測(cè)報(bào)告。

3.2 監(jiān)測(cè)頻率及周期

盾構(gòu)下穿2號(hào)線運(yùn)營(yíng)隧道時(shí)，按照1次/4～8 h的頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，當(dāng)施工影響較大或出現(xiàn)變形征兆時(shí)按照1次/ 2～4 h進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。盾構(gòu)下穿2號(hào)線運(yùn)營(yíng)隧道前50 m時(shí)，測(cè)定初始值，然后進(jìn)行正常的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，在施工完畢后持續(xù)監(jiān)測(cè)3個(gè)月。

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.3.1 既有隧道結(jié)構(gòu)變形分析

圖7～圖10給出了既有隧道結(jié)構(gòu)部分變形數(shù)據(jù)，包括隧道頂豎向變形、水平變形隨時(shí)間變化情況，由圖7～圖10可見。

（1）左隧道頂豎向累計(jì)變形為4.93 mm，變形速率為0.12mm /天，右隧道頂豎向累計(jì)變形為1.78mm，變形速率為0.04mm/天，左右隧道豎向累計(jì)變形均小于變形控制值6mm和變形速率1mm/天。

（2）左隧道水平累計(jì)變形為1.21 mm，變形速率為0.03 mm /天，右隧道水平累計(jì)變形為0.64 mm，變形速率為0.02 mm /天，左右隧道水平累計(jì)變形均小于變形控制值5mm和變形速率1mm /天。

（3）左右隧道對(duì)比分析可以得出，先期下穿的左隧道變形值大于右隧道變形值，左隧道最大變形對(duì)應(yīng)的環(huán)號(hào)為451～455，右隧道對(duì)應(yīng)的環(huán)號(hào)為461～466，均位于既有隧道正下方。左隧道變形值大于右線變形值的主要原因是，左隧道先期下穿，后期下穿右隧道時(shí)部分應(yīng)力已提前釋放，同時(shí)先期注漿加固減少了變形。

3.3.2 既有軌道變形分析

圖11～圖14給出既有軌道系統(tǒng)變形數(shù)據(jù)，包括道床豎向變形時(shí)程曲線和軌道縱向差異變形時(shí)程曲線，由圖11～圖14可見。

（1）左軌道豎向累計(jì)變形為4.06mm，變形速率為 0.1mm/天，右軌道豎向累計(jì)變形為2.14mm，變形速率為0.05mm/天，小于累計(jì)變形控制值6mm和變形速率1mm/天。

（2）左軌道縱向差異累計(jì)變形為2.07 mm，變形速率為0.05mm/天，右軌道縱向差異累計(jì)變形為1.72mm，變形速率為0.04mm/天，左右軌道縱向差異累計(jì)變形均小于累計(jì)變形控制值4mm和變形速率1mm/天。

4 結(jié)論及建議

（1）通過下穿期間既有隧道的監(jiān)測(cè)結(jié)果來看，對(duì)既有隧道的變形影響最大的因素主要是盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的推力和速度。盾構(gòu)機(jī)的推力控制范圍為17 300～17990kN，掘進(jìn)速度控制范圍為30～45 mm/min。在盾構(gòu)機(jī)過既有隧道之前既有隧道會(huì)有一定程度的上拱，但是在最佳的推力和速度之下，這個(gè)上拱值接近于 0。

（2）同步注漿漿液的類型、注漿的時(shí)機(jī)、注漿量是控制既有隧道變形的重要手段，由于下穿施工時(shí)既有2號(hào)線正常運(yùn)營(yíng)，及時(shí)進(jìn)行同步注漿非常必要。注漿的壓力應(yīng)控制在0.15MPa，最大值不應(yīng)超過0.18MPa。

（3）在盾構(gòu)下穿過程中掘進(jìn)和同步注漿完成并不代表既有隧道穩(wěn)定，相反在這之后周邊的地層會(huì)繼續(xù)收縮直到穩(wěn)定，二次注漿就是控制這個(gè)過程的一個(gè)重要指標(biāo)。當(dāng)既有隧道單次變形值超過0.4 mm，或變形速率超過0.5 mm/天時(shí)，就應(yīng)該對(duì)變形點(diǎn)位和附近進(jìn)行二次補(bǔ)漿，此時(shí)雙液漿的初凝時(shí)間按30 s控制，壓力按0.18 MPa控制。

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收稿日期 2019-05-14

責(zé)任編輯 朱開明