污水盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵施工技術(shù)研究

中建三局綠色投資有限公司，湖北 武漢 430000

1 工程概況

1.1 工程簡介

武漢大東湖污水深隧的主隧全長約為17.5km，污水深隧采用盾構(gòu)法進(jìn)行施工，隧道斷面為圓形，直徑為3.0～3.4m，采用鋼筋混凝土預(yù)制管片與現(xiàn)澆鋼筋混凝土內(nèi)襯結(jié)合的疊合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)，埋深為30～49m[1]。

污水深隧于武漢地鐵4號線在羅家港—鐵機(jī)路站區(qū)間相交，主隧下穿地鐵位置為羅家港與沙湖港交匯處，位于沙湖港，如圖1所示。

圖1 污水深隧與地鐵平面位置關(guān)系

下穿段污水深隧里程樁K0+780～K0+820，深隧與地鐵交角約為80°；下穿區(qū)段地鐵覆土深度為3.39m，深隧覆土深度為22.3m；土層上部存在2m深的河水；地鐵隧道外壁與深隧結(jié)構(gòu)外壁垂直距離為12.87m。

武漢地鐵4號線羅家港—鐵機(jī)路站區(qū)間采用外徑為6m、厚度為300mm的C50預(yù)制混凝管片結(jié)構(gòu)；地鐵隧道左右線凈距8.4m；地鐵軌道采用U75V型60kg/m鋼軌，采用單趾彈簧扣件、短枕式整體道床，軌距為1435mm；列車最高運(yùn)行速度為80km/h；地鐵運(yùn)營時間工作日為6：00—22：30，周末為 6：30—22：30。

地鐵建成后，地面羅家港實(shí)施了綜合整治工程，對地鐵上部的羅家港渠道進(jìn)行了拓寬，為降低渠道下挖卸土對地鐵隧道的影響，采用三軸攪拌樁對隧道結(jié)構(gòu)兩側(cè)及頂部的土體進(jìn)行了加固，樁徑為650mm，間距為500mm，樁長為12m，內(nèi)插HM500mm×200mm×10mm×16mm型鋼，型鋼縱向間距為3m。

渠底采用厚度為100mm的砂石混合料墊層，上鋪300g/m2土工布并現(xiàn)澆厚度為150mm的C25鋼筋混凝土。

1.2 地質(zhì)和水文情況

（1）地質(zhì)情況。深隧下穿武漢地鐵4號線區(qū)段的地質(zhì)剖面如圖2所示。地層由上到下依次為淤泥、黏土、粉質(zhì)黏土與粉砂互層、粉細(xì)砂、礫卵石和泥質(zhì)細(xì)粉砂巖。下穿段地鐵穿越地層主要為粉質(zhì)黏土、粉土粉質(zhì)黏土與粉砂互層以及粉細(xì)砂；污水深隧穿越地層主要為礫卵石層和泥質(zhì)細(xì)粉砂巖。礫卵石層由長江古河道河床底部沉積而成，飽和，中密～密實(shí)狀態(tài)，物質(zhì)組分不均，砂、礫、卵石混雜，含量不一，以礫卵石為主；泥質(zhì)細(xì)粉砂巖的巖體基本質(zhì)量等級為V級，強(qiáng)風(fēng)化，碎塊狀，含鈣質(zhì)成分。

圖2 下穿段地質(zhì)情況及相互關(guān)系（單位：m）

（2）水文情況。擬建工程沿線穿越沙湖港，場地及周邊還有溝坳、湖塘等地表水體分布，主要由大氣降水補(bǔ)給。沿線地表水系較發(fā)達(dá)，并有一定深度的淤泥層。勘察期間測得沙湖港水水位標(biāo)高為17.91m，水底標(biāo)高為15.91m，水深2m。場地地下水有上層滯水、孔隙承壓水兩種類型。上層滯水穩(wěn)定水位埋深為0.80～0.75m，相當(dāng)于絕對標(biāo)高為17.74～33.17m。該地區(qū)承壓水頭標(biāo)高一般為15.0～19.5m，年變化幅度為3～4m。

1.3 深隧結(jié)構(gòu)及變形控制要求

下穿段污水深隧支護(hù)采用鋼筋混凝土預(yù)制管片與現(xiàn)澆鋼筋混凝土內(nèi)襯結(jié)合的疊合式雙層襯砌結(jié)構(gòu)，其中預(yù)制混凝土管片厚0.25m，現(xiàn)澆內(nèi)襯厚0.2m，隧道斷面為圓形。掘進(jìn)采用中鐵裝備集團(tuán)制造的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，結(jié)構(gòu)為輻條面板式符合刀盤。根據(jù)《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50911—2013），穿越既有地鐵隧道時地鐵變形控制值如表1所示。

表1 軌道交通既有線隧道結(jié)構(gòu)變形控制值

2 施工方法及控制參數(shù)

2.1 施工方法

盾構(gòu)下穿地鐵前需不斷優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)[2]，確保盾構(gòu)穿越過程中地鐵遂道沉降控制在10mm以下。以過地鐵影響區(qū)之前的60m區(qū)段作為盾構(gòu)下穿地鐵前的施工試驗(yàn)段，不斷優(yōu)化盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，以減少對周邊環(huán)境的影響。進(jìn)入試驗(yàn)段前應(yīng)進(jìn)行一次停機(jī)檢查，做好各種維修保養(yǎng)，嚴(yán)禁使盾構(gòu)機(jī)帶病作業(yè)，同時使盾構(gòu)機(jī)在試驗(yàn)段內(nèi)調(diào)整到最佳狀態(tài)，避免在穿越過程中進(jìn)行較大的糾偏，同時避免盾構(gòu)上浮、叩首和后退等現(xiàn)象發(fā)生，使盾構(gòu)機(jī)在均勻狀態(tài)下快速通過。

2.2 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)

在盾構(gòu)下穿地鐵前進(jìn)行掘進(jìn)試驗(yàn)，試驗(yàn)段長度為60m。通過開展下穿前的掘進(jìn)試驗(yàn)，能夠優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，減少對周邊環(huán)境的影響，同時在下穿段對地鐵結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，以確保安全通過。

（1）土壓力控制。盾構(gòu)下穿地鐵4號線隧道覆土深度h為22.3m，根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10003—2016）確定隧道的淺埋和深埋，若h＜2.5H，則為淺埋隧道，深埋隧道垂直荷載高度計(jì)算公式如下：

式中：H為深埋隧道垂直荷載計(jì)算高度，m；h為隧道拱頂以上覆蓋層厚度，m；s為圍巖級別；B為隧道寬，m；i為每增減1m時圍巖壓力的增減率，以B=5m的圍巖垂直分布壓力為準(zhǔn)，當(dāng)B＜5m時i為0.2，當(dāng)B＞5m時i為0.1。

當(dāng)隧道穿越地層的圍巖級別s=5時，H=0.45×25-1×[l+0.2×(4.25-5)]=6.12m，2.5H=2.5×6.12=15.3m ＞h=22.3m，因此該區(qū)間隧道屬于深埋隧道。深埋段（能夠形成拱效應(yīng)）土壓力按照穿越卵石層和強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)粉砂層計(jì)算，土壓力分別為0.283MPa和0.357MPa。由于地鐵的動荷載較大，綜合以往的施工經(jīng)驗(yàn)，在下穿地鐵時，盾構(gòu)土壓力增加0.01～0.015MPa，因此在施工過程中，掘進(jìn)土壓力控制在0.293～0.372MPa。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制。在穿越地鐵4號線時，為有效減小對周邊圍巖的擾動，根據(jù)掘進(jìn)試驗(yàn)將盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在2～4cm/min，勻速掘進(jìn)。掘進(jìn)時密切監(jiān)測地鐵變形情況，并根據(jù)監(jiān)測到的實(shí)際情況及時調(diào)整，掘進(jìn)過程中嚴(yán)禁停機(jī)。

（3）出碴量控制。因?yàn)槎軜?gòu)掘進(jìn)過程中的出碴量直接關(guān)系到土壓的平衡，且會對地鐵隧道變形造成影響，所以必須控制碴量。循環(huán)的出碴量按照下式計(jì)算：

式中：D為盾構(gòu)直徑；L為每循環(huán)的掘進(jìn)長度；k為土的松散系數(shù)，取1.3～1.5。

經(jīng)過計(jì)算可知，盾構(gòu)機(jī)每掘進(jìn)一個循環(huán)的出碴量應(yīng)控制在22.12～25.52m3，同時采用龍門吊吊斗對碴土進(jìn)行稱重，從重量和方量兩個方面對出碴量進(jìn)行控制。若出碴量超出上述范圍，應(yīng)查明原因，采取應(yīng)對措施。

2.3 同步注漿量和漿液質(zhì)量控制

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)后，在管片與地層之間將存在一定的空隙，可采用同步注漿的方式填充，這樣不僅可以控制地層變形、減少沉降，還有利于提高隧道抗?jié)B性和管片襯砌的早期穩(wěn)定性。同步注漿采用注漿量及注漿壓力雙重指標(biāo)控制。注漿量Q的計(jì)算公式如下：

式中：V為計(jì)算空隙量；a為注漿率。

下穿段實(shí)際漿液的注漿率不小于2.0，根據(jù)計(jì)算公式得：

式中：R為注漿外環(huán)半徑，m；r為注漿內(nèi)環(huán)半徑，m；L為每循環(huán)的掘進(jìn)長度，m。計(jì)算得到注漿量為5.38m3/環(huán)。

考慮到下穿地鐵地段對沉降控制要求很高，防止周邊土體松動領(lǐng)域的擴(kuò)大，對于同步注漿，根據(jù)該段的地層地質(zhì)情況及以往的施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)同步注漿配比按水泥∶水∶砂∶粉煤灰∶膨潤土=2.5∶6∶5∶5∶1.5配制。根據(jù)設(shè)計(jì)資料及以往的施工經(jīng)驗(yàn)，暫定注漿壓力為0.025～0.03MPa。施工中，還需要根據(jù)地層條件、地下水情況及周邊條件等，通過現(xiàn)場試驗(yàn)不斷優(yōu)化配合比參數(shù)。

2.4 二次補(bǔ)漿控制

為確保盾構(gòu)穿越后地層不發(fā)生沉降，在下穿區(qū)段采用多孔注漿管片，每塊管片上增設(shè)3個，每環(huán)增設(shè)注漿孔15個，進(jìn)行深孔二次注漿加固地層。注漿漿液采用水泥+水玻璃雙液漿，按水泥漿∶水玻璃=1∶1，注漿壓力為0.2～0.3MPa實(shí)施。

二次壓漿時必須指派專人負(fù)責(zé)，詳細(xì)記錄壓入位置、壓入量、壓力值，并根據(jù)地層變形監(jiān)測信息及時調(diào)整，確保壓漿工序的施工質(zhì)量[3-4]。

2.5 信息化施工

在盾構(gòu)穿越期間，采用自動化監(jiān)測技術(shù)，實(shí)時監(jiān)測地鐵隧道的變形情況。確保盾構(gòu)洞內(nèi)洞外信息溝通順暢，根據(jù)實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整洞內(nèi)的盾構(gòu)掘進(jìn)和注漿參數(shù)[5-6]。

3 現(xiàn)場監(jiān)測

為確保污水盾構(gòu)下穿武漢地鐵4號線順利通過，對影響范圍內(nèi)的地鐵進(jìn)行監(jiān)控量測，共布設(shè)監(jiān)測斷面42處，監(jiān)測項(xiàng)目、頻率及控制值如表2所示。

表2 監(jiān)測項(xiàng)目

此次監(jiān)測共持續(xù)測量4個月，結(jié)構(gòu)主體沉降最大為2.1mm，隧道最大累計(jì)收斂為1.8mm，隧道水平位移最大為3.1mm。監(jiān)測數(shù)據(jù)均較小，軌道差異沉降不明顯，各監(jiān)測對象變形量在警戒值范圍內(nèi)。在污水盾構(gòu)下穿地鐵過程中，地鐵均處于安全穩(wěn)定狀態(tài)。

4 結(jié)論

文章以武漢大東湖污水深隧下穿武漢地鐵4號線為工程背景，對盾構(gòu)隧道穿越運(yùn)營地鐵的施工安全控制措施進(jìn)行了研究，得到了以下結(jié)論：

（1）下穿地鐵前，應(yīng)設(shè)置盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)段，通過試驗(yàn)對影響區(qū)的變形特征進(jìn)行研究，積累經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)。

（2）盾構(gòu)掘進(jìn)土壓力應(yīng)綜合計(jì)算、現(xiàn)場情況及工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行確定，該項(xiàng)目計(jì)算掘進(jìn)土壓力為0.283～0.357MPa；考慮列車動載較大，結(jié)合以往施工經(jīng)驗(yàn)需適當(dāng)增加軌道位置下的土壓力，因此在施工過程中，掘進(jìn)土壓力控制在0.293～ 0.372MPa。

（3）盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在2～4cm/min，勻速推進(jìn)，一個循環(huán)的出碴量應(yīng)控制在22.12～25.52m3。

（4）為減小地層沉降，除了要同步注漿，還要在穿越段進(jìn)行二次注漿。注漿過程中，也要嚴(yán)密監(jiān)測，并根據(jù)實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，對注漿參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。