北京地鐵17號線工香區(qū)間盾構(gòu)下穿機(jī)場線施工技術(shù)*

胡高鵬，謝 維，趙 林

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068； 2.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300457)

1 工程概況

1.1 工程簡況及變形控制指標(biāo)

北京地鐵17號線工人體育場站—香河園站盾構(gòu)區(qū)間垂直下穿既有機(jī)場線東直門站—三元橋站盾構(gòu)區(qū)間(見圖1)，下穿段左線半徑420m、右線半徑350m、縱坡2.8%，下穿長度各30m，埋深24m，拱頂與既有線最小垂直凈距2.94m。既有機(jī)場線管片外徑6m、內(nèi)徑5.4m、厚300mm，雙線中心距13m，道床敷設(shè)感應(yīng)板供電，軌道變形控制指標(biāo)1/-2mm，按控制值70%，80%為預(yù)警、報警值，分別采取監(jiān)測巡視、停工處置、啟動應(yīng)急預(yù)案。

圖1 新建區(qū)間與既有線位置關(guān)系平面

1.2 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

區(qū)間下穿既有線所處地層(見圖2)自上而下依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉砂、細(xì)砂等，拱頂覆土厚23.5～26.3m，最小凈距2.94m，穿越土層主要為⑦1中砂、⑥粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂層、⑦圓礫層，地下水大部分為層間潛水～承壓水(四)和承壓水(五)，含水層為⑦1中砂、 ⑦2粉細(xì)砂，與既有線夾層土主要為⑥粉質(zhì)黏土、⑦1中砂。

圖2 新建區(qū)間下穿既有線地質(zhì)剖面示意(單位：m)

2 工前數(shù)據(jù)模擬評估

采用三維地層-結(jié)構(gòu)模型(見圖3)，模擬盾構(gòu)穿越既有線前、中、后工況。為確保計算精度并盡量減少收斂時間，限定模型范圍：區(qū)間兩側(cè)邊界土體4～5倍洞徑，底部3倍洞徑，取南北向100m、東西縱向120m、垂直向從地表以下50m。計算模擬施工步驟(見圖4，5)：準(zhǔn)備，生成模型，計算初始應(yīng)力位移→CS1， 左線盾構(gòu)掘至既有區(qū)間前15m處→CS2，左線盾構(gòu)掘至既有區(qū)間左線前→CS3，左線盾構(gòu)掘至既有區(qū)間后15m處→CS4，左線盾構(gòu)掘至施工完成→CS5，右線盾構(gòu)掘至既有區(qū)間前15m處→CS6，右線盾構(gòu)掘至既有區(qū)間左線前→CS7，右線盾構(gòu)掘至既有區(qū)間后15m處→CS8，右線盾構(gòu)掘進(jìn)至施工完成。

圖3 三維地層-結(jié)構(gòu)模型

圖4 計算模擬施工步驟

圖5 模擬施工步驟(每循環(huán)安裝管片并盾尾注漿)

工前檢測可知原道床與軌道間變形連續(xù)無脫離，近似將道床變形視為軌道變形。提取步驟CS8既有區(qū)間左、右線結(jié)構(gòu)底板豎向位移，繪制軌道沉降曲線如圖6所示。

圖6 既有軌道最大豎向變形

模擬軌道變形可知：①原區(qū)間結(jié)構(gòu)豎向位移整體為下沉，變形量自鄰近下穿位置至兩側(cè)逐漸減小，各部位累計沉降值隨施工逐步增大，新建區(qū)間對原區(qū)間影響范圍較小；②盾構(gòu)掘進(jìn)至既有線下穿部位時沉降速率明顯加快，穿越過后降低；③最大沉降發(fā)生在全部施工完成后區(qū)間中部底板處,最大值1.76mm。

3 施工技術(shù)及變形控制措施

3.1 盾構(gòu)機(jī)選型

考慮地質(zhì)及環(huán)境因素，選用ZTE6610土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，開挖直徑6 640mm，輻條式刀盤，開口率70%。配備1套單液漿同步注漿系統(tǒng)，增加1套可注雙液漿的二次注漿系統(tǒng)，選配管片背部補(bǔ)強(qiáng)注漿的二次注漿系統(tǒng)。

3.2 試驗(yàn)段施工

3.2.1試驗(yàn)段安排

為在正式下穿前總結(jié)相似組段劃分區(qū)間的最優(yōu)盾構(gòu)施工參數(shù)及同工況條件下變形規(guī)律，滿足變形控制指標(biāo)并確保正式穿越時掘進(jìn)順暢、沉降可控，穿越前選擇左、右線各2處試驗(yàn)段如圖7、表1所示。

表1 試驗(yàn)段安排

圖7 試驗(yàn)段平面位置示意

3.2.2掘進(jìn)參數(shù)選取

基于始發(fā)段理論掘進(jìn)參數(shù)，保證掘進(jìn)速度、控制出渣量、降低刀盤扭矩為控制目標(biāo)，靈活調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)并摸索最佳參數(shù)組合，試驗(yàn)段總結(jié)如表2所示。

表2 試驗(yàn)段參數(shù)總結(jié)對比

3.3 盾構(gòu)穿越過程中重點(diǎn)控制

穿越前全面檢查、維保盾構(gòu)機(jī)，確保無故障連續(xù)掘進(jìn)，以最佳狀態(tài)勻速、快速穿越既有線影響區(qū)。

穿越期間嚴(yán)控試驗(yàn)所總結(jié)參數(shù)，保持開挖面平衡穩(wěn)定，以降低土體擾動、減少土層損失。

增強(qiáng)渣土改良效果、及時充填空隙，做好二次注漿和跟蹤注漿，嚴(yán)控注漿參數(shù)，加大監(jiān)測頻率并及時反饋，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)區(qū)分風(fēng)險等級，啟動應(yīng)急機(jī)制，確保變形受控穿越安全。

3.3.1掘進(jìn)參數(shù)控制

嚴(yán)格控制和動態(tài)調(diào)整優(yōu)化各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)，本次盾構(gòu)下穿段參數(shù)：土倉壓力1.0～1.6bar，總推力16～18.5MN，刀盤扭矩3 000～4 500kN·m，掘進(jìn)速度55～75mm/min。左、右線穿越既有機(jī)場線掘進(jìn)參數(shù)如圖8所示(橫坐標(biāo)表示環(huán)號)。

圖8 左、右線穿越既有機(jī)場線掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計

3.3.2掘進(jìn)過程控制

1)掘進(jìn)控制流程 為減小隆沉需優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，全程保持土壓平衡模式。通過靜力水準(zhǔn)自動化動態(tài)監(jiān)測，每10min反饋一次數(shù)據(jù)。

2)主要技術(shù)措施 ①掘進(jìn)中土倉壓力控制在1.0～1.6bar，采取碴土改良措施增加和易性。②維持土倉壓力穩(wěn)定。掘進(jìn)速度充分考慮注漿參數(shù)，排土量采用體積、質(zhì)量雙控，螺旋機(jī)速度與出土量匹配。③控制合理的貫入度，避免過多刀盤空轉(zhuǎn)，防止土體間鑲嵌摩擦沖擊造成的切削作用，造成工作面坍塌。

3.3.3渣土改良

本次穿越通過輸送泡沫劑及刀盤中心加水實(shí)現(xiàn)渣土改良目的，順暢排土、平衡土壓、提高掘進(jìn)速度。兩者在注入口共用一套輸送管路，刀盤設(shè)6路泡沫管路，均采用單管單泵模式。

1)泡沫劑組分 采用氣量大的干泡沫，泡沫氣量350L/min，泡沫混合液流量25L/min，掘進(jìn)一環(huán)的泡沫混合液總量≤5m3。泡沫溶液的組成：泡沫原液濃度2%，泡沫組成為90%～95%壓縮空氣和5%～10%泡沫溶液混合，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整優(yōu)化。

2)刀盤中心加水控制 渣土明顯干燥時，中心加水流量100L/min左右，渣土較稀時，將中心加水調(diào)節(jié)至70L/min左右，出現(xiàn)突發(fā)噴涌時，立即將刀盤中心加水關(guān)閉。

3.3.4克泥效減阻填充支護(hù)

因刀盤直徑大于盾構(gòu)外徑，且盾體外徑前大后小，為填充開挖過程中地層與盾體之間空隙，在刀盤進(jìn)入既有線區(qū)域范圍時，通過盾體徑向孔注入高黏度塑性的膠化體，對盾體前行潤滑減阻和填充支護(hù)，可有效防止注漿填充之前盾體上部土體沉降。

克泥效濃度400kg/m3，注入率130%，24h后整體穩(wěn)定性較好且有一定承載力。其中，克泥效與水玻璃體積配合比為20∶1；水玻璃波美比40°Bé，相對密度1.38～1.39；理論每環(huán)克泥效注入量0.81m3，穿越期間為防壓力過大造成既有線差異沉降，每環(huán)克泥效注入量調(diào)整為0.4m3。

3.3.5同步注漿

為盡快填充管片脫離盾尾后圍巖與管片間的環(huán)形間隙，必須同步注漿，采用雙泵四管路對稱同時注漿。盾構(gòu)通過后若出現(xiàn)超挖，要根據(jù)實(shí)際加大同步注漿量并視情況二次注漿。

本次穿越采用可硬性漿液，由水泥、粉煤灰、膨潤土、砂和水混合，配合比為220∶350∶180∶250∶500(kg)，嚴(yán)控配合比和注漿質(zhì)量，地面漿液初凝時間<2h，井下漿液初凝時間<4h，結(jié)實(shí)率>95%，終凝強(qiáng)度≥2.5MPa，注漿壓力0.2～0.5MPa，每環(huán)空隙1.2π×(6.642-6.42)/4=2.95m3，取理論值的1.5～2.0倍，每環(huán)注漿5m3。壓力：上部0.9～1.5bar，下部1.5～2.5bar，以上部壓力≤1.8bar為準(zhǔn)。

3.3.6二次注漿

為彌補(bǔ)同步注漿填充不足，避免沉降過大，在管片上增設(shè)注漿孔，根據(jù)地質(zhì)及掘進(jìn)情況跟蹤二次注漿。時機(jī)為管片脫出盾尾后5～7環(huán)位置，范圍為既有線盾構(gòu)上半斷面外輪廓外2.5m內(nèi)，每環(huán)1次，水泥及水玻璃雙液漿，配合比為水泥∶水=1∶1(質(zhì)量比)，水泥漿∶水玻璃=2∶1(體積比)。嚴(yán)控注漿壓力0.3～0.4MPa，防止壓力過大造成錯臺，穩(wěn)壓時間≥30min。

3.3.7徑向注漿

當(dāng)出現(xiàn)超方且地面無法處理時，在洞內(nèi)連接橋位置徑向補(bǔ)償注漿，在掘進(jìn)當(dāng)環(huán)增加12環(huán)后為注漿位置即測點(diǎn)正下方，洞頂選點(diǎn)，頂入注漿管后壓注漿液，導(dǎo)管φ25，長3.5m，壁厚3.75mm，注漿半徑≥1m，壓力<0.5MPa，穩(wěn)壓時間≥30min，如圖9所示。為保證注漿效果、控制地層和既有線沉降，采用雙液漿，注漿參數(shù)、漿液配合比等由試驗(yàn)成果優(yōu)化調(diào)整。

圖9 盾構(gòu)區(qū)間徑向注漿范圍示意

3.4 動態(tài)監(jiān)測、適時調(diào)整施工參數(shù)

刀盤進(jìn)入既有線范圍前調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)、控制掘進(jìn)速率和土倉壓力，刀盤進(jìn)入既有線區(qū)域盾體徑向注入克泥效、加強(qiáng)同步注漿跟蹤二次注漿，刀盤出既有線范圍后通過二次注漿、徑向補(bǔ)漿使沉降趨于穩(wěn)定，后續(xù)持續(xù)監(jiān)測。

3.5 流程控制

先左線、再右線，穿越過程中采取連續(xù)分段掘進(jìn)，保證連續(xù)、勻速通過風(fēng)險源。穿越區(qū)間處于小半徑大坡度曲線段，采用半列車施工，減少風(fēng)險并避免整列車的溜車隱患。

嚴(yán)控注漿參數(shù)及注漿時機(jī)，合理安排注漿順序、部位及不同時段的漿液選擇及配合比，防止注漿過程中隆沉過快或不均勻沉降而影響既有線運(yùn)營。

3.6 地表變形控制措施

4 監(jiān)控量測

試驗(yàn)段監(jiān)測以地表監(jiān)測點(diǎn)及分層監(jiān)測點(diǎn)為基準(zhǔn)，采取數(shù)值模擬計算下穿段沉降量，每環(huán)掘進(jìn)完成馬上采集數(shù)據(jù)，分析總結(jié)最佳施工參數(shù)。

穿越前在既有線隧道內(nèi)布置靜力水準(zhǔn)點(diǎn)，地表布置地面監(jiān)測點(diǎn)，自動化+人工動態(tài)實(shí)時監(jiān)測。工香區(qū)間中心線和既有線影響區(qū)域內(nèi)每隔10m布設(shè)1個監(jiān)測斷面，隧道結(jié)構(gòu)、道床兩側(cè)及每條軌道應(yīng)分別布點(diǎn)。按黃、橙、紅三級預(yù)警響應(yīng)控制。

1)上行線全過程監(jiān)測數(shù)據(jù) 穿越前地面隆起0.2mm，穿越中沉降1.3mm，盾尾剛出測點(diǎn)范圍時沉降2mm，盾尾脫出后通過同步注漿及二次注漿隆起1.2mm，單個測點(diǎn)最終累計沉降約1.5mm，如圖10a所示。

圖10 盾構(gòu)穿越期間及完成后上、下行線測點(diǎn)變化曲線

2)下行線全過程監(jiān)測數(shù)據(jù) 穿越前地面隆起0.3mm，穿越過程中沉降1.1mm，盾尾剛出測點(diǎn)范圍時沉降1.8mm，盾尾脫出后通過同步注漿及二次注漿隆起0.9mm，單個測點(diǎn)最終累計沉降約1.0mm，如圖10b所示。

5 結(jié)語

通過試驗(yàn)段總結(jié)參數(shù)、控制變形、強(qiáng)化監(jiān)測、信息化施工，新建工香區(qū)間近距離下穿既有線沉降最大值1.7mm。

承壓水砂層中，應(yīng)優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，提高土倉壓力至1.2～1.6bar、推力至16～18.5MN，加快掘進(jìn)速度55～75mm/min,確保開挖面水土平衡，采取克泥效每環(huán)0.4m3填充支護(hù),每環(huán)同步注漿5m3,二次注漿及徑向注漿等措施控制既有結(jié)構(gòu)隆沉。

盾構(gòu)穿越既有線應(yīng)連續(xù)、勻速推進(jìn)，進(jìn)度控制8～12環(huán)/d，考慮時空效應(yīng)，左、右線掘進(jìn)應(yīng)錯距50m以上。