淺埋暗挖隧道上穿既有盾構變形控制研究

趙 鵬

(中鐵二十局集團第四工程有限公司 山東青島 266061)

1 引言

隨著我國經濟飛速發展和國民生活水平的提高，對地下空間的開發也得到了空前發展。目前，城市地下開發主要為地鐵軌道交通、地下商業、地下停車場、地下過街通道等，地下空間的開發勢必會出現新建地下工程對既有地下工程的擾動影響，如何合理控制其產生的擾動影響至關重要，尤其是對既有盾構隧道的擾動影響。

國內外學者針對這一問題，進行了大量相關研究。康雪軍等[1]針對石家莊地鐵1號線區間內淺埋暗挖施工所產生的擾動影響進行分析，得出對土體進行深孔注漿、徑向注漿的措施可有效控制土體變形。吳昊[2]通過研究青島地鐵2號線區間采用的淺埋暗挖隧道下穿地下商業街，指出管棚預支護、深孔注漿地層等措施可降低對周圍建筑物的擾動影響，減低施工風險。許有俊等[3]依托北京地鐵4號線西單車站上穿既有1號線區間隧道工程，研究了采用不同的導洞開挖順序以及是否進行土體預加固對既有地鐵隧道的上浮影響。王先堂[4]針對北京暗挖車站近距離上穿既有地鐵1號線區間工程，得出對既有線周圍土體進行預加固、暗挖隧道內施作錨桿和管棚等加固措施可有效保證工程的順利進行。羅錫波等[5]通過對暗挖隧道上穿既有盾構隧道進行分析，得出暗挖隧道的開挖會使既有隧道上浮，而且最大上浮量出現在兩條隧道的重疊斷面處，在施工中應予以重視。杜建華等[6]針對單拱暗挖車站上穿既有地鐵線施工進行分析，采用合理的施工方法對既有地鐵線路變形的控制至關重要。王莉等[7]通過對地下綜合管廊上穿既有地鐵施工進行分析，研究注漿加固、放置鋼錠反壓的控制措施對既有地鐵的變形影響，得出放置鋼錠的控制效果要優于注漿加固。此外，金星等人[8－11]通過數值模擬對新建隧道上穿工程方案可行性進行研究；于建新等人[12－13]通過現場監測對上穿工程變形控制效果進行了分析。上述研究中，對上穿施工產生的擾動影響進行研究，但沒有針對性地提出抑制既有盾構隧道變形的施工控制技術要點；而且，上穿施工與下穿施工相比，在結構變形模式及受力上差異較大，所以采用的變形控制措施也不同。

本文以呼和浩特市淺埋暗挖隧道上跨既有盾構區間為研究背景，針對在上跨施工中采用的控制措施進行分析研究，得出有效控制上浮的施工技術要點，總結分析，為日后類似工程提供相關經驗。

2 工程簡介

2.1 工程概況

淺埋暗挖隧道位于車站北端，呈南北向，連接中山路站與錫林郭勒北路的地下過街通道，途中上跨既有盾構區間，如圖1所示。

圖1 工程平面圖

淺埋暗挖隧道長度約44.5 m，覆土厚度4.4～5.3 m，采用CD法＋CRD法施工。采用復合式襯砌，初期支護由噴射混凝土、鋼筋網及鋼格柵拱組成，二次襯砌采用模筑鋼筋混凝土。淺埋暗挖隧道初支距離盾構0.96～1.76 m。

2.2 地質條件

擬建工程范圍所在區域屬于山前沖洪積扇傾斜平原區，暗挖段開挖處于圓礫層中，通道底部為少量細砂層，基底為粉質黏土層。地下水以第四系潛水為主，地下水埋深介于7.6～8.6 m，含水層厚度約10～14 m。

2.3 工程特點

淺埋暗挖隧道的不斷開挖會引起下臥盾構區間的上部土體卸荷，盾構區間整體位于地下水位線下方，地下水的浮力作用也會引起盾構隧道管片的上浮，在土體彈力和地下水浮力的雙重作用下，盾構管片產生較大變形。二襯施工前需要進行中隔壁的拆除，中隔壁的拆除會打破原有封閉的鋼格柵環的平衡狀態，拱頂上方土體荷載無法傳遞到管片上方，導致管片隆起變形較大。因此上穿施工風險高，難度大。

3 變形控制方案

針對本工程淺埋暗挖隧道上跨既有盾構區間所存在的風險，需要采取有效措施控制下臥既有盾構區間的上浮變形，確保本工程的安全進行。

3.1 施工措施及要點

3.1.1 現場施工措施

(1)采用袖閥管地表注漿有效加固周圍管片土體，如圖2所示，減少暗挖卸荷后對管片造成的變形量，同時也減小地下水的浮力作用，從而抑制下部盾構管片的上浮變形。

圖2 袖閥管地表注漿示意(單位:mm)

袖閥管注漿孔間距0.8 m×0.8 m(梅花形布置)，孔徑 φ89，壁厚4～6 mm，孔深約4 m，漿液采用普通水泥單液漿，水泥漿水灰比為0.6～0.8∶1，注漿壓力為0.4～0.6 MPa。

(2)左右導洞分步開挖，開挖完成后砂袋反壓回填，有效減少既有盾構上方土體的卸荷量，達到控制管片變形的要求。

當左右導洞開挖至盾構區間正上方前，封閉右側掌子面，右側導洞暫不開挖，先開挖左側導洞，待貫通后進行反壓回填，回填高度約2 m，然后開挖右側導洞；右側導洞開挖完成后，再進行右側反壓回填，回填高度仍為2 m，如圖3所示。

圖3 淺埋暗挖隧道反壓示意

(3)中隔壁破除時，取消換撐工序。在施工結構底板時，通常中隔壁拱架為隔1去2的方式(即拆除第一榀中隔壁，保留第二榀中隔壁，依次跳倉式進行中隔壁拆除)，同時保留的拱架采取換撐方式，如圖4所示。保留所有中隔壁拱架，對防水進行特殊處理。

圖4 現場中隔壁拆除

(4)二襯施工采取跳槽、短段方式，減少因砂袋反壓卸荷對管片造成的過量變形影響。總體施工流程為:中隔壁下部混凝土鑿除(鑿除高度滿足底板施工為宜)→底板防水施工→底板鋼筋綁扎→底板混凝土澆筑→橫隔板拆除→側墻防水施工→側墻鋼筋綁扎→模板支撐體系→側墻混凝土澆筑→拆模養護→中隔壁頂部拆除→頂(拱)部防水施工→頂(拱)部鋼筋綁扎→模板支撐體系→頂(拱)部混凝土澆筑→拆模養護。施工流程如圖5所示。

圖5 二襯施工示意

二襯施工采取縱向分段，橫向分層，底板跳段分倉施工，按照設計要求每段5～8 m，實際施工段落為5 m，將沙袋卸載6 m后進行二襯施工，待該段二襯全部完成后，按照相同方案進行相鄰段落二襯施工。

3.1.2 變形控制要點

(1)為減少開挖后土層暴露時間，采用臺階法分部開挖，具備安裝頂部、邊墻、臨時中隔墻格柵的空間后立即進行支護。

(2)注漿加固采用WSS注漿工藝，采用二重管鉆機鉆孔至預定深度后，采用一臺同步雙液注漿機注漿，如圖6所示。

圖6 注漿現場施工

(3)超前支護:超前小導管選用φ32鋼管，壁厚3.25 mm，長度2 m，外插角15°，每榀格柵打設一排，環向間距300 mm，管壁每隔100～200 mm交錯鉆眼，眼孔直徑6～8 mm。

(4)砂袋反壓回填。左側導洞貫通后立即進行左側導洞內的砂袋反壓回填，可有效抑制盾構管片變形，反壓完成后再進行右側盾構隧道的繼續開挖，右側導洞貫通完畢后進行砂袋反壓。

(5)中隔壁的拆除和二襯的施作采用“彈鋼琴式”的跳槽、短段施工方式，可有效控制盾構隧道在二襯施作和中隔壁拆除過程中的隆起變形，施工段落為5 m施作二襯。

3.2 現場監測方案

為了及時收集、反饋和分析周圍環境及圍護結構在施工中的變形信息，實現信息化施工，確保施工安全。確定本工程對多個方面進行監測，包括對施工區域內上部地表沉降進行監測，共布置20個地表監測點；對淺埋暗挖法新建隧道進行監測，在新建隧道共布置8個拱頂沉降監測點，8個凈空收斂監測點，3個立柱沉降監測點；對既有盾構隧道進行監測，采取SAA自動監測設備實施，同時定期采取人工測量進行校核的方式，監測點的布置距離為拱頂沉降監測點、凈空收斂監測點、道床隆起監測點分別1個/m。具體監測項目見表1。

表1 暗挖施工監測項目

其中，盾構區間已進入試運營調試階段，無法進入區間內進行實時監測，洞內需采用SAA自動監測和人工監測相結合，實時掌握監測數據，及時采取措施消除隱患，確保施工安全，監測斷面如圖7所示。

圖7 盾構監測斷面測點示意

SAA自動監測是一種可以被放置在一個鉆孔或嵌入結構內的變形監測傳感器，安裝時準備足夠長的外套管，將SAA穿入外套管，并將兩端用防水絕緣膠布封閉嚴實，然后再將SAA與外套管一起用專用卡件固定在被監測部位，如圖8所示。

圖8 SAA監測系統安裝

采用SAA監測系統可實現全天候實時、連續、全自動、高可靠性監測；安裝可采用水平、垂直或任意角度，并可測振動，寬范圍的溫度補償；安裝簡單，在無外力破壞的情況下，可長期免維護。

4 工程實施效果分析

4.1 實測數據分析

4.1.1 道床變形

(1)道床最大隆起量發生在二襯施作完畢:隆起量為2.68 mm。

(2)道床最大沉降量發生在地表注漿加固階段:沉降量為0.67 mm。

(3)隨著淺埋暗挖隧道不斷開挖，盾構道床不斷隆起，隆起量達到2.14 mm時，進行左側砂袋反壓回填，道床隆起量降為0.49 mm；之后進行右側導洞開挖，道床隆起量繼續增大，隆起量達到2.06 mm時，進行右側砂袋反壓回填，道床隆起量降為0.49 mm。

(4)在左右側砂袋反壓回填完畢后，進行中隔壁的拆除和二襯的施作，隨著二襯的施作，盾構道床隆起量繼續增加，待二襯施作完畢后盾構道床達到最大隆起量2.68 mm。

(5)二襯施作完畢后，由初期噴混加二次襯砌組成的復合式襯砌開始形成封閉的受力體系，傳遞上部土體自重至下臥盾構隧道管片上，盾構道床的隆起量有下降的趨勢，屬于后期回落階段，最后道床變形量降為2.39 mm。

(6)在淺埋暗挖隧道上跨既有盾構隧道的施工過程中，盾構管片的變形量未超過《地鐵設計規范》中道床變形控制值4 mm。

4.1.2 拱頂變形

(1)管片最大隆起量發生在二襯施作過程中:隆起量為1.6 mm。

(2)管片最大沉降量發生在地表注漿加固階段:沉降量為0.9 mm。

(3)在淺埋暗挖隧道不斷開挖中，既有盾構管片隆起量持續增加，在隆起量達到1.2 mm時，進行砂袋反壓回填，管片隆起量降為0.5 mm；之后隨著右側導洞的開挖隆起量繼續增加，隆起量達到1.4 mm進行右側砂袋的反壓，管片隆起量降為0.5 mm。

(4)左右側導洞貫通后進行二襯的施作，期間由于中隔壁的拆除，引起盾構管片繼續發生隆起，二襯施作完畢后管片隆起量達到1.6 mm。

(5)盾構隧道二襯施作完畢后，上部土體自重通過復合式襯砌完整的受力體系傳遞至盾構隧道管片上，管片變形發生回落，最終管片隆起量為0.96 mm。

(6)通過現場實測數據指導現場施工，其中砂袋反壓回填措施對盾構隧道的上浮控制作用效果明顯，有效抑制了盾構隧道的隆起變形，使整個施工過程中的盾構隧道變形值都未超過規范標準值。

4.2 變形控制效果評價

在上穿施工中，隨著地表注漿對盾構管片周圍土體加固的進行，盾構區間管片緩慢下沉；在不斷上穿開挖卸荷的過程中，盾構區間管片變形逐漸向上隆起；在途中正上跨盾構區間時，在上跨的淺埋暗挖隧道內進行砂袋的反壓回填，盾構管片的隆起變形得到有效抑制，基本將其發展的隆起變形壓回，并伴隨有局部下沉的趨勢；施作二襯時，伴隨著中隔壁的拆除，上部土體荷載無法通過中隔壁傳遞至下部土體，導致盾構管片產生隆起，現場采用有效的二襯施作方法和中隔壁拆除措施，可減緩管片隆起的速率，達到安全控制的標準值之內。

呼和浩特市上跨既有盾構隧道的淺埋暗挖通道安全順利貫通，受其施工擾動影響的既有盾構隧道道床沉降、拱頂變形均在規范要求的目標控制值內，受到施工單位、設計單位、業主等多方好評。

5 結論

通過對呼和浩特市上跨既有盾構隧道的淺埋暗挖隧道的工程實踐，在近距離上跨運營盾構隧道的條件下，有以下結論:

(1)在近距離上跨施工中，采用地表注漿加固、砂袋反壓回填以及二襯施作的跳槽、短段施工方式等控制措施，可有效控制下部既有盾構隧道的上浮變形。

(2)道床隆起最大變形量發生在二襯施作完畢時，最大隆起量為2.68 mm，道床沉降最大變形量發生在注漿加固階段，為0.67 mm，道床變形值均滿足規范要求的不超過4 mm。

(3)近距離上跨既有盾構隧道施工風險大，要求嚴格，但通過現場合理有效的控制措施可以將既有盾構隧道的變形值控制在要求范圍以內，類似工程可借鑒本工程的相關經驗。