盾構穿越既有高鐵車站變形量控制技術研究

石景林

(中鐵十八局集團第五工程有限公司 天津 300450)

1 引言

目前，國內外地下隧道修建過程中發生的隧道坍塌、地表沉陷、建筑物倒塌甚至導致人員和設備被埋事件偶有發生，一旦事故發生即造成不可估量的損失，嚴重影響社會生產與秩序，甚至引起大范圍恐慌[1]。廣州地鐵18號線穿越佛莞城際番禺大道站項目地處廣州市近郊，交通繁忙，施工區域車流量大，車站附近分布居民樓13棟、電力管線15條、給排水管線6條，其中左線下穿車站長度40.94 m，右線穿越長度35 m。隧頂埋深36.7 m，車站基底埋深28.35 m，隧道拱頂與車站底板距離僅8.5 m。在這種復雜地質條件下穿越建筑物，風險高、難度大。

穿越上述特殊地段，必須采取相適應的控制措施，及時調整掘進參數、注漿并加強施工監測工作，才能保證順利穿越，確保地鐵隧道與大型城際車站長期安全穩定[2]。

2 工程概況

廣州市軌道交通18號線番禺廣場站－南村萬博站盾構區間為雙線隧道，地處廣州市近郊。番禺大道為雙向八車道，交通繁忙，車流量大；附近主要分布商業商鋪及金龍花園居民樓13座。PN2盾構井－番南中間風井區間下穿佛莞城際番禺大道站(下文簡稱為“車站”)，車站與盾構左右線平面斜交126°。其中左線下穿車站里程為ZDK39＋835.292～ZDK39＋794.352，橫向穿越長度40.94 m；右線下穿里程為YDK39＋818.102～YDK39＋783.972，橫向穿越長度35 m。盾構隧道左、右線距車站底板8.5 m，見圖1。

圖1 佛莞城際番禺大道站與盾構隧道平面位置關系

根據地質勘查，場內地表素填土厚度為1～3 m，土體性質不均、結構松散。車站底板下部存在局部地質空洞3處、縫隙1條。盾構機在全斷面硬巖地層掘進時對地層的擾動會造成地層沉降，上部車站結構容易引起變形、開裂，甚至傾斜。

場地地下水主要為基巖裂隙水，賦存在全風化～強風化帶中。地下水量較豐富，地下水位埋深2.10～3.00 m。番禺大道車站左、右線明挖段正常涌水量2 305.7 m3/d，評價為富水段。該現狀表明下穿施工過程中容易出現盾構涌水、圍巖周邊土體失穩等問題，進而大幅增加上部城際車站發生沉降超限的可能性[3]。

3 風險源篩查

本地段地表場內地表素填土厚度為1～3 m，土體性質不均、結構松散，力學性質差異性較大，具有強度低、壓縮性高、自穩差和滲透性好等特點。盾構穿越過程中容易造成地表不均勻沉降，車站底板下部已經存在局部地質空洞3處、縫隙1條，加劇了造成地層空洞的可能性，進而對鄰近建筑物和交通道路造成不可逆轉的損害[4]。

盾構穿越過程中，由于涌水量2 305.7 m3/d，為富水段，在掘進過程中容易發生涌水，在水壓與土壓力作用下，容易造成隧道沉降和管片破損，甚至地表沉降、塌陷的風險。

(1)進一步查明穿越段的地質情況，對出現涌水、圍巖周邊土體失穩等幾率大的地段作為補充鉆探的重點區域。

(2)盾構機進、出穿越地段端頭進行補充勘察，為選擇合理加固方案做準備。

(3)勘察孔布置采用逐級加密的方法，在實施過程中根據現場實際情況動態管理。

(4)為了更好地預測地鐵盾構下穿車站時可能發生的情況，采用三維有限元方法，利用巖土工程專用軟件Midas/GTS，分析施工過程中番禺大道站位移、內力的影響情況，見圖2。

圖2 車站盾構隧道有限元模型

結果顯示，單點沉降位移最大12.66 mm，相鄰監測點間差異沉降最大8.47 mm，水平位移最大9.9 mm，結構收斂最大10.42 mm，接近規范要求控制值，在掘進過程中需考慮對車站和隧道進行加固[5]。

4 控制措施及掘進參數調整

4.1 渣土改良

采用新型渣土改良技術，針對8.8 m直徑土壓平衡盾構機，掘進過程中采用8路泡沫劑＋1路膨潤土＋高壓水，選擇2號膨潤土管向土倉內注入高質量鈉基膨潤土或泡沫劑進行渣土改良，防止中心區域結泥餅。通過系列試驗，下穿車站期間使用混合改良方案，通過添加水、膨潤土、泡沫進行渣土改良，添加比例如下:渣土含水率調整到14%，鈉基膨潤土濃度10%，泡沫劑(原液比3%)注入率10%，坍落度能達120～150 mm。鈉基膨潤土質量配合比情況見表1。

表1 鈉基膨潤土質量配合比

4.2 盾構關鍵掘進參數調整

盾構穿越車站區段地層為全斷面強風化花崗巖地層，采用土壓平衡(氣壓輔助)模式掘進下穿，右線先行且始發與左線相差50環。本次下穿需破除車站侵入隧道范圍的圍護結構，根據前期施工經驗針對性制定推進參數:刀盤扭矩控制在3 000～4 500 kN·m范圍，總推力控制在25 000～30 000 kN，且在刀盤進入車站前50 m需及時調整推進參數以順利穿越車站。圖3為盾構穿越車站及前后50 m的關鍵掘進參數記錄散點與曲線擬合結果。

圖3 盾構推進參數記錄散點及擬合曲線

根據參數記錄及擬合結果，盾構在下穿車站前適當增加油缸推力便于建立土倉壓力以避免掌子面發生坍塌失穩。同時，提高刀盤扭矩增加刀具切削能力以順利破除車站侵入的玻璃纖維筋混凝土連續墻[6]。經過調整掘進參數，左右線720～780環范圍內土倉壓力變化比較平緩，在2.2～2.8 bar范圍內。總體來說，掘進參數基本符合控制要求，盾構機安全、平穩地下穿車站。

4.3 出土量控制

按環寬1.6 m、土體松散系數1.4計算，每環出土量應控制在98～137 m3/環。下穿佛莞城際車站期間，盾構司機與土建工程師遵循“每斗必看，每斗必量”、每掘進30 cm記錄一次出土量的原則進行卡控。根據左右線720～780環出土量記錄，出土量集中在110～120 m3/環區間，見圖4。

圖4 出土量記錄

5 完善注漿加固措施

針對盾構區間水文地質以及穿越車站工程的特殊性，盾構下穿前對車站底板以下與隧道底范圍內土體14 m范圍進行注漿加固，以控制盾構通過時車站結構下沉和變形。采用雙液注漿工藝，雙液漿注漿參數:水泥漿液水灰比為1∶1，水玻璃40波美度(1∶1稀釋)，水泥漿∶水玻璃體積比1∶1，漿液初凝時間為25～35 s[7]。注漿壓力控制在2.5～3.0 bar，采用后退式注漿，根據監測或實際情況調整注漿壓力[8－9]。

在盾構下穿車站期間，保證同步注漿系統4組注漿泵、4路注漿管路暢通。在做到“掘進與注漿同步”情況下，考慮到漿液在地層中的滲透、超挖因素每環同步注漿量為10～12 m3，注漿壓力控制在3～7 bar。下穿車站期間對同步注漿量進行檢查跟蹤，下穿過程中對管片進行開孔檢查，如發現漏水、冒氣等現象，立即對管片中部注漿孔進行二次補強注漿。注漿材料采用雙液漿，液擴散半徑0.7 m，注入時水泥漿與水玻璃體積比為1∶1，水泥漿配合比為:膨潤土∶粉煤灰∶黃砂∶水∶水泥 ＝60∶311∶822∶340∶120[10]。

6 施工監測

6.1 監測點布設

盾構下穿番禺大道站過程中，對車站結構進行實時自動化監測，監測范圍為區間左右隧道邊線外擴10 m范圍[11]。根據現場實際情況在影響區范圍的結構柱上布設16個靜力水準監測點，在車站邊墻布設16個水平位移及沉降監測點(L型棱鏡)，見圖5。

圖5 番禺大道站自動化監測點位布設

6.2 測量方法

靜力水準儀自動化監測方法:依據連通管原理，用靜力水準儀傳感器測量每個測點容器內液面的相對變化，再通過計算求得各點相對于基點的相對沉降量，見圖6。

圖6 靜力水準測量原理

全站儀自動化監測方法:采用極坐標法對監測點的水平位移進行監測，從而推算出測點的水平位移量。

6.3 沉降控制值及預警值

依據規范要求，監測項目的預警值及控制值見表2。

表2 監測項目的預警值及控制值mm

6.4 沉降異常處置

(1)當發現數據異常，立即通知停機，第一時間將異常情況上報領導，同時開展對盾構機的各項工作狀態檢查。如果停機時間過長，需注入膨脹土。

(2)檢查監測儀器是否正常，確認無誤，需馬上派人在停機點周邊檢查是否發生異常。

(3)連續跟蹤沉降變化情況，如存在滯后沉降則需再次注漿加固[12]。

7 總結

本文以廣州地鐵18號線穿越佛莞城際番禺大道站為背景，對盾構通過復雜地質結構穿越建筑物盾構總推力、刀盤扭矩、土倉壓力、出土量、同步注漿量進行研究，總結出一套盾構掘進參數，用于指導類似施工。

盾構下穿建筑物在施工進度方面的控制還需繼續完善，在不斷實踐中找尋出更適宜的施工參數與控制措施，并且要針對不同地質情況進行歸納，在質量有保證的情況下，減少盾構下穿對周圍環境帶來的影響，縮短工期，降低成本。