基于復(fù)雜穿越條件的盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)研究

趙 飛 （南京市軌道交通建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 南京 210024）

1 引言

隨著城市建設(shè)不斷發(fā)展，地鐵隧道施工穿越已建成的隧道、橋梁及其他建筑物、構(gòu)筑物在工程中已屢見不鮮[1]。本文簡單介紹了南京地鐵2號(hào)線西延工程天保街站～青蓮街站盾構(gòu)區(qū)間同時(shí)下穿龍王大街高架橋、上跨已運(yùn)行寧和城際隧道的相關(guān)工藝技術(shù)，通過優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、加強(qiáng)同步注漿和二次注漿等措施，確保了寧和城際隧道的安全運(yùn)行。

2 工程概況

天保街站～青蓮街站區(qū)間全長為1045.42m。區(qū)間出天保街站后沿秦新路向東，于里程2WYK1+936.649～2WYK1+943.766（盾構(gòu)機(jī)拼裝管片至520環(huán)～526環(huán)）上跨寧和城際（已運(yùn)營地鐵隧道）左線，于里程2WYK1+950.264～2WYK1+957.382（盾構(gòu)機(jī)拼裝管片至532環(huán)～538環(huán)）上跨寧和城際右線，最終到達(dá)青蓮街站。

圖1 上跨寧和城際隧道平面圖

2號(hào)線西延工程天保街站～青蓮街站區(qū)間隧道上跨寧和城際高廟路站～天保站區(qū)間隧道，最小凈距5.03m，同時(shí)下穿龍王大街高架橋，高架橋樁采用φ 1500mm鉆孔樁基礎(chǔ)。為保證地鐵2號(hào)線西延工程盾構(gòu)掘進(jìn)及使用的安全性，在龍王大街高架橋0#臺(tái)～2#墩下已完工建成地鐵蓋板，寬42m（與秦新路規(guī)劃紅線等寬），總長91m，厚0.6m。2號(hào)線西延工程在建隧道與蓋板最小凈距2.5m，距離龍王大街橋樁約1.4～2.4m。

圖2 下穿龍王大街高架橋、上跨寧和城際隧道剖面圖

天～青區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，主要穿越②-3b3+4+d3粉質(zhì)黏土、②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、局部穿越①層填土層。天青區(qū)間盾構(gòu)穿越段隧道埋深為3m（隧道頂至蓋板頂距離），穿越段地質(zhì)自上而下分別為雜填土、素填土，洞身段主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉質(zhì)黏土地層。

經(jīng)盾構(gòu)機(jī)選型分析，現(xiàn)場(chǎng)采用2臺(tái)遼寧三三工業(yè)T6880盾構(gòu)機(jī)，刀盤配備中心魚尾刀1把、撕裂刀75把、12刮刀72把、5″刮刀8把、保徑刮刀16把、圓弧刮刀32把，刀盤開口率40%，中心開口率達(dá)50%，配備高壓泵，在土倉內(nèi)配有4條管路，能有效防止刀盤結(jié)泥餅。

3 有限元計(jì)算模擬

選取2號(hào)線西延工程天保街站～青蓮街站區(qū)間上、下行線（分別簡稱：2號(hào)線上行線、2號(hào)線下行線）隧道與寧和城際區(qū)間隧道及龍王大街高架橋相交位置為計(jì)算模型范圍[2]。按照施工時(shí)序，2號(hào)線下行線、上行線依次始發(fā)并掘進(jìn)，并保持合理掘進(jìn)間距。

圖3 三維計(jì)算模型

本次數(shù)值分析，采用PLAXIS 3D V2017大型通用巖土有限元計(jì)算軟件。模型的尺寸長×寬×高分別為180m×120m×90m。模型節(jié)點(diǎn)152950個(gè)，單元223264個(gè)。在模型中，土體從地表往下分成8層，采用10節(jié)點(diǎn)四面體實(shí)體單元模擬，土體采用小應(yīng)變土體硬化（HSS）本構(gòu)模型。2號(hào)線西延工程和寧和城際隧道管片結(jié)構(gòu)及盾構(gòu)機(jī)機(jī)身采用板單元模擬，龍王大街高架橋中蓋梁、承臺(tái)、蓋板及其主梁采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)采用嵌入式梁單元模擬。

根據(jù)有限元分析計(jì)算結(jié)果，2號(hào)線上行線掘進(jìn)至寧和城際上方后，寧和城際隧道豎向變形最大值為1.359mm；2號(hào)線下行線掘進(jìn)至寧和城際上方后，寧和城際隧道豎向變形最大值為1.685mm。這是由于寧和城際上方隧道開挖產(chǎn)生卸載效應(yīng)，在地應(yīng)力作用下地鐵隧道產(chǎn)生上浮的趨勢(shì)。

根據(jù)三維有限元模擬結(jié)果，整個(gè)施工過程中，寧和城際高廟路～天保站盾構(gòu)隧道拱底最大上浮2.642mm，拱底最大側(cè)移0.24mm，對(duì)行車安全的影響在可接受范圍內(nèi)。

圖4 2號(hào)線下行線上跨掘進(jìn)后寧和城際隧道豎向變形

圖5 2號(hào)線上行線掘進(jìn)至寧和城際隧道的豎向變形

4 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

4.1 既有寧和城際隧道

2號(hào)線西延工程天保街站～青蓮街站區(qū)間盾構(gòu)機(jī)先后掘進(jìn)施工產(chǎn)生的卸載效應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致寧和城際隧道出現(xiàn)上浮趨勢(shì)，隧道不均勻上浮可能造成寧和隧道管片拉裂、錯(cuò)臺(tái)、滲漏水、道床開裂[3]。

4.2 在建隧道盾構(gòu)掘進(jìn)

盾構(gòu)機(jī)在上跨寧和城際隧道段上方覆土僅有3m，覆土上部為0.6m厚鋼筋混凝土蓋板，穿越前已對(duì)蓋板底部脫空進(jìn)行了填充注漿。盾構(gòu)機(jī)穿越地層為經(jīng)過微擾動(dòng)注漿處理的粘土，會(huì)造成刀盤扭矩偏大，螺旋機(jī)排土不順暢，致使皮帶機(jī)輸送困難，容易造成皮帶跳停。另外，當(dāng)同步注漿壓力偏大時(shí)注入管片外部漿液可能會(huì)順著盾體流至土倉內(nèi)，致使盾構(gòu)掘進(jìn)過程中漿液填充不密實(shí)，成型隧道會(huì)出現(xiàn)上浮等情況，導(dǎo)致管片破損，滲漏、錯(cuò)臺(tái)等現(xiàn)象發(fā)生[4]。

5 施工工藝及掘進(jìn)參數(shù)控制

5.1 整體施工工藝

①盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)合理控制掘進(jìn)參數(shù)，嚴(yán)控出土量，避免出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，確保盾構(gòu)機(jī)快速穩(wěn)定通過。保證盾構(gòu)切口上方土體有微量的隆起，抵消一部分土體的后期沉降量。以本區(qū)間始發(fā)試掘進(jìn)及下穿附近螺塘泵站時(shí)盾構(gòu)機(jī)參數(shù)控制為參考，結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)過后地表及建筑物沉降數(shù)值，制定科學(xué)合理的掘進(jìn)參數(shù)。

②盾構(gòu)機(jī)上跨寧和城際隧道、下穿龍王大街高架橋時(shí)對(duì)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過后地表、區(qū)間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并由監(jiān)測(cè)人員對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理及時(shí)反饋至盾構(gòu)管理人員，盾構(gòu)掘進(jìn)負(fù)責(zé)人根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，保證盾構(gòu)機(jī)順利通過風(fēng)險(xiǎn)源。穿越階段勻速推進(jìn)、嚴(yán)禁糾偏。

③在管片拼裝前，將根據(jù)掘進(jìn)軸線和盾尾間隙合理選擇封頂塊拼裝點(diǎn)位，并嚴(yán)格做好管片防水材料檢查。拼裝過程中，安排熟練的拼裝工減少拼裝時(shí)間，縮短盾構(gòu)停頓的時(shí)間。拼裝結(jié)束之后，應(yīng)當(dāng)盡快地恢復(fù)推進(jìn)，減少上方土體的沉降。

5.2 掘進(jìn)參數(shù)控制

①盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)509環(huán)時(shí)，刀盤進(jìn)入龍王大街高架橋蓋板正下方，穿越地層為回填土，且該地層經(jīng)過微擾動(dòng)注漿，盾構(gòu)機(jī)穿越時(shí)排出渣土比較板結(jié)。針對(duì)該情況，同時(shí)為確保盾構(gòu)機(jī)平穩(wěn)上跨寧和城際隧道，避免出現(xiàn)超挖等現(xiàn)象發(fā)生，盾構(gòu)機(jī)上跨期間掘進(jìn)參數(shù)控制見表1。

掘進(jìn)參數(shù) 表1

②嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度，使盾構(gòu)勻速慢速施工，減少盾構(gòu)對(duì)土體的撓動(dòng)，達(dá)到控制地面變形的目的。在上跨過程中，盾構(gòu)推進(jìn)速度宜控制在30～40mm/min，盡量保持推進(jìn)速度穩(wěn)定，盡量減小土壓力的波動(dòng)幅度，以便減少對(duì)周邊土體的擾動(dòng)影響。

5.3 同步注漿

5.3.1 同步注漿

同步注漿是盾構(gòu)施工中非常關(guān)鍵的施工環(huán)節(jié)，在盾構(gòu)施工中，通過同步注漿施工使管片和土體形成穩(wěn)定的整體，可以抑制地層沉降，防止管片變形和上浮，防止管片間隙、盾尾的滲漏水。盾構(gòu)穿越風(fēng)險(xiǎn)源前，隧道內(nèi)管片配備增加注漿孔管片，在加強(qiáng)同步注漿的同時(shí)根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行壁后注漿。在盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，對(duì)同步注漿作業(yè)中要嚴(yán)加管理，以保證成型隧道的質(zhì)量。

盾構(gòu)機(jī)在上跨期間安排專人駐場(chǎng)保證砂漿原材質(zhì)量可控，注漿量注入要及時(shí)充足，保證脫出盾尾管片與土體之間縫隙填充密實(shí)，有效控制成型隧道上浮。嚴(yán)格控制同步注漿量，填充率不得低于160%（在試驗(yàn)段進(jìn)行系列試驗(yàn)，確定最佳值，根據(jù)南京在類似地層經(jīng)驗(yàn)取得），每環(huán)注漿控制量不小于6.0m3。

同步注漿漿液配合比 表2

同步注漿采用注漿壓力和注漿量“雙控”措施，在保證注漿量達(dá)到160%情況下，觀察注漿壓力，如果注漿壓力不足3ar，繼續(xù)注入，保證注漿壓力到達(dá)3～4bar。遵循“坍落度，不堵管，準(zhǔn)厚漿；攪拌勻，延時(shí)注，二次補(bǔ)“十八字方針。4根同步注漿管路必須保持暢通，注漿時(shí)1、3對(duì)角兩路或2、4對(duì)角兩路必須同時(shí)對(duì)稱注漿。拌漿作業(yè)須與盾構(gòu)推進(jìn)同步進(jìn)行，漿液注入量應(yīng)同掘進(jìn)速度相適應(yīng)[5]。

5.3.2 使用克泥效工法

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中盾殼外部出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，影響同步注漿時(shí)，應(yīng)通過盾構(gòu)機(jī)徑向孔注入專用高強(qiáng)度泥水材料（即克泥效）與塑強(qiáng)調(diào)整劑（即水玻璃）兩種液體。兩種液體混合后的流動(dòng)塑性膠化體不易受水稀釋，其黏性不隨時(shí)間而變化，從而更能起到支撐土體的作用。克泥效工法配比為克泥效：水玻璃=20:1，其中克泥效每立方米用量400kg（即每噸克泥效可拌和2.5m3），水玻璃Be40比重為1.38～1.39。

5.4 二次注漿

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)穿越寧和城際運(yùn)營隧道時(shí)，應(yīng)進(jìn)行不斷監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果采取及時(shí)、多次、足量的二次注漿措施對(duì)管片背后進(jìn)行補(bǔ)漿施工。如果二次注漿后仍有沉降，則進(jìn)行多次注漿。根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果加強(qiáng)壁后二次注漿及多次注漿，直到沉降基本穩(wěn)定。

二次注漿加固采用BS220型雙液注漿泵二次注漿加固的注漿壓力為0.3～0.4MPa。。二次注漿管路自制，能夠?qū)崿F(xiàn)快速接卸以及密封不漏漿的功能，并配有止?jié){閥。注漿量根據(jù)監(jiān)測(cè)到的空隙和監(jiān)控量測(cè)的結(jié)果確定。注漿時(shí)主要以注漿壓力控制。在管片脫出盾尾5環(huán)開始實(shí)施二次注漿，并于管片脫出盾尾7環(huán)內(nèi)注完。

二次注漿漿液配合比 表3

若二次補(bǔ)漿量不足1.2m3/環(huán)的情況下注漿壓力過大，達(dá)到損傷盾尾刷的壓力值（0.6MPa），或地表監(jiān)測(cè)值為隆起，必須經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)值班人員協(xié)商同意后適當(dāng)減少注漿量。

6 其他施工措施

①盾構(gòu)機(jī)中盾設(shè)置12個(gè)超前地質(zhì)注漿孔，其中底部2個(gè)，中部4個(gè)，頂部6個(gè)，盾構(gòu)機(jī)上跨寧和區(qū)間地層時(shí)可提前對(duì)地層進(jìn)行加固，更有效控制土體的前期沉降量，從而減少土體擾動(dòng)對(duì)構(gòu)建筑物的影響。

②對(duì)同步注漿系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。采用壓注大比重單液漿的同步注漿系統(tǒng)；上部注漿管布置適當(dāng)?shù)叵蚬绊斂繑n；在盾尾頂部及底部各增加2道注漿管道位置，可直接對(duì)頂部及底部空洞進(jìn)行回填。盾尾注漿管共有12根，正常情況下4用8備。盾構(gòu)上跨寧和城際注漿時(shí)根據(jù)地面情況，及時(shí)調(diào)整泵出口管路連接位置進(jìn)行作業(yè)，保證填充的密實(shí)性，防止上浮。

寧和城際隧道監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì) 表4

龍王大街高架橋監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì) 表5

③增加管片的注漿孔。盾構(gòu)上跨段管片采用加強(qiáng)型管片各增設(shè)2個(gè)注漿孔，管片注漿孔增加至16孔，確保成型隧道管片可多點(diǎn)位少量注漿，保證后期加固注漿密實(shí)可靠性。

圖6 鋼拉條安裝

④為更好地控制新建成型隧道質(zhì)量，管片脫出盾尾后及時(shí)采用鋼拉條拉結(jié)，使成型隧道管片形成整體，這樣更有效地控制了管片錯(cuò)臺(tái)及上浮量，確保成型隧道線性要求。

⑤優(yōu)化渣土改良效果，在控制土倉壓力合理情況下適當(dāng)降低螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速，在推進(jìn)過程中增加皮帶沖洗管道，及時(shí)調(diào)整皮帶機(jī)角度，確保皮帶機(jī)輸送能力。

圖7 渣土改良后效果

7 施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

2號(hào)線西延工程天保街站～青蓮街站區(qū)間盾構(gòu)機(jī)穿越后，寧和城際既有隧道、龍王大街橋變形量均在可控范圍內(nèi)，詳細(xì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見表4、表5。盾構(gòu)接收后，天保街站～青蓮街站區(qū)間成型隧道上浮量在12mm～43mm之間。由以上監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析得出穿越過程中盾構(gòu)機(jī)各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)符合穿越要求。

8 結(jié)束語

綜合上述工藝和施工措施：嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，勻速通過上跨區(qū)域；改進(jìn)同步注漿系統(tǒng)，增設(shè)注漿孔，確定合理注漿量和注漿壓力；綜合利用克泥效工法；加強(qiáng)二次注漿；增設(shè)管片鋼拉條；優(yōu)化渣土改良等，并嚴(yán)格按照監(jiān)測(cè)過程數(shù)據(jù)進(jìn)行技術(shù)參數(shù)調(diào)整優(yōu)化，形成了一整套完整的基于復(fù)雜穿越條件的盾構(gòu)掘進(jìn)施工關(guān)鍵技術(shù)。施工和現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)表明，采取上述施工關(guān)鍵技術(shù)后，盾構(gòu)隧道安全上跨既有運(yùn)營隧道，對(duì)既有結(jié)構(gòu)造成的擾動(dòng)小于控制值。該工程施工技術(shù)，可供類似工程參考和借鑒。