富水砂卵石地層盾構(gòu)近距離下穿既有線施工技術(shù)

舒 波，饒仁強，任 建

(成都地鐵運營有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

伴隨我國施工技術(shù)發(fā)展與軌道線網(wǎng)的迅速擴(kuò)張，新線中盾構(gòu)穿越既有線路越來越多，新線施工安全與運營安全已經(jīng)成為重點關(guān)注的問題之一。為確保施工與運營安全，關(guān)于盾構(gòu)掘進(jìn)施工對既有線路的影響，學(xué)者們做了大量研究。王立新等[1]通過數(shù)值模擬，研究了在黃土地區(qū)新線與既有線不同豎向凈距的盾構(gòu)掘進(jìn)施工中既有隧道變形與應(yīng)力變化規(guī)律，并提出相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)；駱保勝[2]以大連地鐵5號線下穿既有地鐵2號線為工程背景，采用理論和實際結(jié)合的手段研究了新線穿越既有線施工對圍巖變形影響規(guī)律；張毅等[3]采用三維有限元數(shù)值模擬手段，研究了新建盾構(gòu)隧道十字交叉施工對既有隧道位移的影響；隋曉燕[4]研究了大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工下穿既有線U形槽的施工技術(shù)與變形規(guī)律；邵華等[5]以上海某隧道穿越新線工程為背景，利用監(jiān)測數(shù)據(jù)分析既有線隧道擾動變形規(guī)律；孫國慶[6]以深圳地鐵7號線、9號線下穿既有1號線為工程背景，研究盾構(gòu)接收端加固技術(shù)；曾良峰[7]以成都地鐵6號線穿越既有地鐵3號線為背景，研究了始發(fā)延長鋼環(huán)密封保壓、中盾注漿盾構(gòu)間隙、輔助注漿糾偏、自動化實時監(jiān)測等技術(shù)措施；楊冬[8]以成都地鐵4號線下穿既有地鐵2號線為工程背景，研究了土壓平衡盾構(gòu)機切割暗挖素混凝土二襯結(jié)構(gòu)下穿既有隧道施工技術(shù)；吳全立等[9]以深圳地鐵9號線下穿既有地鐵4號線為工程背景，采用 ABAQUS仿真模型分析手段，研究了盾構(gòu)近始發(fā)端鋼套筒保壓、克泥效充填盾構(gòu)間隙、輔助注漿糾偏等綜合技術(shù)，并對風(fēng)險分區(qū)管理、自動化實時監(jiān)測等管理手段進(jìn)行探討；趙銘[10]以深圳地鐵9號線下穿既有地鐵3號線為工程背景，研究了盾構(gòu)近距離穿越既有線施工技術(shù)。

本文以成都地鐵9號線近距離下穿既有運營地鐵線為工程背景，研究了富水砂卵石地層盾構(gòu)下穿施工技術(shù)，分析了盾構(gòu)下穿施工對運營隧道結(jié)構(gòu)變形影響，探討了相關(guān)管理手段，技術(shù)經(jīng)驗可為下穿施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

成都地鐵9號線區(qū)間隧道下穿既有地鐵4號線區(qū)間盾構(gòu)隧道，穿越長度約22m。9號線盾構(gòu)隧道采用幅寬1.5m、外徑6.7m、內(nèi)徑6.0m的盾構(gòu)管片，采用中等減振道床，隧道埋深約9m；既有地鐵4號線盾構(gòu)隧道采用幅寬1.5m.、外徑6.0m、內(nèi)徑5.4m的盾構(gòu)管片，采用普通道床，隧道埋深約19m；新線與既有線左線最小豎向間距約3.65m，與右線的最小豎向間距為3.78m。

盾構(gòu)隧道工程穿越地層從上到下依次為:雜填土、稍密卵石土、中密卵石土、密實卵石土。其中密實卵石層卵石含量約占60%～80%，孔隙率e=0.27，卵石一般粒徑40～80mm，最大粒徑150mm，其中漂石含量約占5%，漂石粒徑20～25cm。場地地下水平均埋深約5.2m，主要有2種類型：一是賦存于黏土層之上人工填土層中的上層滯水；二是第四系松散巖土顆粒孔隙水。既有地鐵4號線盾構(gòu)隧道位于中密卵石土、密實卵石土層；新建地鐵9號線盾構(gòu)隧道位于密實卵石土層。該穿越工程施工難度高、風(fēng)險大，平面與剖面位置關(guān)系如圖1，2所示。

圖1 平面位置關(guān)系

圖2 剖面位置關(guān)系

2 施工技術(shù)措施

2.1 降水措施

綜合考慮周邊車站基坑工程降水，采用分階段、分梯度降水，在既有隧道兩側(cè)分別設(shè)置降水井，井深45m，與既有線的安全距離為5m，并相應(yīng)設(shè)置3口靜態(tài)水位監(jiān)測井，監(jiān)測水位變化情況，以確保水位降至設(shè)計深度，避免既有隧道承受側(cè)水壓力。同時由于場地為砂卵石地層，嚴(yán)格控制出水含砂率，并做好含砂率測試。

2.2 土體注漿加固

土體注漿加固分為2個階段，第1階段在新線車站端頭與既有線之間土體進(jìn)行袖閥管跟蹤注漿；第2階段在盾構(gòu)下穿既有線隧道土體影響范圍內(nèi)進(jìn)行袖閥管跟蹤注漿，并預(yù)留注漿孔。在第2階段注漿加固前，預(yù)先對既有線盾構(gòu)隧道下穿影響范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)及以下土層現(xiàn)狀調(diào)查，若檢測有空洞，應(yīng)提前注漿加固。為減小注漿孔施工對運營安全的影響，應(yīng)確保鉆孔施工過程中和既有線隧道的安全距離>3m。其中注漿管采用φ48mm，t=3.25mm袖閥管，間距1 000mm×1 000mm。注漿漿液為1∶1普通水泥漿液，注漿壓力為0.3MPa。加固范圍平面位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 加固區(qū)平面

2.3 管棚施工

車站端頭進(jìn)行超前加固，采用“雙排大管棚+管棚內(nèi)注漿”的方式，其中左線管棚長40m，右線管棚長35m，共計90根，管棚布置如圖4所示。

圖4 管棚加固剖面

1)大管棚鋼管采用直徑194mm，壁厚16mm的鋼管，絲扣連接。

2)管棚布置范圍為隧道拱頂120°(上排)/130°(下排)，上排23根，下排22根，2排管棚孔口位置分別布置在洞門輪廓線外200mm和600mm位置，注漿管環(huán)向中心間距400mm，管棚傾角為1.5°。

3)大管棚鋼管上鉆孔注漿，孔徑10mm，孔間距200mm，呈梅花形布置。

4)注漿漿液采用1∶1的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥砂漿進(jìn)行注漿，注漿壓力控制在0.5MPa。

5)設(shè)置600mm厚，寬度為800mm的導(dǎo)向墻，并設(shè)置定位鋼筋與導(dǎo)向鋼管。定位鋼筋直徑20mm，長0.6m；導(dǎo)向鋼管直徑219mm，壁厚6mm，長度為0.4m，導(dǎo)向鋼管角度與管棚角度均為1.5°，導(dǎo)向管的外露長度為10cm。

2.4 試驗段參數(shù)設(shè)置

將穿越前一次停機點至既有線影響范圍前30m設(shè)置為試驗段，長度90m，模擬穿越既有線工況，對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行模擬總結(jié)，并在正式下穿前20環(huán)進(jìn)行重新下穿參數(shù)交底，確保盾構(gòu)快速、勻速、穩(wěn)定穿越既有線區(qū)間隧道。同時在穿越時，應(yīng)及時總結(jié)經(jīng)驗，調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，為后續(xù)穿越做準(zhǔn)備。試驗段參數(shù)如表1所示。

表1 試驗段參數(shù)

2.5 掘進(jìn)技術(shù)措施

1)盾構(gòu)姿態(tài)控制

盾構(gòu)姿態(tài)控制在±35mm范圍，推進(jìn)速度勻速，具體推進(jìn)速度參數(shù)以盾構(gòu)推進(jìn)后優(yōu)化參數(shù)為準(zhǔn)且糾偏量不得超過5mm/m。管片選型順應(yīng)盾構(gòu)的運行走向進(jìn)行拼裝，盾尾測量間隙原則上不得小于50mm。

2)出土量控制

出土量控制采取出土參數(shù)控制與出土方量質(zhì)量雙控措施：①嚴(yán)格按照螺旋出土速度與掘進(jìn)速度參數(shù)控制出土速度和出土量，如表2所示；②嚴(yán)格執(zhí)行方量質(zhì)量控制措施，根據(jù)地勘報告與試驗段模擬掘進(jìn)分析結(jié)果，松散系數(shù)為1.15，則穿越段每環(huán)出土方量不得超過66m3，每環(huán)出土量不得超過133t。在掘進(jìn)過程中根據(jù)分析結(jié)果及時修正當(dāng)環(huán)同步注漿量并進(jìn)行二次補注漿。

表2 參數(shù)控制

3)渣土改良

渣土改良的目的是增加渣土的和易性和流塑性，并依據(jù)掘進(jìn)參數(shù)的變化及時對改良劑應(yīng)用參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，防止噴涌的發(fā)生，確保掌子面穩(wěn)定[12]。穿越施工中渣土改良采用鈉基膨潤土+巴斯夫泡沫方式。采用巴斯夫泡沫劑，初始泡沫發(fā)泡率為3%，泡沫混合液注入率暫定60%，每環(huán)泡沫原液使用量為90～120L，每環(huán)泡沫原液用量90～120L；鈉基膨潤土配合比為0.2∶1膨化，每環(huán)加入量不小于7m3。

4)同步注漿

在掘進(jìn)過程中應(yīng)保證同步注漿的及時性。根據(jù)試驗段結(jié)果，同步注漿漿液選用單漿液，注漿量控制在8～9m3以上，注漿壓力0.2～0.3MPa，漿液初凝時間6h，通過6路管路注入。同步注漿漿液配合比如表3所示。

表3 同步注漿漿液配合比 kg·m-3

5)二次注漿

二次注漿可及時填充管片背面空腔，能有效控制地表后期沉降。對已成型管片每間隔3環(huán)進(jìn)行二次補注漿，采取間歇、多點、少量注漿的方式。二次注漿采用雙液漿，漿液配合比為水∶水泥∶水玻璃=1∶1∶1，注漿壓力為0.2～0.3MPa。在管片脫出盾尾后第2環(huán)開始注漿，注漿點位選擇隧道正上方16點位。

2.6 預(yù)警及相應(yīng)施工措施

根據(jù)監(jiān)測和預(yù)測分析結(jié)果，按照可能發(fā)生事故的危害程度、緊急程度和發(fā)展勢態(tài)，建立黃色預(yù)警、橙色預(yù)警、紅色預(yù)警三級預(yù)警制度，進(jìn)行分級預(yù)警管理，根據(jù)施工情況制定分級管理施工措施(見表4)。

表4 預(yù)警應(yīng)急措施

3 既有結(jié)構(gòu)監(jiān)測技術(shù)

3.1 監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測控制值確定

為確保新線施工與既有線運營安全，做好城市軌道交通保護(hù)區(qū)既有結(jié)構(gòu)監(jiān)測工作是必要的手段之一，在本工程中采用地鐵常用的監(jiān)測手段全站儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)。同時采用人工監(jiān)測復(fù)核手段，確保監(jiān)測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。

根據(jù)城市軌道交通的結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)要求、現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)及安全評估報告確定既有線監(jiān)測項目、監(jiān)測點布置間距及監(jiān)測控制值。監(jiān)測點布置如圖5所示，監(jiān)測項目控制值如表5所示。

圖5 監(jiān)測點布設(shè)

表5 監(jiān)測項目控制值

3.2 既有結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

該工程右線盾構(gòu)于7月11日進(jìn)入盾構(gòu)影響區(qū)，7月13日完成既有線穿越，左線盾構(gòu)于7月26日完成既有線穿越，在施工過程中監(jiān)測數(shù)據(jù)在可控范圍內(nèi)。

本文主要以9號線右線盾構(gòu)穿越4號線右線的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：①降水及管棚施工中引起地層固結(jié)、砂卵石地層擾動，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)沉降，豎向變形最大基本在1mm范圍內(nèi)波動；②盾構(gòu)穿越過程中，既有線結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)先沉降后隆起，最后穩(wěn)定的變形趨勢，右線盾構(gòu)掘進(jìn)引起的最大沉降為2.99mm，后采取同步注漿，地面注漿及二次注漿等措施，隧道結(jié)構(gòu)隆起約0.9mm，經(jīng)過約4d后變形穩(wěn)定，最終豎向沉降累計值約為2mm，如圖6所示；③盾構(gòu)穿越過程中，軌道結(jié)構(gòu)變形與結(jié)構(gòu)變形一致，均呈現(xiàn)先沉降后隆起，最后穩(wěn)定的趨勢，最終豎向累計值為2mm，由于軌道變形趨勢一致，差異沉降在可控范圍內(nèi)，為1.20mm，如圖7所示；④結(jié)構(gòu)水平變形較小，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)豎向位移，最大值為 0.78mm，基本在±1m范圍內(nèi)波動，表明既有隧道水平方向受力均衡，如圖8所示。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)豎向變形

圖7 軌道豎向變形

圖8 隧道結(jié)構(gòu)水平變形

4 結(jié)語

1)新線在富水砂卵石地層近距離下穿既有線對新線施工及既有線影響極大，必須采取嚴(yán)格的地鐵保護(hù)施工技術(shù)，確保運營與施工安全。

2)盾構(gòu)穿越前，采用袖閥管與管棚注漿措施能夠填充原有地層空洞，有效加固既有結(jié)構(gòu)周邊土體，確保運營與施工安全。

3)在盾構(gòu)穿越過程中采取出土參數(shù)與出土方量雙控措施能有效控制出土量、開挖量，能有效控制超挖，最大限度減少對既有結(jié)構(gòu)擾動。

4)在盾構(gòu)穿越過程中采用同步注漿措施及盾構(gòu)穿越后采用二次注漿能完成管片背后間隙填充，可以有效控制地層下沉與既有線結(jié)構(gòu)變形，是保障運營安全的措施。

5)既有線自動化監(jiān)測能夠及時反饋盾構(gòu)掘進(jìn)過程中既有結(jié)構(gòu)變形，提供及時的監(jiān)測信息，指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)施工。