小間距盾構疊落隧道側下穿立交橋群樁施工技術

白 霖，劉玥婷，賀宇豪

(1.北京市政建設集團有限責任公司，北京 100025；2.北京天岳恒房屋經營管理有限公司，北京 100025； 3.中建研科技股份有限公司，北京 100039)

0 引言

隨著城市地鐵線路建設的越來越密集，由于受到周邊既有建(構)筑物限界以及道路條件等因素的制約，沿城市主干道敷設的地鐵隧道往往采用疊落隧道的形式[1-7]。相對于常見的兩條隧道并行的常規隧道，疊落區間隧道在掘進過程中的疊加效應造成地層的變形情況及結構受力等產生更加復雜的情況，當區間隧道使用盾構隧道形式，疊落區間隧道遇到平行側下穿群樁時，受盾構掘進開挖過程中的推力作用加上盾構機自身的重量，這種疊加效應會更加明顯。目前國內對疊落隧道的研究主要集中在左、右線的施工順序、疊落段近接分區、施工引起的周邊地層變形以及隧道內力及變形規律、對臨近建(構)筑物安全控制技術分析研究等方面[8-13]。

北京地鐵16號線萬壽寺站—蘇州橋站區間隧道采用盾構法施工，盾構隧道沿西三環的西側輔路布置，由于受鄰近的西三環高架橋的影響，盾構隧道采用斜向疊落或垂直疊落的布置方式，疊落段雙線隧道開挖順序為先施工左線隧道，后施工右線隧道。這種布局方式存在兩個突出問題：

1)疊落雙線隧道凈距最小僅為1.6 m，且地層為卵石地層，此地層土質比較松散，穩定性比較差，后掘進施工的上層隧道對于已經施工完成的下層隧道的擾動影響會比較大，從而引起已經施工完成的下層隧道的管片發生變形、錯臺甚至管片結構開裂。2)盾構隧道一側為城市高架橋樁基礎，考慮到鄰近橋樁的保護要求，要盡可能降低區間疊落隧道盾構機掘進施工對土層造成的擾動。因此需要研究施工過程中周圍地層的加固措施以及對已建成的下層隧道管片結構進行加固措施。

1 工程概況

1.1 工程簡述及地質條件

蘇州橋站—萬壽寺站區間從萬壽寺站出發，沿西三環北路向北至蘇州橋站，右線總長為1 383.4 m，左線總長1 384.16 m，該區間受西三環蘇州橋樁和三環外高層建筑限界要求，左、右線采用疊落隧道的形式，疊落段施工從萬壽寺站平行掘進472 m開始，直到蘇州橋站疊落接收結束，疊落全長共920 m，其中，區間垂直疊落段長度280 m，豎向凈間距為1.6 m～4.8 m，傾斜疊落段約640 m，疊落段右線在上左線在下，先左線隧道貫通，然后施工上層的右線隧道，區間疊落段隧道與蘇州橋群樁位置分布見圖1。

隧道右線覆土深度10.7 m～19.4 m，左線覆土深度19.4 m～23.3 m，由上而下的地層分別為：①1雜填土層、①素填土、②粉土、③1粉質黏土層、③粉土層、③3粉細砂層、③粉土層、④3粉細砂層、⑤卵石層、⑦卵石層。盾構區間左線主要穿越卵石⑦層、右線主要穿越卵石⑤層。卵石層一般粒徑10 mm～30 mm，最大粒徑不小于300 mm，粒徑大于20 mm的含量(質量分數)大于55%，盾構穿越土層及區間地質縱剖面情況如圖2所示。

1.2 蘇州橋群樁概況

蘇州橋站—萬壽寺站區間側穿蘇州橋樁31處(蘇州橋A主線橋，編號：A1～A31；蘇州橋B主線橋，編號：B1～B31)，蘇州橋橋梁上部結構為預應力簡支梁、鋼箱梁、預應力連續箱梁，下部結構為鉆孔灌注樁、承臺、立柱、蓋梁，橋樁樁徑有1.2 m和1.5 m兩種，樁長有13.7 m～21 m等，樁底埋深為16.4 m～23 m，盾構隧道距橋樁最小水平凈距約4.58 m，盾構疊落隧道與蘇州橋A，B主線橋的位置關系如圖3所示。

2 盾構選型及施工參數

2.1 盾構選型

選用加泥式土壓平衡盾構機，設計刀盤開挖直徑φ6 590 mm，盾體前/中/尾直徑：φ6 560 mm。刀盤為輻條式刀盤，開口率為69%，刀盤上配置中心魚尾刀、切削刀、先行刀、周邊保護刀、超挖刀，設置5處添加劑注入口，2個刀盤磨損檢測裝置，刀盤設計圖如圖4所示。盾構額定推力50 000 kN，刀盤額定扭矩8 284 kN·m。

2.2 盾構施工參數

2.2.1 盾構掘進參數

盾構在穿越蘇州橋范圍內盾構掘進參數如下所示：

1)土壓力。

為防止盾構掘進過程中的超挖現象，需要對土壓力進行合理設置，土倉上部土壓力需要控制在0.05 MPa～0.07 MPa范圍內，中部土倉壓力控制在0.15 MPa～0.18 MPa范圍內。

2)推進速度。

盾構推進速度對地面的沉降變形有明顯的影響，需維持推進速度的恒定、穩定，推進速度控制在50 mm/min～70 mm/min。

3)刀盤扭矩及盾構推力。

刀盤轉速為1.0 rpm，推力控制額定推力的30%～50%，刀盤扭矩控制額定扭矩的40%～60%范圍內。

2.2.2 盾構出土量控制

盾構掘進下穿群樁及疊落區間施工過程中影響范圍內嚴格控制出土量，避免由于出土量大引起的地層損失，造成地面沉降，群樁變形，對于下層已建好隧道管片變形等[14-15]。盾構刀盤直徑6.59 m，管片寬度1.2 m，計算理論出土量40.5 m3。實際施工過程中，松散系數根據前期施工經驗為1.1～1.2，則出土量控制在45 m3～49 m3。

2.2.3 注漿控制

同步注漿液為水泥+水玻璃雙液漿，雙液漿初凝時間需要控制在20 s左右，盾構掘進過程中需要嚴格控制注漿量和注漿壓力，同時及時進行二次補漿，盾構機掘進速率要與同步注漿速率相符。

1)控制注漿量和注漿壓力。管片與盾殼的環形間隙理論體積為2.32 m3/環，根據穿越橋樁經驗，同步注漿量不少于理論體積的1.5倍，故確定盾構掘進過程中同步注漿量需要控制在3.48 m3/環以上，實際施工過程中控制在3.5 m3/環左右，同步注漿的壓力在0.2 MPa以上。

2)二次補漿。為保證盾構掘進施工后沉降的控制，當管片脫離盾構機盾尾適當的位置(6環)，需按時二次補漿(水泥+水玻璃雙液漿，注漿量600 L～700 L)，二次補漿時應當隔一補一，注漿壓力不應超過0.35 MPa。其作用可以對土體進行微量頂升、加固。控制盾構過后的后期沉降，恢復基礎的前期沉降，減小對既有車站的影響。

2.2.4 渣土改良

1)泡沫劑的使用。

泡沫參數：泡沫溶液體積濃度5%～7%，發泡倍率10左右，泡沫注入量以掘進每環切削土體體積的20%～40%。

2)膨潤土泥漿的使用。

泥漿配合比為：水∶膨潤土∶添加劑=1∶0.1∶0.1，加泥量為掘進每環切削土體體積的6%～8%。

3 盾構隧道疊落段加固研究

3.1 復合錨桿樁隔離預加固

由于橋樁與左線盾構的水平凈距在4.58 m～10 m之間，盾構施工前，對A16～A1-31共16處橋樁采用復合錨桿樁隔離加固，每處縱向打設范圍10 m，樁中心距1.5 m，排距0.8 m，擴散半徑0.75 m，第一排復合錨桿樁距離橋臺的距離為1.5 m，復合錨桿樁樁長約28 mm～33 mm，使得盾構隧道與橋樁之間形成厚度為2.3 m的隔離錨桿樁，盾構施工過程中起到隔離保護橋樁的作用。盾構隧道側穿橋樁風險保護措施見圖5。

復合錨桿樁孔徑φ150 mm,孔內安裝錨桿(3根直徑為20 mm螺紋鋼)，復合錨桿樁鉆孔時安裝3根注漿管，實施壓密注漿，漿液材料采用普通水泥漿，為保證注漿效果，分三次注漿：

1)一次注漿方式采用常壓注漿，注漿壓力控制在0.4 MPa～0.5 MPa，孔口出現溢漿情況時為止。漿液的水灰比(質量比)0.5∶1。

2)二次注漿方式采用中高壓注漿，注漿壓力控制在1.0 MPa，在第一次注漿完成后10 h～15 h進行，水泥漿水灰比(質量比)0.75∶1。

3)三次注漿壓力1.5 MPa，在第二次注漿完成后5 h～10 h進行，水泥漿水灰比(質量比)0.75∶1，擴散半徑不小于0.75 m。

3.2 夾土層徑向注漿預加固

根據本工程注漿加固范圍及掘進條件等因素，疊落區間利用移動臺車平臺對洞內管片進行注漿加固技術，采用煤礦用坑道鉆機成孔，通過中空鉆桿內注漿的方法進行后退式深孔注漿。根據疊落隧道位置關系，注漿方式有兩種形式：一種為完全疊落段，一種為斜向疊落段，具體注漿加固示意圖見圖6。

下層隧道在吊裝孔及管片拱部增設的預留注漿孔中設置一定長度的注漿管，深入地層中，注漿管布設長度結合兩洞之間距離調整，避免注漿管進入上層隧道范圍，影響盾構掘進。下層盾構通過后，由注漿管向上、下層隧道之間土體注水泥漿，以提高土體的強度。注漿采用水泥漿，注漿壓力控制在0.5 MPa，擴散半徑0.5 m，水泥與水質量比1.2∶1，無壓力后停止注漿，封孔采用雙液漿進行封孔。注漿加固土體時應結合監測反饋，及時調整注漿壓力。

3.3 下層隧道型鋼支撐加固

施工現場對下層隧道采用臨時型鋼支撐進行加固。疊落段下層隧道每環管片設置兩榀型鋼支撐，間距為800 mm。鋼支撐均采用Ⅰ20b工字鋼，為提高連接強度，工字鋼連接處設置連接鋼板。為保證環縫受力均勻，每環型鋼支撐之間應可靠焊接，采用剖口焊的方式，焊縫高度12 mm,環縫間型鋼支撐間距為400 mm(環縫兩端型鋼支撐距離環縫200 mm)。型鋼支撐架設完成后應與管片內壁貼合緊密。在確保管片、管片連接螺栓和防水材料不被破壞的情況下可以適當的對型鋼支撐施加一定的預應力。型鋼支撐加固范圍見圖7，型鋼支撐布置示意圖見圖8。

4 盾構疊落隧道引起的橋樁變形及地面沉降分析

4.1 蘇州橋樁沉降監測及分析

盾構疊落隧道左右線先后通過蘇州橋A主線橋的橋樁沉降如圖9所示。盾構疊落隧道左右線先后通過蘇州橋B主線橋的橋樁沉降如圖10所示。

從圖9，圖10可以看出：

1)左線盾構穿越后，橋樁最大沉降值為-3.9 mm(16號橋樁)，雙線穿越橋樁后，橋樁最大沉降值為-5.1 mm(15號橋樁)，均小于橋樁沉降控制值15 mm，橋梁安全可控。

2)盾構單線通過后，A16～31號橋樁沉降較均衡，平均值在2.0 mm左右，雙線通過后橋樁沉降變化較小。

3)盾構單線通過后A1～15號橋樁沉降逐漸變大，從0.5 mm逐漸增加到3.0 mm左右，雙線通過后橋樁沉降變化較大，平均增加了1.5 mm，特別是10號，11號，14號，15號橋樁，沉降增加了差不多2.0 mm。

4.2 地表沉降監測及分析

地表沉降如圖11所示，沉降點為隧道拱頂沉降值(間隔30 m一個)，可見，地表沉降最大為-5.2 mm，多數在3 mm以內，滿足規范及設計圖紙要求。

5 結語

通過對蘇州橋樁沉降監測及地表沉降監測的數據進行分析研究，結果表明盾構疊落區間掘進施工過程中對于卵石地層長距離小間距盾構疊落隧道穿越橋樁及疊落段上層隧道的施工會造成先建下層隧道管片結構明顯的變化，這會對施工產生極為不利的影響。對施工難題的處理：采用疊落段夾層土徑向注漿預加固和下層隧道設置臨時型鋼支撐加固的措施，配合上疊落隧道設定的盾構施工參數控制地面沉降。通過上述工程施工監測數據分析：地面沉降最大為-5.2 mm，多數在3 mm以內，滿足規范及設計圖紙要求。得出在疊落區間采用上下兩層隧道之間夾土層進行徑向注漿預加固的方式和對下層先建區間隧道內設置臨時型鋼支撐的加固方式的方案可以有效解決問題，使沉降控制在合理范圍內并且可保證下層已建好隧道管片得到保護。