超大直徑盾構(gòu)穿越地鐵站施工變形控制

劉 平

（上海三維工程建設咨詢有限公司，上海 200000）

1 引言

本次穿越為國內(nèi)首次采取超大直徑盾構(gòu)直接切削車站地連墻。地鐵站已完成軌道鋪設，且左線盾構(gòu)先行穿越對土體造成擾動，新建隧道下穿施工將二次擾動土體，加劇土體的變形和沉降，若防護措施不力，將導致既有隧道出現(xiàn)襯砌破壞或者變形過大，影響既有車站的安全。如何采用合適的施工方式新建隧道下穿車站，將風險控制在合理范圍內(nèi)，是施工時必須解決的首要問題。

2 工程概況

建寧西路過江通道隧道土建施工項目A2 標段為越江隧道右線盾構(gòu)段、江南盾構(gòu)接收井及明挖段土建工程施工。工程范圍：穿越長江隧道右線盾構(gòu)段、右線隧道江中廢水泵房、疏散口等土建工程；江南盾構(gòu)接收井及井后明挖段土建工程、風井和出入口工程（含配套市政設施工程）、雨水泵房施工。其中，越江盾構(gòu)段長2 361.782m，隧道外徑14.5m，內(nèi)徑13.3m。采用1 臺Ф15.07m泥水氣壓平衡復合盾構(gòu)機施工。盾構(gòu)機從江北工作井始發(fā)，完成右線隧道推進后，在江南工作井接收。盾構(gòu)自1 127 環(huán)開始切削地鐵站地連墻，至1 146 環(huán)盾構(gòu)機完全穿過地鐵5 號線建寧路地鐵站。穿越車站時，平面曲線為右曲R=3 460，縱斷面線形為4.5%上坡，平面隧道與車站夾角約為93°，縱斷面隧道與地墻垂直夾角約為85°。地墻縱筋采用Ф28 螺紋鋼筋，橫筋采用Ф20 螺紋鋼筋，地墻混凝土強度等級為C40。車站底板以下2.432m 至墻底標高范圍內(nèi)，連續(xù)墻配筋采用全螺紋玻璃纖維增強筋，以等直徑原則代替鋼筋。臨時立柱混凝土強度等級為C40，立柱主筋為Ф16 鋼筋，桁架鋼筋為Ф20 鋼筋，箍筋為Ф8鋼筋。盾構(gòu)穿越地鐵5 號線建寧路地鐵站時，土層由上到下為：雜填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂、粉質(zhì)黏土夾粉砂、粉砂。盾構(gòu)穿越斷面內(nèi)地層為：淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土夾粉砂、粉質(zhì)黏土夾粉砂。

3 施工風險

本次穿越為國內(nèi)首次采取超大直徑盾構(gòu)直接切削車站地連墻。地鐵站已完成軌道鋪設，且左線盾構(gòu)先行穿越，已經(jīng)對土體造成擾動，因此，對右線穿越提出更高的要求。下穿段處于淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土加粉土、粉砂地層，地質(zhì)條件較差，若穿越過程中參數(shù)設置不合理，主體結(jié)構(gòu)容易出現(xiàn)裂縫、滲漏水等情況，或?qū)︿佋O軌道造成較大影響，如沉降過大、水平位移過多等，致使經(jīng)濟損失大、修復困難，因此，需要采取正確的施工控制措施，確保盾構(gòu)穿越任務順利完成。穿越過程需切削地連墻和立柱樁，因此，刀具至關(guān)重要，需采用針對性的刀具，以保證在完成切削任務的同時，減小對地鐵站的擾動。同時，施工時的泥水壓力直接關(guān)系到地鐵站的整體沉降，泥水壓力偏大擠壓前方土體會造成車站底板隆起，而泥水壓力偏小又會造成車站整體下沉，依據(jù)試驗段參數(shù)總結(jié)，采用0.9～1.1 倍靜止土壓力系數(shù)計算泥水壓力，依據(jù)實時監(jiān)測值及時調(diào)整。盾尾注漿是在盾構(gòu)機主體通過后補充建筑空隙的關(guān)鍵點，采取注漿量和注漿壓力雙控機制，通過注漿完成對車站變形量的二次控制。

4 施工控制措施

4.1 穿越地鐵站設計改良措施

本工程盾構(gòu)機的泥水平衡盾構(gòu)壓力波動比較敏感，在氣泡艙內(nèi)，通過調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)壓縮空氣壓力來補償泥水液位壓力差值，調(diào)節(jié)精度為±0.005MPa，便于控制正面壓力平衡，對地鐵站變形控制精度較高；采取常壓，可更換全盤滾刀，以應對切削地連墻和臨時立柱樁。其中，圓刃滾刀高度225mm，常壓刮刀高度185mm，普通刮刀和邊刮刀高度165mm。盾尾密封系統(tǒng)采用4 道螺栓鋼絲刷+1 道鋼板束+1 道止?jié){板，配置4×18個油脂壓注孔，以保證砂性地層中的盾尾密封，再采用自動測量系統(tǒng)實時提供盾構(gòu)姿態(tài)，便于盾構(gòu)操作人員控制好盾構(gòu)姿態(tài)。盾構(gòu)注漿系統(tǒng)采用單液注漿方式，注漿管路能夠滿足雙液漿壓注需求，在始發(fā)段、淺覆土段及特殊地層段，可壓注雙液漿，以控制成型隧道穩(wěn)定。采用10 點注漿，盾構(gòu)機同步漿液系統(tǒng)具備雙液漿壓注功能。1 號車架處配備2 個20m3容積的漿桶，配備5 臺100m3/h 的高壓KSP20 柱塞式注漿泵，單點單管壓注；2 號車架處配備1 個4m3容積的速凝劑漿桶，配備10 臺10m3/h 的螺桿泵，單點單管壓注，以實現(xiàn)同步雙液漿壓注。施工中，為有效支撐地層變形、減少隧道上浮、防止殼體段泥水后竄等，可結(jié)合各項監(jiān)測數(shù)據(jù)，在掘進中，通過盾體預留孔進行殼體注漿。考慮本工程工況的特殊性，刀盤超挖、盾體錐度、小曲率施工等因素，盾構(gòu)機配備1 套海納泵設備，盾體預留2 道注漿孔。在不影響拼裝機移動的前提下，在1 號車架與拼裝機的空處搭設鋼結(jié)構(gòu)注漿平臺，以利于及時對脫出盾尾管片進行二次注漿，加快成型管片穩(wěn)定。最后，通過盾構(gòu)機車架新漿系統(tǒng)及時對開挖面補充新漿，提高泥膜質(zhì)量。新漿系統(tǒng)配備漿桶5個，大流量高壓注入泵1 臺。新漿材料組成包括HS-1、HS-2、HS-3、水等。管片設計改良，可全線設置剪力銷，以有效控制管片拼裝過程中的錯臺，每處環(huán)縫共設置28 個。全線管片預埋有注漿孔、標準塊和鄰接塊，每塊預埋2 個，封頂塊預埋1 個，每環(huán)共19 個，以保證盾構(gòu)穿越后，根據(jù)地表和管線沉降情況，及時、足量地進行補壓漿。

4.2 穿越階段施工措施

原則上根據(jù)隧道上部覆土厚度和荷載變化，計算盾構(gòu)機切口到達前15 環(huán)（30m）和盾尾通過后10 環(huán)（20m）切口水壓值。實際施工中，按照地面沉降結(jié)果進行調(diào)整，最終穿越過程中，依監(jiān)測報表實時調(diào)整。推進過程中，將氣泡倉液位控制在中心位置-0.5m～+0.5m 范圍內(nèi)，盡量減少液位波動，平穩(wěn)掘進施工。若切口前地面沉降，則需調(diào)高壓力設定值，反之調(diào)低；若盾尾后部地面沉降，則需增加同步注漿量，反之減少。下穿建寧路地鐵站段施工時，為減少對周圍土體的擾動，避免在途中耽誤時間，推進速度一般控制在15～20mm/min 之間，在切削車站地墻和臨時立柱樁時，控制速度為5～10mm/min；為了控制盾構(gòu)正前方的地面沉降，必須降低刀盤的轉(zhuǎn)速，正常情況下控制在0.8r/min，切削車站地墻和臨時立柱樁時，調(diào)整至1.2r/min，以降低貫入度，充分切削，減少對地鐵站的影響；通過計算理論總推力為100 000kN，推進時總推力控制在100 000±10 000kN；根據(jù)軟土地層推進經(jīng)驗值，刀盤扭矩應控制在2～3MNm，若刀盤扭矩出現(xiàn)異常波動，需檢查、更換抽刀；泥比重過高與過低，會破壞泥水的輸送能力和開挖面的穩(wěn)定，特泥水比重應控制在1.15～1.25g/cm3，下限為1.15g/cm3，同時可考慮重漿，比重為1.25～1.3g/cm3。通過同步注漿及時充填建筑空隙，減少施工過程中的土體變形。本隧道盾構(gòu)施工采用10 點注漿法，理論注漿量為26.46m3，注漿作業(yè)按一般充填系數(shù)1.1～1.3 壓注，應嚴格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量。注漿時，采取注漿壓力及注漿量雙控。當注漿壓力達到設計壓力，注漿量達到設計注漿量的80%以上時，應結(jié)束注漿，防止壓力過大造成負面影響。同時，依據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時調(diào)整注漿總量，以控制沉降量。根據(jù)路面變形情況，確定新的施工參數(shù)和注漿量等信息、指令，并傳遞給盾構(gòu)推進面，并及時作相應調(diào)整，最后通過監(jiān)測確定效果，反復循環(huán)、驗證、完善，以保證隧道施工質(zhì)量。

4.3 穿越參數(shù)分析

盾構(gòu)穿越地鐵站時，遵循快速穿越原則。未開始切削任務時，推進速度保持在15～20mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速0.8r/min，快速通過，以減小對車站的影響；而在切削地墻和立柱樁時，刀盤轉(zhuǎn)速提高至1.2r/min，推進速度降低至5～10mm/min，通過降低貫入度充分切削地墻和立柱樁。圖1中切削左側(cè)地墻時，扭矩略有增大，由于立柱樁僅有3 根，在降低貫入度后，扭矩顯著減小，對地鐵站影響較?。欢谇邢饔覀?cè)地墻時，扭矩有明顯增大現(xiàn)象，后泥水泵壓力異常，除清理出混凝土塊外，還有螺紋鋼筋、鋼絲繩卡扣、大鐵鏈，因第二道地墻處存在大量異物，導致切削時扭矩增大。

圖1 推進參數(shù)歷時曲線圖

5 施工監(jiān)測

穿越過程中對建寧路站主體結(jié)構(gòu)左、右線側(cè)墻沉降、立柱沉降、附屬結(jié)構(gòu)沉降、隧道與附屬結(jié)構(gòu)連接處差異沉降，保持24h 車站及地面巡查，2h 車站監(jiān)測。其中，附屬結(jié)構(gòu)累計最大沉降量F7變化1.5mm，整體均在1.5mm 以內(nèi)；而車站主體與附屬結(jié)構(gòu)連接處累計最大沉降量JGK9-2 變化1.2mm，整體均在1.5mm 以內(nèi)；盾構(gòu)穿越地鐵站時，刀盤于1 132～1 133 環(huán)首先切削Ф800 地連墻，左側(cè)地墻點位變化最大為ZC22 隆起1.9mm，左側(cè)地墻整體變化在2mm 以內(nèi)。左側(cè)地墻豎向位移如圖2 所示。

圖2 左側(cè)地墻豎向位移

盾構(gòu)切削Ф800 地連墻后，于1 137 環(huán)切削3根Ф1 000 立柱樁，立柱樁點位變化最大為LZ13隆起1.4mm，立柱樁整體變化在1.5mm 以內(nèi)。立柱豎向位移如圖3 所示。

圖3 立柱豎向位移

盾構(gòu)穿過立柱樁后，于1 143 環(huán)切削右側(cè)Ф800 地連墻，右側(cè)地連墻點位變化最大為YC17沉降1.8mm，右側(cè)地連墻變化在2mm 以內(nèi)。右側(cè)地墻豎向位移如圖4 所示。

圖4 右側(cè)地墻豎向位移

6 結(jié)語

穿越地鐵站前25 環(huán)作為試驗段進行經(jīng)驗總結(jié)，試推進階段的施工參數(shù)為之后穿越過程提供了有效支撐，同步注漿采取注漿壓力和注漿量雙指標控制，同時，嚴格控制同步漿質(zhì)量，根據(jù)實施監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時調(diào)整施工參數(shù)，最終地鐵站穿越任務圓滿完成，各項監(jiān)測沉降量均遠低于控制值，保證了地鐵站與建寧西路隧道的施工安全，且該工程有效控制了下穿過程中的風險點，成為超大直徑盾構(gòu)切削地鐵站地連墻首個成功案例，希望為此類工程提供經(jīng)驗積累，完善隧道施工技術(shù)。