軟土條件下地鐵小凈距盾構(gòu)隧道變形控制技術(shù)

李 宗

(中鐵十八局集團第四工程有限公司,天津 300480)

1 工程概述

1.1 概況

天津地鐵3號線第12合同段金獅橋站～中山路站區(qū)間左線全長1 012.3 m,右線全長943.8 m,最小曲線半徑300 m,最大縱坡25‰。該區(qū)間小間距段共計244 m,線凈距為2.48～4.4 m,最小凈距2.48 m,兩隧道間凈距在2.48～2.8 m的長度達94.8 m,小間距段覆土深度為7～13 m。側(cè)穿、斜穿7棟樓房,側(cè)穿的建筑物最近距離僅為10 cm。地下埋有雨水、污水、電纜、煤氣等各種管線,施工環(huán)境較為復雜。施工前工況為隧道右線已施工完成,左線盾構(gòu)未通過小凈距段。小間距段平面圖及管線、土層橫斷面見圖1、圖2。

1.2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)

根據(jù)勘察資料(圖3),該段穿越的主要土層由上至下依次為①1雜填土,①2素填土,③1粉質(zhì)黏土,③2粉土,④2粉土,④1粉質(zhì)黏土,④5淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,⑤4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土,⑥1粉質(zhì)黏土。

盾構(gòu)區(qū)間場地內(nèi)表層地下水類型為第四系孔隙潛

圖1 小間距段平面

水,賦存于第Ⅱ陸相層以下的粉砂及粉土中的地下水具有微承壓性,為微承壓水。

潛水存在于人工填土層①層、新近堆積層②第Ⅰ陸相層及第Ⅰ海相層④中。微承壓水以第Ⅱ陸相層的湖泊相層⑤1粉質(zhì)黏土為隔水頂板,地鐵工程影響范圍內(nèi)承壓水主要賦存于第Ⅱ、第Ⅲ陸相層的粉土及粉砂內(nèi),微承壓水穩(wěn)定水位稍低于潛水位,一般1.0～3.0 m。

圖2 小間距段管線、土層橫斷面(單位：mm)

圖3 小凈距段地質(zhì)剖面

由地質(zhì)情況描述可以看出：盾構(gòu)在施工中極易造成水土流失,從而加大了周邊管網(wǎng)以及建筑的沉降控制難度。

1.3 工程重難點

該工程施工重點是兩盾構(gòu)區(qū)間為軟土地質(zhì),且兩盾構(gòu)間距小。如施工方法不得當,盾構(gòu)推進參數(shù)選擇不合理,將會造成已完隧道、地面建筑、管線等變形,甚至引發(fā)安全質(zhì)量事故。

該段施工難度大,安全風險巨大,國內(nèi)類似地質(zhì)條件下,未見如此小間距盾構(gòu)施工。為確保該區(qū)間道路、管線、建筑物以及已完隧道安全,該小間距區(qū)間主要采取以下措施。

(1)加強隧道監(jiān)測。設置了4項監(jiān)測項目：隧道應力應變監(jiān)測、隧道表面裂縫監(jiān)測、隧道沉降監(jiān)測、隧道水平位移監(jiān)測，并設定了超限報警值,水平或位移的變化如果超過2 mm/d,系統(tǒng)將會自動報警,立即采取應急措施,確保隧道穩(wěn)定。

(2)在盾構(gòu)推進前,先對軟土進行注漿加固,以改良硬化土質(zhì),減少對周邊環(huán)境的擾動值。

(3)在已完隧道采用臺車支架臨時加固,用以降低盾構(gòu)推進時,對已完隧道壓力傳遞及卸荷,從而控制已完隧道管片變形量。

(4)實時控制盾構(gòu)速度以及盾構(gòu)土倉壓力,避免對周邊環(huán)境的影響。

2 小凈距離施工技術(shù)

2.1 先行隧道內(nèi)注漿加固

(1)小凈距段采用先行(右線)隧道外側(cè)地層打設注漿管注漿加固地層的措施,由于通過原有注漿孔進行注漿加固的范圍有限,根據(jù)實際情況,在管片的吊裝孔打入5根長3 m,1根長1.5 m(圖4),φ42 mm的鋼花管進行注漿加固,來控制后行隧道施工引起先行隧道的變形。

圖4 注漿管安裝示意

(2)選用收縮率小于5%的漿液配比,具體如下：甲液為水∶水泥=0.8，乙液為35Be′水玻璃，甲液∶乙液=1∶1，注漿壓力0.30～0.5 MPa，雙液漿初凝時間為60 s。

(3)注漿加固工序控制

①同一孔內(nèi)采用從外到內(nèi)的方式進行分層注漿,每次拔管長度15 cm；

②同一環(huán)管片內(nèi)不同注漿孔的注漿應注意保持對稱平衡；

③隧道縱向注漿順序采取隔環(huán)跳打的方式,每環(huán)一次施工1～2孔,一般每2個施工環(huán)間隔3～5環(huán)。

2.2 后行隧道(左線)推進控制措施

后行盾構(gòu)推進對先行隧道的影響主要為擠壓作用和單側(cè)卸載作用；后行盾構(gòu)推進對先行隧道的擠壓作用主要是由盾構(gòu)機刀盤壓力和盾尾注漿壓力在地層中的擴散所引起；后行盾構(gòu)盾尾注漿壓力控制適當,可以抵消盾構(gòu)通過引起的單側(cè)卸載效應,保持先行隧道結(jié)構(gòu)與地層約束作用變化較小,隧道受力狀態(tài)變化不大。

后行隧道施工過程中采取的措施。

(1)合理設置土壓力,土倉壓力控制在0.1 MPa,并保證出土量控制在39 m3以內(nèi)。

(2)降低推進速度,嚴格控制推進方向,偏差最大不能超過±30 mm,盡量避免糾偏,特別是大量值糾偏。推進速度控制在10～20 mm/min。

(3)刀盤轉(zhuǎn)速為0.6轉(zhuǎn)/min。

(4)盾構(gòu)推進過后進行注漿,注漿壓力為0.35～0.5 MPa。

(5)控制好盾構(gòu)姿態(tài),確保盾尾間隙均勻,加大盾尾油脂壓注量來防止?jié){液通過盾尾流失,實際盾尾油脂量比正常推進每環(huán)多20 kg。

(6)加強施工過程控制,確保盾構(gòu)連續(xù)穿越,為了確保24 h連續(xù)推進,在穿越前對盾構(gòu)機及其他輔助設備進行一次全面的徹底的檢修。

2.3 在右線隧道內(nèi)架設臨時支撐,臨時支撐采用臺車支撐

隧道臺車共分為4節(jié)(圖5),每節(jié)臺車長7.5 m,每節(jié)臺車上共5環(huán)千斤頂(圖6),每環(huán)千斤頂間距1.2 m，由5個500 kN千斤頂組成,加上底部臺車軌道,共有7個支點。后施工隧道掘進至隧道凈間距小于3 m位置之前,右線提前施工管片臺車。第一次安裝臺車位置,使臺車尾部超出小凈距開始位置5環(huán)(543環(huán)),當盾構(gòu)機刀盤掘進至距第一節(jié)臺車端部5環(huán)時(563環(huán)),左線停止推進,右線用電瓶車牽引臺車移動,在臺車的尾部超出盾構(gòu)機尾部5環(huán)時停止牽引(每次移動7環(huán)),開始第二次臺車安裝。每次從開始移動臺車到臺車安裝完畢,左線需要停機約4 h。右線共需移動臺車10次。

圖5 隧道臺車支撐平面

圖6 隧道臺車支撐剖面

第一次臺車加固位置(左線盾構(gòu)未到達之前),543環(huán) ～568環(huán)(圖7)。

圖7 盾體與臺車位置(單位：m)

臺車第1次移動的位置(左線盾構(gòu)機刀盤掘進至距第一節(jié)臺車端部5環(huán)時〈563環(huán)〉,左線刀盤對應環(huán)數(shù)613環(huán))(圖8)。

圖8 盾體與臺車位置(單位：m)

第二次臺車加固位置(臺車尾部超出盾構(gòu)機尾部5環(huán))(圖9)。

圖9 盾體與臺車位置(單位：m)

2.4 盾構(gòu)推進時,加強右線隧道的變化監(jiān)測

增加在線監(jiān)測設備(圖10)。設備安裝在區(qū)間右線(圖11),里程為：DK16+156～DK16+400(對應環(huán)號為502環(huán)～705環(huán))。監(jiān)測用1套系統(tǒng),分2個階段進行監(jiān)測。第一階段為502～603環(huán),第二階段為604～705環(huán),等左線盾構(gòu)掘進至593環(huán)時,將第一階段的設備移動至第二階段。

在盾構(gòu)推進過程中,安排專人24 h對右線影響范圍之內(nèi)的管片進行觀察。監(jiān)測數(shù)據(jù)實時反饋給左線盾構(gòu)操作室及相關(guān)技術(shù)人員,推進參數(shù)根據(jù)測量結(jié)果進行調(diào)整,在推進過程中保證2條線通訊暢通。

圖10 在線實時監(jiān)測系統(tǒng)

圖11 在線監(jiān)測系統(tǒng)設備安裝示意(單位：mm)

2.5 實測數(shù)據(jù)及分析

在右線隧道內(nèi)每5環(huán)設置1個表面應變計傳感器,每15環(huán)設置1個裂縫傳感器。當左線盾構(gòu)機拼裝586環(huán)時,相對應右線隧道管片為536環(huán),傳感器設置在502環(huán)～577環(huán)之間,當左線盾構(gòu)推進時,右線隧道的前期和后期管片的變化情況都能及時反應出來。通過左線拼裝573環(huán)時的監(jiān)測記錄得知：右線502環(huán)至577環(huán)的管片表面應變計最大值僅為33.33 με,設計報警值為200 με/d；裂縫計最大值僅為0.68 mm,設計報警值為1 mm/d；固定式測斜儀器最大值0.71 mm,設計報警值為2 mm/d；靜力水準儀最大值為0.09 mm/d,設計報警值為2 mm/d。

根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,隧道應力應變監(jiān)測、隧道表面裂縫監(jiān)測、隧道沉降監(jiān)測、隧道水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)都穩(wěn)定在規(guī)范要求報警值的30%以內(nèi),且遠遠小于規(guī)范允許變化值,說明后行隧道施工對先行成型隧道影響非常小,可以看出使用了該項技術(shù),先行隧道變形控制效果較理想,對先行成型隧道起到了很好的保護作用,盾構(gòu)小凈距離施工達到了預期目的。

3 關(guān)鍵控制技術(shù)措施及效果分析

由于該小凈距段最近間距僅2.48 m,所以后行隧道在推進過程中對開挖面產(chǎn)生的擠壓作用、盾殼與周圍土體之間產(chǎn)生的摩擦阻力以及盾構(gòu)管片脫離盾尾時產(chǎn)生的空隙引起的土體應力變化,會有較大部分傳遞給先行隧道,使其受力狀態(tài)發(fā)生變化,如何保證后行隧道順利通過且不破壞、影響先行隧道是關(guān)鍵,施工中采取了以下措施。

(1)在后行隧道盾構(gòu)到達小凈距段之前,先行隧道內(nèi)壁后二次雙液注漿及安裝實時在線監(jiān)測系統(tǒng)。二次注漿可以提高先行隧道的穩(wěn)定性,降低沉降、位移量。

(2)在先行隧道內(nèi)安設臨時支架,增加了先行隧道強度,減小隧道的變形。

(3)通過監(jiān)測系統(tǒng)可以了解先行隧道的變化情況,為盾構(gòu)推進提供隧道變化數(shù)據(jù),如有變化,可及時更改推進參數(shù),保證了隧道的安全。

4 結(jié)語

天津地鐵3號線第12合同段金獅橋站～中山路站區(qū)間在施工過程中,根據(jù)現(xiàn)場情況的變化,不斷地對施工技術(shù)方案進行優(yōu)化,合理組織施工,因此無論是對隧道成品的保護還是盾構(gòu)機姿態(tài),控制的都比較好,有效地控制了隧道的裂縫、錯臺、位移、沉降等質(zhì)量問題,滿足設計及施工規(guī)范要求,多次受到業(yè)主的好評。尤其是這么近距離的雙線盾構(gòu)推進,獲得了寶貴的經(jīng)驗,在以后的盾構(gòu)施工中將得到進一步的應用,并隨著地鐵施工的不斷發(fā)展,對同類條件下的地鐵隧道施工提供了參考和借鑒。

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