復(fù)雜環(huán)境下的既有隧道擴(kuò)挖改造技術(shù)

周清福

(中鐵二十二局六公司，吉林長(zhǎng)春 130000)

隨著城市現(xiàn)代化水平的不斷提高，地下軌道交通呈現(xiàn)快速發(fā)展的趨勢(shì)。隨著目前越來(lái)越多的地下交通工程交疊設(shè)計(jì)與施工，相互影響的情況不斷出現(xiàn)，新建線路穿越既有線路和橋梁的擾動(dòng)控制分析成為了該領(lǐng)域工程研究的主要方向之一［1，2］。

隧道穿越施工是一項(xiàng)存在多項(xiàng)不確定因素共同作用的綜合工程。以隧道穿越既有鐵路和橋梁為例:隧道下穿鐵路引起的鐵路線路變形，加劇了軌道的不平順，不僅加大了輪軌間的沖擊力，加速軌道架構(gòu)和基床的破壞，對(duì)鐵路運(yùn)營(yíng)安全也產(chǎn)生嚴(yán)重影響［3］;在隧道下穿立交橋過(guò)程中，隧道開挖破壞了原有的平衡狀態(tài)，隧道上方及周圍土體必然會(huì)發(fā)生位移，橋梁樁基受土體位移的影響也會(huì)發(fā)生位移和變形，樁周土的沉降對(duì)樁基產(chǎn)生拖曳作用引起樁基沉降，降低其承載力。為了保證既有鐵路和橋梁的安全運(yùn)營(yíng)，目前采取的措施主要有兩個(gè)，一方面主要對(duì)地基土進(jìn)行加固處理，包括徑向全斷面注漿及超前小導(dǎo)管注漿等;另一方面是對(duì)既有鐵路線路加固處理，減少施工對(duì)既有線路的擾動(dòng)。但是傳統(tǒng)的隧道穿越施工主要是針對(duì)暗挖法或盾構(gòu)法的新建隧道，而對(duì)于利用既有隧道擴(kuò)挖改造隧道的穿越施工研究很少。本文以哈爾濱市軌道交通一號(hào)線西大橋站～教化廣場(chǎng)區(qū)間SK8+414～SK8+451段為工程依托，該段為既有7381隧道利用段，下穿濱綏鐵路及西大橋，主要介紹了針對(duì)這種復(fù)雜環(huán)境下對(duì)既有鐵路線路和隧道區(qū)間的地層加固技術(shù)以及對(duì)既有隧道的單側(cè)擴(kuò)挖改造施工技術(shù)，以期為地鐵建設(shè)的同類改造工程提供參考。

1 工程概況

西大橋站～教化廣場(chǎng)站區(qū)間全長(zhǎng)679 m。為既有7381隧道利用段，隧道采取單位邊挖法施工。SK8+414～SK8+451段為下穿濱綏鐵路及西大橋段，其余段為既有7381隧道改造區(qū)間。濱綏鐵路為單線鐵路，SK8+414～SK8+451段為碎石道床。西大橋?yàn)槭姓蛄?，形式為三跨?jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)，與濱綏鐵路正交并上跨鐵路，7381隧道與橋梁平行，在該橋梁樁基間穿過(guò)，7381隧道上方覆土約13 m。西大橋樁基距離既有7381結(jié)構(gòu)外墻距離為一側(cè)約為500 mm，另一側(cè)約為1 000 mm。區(qū)間此段地質(zhì)為粉質(zhì)粘土、粉細(xì)砂及松散土體。地下水位標(biāo)高為119．9 m，承壓水頭高約1 m。

2 加固方案

2．1 線路加固施工方案

加固范圍總長(zhǎng)28．5m，線路加固平面示意圖見(jiàn)圖1，其Ⅰ—Ⅰ斷面圖見(jiàn)圖2，施工時(shí)行車限速40 km/h。

縱梁:線路兩側(cè)縱梁采用3根55c工字鋼組合而成，見(jiàn)圖3中的③，縱梁兩端設(shè)置矩形鋼筋混凝土墩臺(tái)。

圖1 線路加固平面示意圖

圖2 — 斷面示意圖Ⅰ Ⅰ

圖3 Ⅱ— Ⅱ 斷面示意圖

扣軌:在既有軌道兩側(cè)分別設(shè)置3×P43軌束，見(jiàn)圖3中的②，距離既有軌道(見(jiàn)圖3中的①)90 mm。

橫抬梁:每隔一根枕木設(shè)置一根橫抬梁(見(jiàn)圖3中的④)，橫抬梁設(shè)置在既有枕木(見(jiàn)圖3中的⑤)下，橫抬梁底部設(shè)置32a槽鋼;橫抬梁通過(guò)U形螺栓與P43軌束及縱梁連接。

2．2 隧道加固施工方案

區(qū)間改造施工至該段時(shí)，應(yīng)先根據(jù)測(cè)量結(jié)果確定橋梁樁基位置，在洞內(nèi)采用徑向注漿方式加固既有結(jié)構(gòu)周邊土體，增加樁側(cè)阻力。區(qū)間改造施工至橋樁段落時(shí)，首先應(yīng)采用洞內(nèi)徑向注漿措施將受影響的橋樁全部加固完成后，才實(shí)施區(qū)間改造施工，區(qū)間改造施工應(yīng)以快速開挖，快速封閉、二襯緊跟的原則［4］。

1)超前注漿加固。區(qū)間改造施工至鐵路中線下方兩個(gè)各15 m范圍內(nèi)時(shí)，除采用因加固橋梁需要的洞內(nèi)徑向注漿措施外，需采用超前導(dǎo)管超前支護(hù)地層，小導(dǎo)管采用D=42 mm，L=4．5 m普通鋼管，鋼管搭接長(zhǎng)度1．5 m，壁厚4 mm。環(huán)向間距15 cm，自開挖面起拱線打入約為12根～14根(視測(cè)量放樣情況而定)，如圖4所示。管頭為30°的錐體，預(yù)留止?jié){段長(zhǎng)1．0 m，花管部分鉆有φ8 mm注漿孔，梅花形布置。2)徑向注漿加固。加固范圍為SK8+414～SK8+451。全段面徑向打設(shè) φ42@500×500，頂拱入射角45°～60°。梅花形布置，L=3 m。管頭為30°的錐體，預(yù)留止?jié){段長(zhǎng)1．0 m，花管部分鉆有φ8 mm注漿孔，梅花形布置，@200 mm，如圖4所示。3)注漿要求。注漿采用1∶0．8水泥、水玻璃雙液漿。初襯背后為粘性土用超細(xì)水泥漿。注漿壓力注漿量雙重控制，單管 0．1 m3，壓力大于 0．5 MPa 可結(jié)束注漿;單管 0．05 m3，壓力大于1 MPa可結(jié)束注漿。

圖4 徑向注漿加固示意圖

3 既有隧道施工技術(shù)

3．1 區(qū)間施工工序

單側(cè)擴(kuò)挖法施工順序:第一步:鑿除既有結(jié)構(gòu)側(cè)墻部位混凝土;第二步:施作側(cè)墻部位初期支護(hù)，并架設(shè)型鋼支撐;第三步:拆除型鋼支撐，破除既有結(jié)構(gòu)仰拱混凝土;第四步:施作仰拱初期支護(hù)，封閉成環(huán);第五步:施作仰拱二襯及回填混凝土;第六步:模筑拱墻鋼筋混凝土。

3．2 施工控制要點(diǎn)

1)既有隧道破除及土方開挖措施。既有隧道結(jié)構(gòu)破除采用320，75c挖機(jī)配液壓錘結(jié)合人工風(fēng)鎬破除。破除作業(yè)采用跳槽施工，單側(cè)擴(kuò)挖每個(gè)槽段寬度為3．0 m，雙側(cè)擴(kuò)挖每個(gè)槽段寬度為1 m，槽段間距離定為10 m，每個(gè)區(qū)間設(shè)5個(gè)～7個(gè)工作面。每個(gè)槽段采用液壓錘破除時(shí)，上下邊緣各留出約30 cm～40 cm，采用人工風(fēng)鎬修鑿，以免影響保留混凝土結(jié)構(gòu)的整體性。既有隧道結(jié)構(gòu)鑿除后，需要對(duì)結(jié)構(gòu)凈空范圍內(nèi)的土體進(jìn)行開挖作業(yè)。土方開挖主要采用人工開挖，320挖機(jī)配合并裝車外運(yùn)，超挖量控制在10 cm以內(nèi)，嚴(yán)禁欠挖。既有結(jié)構(gòu)鑿除及土方開挖過(guò)程中，超前預(yù)報(bào)與監(jiān)控量測(cè)必須緊跟作業(yè)面，及時(shí)分析反饋，指導(dǎo)安全施工［5］。2)初期支護(hù)。初期支護(hù)采用C25噴射混凝土、鋼筋網(wǎng)鋪設(shè)與格柵鋼架施工，施工步驟與開挖步驟相同。采用風(fēng)鉆鉆孔，鉆孔直徑為48 mm，深度比導(dǎo)管插入長(zhǎng)度視情況而定。用人工錘擊的方法將導(dǎo)管打入。個(gè)別不能打入時(shí)用風(fēng)鉆采用特制鉆桿將小導(dǎo)管頂入，注漿泵注漿。3)隧道初期支護(hù)背后回填注漿。初期支護(hù)施作完畢后，為加固初支背后由于開挖面與填充噴射混凝土可能有的空隙，以最大限度地減少圍巖松動(dòng)和地表沉降及結(jié)構(gòu)滲水，在初期結(jié)構(gòu)封閉成環(huán)3 d后，即進(jìn)行初期支護(hù)背后回填注漿。4)隧道防水層施工。隧道防水設(shè)計(jì)采用全包防水，即一層土工布+一層ECB防水板，全部采用無(wú)釘鋪設(shè)，仰拱澆筑5 cm細(xì)石混凝土保護(hù)層。沿隧道縱向施工縫，防水板每隔8．9 m設(shè)一道外貼式止水帶分區(qū)。5)二次襯砌施工。區(qū)間擴(kuò)挖隧道，襯砌工序安排采取先拱墻后仰拱施工，仰拱混凝土采用定型鋼模施工，每段施工長(zhǎng)度定為20 m，拱墻混凝土均采用模板9 m臺(tái)車施工。二襯施工方法:先施作仰拱及軌下回填，再進(jìn)行拱墻襯砌。隧道襯砌采用整體模板臺(tái)車模筑，暗挖風(fēng)道往車站兩端隧道襯砌采用簡(jiǎn)易拼裝式構(gòu)件臺(tái)架及組合鋼模板，泵送混凝土進(jìn)行灌注。6)二襯砌背后回填注漿。二襯回填注漿在二襯拱墻混凝土灌注后28 d后進(jìn)行。施工結(jié)構(gòu)二次襯砌鋼筋混凝土?xí)r，通過(guò)預(yù)留的錐形檢查孔，作為二襯背后回填注漿時(shí)的注漿孔?；靥钭{壓力不宜過(guò)高，只要能克服管道阻力和二襯防水板之間空隙阻力即可，壓力過(guò)高，易造成結(jié)構(gòu)變形，所以注漿壓力應(yīng)控制在0．3 MPa～0．5 MPa。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以哈爾濱地鐵1號(hào)線利用既有隧道采用單側(cè)擴(kuò)挖下穿濱綏鐵路及西大橋段(SK8+414～SK8+451)為研究背景，通過(guò)對(duì)加固方案和施工技術(shù)的深入研究，得到:1)既有鐵路的沉降變形和隧道穩(wěn)定性之間是相互耦合的，隧道開挖破壞了土體結(jié)構(gòu)的原有平衡，引起地表的沉降變形，地表的沉降變形引起既有線路的沉降變形，線路的沉降變形加劇了軌道的不平順，不僅加大了輪軌間的沖擊力，這種沖擊力作用在地層之上，對(duì)地層產(chǎn)生了擾動(dòng)，改變了地層應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)，從而對(duì)隧道的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。因此線路加固和地層加固是相輔相成的，同時(shí)采用效果更顯著。2)在隧道下穿立交橋過(guò)程中，隧道開挖破壞了原有的平衡狀態(tài)，隧道上方及周圍土體必然會(huì)發(fā)生位移，橋梁樁基受土體位移的影響也會(huì)發(fā)生位移和變形，樁周土的沉降對(duì)樁基產(chǎn)生拖曳作用引起樁基沉降。然而，地層加固改善了地層的物理力學(xué)性質(zhì)，對(duì)地層的抗擾動(dòng)能力有所提高，所以在同等擾動(dòng)情況下，地層的變形會(huì)減小，且隨著地層物理力學(xué)性質(zhì)的提高，樁側(cè)摩阻力會(huì)相應(yīng)的增大，提高了樁基的承載力。3)施工工程中需要嚴(yán)格控制施工工序，先施工11 m側(cè)墻初支，每次開挖寬度不超過(guò)1．5 m，初支完成后架設(shè)工鋼支撐。初支完成后再施工仰拱初支，仰拱初支施工完成11 m后施工仰拱二襯。待11 m仰拱二襯強(qiáng)度到達(dá)70%后，破除下一段側(cè)墻及仰拱，破除方法同前一段。仰拱一次破除寬度不超過(guò)3 m，仰拱全部施工完成后利用模板臺(tái)車施工頂拱二次襯砌。

［1］劉招偉，王夢(mèng)?。罔F隧道盾構(gòu)法施工引起的地表沉降分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2003，22(8):1297-1301．

［2］陶連金，孫 斌，李曉霖，等．超近距離雙孔并行盾構(gòu)施工的相互影響分析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28(9):1856-1861．

［3］徐干成，李成學(xué)．地鐵盾構(gòu)隧道下穿京津城際高速鐵路影響分析［J］．巖土力學(xué)，2009，30(2):269-276．

［4］TZ 204-2008，鐵路隧道工程施工技術(shù)指南［S］．

［5］劉招偉，趙運(yùn)臣．城市地下工程施工監(jiān)測(cè)與信息反饋技術(shù)［M］．北京:科學(xué)出版社，2006．