昆明滇池沉積層近距離重疊地鐵隧洞盾構(gòu)參數(shù)研究

楊公正

(中國(guó)鐵建十六局集團(tuán)北京軌道交通工程有限公司，北京 101100)

城市地鐵中近距離重疊隧道，甚至是重疊隧道同時(shí)下穿既有大型建筑(如火車站)在國(guó)我較常見［1～3］，也積累了相對(duì)較成熟的施工經(jīng)驗(yàn)。而昆明地鐵修建較晚，目前針對(duì)昆明地區(qū)工程地質(zhì)特征的地鐵盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)較少，缺乏較系統(tǒng)的盾構(gòu)經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，重疊地鐵隧洞的盾構(gòu)施工參數(shù)更少。該城市由于滇池的形成，及滇池形成后對(duì)當(dāng)?shù)貧夂虻挠绊?，具有較獨(dú)特的地層結(jié)構(gòu)特征，應(yīng)對(duì)其進(jìn)行針對(duì)性的盾構(gòu)參數(shù)研究。本文以昆明地鐵環(huán)(環(huán)城南路)－昆(昆明火車站)區(qū)間為例，研究近距離重疊地鐵隧洞的盾構(gòu)參數(shù)。

1 工程概況

昆明地鐵環(huán)～昆區(qū)間盾構(gòu)機(jī)在昆明火車站站北端平行始發(fā)，在環(huán)城南路站南端重疊接收，區(qū)間上下重疊隧道的最小凈距為1.8 m，重疊隧道過渡段最小凈距為4.88 m。不同里程處左、右線隧洞位置關(guān)系如圖1 所示，隧洞凈距如表1。管片采用通用型襯砌管片，錯(cuò)縫拼裝，內(nèi)徑5.5 m，厚度0.35 m，外徑6.2 m。

圖1 左右線橫斷面相互位置關(guān)系

表1 環(huán)～昆區(qū)間左右線重疊隧道凈間距統(tǒng)計(jì)

2 工程地質(zhì)特征

環(huán)城南路站～昆明火車站站區(qū)間場(chǎng)地人工填土層分布于全線，以雜填土為主，區(qū)間結(jié)構(gòu)頂埋深8～15 m。表層的人工填土及淺部的新近沉積層厚度約1.2～6.0 m 不等。區(qū)間隧道盾構(gòu)施工范圍內(nèi)主要穿越圓礫層、粉土粉砂層及粘土層。滇池沉積層土體物理力學(xué)性質(zhì)具有明顯的不均勻性。

地下水主要賦存于第四系圓礫土、粉土及含礫粉質(zhì)黏土中，地下水多以潛水或上層滯水形式存在，局部具微承壓。在弱透水層中的地下水對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)不具腐蝕性;對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋在干濕交替條件下不具腐蝕性;對(duì)鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

地下水水位為地表下1.00～2.50 m，潛水位為圓礫層、粉砂層水位，該兩層含水層有水力聯(lián)系。受含水層層面起伏影響，微具承壓性。

該地質(zhì)條件下地鐵盾構(gòu)會(huì)具有以下難度:

(1)由于區(qū)間線路圍巖自穩(wěn)能力較差，地下水量大，地下水位下的碎石類土易涌水、坍落，粉砂(局部為粉土)層易形成流砂，故需對(duì)重疊隧道盾構(gòu)機(jī)出口工作井前后周邊土體采取土體加固措施，確保出口及頂部圍巖的安全。

(2)由于區(qū)間開挖面上廣泛分布有圓礫、粉砂及黏性土層，其中粉砂層流動(dòng)性較好(可能形成流砂)，圓礫層次之，黏性土層差，易因流動(dòng)速度差異、軟硬不均造成盾構(gòu)在線路方向上的偏離，控制盾構(gòu)姿態(tài)是施工難點(diǎn)。

(3)本區(qū)間為上下重疊近接隧道，兩隧道最小凈距為1.8 m，上層隧道的最小覆土為5.5 m，覆土較淺，洞間土體中大量分布流動(dòng)性較好的粉砂層及圓礫層，施工難度高、風(fēng)險(xiǎn)大，施工中需考慮合理的施工順序，避免造成洞間土體的潛蝕、流砂、泥流及突涌現(xiàn)象。

3 盾構(gòu)參數(shù)設(shè)置

借鑒國(guó)內(nèi)其它城市重疊隧道施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合我部對(duì)區(qū)間重疊隧道施工科學(xué)分析，選擇先施工下方隧道，在下方隧道變形穩(wěn)定后，再施工上方隧道。具體施工步驟:下部右線隧道掘進(jìn)施工→已建隧道周邊土體注漿加固→安裝架設(shè)臨時(shí)支撐→上部左線隧道掘進(jìn)施工→左線隧道后期注漿加固。

3.1 管片配筋加強(qiáng)并增設(shè)注漿孔

由于左右線隧道最小凈距離僅為1.8 m，上部隧道掘進(jìn)時(shí)會(huì)對(duì)下部隧道產(chǎn)生附加應(yīng)力，而且長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)中上部隧道的振動(dòng)會(huì)對(duì)下部隧道產(chǎn)生不利影響，為保證下部隧道的強(qiáng)度，本部在環(huán)～昆區(qū)間隧道凈間距小于3m 處，都采用增設(shè)注漿孔管片，對(duì)右線隧道加大管片的配筋，重疊段采用增設(shè)孔管片。

3.2 重疊隧道盾構(gòu)施工參數(shù)

上部左線隧道斷面主要為圓礫層、粉砂層，所以盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)土壓力的設(shè)定原則為:土壓平衡模式。考慮土層的松散系數(shù)，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的實(shí)際出土體積控制在48 m3，掘進(jìn)過程中必須嚴(yán)格控制出土量，一旦有超挖現(xiàn)象，必須對(duì)該區(qū)段進(jìn)行處理，包括二次補(bǔ)漿。地面沉降控制在－30 mm～10 mm。

同步注漿:我部盾構(gòu)隧道管片拼裝后每環(huán)壁后理論空隙為2.61 m3，要求實(shí)際每環(huán)注漿量控制在4.7 m3以上，注入率180%以上，注漿壓力在0.35 MPa 左右，確保壁后空隙填充飽滿，減少地面沉降。

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制:根據(jù)操作系統(tǒng)的電腦屏幕上顯示的圖像和數(shù)據(jù)，盾構(gòu)機(jī)操作手通過合理調(diào)整各分區(qū)千斤頂?shù)膲毫ΓЫ镯斁幗M及刀盤轉(zhuǎn)向來調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，具體操作原則為:盾構(gòu)機(jī)滾動(dòng)角可以通過改變刀盤旋轉(zhuǎn)方向調(diào)節(jié)。

盾構(gòu)機(jī)豎直方向(高程)放入控制:一般情況下，盾構(gòu)機(jī)豎向軸線偏差應(yīng)控制在±20 mm 以內(nèi)，趨勢(shì)值控制在±4 mm以內(nèi)，否則會(huì)引起盾尾間隙過小和管片錯(cuò)臺(tái)破裂等問題。開挖面土體比較均質(zhì)或軟硬差別不大時(shí)，盾構(gòu)機(jī)應(yīng)與設(shè)計(jì)軸線保持平行或適當(dāng)抬頭。開挖面巖土軟硬不均時(shí)，為防止盾構(gòu)機(jī)偏頭，可適當(dāng)增加局部千斤頂推力。困難地段可考慮使用超挖刀，合理使用鉸接油缸，使盾構(gòu)姿態(tài)與設(shè)計(jì)線路更加吻合。操作盾構(gòu)機(jī)時(shí)，還應(yīng)注意各組千斤頂?shù)男谐滩畈荒苓^大。

盾構(gòu)機(jī)水平方向(平面)的控制:一般情況下，盾構(gòu)機(jī)水平軸線偏差應(yīng)控制在±20 mm 以內(nèi)，趨勢(shì)值控制在±4 以內(nèi)，否則會(huì)引起盾尾間隙過小和管片錯(cuò)臺(tái)破裂等問題。在緩和曲線段及圓曲線段，盾構(gòu)機(jī)水平偏差控制在±30 m m 以內(nèi)，水平趨勢(shì)控制在±7。曲線半徑越小控制難度越大，直線段進(jìn)入緩和曲線或圓曲線段時(shí)，根據(jù)地層情況，采取一定的措施，使管片的中心軸線更好與隧道軸線吻合。

3.3 注漿

由于上下重疊隧道間的最小凈間距只有1.8 m，考慮左線(上部)盾構(gòu)施工對(duì)右線(下部)成型隧道影響，以及地鐵列車行駛的動(dòng)載荷產(chǎn)生的附加應(yīng)力對(duì)相鄰隧道會(huì)產(chǎn)生較大影響。管片壁后同步注漿飽滿，在漿液中摻入水玻璃加快凝結(jié)時(shí)間，并適當(dāng)加大水泥摻入比例，提高漿液固結(jié)強(qiáng)度。

對(duì)區(qū)間中水平及豎向距離均小于3 m 的重疊隧道采取洞內(nèi)注漿的措施進(jìn)行加固，具體加固里程范圍為右IDK13+084.940～右IDK13+203.300 與 右IDK13+766.600～右IDK13+857.552。重疊隧道采用增設(shè)注漿孔管片，注漿利用每環(huán)管片上預(yù)留的16個(gè)注漿孔進(jìn)行插管注漿，注漿管采用￠32 鋼花管，壁厚t=3.5 mm，在上、下方隧道夾層土體間形成加固體，提高土體承載力，經(jīng)加固后的土體達(dá)到0.8 MPa。洞內(nèi)加固范圍為下方隧道拱頂180°范圍，徑向3 m 的扇形區(qū)域;上方隧道底部120°范圍，徑向3 m 的扇形區(qū)域。使隧道管片與巖壁的間隙充分填充密實(shí)，提高圍巖的承載力以及使管片均勻受載，有利于控制重疊近接隧道長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)引起的隧道變形和沉降。小間距重疊隧道加固橫斷面如圖2。

3.4 鋼管支架加固

由于重疊隧道最小凈距只有1.8 m，為了確保左線(上洞)盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)右線成型隧道的安全，擬采取扣件式鋼管搭設(shè)滿堂支架對(duì)下洞進(jìn)行支撐加固，待盾構(gòu)機(jī)通過后再拆除。根據(jù)隧道的地質(zhì)條件以及目前施工進(jìn)度情況，同時(shí)考慮電瓶車能通過鋼架運(yùn)輸材料的條件，按照支撐穩(wěn)固、安裝拆除方便、快捷且經(jīng)濟(jì)合理的原則進(jìn)行鋼管支架設(shè)計(jì)。

鋼管支架加固施工順序:左線(上洞)盾構(gòu)機(jī)到達(dá)重疊隧道前，先安裝好右線(下洞)重疊段前20 環(huán)鋼管支架，當(dāng)左線盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至位于右線已安裝好20 環(huán)鋼管支架上方中心位置，即盾構(gòu)機(jī)刀盤到達(dá)第14 環(huán)時(shí)，左線盾構(gòu)機(jī)每向前掘進(jìn)一環(huán)，鋼管支架同步向前延伸一環(huán)(可將最后一環(huán)鋼管支撐拆除安裝到最前面一環(huán)，重復(fù)利用鋼管)，始終使左線(上洞)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)始終處于下洞20 環(huán)鋼管支撐加固區(qū)域的中心位置，以保護(hù)下洞的安全。

圖2 小間距重疊隧道加固橫斷面(單位:m)

4 結(jié)束論

針對(duì)昆明滇池沉積層的工程地質(zhì)特點(diǎn)，提出了針對(duì)性的盾構(gòu)參數(shù)，獲得了理想的開挖效果。

(1)由于下部隧道因要承受上部隧道掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的附加力，管片的配筋應(yīng)加強(qiáng)，并且在管片上增設(shè)注漿孔。

(2)下部盾構(gòu)施工時(shí)，管片壁后應(yīng)同步注漿飽滿，在漿液中摻入水玻璃，加快凝結(jié)時(shí)間;并適當(dāng)加大水泥摻入比例，提高漿液結(jié)實(shí)強(qiáng)度;及時(shí)進(jìn)行二次補(bǔ)償注漿，使隧道管片與巖壁的間隙充分填充密實(shí)，提高圍巖的承載力，使管片均勻受載。

(3)由于左右線凈距較小(1.8 m)，且兩隧道夾土層有圓礫層、粉砂層，滲透性較大，且擾動(dòng)后承載力迅速降低，因此在左線盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)采取微擾動(dòng)掘進(jìn)模式，控制掘進(jìn)參數(shù)連續(xù)、勻速通過疊線段。

(4)根據(jù)隧道所處區(qū)域的地質(zhì)條件，合理選擇盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)(刀盤轉(zhuǎn)速、土艙壓力、油缸推力、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速)，控制好同步注漿量、掘進(jìn)速度以及出土量是控制既有隧道變形的關(guān)鍵因素。

［1］蘇宗賢，何川.成都地鐵1號(hào)線盾構(gòu)隧道下穿火車北站站場(chǎng)股道的數(shù)值分析［C］//中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第十二屆年會(huì)暨隧道及地下工程分會(huì)第十四屆年會(huì)論文集，2006

［2］洪開榮.盾構(gòu)隧道穿越廣州火車站站場(chǎng)的設(shè)計(jì)與施工［J］.現(xiàn)代隧道技術(shù)，2002，39(6):34－37

［3］張鳳祥，朱合華，傅德明，等.盾構(gòu)隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004