蘇州軌道交通2號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與難點(diǎn)

王效文

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

蘇州軌道交通2號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道設(shè)計(jì)的特點(diǎn)與難點(diǎn)

王效文

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063)

結(jié)合蘇州軌道交通2號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間隧道的設(shè)計(jì)，針對(duì)盾構(gòu)隧道下穿沿線大量房屋，深入研究不同房屋建筑的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)、盾構(gòu)同步注漿和二次注漿參數(shù)、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、監(jiān)控方案等，提出了明確的保護(hù)實(shí)施方案；對(duì)線路繞避橋梁、橋梁拆除和盾構(gòu)機(jī)直接切割橋樁方案做了技術(shù)比選，重點(diǎn)介紹盾構(gòu)機(jī)切割橋樁的實(shí)施要求如盾構(gòu)機(jī)刀盤改造、橋梁截樁保護(hù)、掘進(jìn)施工和盾構(gòu)隧道加強(qiáng)措施等；對(duì)盾構(gòu)隧道下穿鐵路站場，根據(jù)城際高速鐵路和普速鐵路不同的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，研究制定了不同的加固方案，結(jié)合鐵路站場改造協(xié)調(diào)制定了具體的加固實(shí)施方案。

盾構(gòu)隧道；下穿房屋；鐵路站場；切割橋樁；保護(hù)方案

1 工程概況

蘇州軌道交通2號(hào)線全長26.5 km，其中高架線長7.1 km、地下線及過渡段19.4 km，共設(shè)車站22座。

經(jīng)綜合比選，2號(hào)線區(qū)間隧道除風(fēng)井、高架與地下過渡段、與火車站改造合建的區(qū)間采用明挖法施工外，其余地下區(qū)間全部采用盾構(gòu)法施工，其中聯(lián)絡(luò)通道采用凍結(jié)法加固、礦山法施工。盾構(gòu)區(qū)間共有15個(gè)，設(shè)置聯(lián)絡(luò)通道15座，隧道總長度約27 km，使用12臺(tái)盾構(gòu)機(jī)施工。

2號(hào)線于2009年12月26日全線開工，第一臺(tái)盾構(gòu)機(jī)于2010年8月4日開始掘進(jìn)，全線盾構(gòu)區(qū)間隧道于2012年12月8日全線洞通，2013年9月21日開始全線試運(yùn)行，2013年12月28日全線試運(yùn)營。

2 主要技術(shù)特點(diǎn)

2.1 地質(zhì)概況

2號(hào)線沿線場區(qū)內(nèi)地勢平坦、水系發(fā)育，地層均為第四系晚更新統(tǒng)～中更新統(tǒng)的沖湖積相、海陸交互相沉積物，地層分布較為均勻，盾構(gòu)穿越的土層主要為粉質(zhì)黏土層、粉土層、粉砂層，地下水位高。其中，粉土、粉砂稍密～中密，滲透性較好，且為微承壓含水層；粉質(zhì)黏土為流塑～可塑，土體較為軟弱。

2.2 周邊環(huán)境與控制節(jié)點(diǎn)

(1)周邊環(huán)境復(fù)雜。自北向南，2號(hào)線區(qū)間隧道明挖段側(cè)穿京滬高速鐵路高架橋，高架段道路較寬闊，入地后穿越滬寧高速鐵路和普速鐵路站場進(jìn)入中心城區(qū)，主要位于主干道和建筑物下方，沿線管線密集，下穿或近距離側(cè)穿各類建筑物多達(dá)570棟，沿線下穿眾多河流，其中較大河流有外城河、京杭大運(yùn)河、胥江等。

(2)控制節(jié)點(diǎn)多。除了下穿大量的地面建筑物，2號(hào)線區(qū)間隧道還下穿了蘇州火車站站場及滬寧城際鐵路、滬寧高速公路、西氣東輸管道、文物保護(hù)單位玉涵堂、正穿廣濟(jì)橋橋樁等，這些工程節(jié)點(diǎn)不僅要嚴(yán)格控制工程風(fēng)險(xiǎn)，還需要向相關(guān)主管單位進(jìn)行申報(bào)。對(duì)于上述工程節(jié)點(diǎn)，均進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，制定詳盡的保護(hù)方案，并進(jìn)行專項(xiàng)論證。

2.3 設(shè)計(jì)主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)合蘇州軌道交通1號(hào)線的工程實(shí)踐，蘇州地層不均勻沉降和后期沉降因素對(duì)隧道內(nèi)徑影響較小，理論上盾構(gòu)隧道選擇5 500-350-1 200 mm或5 400-300-1 200(1 500) mm模式都是可以的，但考慮盾構(gòu)機(jī)在粉土粉砂地層掘進(jìn)的施工誤差可能較大，同時(shí)考慮華東地區(qū)盾構(gòu)機(jī)資源共享和1號(hào)線盾構(gòu)機(jī)資源的連續(xù)使用，仍然選擇5 500-350-1 200 mm模式。

全線均采用鋼筋混凝土平板形管片襯砌形式，3塊標(biāo)準(zhǔn)塊+2塊鄰接塊+1塊封頂塊的6分塊模式，拼裝采用華東地區(qū)常見的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)+左右轉(zhuǎn)彎環(huán)形式，管片間采用彎螺栓連接，錯(cuò)縫拼裝。盾構(gòu)隧道接縫外側(cè)采用單道框形彈性密封墊防水，黏土地層采用三元乙丙橡膠，砂土地層采用三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠嵌條復(fù)合型，通過河、湖下時(shí)采用三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠面片復(fù)合型。接縫內(nèi)側(cè)采用嵌縫處理，嵌縫材料為特殊齒形嵌縫條與遇水膨脹橡膠膩?zhàn)印?/p>

全線選用加泥式土壓平衡盾構(gòu)。

3 主要技術(shù)難點(diǎn)

3.1 盾構(gòu)下穿建筑物(圖1、圖2)

2號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間需下穿各類建筑物多達(dá)570棟，且建筑物種類多，有廠房、居民小區(qū)、商業(yè)大廈、文物保護(hù)單位等，建筑物建設(shè)年代、基礎(chǔ)形式和結(jié)構(gòu)類型多種多樣，工程風(fēng)險(xiǎn)控制難度大。部分區(qū)間建筑物密集(如廣濟(jì)路站—三香廣場站區(qū)間、長吳路站—寶帶西路站區(qū)間)，盾構(gòu)需要連續(xù)下穿建筑群，進(jìn)一步增加了工程風(fēng)險(xiǎn)。如何確保盾構(gòu)安全穿越建筑物，成為蘇州軌道交通2號(hào)線土建工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

圖1 廣濟(jì)路站—三香廣場站區(qū)間隧道連續(xù)下穿建筑物平面示意

圖2 長吳路站～寶帶西路站區(qū)間隧道連續(xù)下穿建筑物平面示意

盾構(gòu)下穿建筑物，引起建筑物沉降是不可避免的。首先，在確定線路方向和站位方案時(shí)，盡量避免線路長距離下穿建筑群；當(dāng)線路難以避免連續(xù)下穿建筑物時(shí)，可通過局部調(diào)整優(yōu)化線路，必要時(shí)適當(dāng)減小曲線半徑、增設(shè)曲線、調(diào)整車站站位等方法，盡量繞避敏感、控制性建筑物。例如，2號(hào)線三醫(yī)院站—石路站區(qū)間原線路方案下穿汀洲會(huì)館及玉涵堂兩處文物保護(hù)單位，通過優(yōu)化線路，避開了以上2處文物保護(hù)單位，僅下穿玉涵堂的次要建筑，顯著地降低了工程風(fēng)險(xiǎn)。另外，線路縱斷面方面，考慮隧道開挖引起的地表沉降隨著隧道埋深的加大而減小，在埋深小于15 m時(shí)，效果尤為顯著。因此，連續(xù)下穿建筑物區(qū)段適當(dāng)調(diào)整加大線路埋深，必要時(shí)適當(dāng)加大車站埋深，如三香廣場站結(jié)合地下空間開發(fā)設(shè)計(jì)為地下三層站，既有利于降低施工風(fēng)險(xiǎn)，也有利于減小運(yùn)營階段列車振動(dòng)和噪聲對(duì)地面建筑物的影響、滿足環(huán)評(píng)要求。區(qū)間下穿玉涵堂線路優(yōu)化示意見圖3。

圖3 區(qū)間下穿玉涵堂線路優(yōu)化示意

在國內(nèi)外調(diào)研、現(xiàn)場試驗(yàn)、理論分析的基礎(chǔ)上，施工階段采取了加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)控制和信息化施工、及時(shí)同步注漿和二次注漿，必要時(shí)進(jìn)行地面注漿的保護(hù)方案。具體要求如下。

(1)盾構(gòu)穿越建筑物加強(qiáng)措施段劃分

隧道中心線左右各20 m，建筑物前20環(huán)管片寬度(24 m)和后10環(huán)管片寬度(12 m)范圍為穿越建筑物加強(qiáng)措施段。

(2)地表、建筑物沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

①地表沉降不大于16 mm，隆起不大于4 mm。地表沉降變形預(yù)警值、報(bào)警值和控制值分別為10 mm、13 mm和16 mm。地表隆起變形控制值為4 mm。

②建筑物沉降不大于20 mm、隆起不大于4 mm、傾斜不大于4‰。建筑物沉降變形的預(yù)警值、報(bào)警值、控制值分別為12 mm、16 mm和20 mm。建筑物隆起變形控制值為4 mm，傾斜變形控制值為4‰。

(3)同步注漿及二次注漿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

①同步注漿(可硬性漿液)

注漿材料：要求≥42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，細(xì)砂通過5 mm篩孔。

漿液性能：稠度10～13 cm，凝結(jié)時(shí)間7～8 h，7 d強(qiáng)度≥0.4 MPa，14 d強(qiáng)度≥1.0 MPa。

注漿量：≥4.0 m3/環(huán)。

②二次注漿

配比：水泥漿與水玻璃體積比1∶1，水玻璃用水稀釋1∶3，水泥漿水灰比1∶1。

注漿量：≥1.2 m3/環(huán)。

注漿開始時(shí)間：管片脫出盾尾5環(huán)。

(4)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)：盾構(gòu)機(jī)在穿越建筑物前需對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行檢修，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前必須更換3道新的知名品牌盾尾刷。

掘進(jìn)速度：盾構(gòu)應(yīng)勻速掘進(jìn)，掘進(jìn)速度2～3 cm/min。

盾構(gòu)姿態(tài)控制：盾構(gòu)姿態(tài)應(yīng)控制盾首或盾尾的垂直及水平偏差絕對(duì)值在一定范圍之內(nèi)，同時(shí)需控制盾首和盾尾偏差絕對(duì)值之和。

盾尾油脂：盾尾油脂應(yīng)采用知名品牌，用量為≥35 kg/環(huán)。

渣土改良：在隧道所處土層的粉細(xì)砂斷面≥1/2時(shí)，應(yīng)使用知名品牌土壓平衡盾構(gòu)機(jī)專用泡沫劑，添加量≥20 kg/環(huán)。

目前，蘇州軌道交通2號(hào)線隧道已順利貫通，97.5%的建筑物沉降點(diǎn)均在控制值內(nèi)，說明以上控制措施是可以滿足盾構(gòu)下穿建筑物的風(fēng)險(xiǎn)控制要求。

3.2 盾構(gòu)切割橋樁

2號(hào)線三醫(yī)院站—石路站盾構(gòu)區(qū)間下穿廣濟(jì)橋。該橋跨為3孔(16+11+16 m)預(yù)應(yīng)力混凝土簡支板梁橋。橋梁結(jié)構(gòu)和隧道的相對(duì)位置關(guān)系如圖4、圖5所示。廣濟(jì)橋總寬32 m，其中車道凈寬22 m，兩側(cè)人行道各5 m。下部結(jié)構(gòu)采用重力式橋臺(tái)，薄壁橋墩，鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。廣濟(jì)橋墩臺(tái)基礎(chǔ)共有14根φ1 m和φ1.2 m鉆孔灌注樁侵入?yún)^(qū)間隧道開挖范圍，樁基主筋為φ20 mm和φ22 mm。

圖4 橋梁結(jié)構(gòu)和隧道位置關(guān)系平面

圖5 橋梁結(jié)構(gòu)和隧道位置關(guān)系立面(單位：cm)

在線路選線階段，盡量考慮三醫(yī)院站—石路站區(qū)間隧道繞避廣濟(jì)橋的方案，但由于廣濟(jì)橋與石路站距離僅60 m，繞避方案一是需要改移站位，二是道路兩側(cè)房屋拆遷量很大，推薦采用盾構(gòu)施工前對(duì)廣濟(jì)橋進(jìn)行拆除、拔除樁基后重建成淺基礎(chǔ)橋梁的方案。

由于廣濟(jì)路位于蘇州石路商圈，交通流量較大(高峰小時(shí)雙向交通量2 500 pcu/h)，經(jīng)過的公交線路達(dá)23條之多，周圍建(構(gòu))筑物密集，采用拆橋還建方案社會(huì)和經(jīng)濟(jì)成本較高，同時(shí)施工期間需要封閉道路，對(duì)商業(yè)區(qū)的公共交通干擾很大，交通疏解非常困難。在施工方案研究階段，綜合考慮施工風(fēng)險(xiǎn)、交通疏解、社會(huì)影響等因素，經(jīng)過調(diào)研和專題研究論證，決定采用“廣濟(jì)橋老橋保留，老橋基礎(chǔ)加固，盾構(gòu)截?cái)鄻痘┰嚼蠘颉钡姆桨?，在?duì)廣濟(jì)橋部分橋墩進(jìn)行加固、隧道結(jié)構(gòu)加強(qiáng)配筋的條件下，可以保證廣濟(jì)橋和盾構(gòu)隧道的安全。

在工程實(shí)施階段，為保證廣濟(jì)橋和盾構(gòu)隧道的安全，采取了以下工程措施。

(1) 盾構(gòu)穿越前，對(duì)廣濟(jì)橋部分橋墩進(jìn)行加固，加固墩基持力層。

(2) 下穿廣濟(jì)橋段盾構(gòu)隧道管片加強(qiáng)配筋，采用超深埋管片。

(3) 從盾構(gòu)機(jī)掘削能力、刀盤刀具、螺旋輸送機(jī)出土、壁后注漿管路保護(hù)及人艙等多方面對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行改造。

(4) 盾構(gòu)穿越前，在石路站內(nèi)開展試切樁試驗(yàn)，驗(yàn)證切樁的可行性，積累施工參數(shù)。

(5) 制定專項(xiàng)施工方案，并進(jìn)行專家評(píng)審。

(6) 成立“盾構(gòu)切削廣濟(jì)橋樁基指揮中心”，由各參建單位人員共同組成，加強(qiáng)盾構(gòu)切樁過程的監(jiān)督管理，及時(shí)有效處理問題。

盾構(gòu)穿越橋梁后，墩臺(tái)和橋面沉降均小于4 mm，未對(duì)廣濟(jì)橋正常使用造成任何影響。

3.3 盾構(gòu)下穿蘇州火車站站場

2號(hào)線蘇州火車站—三醫(yī)院站區(qū)間隧道長度1462雙線米，除與火車站南北通道等相關(guān)工程合建段102 m采用明挖法外，其余均采用盾構(gòu)法施工，其中長約260 m的區(qū)段以半徑400 m的曲線下穿正在建設(shè)改造的蘇州火車站站場，包括既有滬寧鐵路和車站道岔區(qū)、站場過渡線和當(dāng)時(shí)即將開通的滬寧城際鐵路。隧道下穿火車站站場段的線間距14.8～18.9 m，隧道覆土厚度約15 m，隧道與鐵路站場的平面位置關(guān)系如圖6所示。

圖6 盾構(gòu)隧道與鐵路站場的平面位置關(guān)系

結(jié)合鐵路站場改造和工程實(shí)施進(jìn)度，先做好必要的盾構(gòu)施工預(yù)加固保護(hù)措施。施工順序是，在北區(qū)滬寧城際站場(城際場)施工前實(shí)施加固工程，然后施工北區(qū)城際鐵路站場，待南區(qū)既有滬寧鐵路站場(普速場)轉(zhuǎn)至北區(qū)過渡時(shí)加固南段，最后完成南區(qū)站場改造。2號(hào)線盾構(gòu)隧道施工下穿站場段時(shí)在加固工程的保護(hù)下進(jìn)行。具體加固方案如下。

(1)隧道下穿站場段全部采用袖閥管注漿加固，在外圍采用單排三軸攪拌樁作為止水帷幕，如圖7所示。

圖7 注漿加固橫剖面(單位：mm)

(2)在隧道穿越滬寧城際正線段，采用梁板+樁保護(hù)。板平行于鐵路正線布置，兩端與鐵路線路垂直，鋼筋混凝土板厚1.5 m，平行于正線方向的總長度約79 m，寬12 m，板下方設(shè)4排φ1 000 mm@3 000 mm鉆孔灌注樁，每排樁樁頂設(shè)1 500 mm×2 000 mm的橫梁。兩隧道中間和隧道兩側(cè)的樁長分別為50 m、55 m，板角部樁長50 m。如圖8、圖9所示。

圖9 板+樁保護(hù)方案剖面(單位：mm)

為控制城際正線的沉降，采取以下輔助施工措施。

(1)鉆孔灌注樁采用后注漿措施，以提高樁基的承載力和減少樁基沉降。

(2)盾構(gòu)施工時(shí)加強(qiáng)同步注漿，必要時(shí)進(jìn)行二次注漿，減少地層沉降。

(3)在板下方預(yù)埋注漿系統(tǒng)，盾構(gòu)下穿過程中進(jìn)行跟蹤注漿。

(4)在盾構(gòu)施工過程中加強(qiáng)監(jiān)控量測，嚴(yán)格控制地面的下沉或隆起，出現(xiàn)問題應(yīng)該及時(shí)解決，以避免對(duì)鐵路運(yùn)營造成影響。

(5)為控制滬寧城際鐵路在板樁加固范圍內(nèi)與板樁加固區(qū)外的差異沉降，板與路基的過渡段施作CFG樁順接處理。

通過所采取的地基處理措施及盾構(gòu)施工參數(shù)的控制，隧道穿越后，滬寧普速線最大隆起值為2.8 mm、最大沉降值為4.6 mm，滬寧城際鐵路正線最大隆起值為1.4 mm、最大沉降值為1.0 mm，均能滿足鐵路路基工后沉降不得大于15 mm的變形控制要求。

4 結(jié)語

設(shè)計(jì)方案合理，前期調(diào)研與專題研究對(duì)所遇困難估計(jì)充分是成功的前提。下穿房屋的結(jié)構(gòu)類型和使用狀態(tài)、下穿鐵路站場如何與站場改造結(jié)合、盾構(gòu)機(jī)切樁后橋梁使用狀態(tài)等重難點(diǎn)工程的設(shè)計(jì)，經(jīng)過詳細(xì)勘察并向相關(guān)主管部門反復(fù)匯報(bào)論證，多次前往國內(nèi)類似工程考察交流，盾構(gòu)下穿房屋、切割橋樁、下穿鐵路站場等重難點(diǎn)工程的專題研究成果經(jīng)過多輪專家評(píng)審修正，為工程實(shí)施打下了良好的基礎(chǔ)。

施工方案和施工過程控制是工程取得成功的關(guān)鍵。重難點(diǎn)工程實(shí)施前，對(duì)盾構(gòu)機(jī)的性能狀態(tài)、刀盤改造、盾尾刷密封效果、盾尾油脂的選擇、開口率與出土速度、注漿材料與注漿量等結(jié)合工程試驗(yàn)和1號(hào)線的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了深入研究，對(duì)前期加固工程的實(shí)施效果、切樁試驗(yàn)數(shù)據(jù)等作了詳細(xì)的反分析，據(jù)此制訂了施工過程關(guān)鍵工序控制措施、監(jiān)測方案、應(yīng)急處理預(yù)案，最終取得很好的施工效果，也為其他類似工程提供了很好的借鑒。

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Characteristics and Difficulties in Design of Shield Tunnel on Suzhou Track Transit No.2 Line

Wang Xiaowen

(The Fourth Railway Survey And Design Institute Group Corporation， Wuhan 430063, China)

With reference to the design of the shield tunnel on Suzhou track transit No.2 line， this paper defines the protection program with respect to the passing of shield tunnel through building blocks along the line and based on the extensive study of the settlement control criteria for different buildings， parameters for shield simultaneous grouting and second grouting， parameters for shield excavation and monitoring plan. Technical comparison is conducted of the line bypassing bridges， bridge demolishment， and plan of cutting piles directly by shield machine. Requirements for cutting bridge piles by shield machine are addressed， such as modification of cutter， protection of cut piles， excavation and shield tunnel reinforcing measures. Different reinforcement programs are drawn out for the passing of shield tunnel under railway yard according to different settlement standards relating to intercity high speed railway and normal speed railway， and detailed reinforcing program is prepared in coordination with the upgrading of railway yard．

Shield tunnel; Passing under building; Railway yard; Cutting bridge pile; Protection program

2014-06-10

王效文(1964—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師，1990年畢業(yè)于西南交通大學(xué)，工學(xué)碩士。

1004-2954(2014)11-0116-05

U452.2

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.027