深港隧道下穿運營地鐵和商業(yè)街地層沉降控制技術(shù)

劉文軍

(中鐵十五局集團有限公司，上?！?00070)

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深港隧道下穿運營地鐵和商業(yè)街地層沉降控制技術(shù)

劉文軍

(中鐵十五局集團有限公司，上海200070)

摘要：介紹廣深港客運專線深港隧道下穿深圳地鐵1號線、地下商業(yè)街工程，綜合應用拱部高壓水平旋噴樁、長管棚、超前深孔預注漿作為隧道超前支護，采用洞樁法施做鉆孔灌注樁和樁間咬合旋噴樁作為隧道兩側(cè)的圍護結(jié)構(gòu)，CRD法開挖和支護，以及施工過程實時監(jiān)控量測，及時反饋、指導施工，通過小導洞對隧道上方地層實施加固補償注漿，分層分部位加固土體，精確控制沉降，確保隧道上方建筑物的結(jié)構(gòu)安全和地鐵運行安全。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；洞樁法；CRD法；樁基托換；補償注漿；監(jiān)控量測；沉降控制

淺埋暗挖法是城市中修建地下鐵路隧道常用的施工方法[1]，但該方法會因為含水地層失水、施工對地層的擾動及施工措施不當?shù)纫鸬貙映两礫2-5]。在富水地層中施工大斷面隧道除了應遵守一般的技術(shù)規(guī)范外，還應該根據(jù)項目實際情況，采取一些針對性強的技術(shù)措施，以滿足施工安全、質(zhì)量和工期要求。通過對深港隧道淺埋暗挖施工過程中地層沉降控制技術(shù)研究，分析施工處理效果，為控制復雜地層淺埋暗挖施工沉降控制提供借鑒。

1項目概況

廣深港客運專線南北向穿越深圳市中心，在福田站南端隧道與福華路地下商業(yè)街、深圳地鐵1號線區(qū)間隧道平面位置重疊，地表為益田路與福華路相交的十字路口，交通繁忙，地下一層為福華路地下商業(yè)街，地下二層為深圳地鐵1號線區(qū)間隧道，地下三層為深港隧道暗挖段，該段隧道全長82.3 m。

該處地層從上至下依次為素填土、淤泥質(zhì)細砂、淤泥、粗砂、粉質(zhì)黏土，下伏全風化、強風化、弱風化花崗巖。地下水主要賦存于砂土層中，透水性強，富水性好。

地下商業(yè)街高4.9 m，埋深1.47 m，位于素填土、淤泥質(zhì)土、淤泥地層；地鐵1號線高6.7 m，位于粗砂和粉質(zhì)黏土地層，與地下商業(yè)街間地層厚度1.83 m；深港隧道結(jié)構(gòu)斷面分兩種：DK111+986.7～DK112+021段長34.3 m，開挖高度為11.88 m，開挖寬度為14.7 m，斷面146.6 m2，DK112+021～DK112+069段長48 m，開挖高度為11.58 m，開挖寬度為14.1 m，斷面137.32 m2，開挖邊線距離地鐵1號線隧道結(jié)構(gòu)底板約3.1 m，隧道主要位于全風化花崗巖地層，下部進入強風化花崗巖地層。有7根地下商業(yè)街樁基從隧道拱部中心線位置穿過隧道范圍，另有地下商業(yè)街7根樁基從隧道側(cè)面局部穿過隧道范圍，如圖1所示。

圖1　隧道與既有建筑位置關(guān)系示意

2施工方案

根據(jù)本隧道特點，結(jié)合現(xiàn)場實際情況，先從隧道兩端施作水平旋噴樁以加固拱部土層[6-7]，后施作長管棚和超前注漿，再施作兩側(cè)小導洞，通過小導洞對地鐵底部地層進行注漿加固，同時在小導洞內(nèi)采用洞樁法施做正洞的圍護樁[9]，最后采用CRD法施工正洞。當導洞和正洞開挖靠近地鐵正下方時，調(diào)整開挖作業(yè)時間，只在凌晨0：00～5：00點開挖，其他時間施做初期支護等工作。施工過程中，對地鐵隧道結(jié)構(gòu)和地下商業(yè)街實施嚴密的監(jiān)控量測[10-11]，當監(jiān)控數(shù)據(jù)超過設(shè)計允許值時，立即停止施工，分析、查找原因，及時處理，待監(jiān)控數(shù)據(jù)得到控制后方可恢復施工。

2.1　水平旋噴樁

在隧道拱部施做3排φ600 mm高壓水平導向旋噴樁，孔間距400 mm，排間距400 mm，從隧道兩端相向施工，采用跳打、對打，北端加固長度為41.65 m，南端加固長度為43.65 m，搭接3 m，旋噴樁及超前注漿布置詳見圖2。

圖2　水平旋噴樁及超前注漿布置(單位：mm)

開工前，在地層內(nèi)不同深度處埋設(shè)2個接收天線，確保了鉆孔全程均能測量鉆孔偏斜度，每鉆進3 m測量1次，及時糾偏?？孜徽`差不得大于50 mm，傾角與設(shè)計誤差不得大于1°。施工過程中，嚴格控制和記錄壓力、噴漿量、鉆進速度、拔鉆桿速度等有效參數(shù)，發(fā)現(xiàn)問題及時處理。隧道拱頂距離開挖線約3 m高處是深圳地鐵1號線，施工中一旦因旋噴排漿不暢而導致地鐵隆起超標，后果將不堪設(shè)想，因此，采用真空負壓強制排漿系統(tǒng)。

拱頂?shù)叵律虡I(yè)街樁基間土體加固，采用6根旋噴樁(擺噴工藝)，施工時噴嘴向商業(yè)街樁基方向在90°～135°范圍內(nèi)擺動噴射注漿，注漿壓力等參數(shù)與其他水平旋噴樁一致。

2.2　超前水平注漿

從隧道兩端(福田站南端側(cè)墻及福田南工作井側(cè)墻)鉆設(shè)注漿孔，注漿孔水平布置，孔間距1.6 m，福田站端長41.15 m，福田南工作井端長46.15 m，中間搭接5 m，加固范圍主要是隧道拱部和側(cè)部的地下商業(yè)街樁基四周，終孔直徑不小于91 mm。采用熱軋無縫鋼管作孔口管，前進式注漿分段長度3～5 m，注1∶1水泥漿液，注漿壓力0.5～1.0 MPa，注漿速度5～110 L/min，孔底間距1.6 m，擴散半徑1.2 m，漿液填充系數(shù)大于0.8。

2.3　長管棚

長管棚在水平旋噴、超前預注漿完成后施做。水平旋噴樁完成后，地層巖土體得到加固，強度較高，長管棚施工采用潛孔錘成孔。本隧道拱部設(shè)27根φ159 mm熱扎無縫鋼管長管棚(外徑159 mm，壁厚8 mm)，環(huán)向間距40 cm，從隧道兩端的豎井和南端井側(cè)墻上鉆孔，側(cè)墻作為止?jié){墻，從隧道兩端打設(shè)，福田站端長41.15 m，福田南工作井端長43.15 m，中間搭接2 m。為確保長管棚質(zhì)量和整體效果，嚴格控制孔位鉆進精度，外插角1°～3°，管棚施做時避開地下商業(yè)街樁基。編號為單號者采用鋼花管，雙號者采用鋼管，在地下商業(yè)街樁基兩側(cè)各一根管棚采用鋼花管注漿，施工時采用間隔式施工，先鉆單號孔，再鉆雙號孔，每成孔一個都及時注漿。注漿采用1∶1水泥漿液，注漿壓力0.5～3 MPa。

2.4　小導洞

隧道拱腳部位設(shè)置2個導洞，斷面尺寸為3.68 m(寬)×3.74 m(高)。開挖前對導洞全斷面進行超前注漿加固(開挖時在工作面上施作超前注漿)，以便于及時封閉工作面前方的地下水，減少地層失水，確保上層滯水不泄漏，避免造成工作面前方土體垮塌或地面嚴重沉降。加固體達到齡期后，在導洞底部超前鉆孔檢查注漿效果。

導洞采用超前小導管支護，人工臺階法開挖，留核心土，每循環(huán)進尺0.8 m，間距0.8 m及時向開挖面初噴混凝土、掛鋼筋網(wǎng)片、架立格柵鋼架，待噴射后的混凝土達到規(guī)定強度后，及時進行初期支護注漿，確保初期支護背后密實。開挖時相鄰掌子面錯開安全距離。

開挖過程中，密切做好導洞內(nèi)和地鐵及地下商業(yè)街監(jiān)測，變形達到預警值時，立即停止開挖，封閉掌子面，查明原因采取措施后，進行妥善處理，方可繼續(xù)開挖。

2.5　補充注漿加固

兩側(cè)小導洞及鉆孔樁施工過程中，會引起地下水降水量過大及地下水位下降，主要體現(xiàn)為地鐵結(jié)構(gòu)下沉。為此，根據(jù)布設(shè)在地鐵區(qū)間內(nèi)的2套自動化儀器的監(jiān)測數(shù)據(jù)和分析結(jié)果，確定在地鐵結(jié)構(gòu)底板下兩側(cè)地層的注漿位置和注漿量(圖3)，采取WSS(雙液注漿+固化劑)注漿補償，分層分部位對土體加固，以達到控制地鐵沉降變形的目的。

圖3　地鐵監(jiān)控斷面布置及底板加固注漿示意

2.6　隧道圍護樁及CRD法開挖正洞

小導洞貫通后，在導洞內(nèi)施做鉆孔灌注樁作為圍護樁，2個導洞內(nèi)鉆孔樁共119根，樁徑為1.2 m，樁長為9.5 m，間距1 m。鉆孔樁全部完成后，再進行樁間旋噴樁施做，2個導洞內(nèi)旋噴樁共132根，樁徑為0.8 m，間距1.2 m。鉆孔樁及旋噴樁都施工完成后，清理導洞內(nèi)雜物，鑿除樁頭，施工冠梁。為保證混凝土澆筑振搗密實，從中間向兩端分段澆筑，每澆筑一段(約8 m)，及時澆筑冠梁以上的導洞回填素混凝土，拱頂采用注漿填充密實。冠梁澆筑前注意預埋好連接正洞初支鋼架和正洞第一層二次襯砌鋼筋等預埋件。為確保整體結(jié)構(gòu)的安全性，隧道采用二層襯砌結(jié)構(gòu)。

正洞開挖采用CRD法，每循環(huán)開挖后，立即施工初支，第一層襯砌緊跟初支。第一層襯砌采用定型臺架+小模板澆筑，第一層襯砌混凝土強度達到設(shè)計要求時，逐段鑿除伸入隧道內(nèi)的樁基和拆除臨時支護，施工防水層和第二層襯砌，第二層襯砌采用液壓襯砌臺車澆筑。

2.7　樁基托換

從隧道拱部中心線附近侵入隧道范圍的商業(yè)樁基采取托換、鑿除處理，以保證地下商業(yè)街結(jié)構(gòu)安全。樁基托換采用被動托換方式，受限于作業(yè)空間狹窄，鑿除后的樁基作用在隧道結(jié)構(gòu)上，樁端與隧道結(jié)構(gòu)連接。

在第一層二襯施工過程中，采取鉆孔植筋、焊接L形鋼筋，將樁基的鋼筋與襯砌鋼筋連接，然后澆筑隧道拱部第一層二襯，使樁基與第一層二襯連接為一體，從而滿足地下商業(yè)街抗拔和抗壓要求。第一層二襯完畢，且全面觀測沉降變形穩(wěn)定后，在第二層二襯開始施工時，采用人工小型機械逐根開始截樁，每次切斷口的深度不得超過100 mm，由外向內(nèi)、層層剝離，將樁身混凝土全部鑿除后再斷樁身鋼筋。

由于樁基托換工程對結(jié)構(gòu)受力和變形有特殊要求，樁基托換工程施工時建立了監(jiān)測、控制聯(lián)動系統(tǒng)，在被托換的樁基上設(shè)置自動化監(jiān)測裝置，進行全過程實時監(jiān)測，及時反饋，并自動根據(jù)反饋信息調(diào)整結(jié)構(gòu)、控制變形。

3地層沉降監(jiān)控量測與數(shù)據(jù)分析

3.1　地層沉降監(jiān)控量測

確定注漿時機和注漿位置是控制地鐵沉降的重要手段，也是保證地鐵地層穩(wěn)定和運營安全的基礎(chǔ)。深港隧道施工中，主要以2套自動化監(jiān)測儀器實施監(jiān)控，及時指導施工。

(1)BGK-4675靜力水準測量

BGK-4675靜力水準是一種精密液位測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)用于測量多個測點的相對沉降。布置在正洞上方50 m范圍的地鐵結(jié)構(gòu)側(cè)墻上，實時采集數(shù)據(jù)，測量結(jié)構(gòu)變形。

(2)測量機器人測量

測量機器人采用TCA2003全站儀和配套的硬軟件，實現(xiàn)對地鐵隧道形變的自動監(jiān)測，該系統(tǒng)還具有變形數(shù)據(jù)自動分析功能。工作基站布設(shè)于監(jiān)測區(qū)中部，安置在隧道側(cè)壁的強制對中托盤架上?，F(xiàn)場數(shù)據(jù)通過CDMA模塊傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心，同時將監(jiān)測指令傳輸?shù)讲杉O(shè)備，由此實現(xiàn)遠程自動的變形監(jiān)測。

在地鐵1號線區(qū)間隧道內(nèi)，共布置22個監(jiān)測斷面，上、下行地鐵各布置11個斷面，間距5 m，每個監(jiān)測斷面內(nèi)各布設(shè)6個監(jiān)測點，1、4號測點布置在側(cè)墻下部，2、3、5號測點布置在地鐵道床上，6號測點布置在拱頂中部，如圖4所示。

圖4　監(jiān)測斷面測點布置示意

對地鐵運營線路的自動化監(jiān)測一般情況下2～4 h一次，當施工影響較大或出現(xiàn)變形征兆時進行連續(xù)監(jiān)測，1～2 h一次。2套系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)相互校核，提高數(shù)據(jù)的可靠性和及時性，為控制地鐵結(jié)構(gòu)沉降和指導施工提供保障。

3.2　沉降監(jiān)控數(shù)據(jù)分析

深港隧道影響范圍內(nèi)深圳地鐵1號線上、下行隧道132個測點的監(jiān)控數(shù)據(jù)收集、整理如下。

(1)上行線(南隧)：S09-4測點(隧中西側(cè)15 m隧道南墻上)最大累計下沉6.81 mm<控制值(15 mm)；S09-6測點(隧中西側(cè)15 m隧道拱頂)最大累計上升8.96 mm<控制值(15 mm)；道床差異沉降1.61 mm/10 m<控制值4.0 mm/10 m，位置為隧中東、西側(cè)5～15 m范圍內(nèi)，如圖5、圖6所示。

圖5　南側(cè)隧道各斷面4號測點沉降歷時曲線

圖6　南側(cè)隧道各斷面6號測點沉降歷時曲線

(2)下行線(北隧)：X09-1測點(隧中西側(cè)15 m北墻)最大累計下沉4.69 mm<控制值(15 mm)；X10-2測點(隧中西側(cè)20 m道床上)最大累計上升3.18 mm<控制值(15 mm)；道床差異沉降3.11 mm/10 m<控制值(4.0 mm/10 m)，位置為隧中東側(cè)15～25 m范圍內(nèi)，如圖7所示。

圖7　北側(cè)隧道各斷面1號測點沉降歷時曲線

在實際施工過程中正洞開挖后水平旋噴樁止水良好，有效地控制了地層失水，控制地鐵沉降在5 mm以內(nèi)，地鐵沉降在正洞開挖過程中沉降穩(wěn)定，確保了地鐵運營安全。

4結(jié)語

根據(jù)工程實際，有的放矢控制引起地層沉降的主要因素如下。

(1)隧道拱部高壓水平旋噴樁、隧道兩側(cè)超前水平注漿、小導洞超前注漿等措施的實施，既加固了地層，同時和隧道下部的強風化花崗巖層一起形成一道環(huán)形封閉止水隔離層，有效解決因施工地層失水而引起地層沉降的問題。

(2)超前大管棚、高壓水平旋噴樁形成隧道拱部超前支護，小導洞內(nèi)施工圍護樁，以及CRD工法開挖，再加上底層花崗巖層，形成一個具有一定強度的圍護結(jié)構(gòu)，有效解決因施工擾動引起的地層變形而導致地層沉降的問題。

(3)通過隧道的雙層襯砌，對于伸入隧道的部分地下商業(yè)街樁基實施樁基托換，有效解決隧道上部既有結(jié)構(gòu)物的沉降問題。

(4)通過必要的實時監(jiān)控量測，及時反饋、指導施工，通過信息化彌補止水、結(jié)構(gòu)防護存在的不足，進行補償注漿，精確控制沉降，確保運營的地鐵無大變形，不影響地鐵運行。

通過大斷面客運專線鐵路隧道淺埋暗挖的沉降控制研究，綜合采用地層加固、長管棚、補償注漿、CRD法開挖、施工監(jiān)控等措施，工程獲得了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。對在類似地層中控制沉降，確保既有建筑物運營安全具有借鑒作用，同時為同類隧道施工積累了可貴的資料和經(jīng)驗。

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Settlement Control of Shengang Tunnel Passing under Existing Subway and Commercial Street

LIU Wen-jun

(China Railway 15thBureau Group Co.， Ltd.， Shanghai 200070, China)

Abstract：This paper introduces the Shengang Tunnel under Shenzhen Metro Line 1 and a commercial street. Horizontal rotary jet grouting high pressure， long pipe roofing， advance grouting， compensation grouting are employed for tunnel advance supporting， culvert pile method is used to construct tunnel enclosure structure， and CRD is applied for excavation and support. With the help of automation monitoring in real time， data are timely feed back to guide compensation grouting and accurately control settlement， and the safety of the buildings above the tunnel and the operation of the metro is thus ensured.

Key words：Railway tunnel; Culvert pile method; CRD method; Pile foundation underpinning; Compensation grouting; Monitoring and measurement; Settlement control

作者簡介：劉文軍(1979—)，男，高級工程師，2005年畢業(yè)于青島理工大學巖土工程專業(yè)，工學碩士，E-mail:jun-wenliu@163.com。

基金項目：鐵道部科技研究開發(fā)計劃項目(2011G013-D)

收稿日期：2015-04-07； 修回日期：2015-06-12

中圖分類號：U455

文獻標識碼：ADOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.01.021

文章編號：1004-2954(2016)01-0098-04