MJS工法在砂卵石地層盾構(gòu)近距離下穿運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的應(yīng)用

周 朋

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

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展， 在建及規(guī)劃軌道交通線路與既有運(yùn)營(yíng)線路不可避免會(huì)存在平面交叉，從而出現(xiàn)近距離穿越既有運(yùn)營(yíng)線路工程，如廣州珠江新城旅客自動(dòng)輸送系統(tǒng)(APM線)下穿既有1號(hào)線區(qū)間[1]，北京地鐵 14號(hào)線下穿 15號(hào)線區(qū)間[2]，上海地鐵 M4線下穿M2線區(qū)間[3]，武漢地鐵3號(hào)線下穿既有2號(hào)線區(qū)間[4]等。目前很多學(xué)者對(duì)該類(lèi)工程已有較為深入研究，雖然盾構(gòu)穿越既有運(yùn)營(yíng)線路施工工藝逐漸成熟，但是在砂卵石復(fù)雜地層近距離穿越既有運(yùn)營(yíng)線路的相關(guān)案例仍比較少見(jiàn)。

1 工程概況

長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線作為長(zhǎng)沙主城區(qū)輻射西北、東南的骨干線路(見(jiàn)圖1)，4號(hào)線溁灣鎮(zhèn)站—湖南師大站區(qū)間與既有2號(hào)線溁灣鎮(zhèn)站—橘子洲站區(qū)間在溁灣鎮(zhèn)站附近相交，均采用盾構(gòu)法施工，隧道外徑6.0 m，管片厚度300 mm，環(huán)寬1.5 m。4號(hào)線下穿既有2號(hào)線最小垂直凈距僅2.86 m，穿越段地層類(lèi)型復(fù)雜且分布紊亂，卵石、圓礫地層局部夾有漂石、碎裂巖等，不論沿著4號(hào)線還是2號(hào)線地質(zhì)極不均勻，盾構(gòu)姿態(tài)及地層沉降控制困難。下穿段距離盾構(gòu)始發(fā)端頭最小水平凈距約27 m，下穿區(qū)域處于始發(fā)段，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)尚處于不穩(wěn)定階段，增大了穿越過(guò)程中的地層沉降控制難度。根據(jù)長(zhǎng)沙1、2號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間既有施工經(jīng)驗(yàn)，富水砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中易超挖[5]，坍塌風(fēng)險(xiǎn)較大并且有一定的滯后性。盾構(gòu)穿越過(guò)程中既有2號(hào)線若出現(xiàn)較大不均勻變形，會(huì)導(dǎo)致管片接縫張開(kāi)量增大，甚至出現(xiàn)突水突泥風(fēng)險(xiǎn)?？紤]上述原因及運(yùn)營(yíng)線路的重要性，需采取必要措施把穿越風(fēng)險(xiǎn)限定在可控范圍之內(nèi)，確保既有2號(hào)線運(yùn)營(yíng)安全。

圖1 地鐵4號(hào)線與2號(hào)線平面及地質(zhì)剖面位置關(guān)系圖Fig.1 Relative position of plane and geologic section between metro line 4 and line 2

2 下穿保護(hù)方案比選

盾構(gòu)隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)區(qū)間，關(guān)鍵是控制既有區(qū)間隧道縱向不均勻沉降，可以考慮從洞外和洞內(nèi)采取措施對(duì)既有2號(hào)線進(jìn)行加固。

2.1 超前管棚加固

超前管棚是廣泛應(yīng)用于山嶺隧道不良地質(zhì)的地層加固措施，當(dāng)隧道穿越洞口段、破碎帶、松散軟弱地層、涌水、涌沙等地段時(shí)，管棚及其超前注漿會(huì)對(duì)隧道的穩(wěn)定起到保護(hù)作用。管棚超前加固可以起到“扁擔(dān)梁”的作用，盾構(gòu)施工過(guò)程中抑制既有隧道變形。從溁灣鎮(zhèn)車(chē)站實(shí)施管棚長(zhǎng)度約72 m，超長(zhǎng)管棚在砂卵石地層打設(shè)困難，精度難以控制，可以在既有2號(hào)線兩側(cè)設(shè)置臨時(shí)工作井減少管棚打設(shè)長(zhǎng)度。

2.2 超前管幕加固

管幕直徑相對(duì)較大，一般Φ299～800不等，主要適用于長(zhǎng)距離下穿既有鐵路線及既有軌道交通超前預(yù)支護(hù)工程。施工方法主要有跟管鉆進(jìn)法、拉管法、水平定向螺旋頂進(jìn)法、微型盾構(gòu)法。管幕鋪設(shè)精度要求較高，管幕施工過(guò)程必須控制地層變形，一般先用無(wú)線導(dǎo)向儀進(jìn)行導(dǎo)向孔施工，再采取擠擴(kuò)拉管法進(jìn)行管幕鋼管鋪設(shè)。

2.3 地面注漿加固

地面注漿加固是實(shí)施性相對(duì)較好的方案，下穿區(qū)域位于施工圍擋范圍內(nèi)，場(chǎng)地條件較好，可以通過(guò)打設(shè)豎向或斜向袖閥管對(duì)2號(hào)線預(yù)加固。

2.4 洞內(nèi)管片加固

該方案是考慮從2號(hào)線洞內(nèi)采用環(huán)形鋼板和縱向型鋼拉結(jié)的方式對(duì)既有2號(hào)線進(jìn)行加固，提高穿越段管片整體剛度及抵抗不均勻變形能力。

2.5 MJS水平旋噴加固

MJS(metro jet system)工法即全方位高壓旋噴加固工法，與常規(guī)水平旋噴加固工法相比，最主要特點(diǎn)是采用獨(dú)特的多孔管和前端裝置[6]。前端裝置集成了高壓水切削裝置、強(qiáng)制排泥裝置、測(cè)壓傳感器、水泥漿噴射口等(見(jiàn)圖2)，施工過(guò)程中利用測(cè)壓傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、反饋噴射點(diǎn)附近地層壓力變化，從而通過(guò)控制特有的排漿孔閥門(mén)的開(kāi)啟大小及調(diào)節(jié)泥漿排出量達(dá)到控制土體內(nèi)壓力的目的，降低對(duì)既有建(構(gòu))筑物的影響。MJS工法采用專(zhuān)用排泥管進(jìn)行排漿，輸送至地面排泥箱或泥漿池內(nèi)。該工法從日本引進(jìn)，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用較少，主要在上海等軟土地區(qū)豎向加固方面有過(guò)工程應(yīng)用[7-8]，水平加固實(shí)施案例較少。

圖2 MJS前端裝置及多孔管Fig.2 Front end and porous pipe of MJS

2.6 既有2號(hào)線保護(hù)方案優(yōu)缺點(diǎn)比選

上述加固方案對(duì)于4號(hào)線下穿既有2號(hào)線工程保護(hù)優(yōu)缺點(diǎn)如表1所示。

結(jié)合表1綜合考慮預(yù)加固效果、施工安全風(fēng)險(xiǎn)、實(shí)施難度及經(jīng)濟(jì)合理性，最終選用 MJS工法對(duì) 4號(hào)線下穿2號(hào)線區(qū)段地層進(jìn)行預(yù)加固，并施作兩個(gè)臨時(shí)豎井作為 MJS工作井，豎井采用地連墻圍護(hù)+環(huán)框梁支護(hù)，盾構(gòu)穿越面地連墻鋼筋改為玻璃纖維筋，MJS加固施工完成后豎井回填，盾構(gòu)再穿越豎井及既有2號(hào)線。

表1 既有2號(hào)線保護(hù)方案比選Tab.1 Protection schemes for existing line 2

3 數(shù)值模擬分析

對(duì)4號(hào)線下穿既有2號(hào)線區(qū)間采用數(shù)值模擬進(jìn)行分析，本次建模計(jì)算采用midas/GTS(NX版)巖土有限元分析軟件。結(jié)合該工程項(xiàng)目實(shí)際情況，并考慮邊界影響，模型尺寸取 60 m×90 m×50 m(X×Y×Z)，4號(hào)線與既有2號(hào)線區(qū)間斜交約65°。兩隧道均沿Y軸負(fù)向推進(jìn)，先開(kāi)挖左線隧道，后開(kāi)挖右線隧道。地層及開(kāi)挖土體均采用實(shí)體單元模擬，選用莫爾—庫(kù)倫本構(gòu)模型；盾構(gòu)隧道管片結(jié)構(gòu)采用結(jié)構(gòu)板單元，彈性本構(gòu)模型。計(jì)算模型及計(jì)算參數(shù)如圖3、表2所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型Fig.3 Profile of numerical computation

表2 數(shù)值計(jì)算參數(shù)Tab.2 Parameters for numerical computation

數(shù)值計(jì)算主要考慮兩種工況：下穿既有2號(hào)線不采取預(yù)加固措施和采取MJS工法預(yù)加固。通過(guò)模擬盾構(gòu)施工分析在這兩種工況下既有 2號(hào)線隧道變形規(guī)律，盾構(gòu)下穿過(guò)程中既有2號(hào)線變形曲線如圖4、圖5所示。

由上述計(jì)算可知，軌道交通4號(hào)線在掘進(jìn)過(guò)程中，不采取預(yù)加固措施工況下，穿越過(guò)程中既有2號(hào)線最大豎向位移20.6 mm，采取MJS預(yù)加固措施工況下，穿越過(guò)程中既有2號(hào)線最大豎向位移11.5 mm?？梢?jiàn)采用MJS加固后可有效控制既有隧道變形，最大變形量減少約44%。

圖4 既有2號(hào)線左線與右線軌道豎向位移過(guò)程曲線(不加固工況)Fig.4 Track deformation curve for existing line 2 (Unreinforced)

圖5 既有2號(hào)線左線與右線軌道豎向位移過(guò)程曲線(MJS加固工況)Fig.5 Track deformation curve for existing line 2 (MJS reinforcement)

4 MJS加固施工

MJS水平旋噴工藝在廣州地鐵下穿鐵路施工中有過(guò)成功應(yīng)用，但在砂卵石地層尤其是近距離下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵區(qū)間在國(guó)內(nèi)還是首次采用。本次長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線下穿既有線路工程地質(zhì)條件較廣州地鐵9號(hào)線穿越武廣、京廣鐵路路基工程更為復(fù)雜，穿越豎向凈距更小，施工風(fēng)險(xiǎn)更大。MJS水平樁成孔采用MJS-60VH鉆機(jī)，多孔管直徑142 mm，1.5 m分節(jié)，通過(guò)螺栓孔與前端裝置連接。由于所在地層為砂卵石地層，在開(kāi)洞位置安裝防噴涌閥門(mén)及O型密封圈。

MJS成孔過(guò)程及噴漿過(guò)程中壓力較大，為了確保MJS水平旋噴樁施工中既有2號(hào)線運(yùn)營(yíng)安全，在2號(hào)線隧道內(nèi)左右線均安裝了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在MJS加固及后續(xù)盾構(gòu)穿越過(guò)程中對(duì)既有2號(hào)線隧道及軌道變形進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)優(yōu)化施工參數(shù)。

考慮到砂卵石地層成孔較為困難，盡量減少M(fèi)JS成樁長(zhǎng)度，左右線分別設(shè)置施工豎井。MJS加固水平長(zhǎng)度42 m，由于成樁距離較長(zhǎng)，為控制成樁精度，采用發(fā)光體測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)成樁偏斜情況，精度控制在 1%以?xún)?nèi)。成樁直徑不小于2 m，樁間搭接不小于40 cm，左右線分別設(shè)置13根樁，采用上下兩排拱形布置，MJS樁位布置如圖6所示。

圖6 MJS樁位布置示意圖Fig.6 Profile of the MJS pile layout

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工情況，MJS在卵石、圓礫地層成樁約7～10 d，一般成孔3 d，若出現(xiàn)鉆頭磨損或噴嘴填堵需對(duì)原孔填充回?fù)茉僦匦鲁煽?。MJS加固擺動(dòng)設(shè)置角度160～180°，注漿壓力38 MPa，地內(nèi)壓控制0.15～0.3 MPa，注漿采用純水泥漿。MJS施工后對(duì)加固體強(qiáng)度和滲透性進(jìn)行檢測(cè)，加固體芯樣28 d抗壓強(qiáng)度平均值為5～8 MPa，壓水試驗(yàn)檢測(cè)滲透系數(shù)＜5×10-5cm/s (見(jiàn)圖7)。

圖7 加固取芯芯樣Fig.7 Core sample of reinforcement

長(zhǎng)沙地鐵4號(hào)線左線MJS及右線MJS施工過(guò)程既有2號(hào)線區(qū)間變形如圖8、圖9所示(紅、藍(lán)線代表線路兩側(cè)的軌道)。

圖8 2號(hào)線軌道沉降曲線(左線MJS施工)Fig.8 Track deformation curve for line 2(MJS construction of left tunnel)

圖9 2號(hào)線軌道沉降曲線(右線MJS施工)Fig.9 Track deformation curve for line 2(MJS construction of right tunnel)

從上述圖表可知，左線MJS施工過(guò)程中既有2號(hào)線最大變形約6 mm，位于2號(hào)線左線與4號(hào)線左線交叉區(qū)域，2號(hào)線右線變形相對(duì)較小，最大約3 mm，局部出現(xiàn)隆起趨勢(shì)。右線MJS施工過(guò)程中既有2號(hào)線最大變形約7 mm，位于2號(hào)線左線與4號(hào)線右線交叉區(qū)域，2號(hào)線右線變形相對(duì)較小，最大約3 mm。

5 盾構(gòu)下穿施工

4號(hào)線下穿既有2號(hào)線區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜，穿越段地層主要有中粗砂、圓礫、卵石、碎裂巖及砂巖等。盾構(gòu)穿越過(guò)程中主要控制措施如下：

1) 穿越前對(duì)既有 2號(hào)線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀進(jìn)行詳盡調(diào)查，包括管片裂縫、破損、滲漏水、螺栓及軌道情況，并對(duì)區(qū)間相關(guān)管線設(shè)備進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，下穿前對(duì)影響范圍內(nèi)管片螺栓進(jìn)行復(fù)緊；

2) 由于穿越段位于盾構(gòu)始發(fā)段，應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)及盾構(gòu)掘進(jìn)速度，確保盾構(gòu)機(jī)勻速均衡地通過(guò)下穿段，根據(jù)下穿段地質(zhì)情況，建議掘進(jìn)速度為30～50 mm/min；

3) 嚴(yán)格控制盾構(gòu)出渣量，根據(jù)地質(zhì)實(shí)際情況，當(dāng)黏粒含量少于30%時(shí)，每環(huán)出渣控制在50～55 m3，黏粒含量每增加20%，出渣體積上調(diào)不超過(guò)5 m3，最高不超過(guò) 65 m3，若出土量超限，則應(yīng)適當(dāng)加大土壓力及增加注漿量[9]；

4) 盾構(gòu)施工過(guò)程中及時(shí)進(jìn)行同步注漿，嚴(yán)格控制同步注漿量及注漿壓力，盡量填充地層，一般注漿壓力控制在1.1～1.2倍地層壓力[10]；

5) 穿越過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)既有2號(hào)線變形情況，根據(jù)要求每10 min讀取一次數(shù)據(jù)，每0.5 h形成監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表并反饋參建各方，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)并進(jìn)行洞內(nèi)二次注漿[11]；

6) 盾構(gòu)穿越后及時(shí)利用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)下穿段進(jìn)行掃描，探測(cè)隧道周邊是否存在空洞，并及時(shí)利用增設(shè)注漿管進(jìn)行二次注漿控制工后沉降；

7) 建設(shè)單位牽頭成立穿越既有 2號(hào)線現(xiàn)場(chǎng)指揮小組，并協(xié)調(diào)運(yùn)營(yíng)公司對(duì)下穿段限速20 km/h運(yùn)營(yíng)，參建單位24 h現(xiàn)場(chǎng)值班，確保安全下穿。

根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，4號(hào)線左線及右線盾構(gòu)下穿過(guò)程中既有區(qū)間變形如圖10、圖11所示(紅、藍(lán)線代表線路兩側(cè)的軌道)。

由圖可知，左線下穿過(guò)程中既有2號(hào)線變形約2 mm，右線變形不到 1 mm。右線下穿地層主要有碎裂巖、圓礫、砂層等，由于右線條件更為復(fù)雜，前期MJS在碎裂巖中施工出現(xiàn)卡鉆、取鉆情況，局部影響到MJS加固效果，右線下穿過(guò)程中既有2號(hào)線最大變形約8 mm，位于2號(hào)線與4號(hào)線右線平面交叉范圍。

圖10 2號(hào)線軌道沉降曲線(左線盾構(gòu)下穿施工)Fig.10 Track deformation curve for line 2(left tunnel construction)

圖11 2號(hào)線軌道沉降曲線(右線盾構(gòu)下穿施工)Fig.11 Track deformation curve for line 2(right tunnel construction)

6 結(jié)語(yǔ)

1) 長(zhǎng)沙軌道交通4號(hào)線下穿既有2號(hào)線地質(zhì)條件復(fù)雜，對(duì)多種預(yù)加固方案比選最終選用MJS工法進(jìn)行加固，并通過(guò)數(shù)值模擬等手段對(duì)下穿2號(hào)線進(jìn)行計(jì)算分析，采取MJS工法加固后既有2號(hào)線變形控制在11 mm左右(實(shí)際下穿過(guò)程中既有區(qū)間最大沉降約8 mm)，實(shí)踐證明MJS工法對(duì)于4號(hào)線下穿2號(hào)線的保護(hù)十分成功，在4號(hào)線上方形成“護(hù)拱”結(jié)構(gòu)，確保了4號(hào)線后續(xù)施工過(guò)程中既有2號(hào)線的運(yùn)營(yíng)安全。

2) 穿越段主要為圓礫、卵石地層，局部有碎裂巖。從MJS成樁情況及加固效果來(lái)看，MJS對(duì)于長(zhǎng)沙砂卵石地層(粒徑一般10～20 mm為主，最大約35 mm)是適用的；但是在碎裂巖地層卡鉆、鉆頭鉆桿磨損較為嚴(yán)重，雖然施工單位現(xiàn)場(chǎng)采取一系列措施對(duì)成孔工藝進(jìn)行改良，但是施工工效較慢，因此MJS工法對(duì)于碎裂巖的適應(yīng)性應(yīng)進(jìn)一步研究。

3) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，MJS成孔過(guò)程中由于對(duì)地層有擾動(dòng)，既有2號(hào)線略有沉降；MJS噴漿過(guò)程中由于壓力較大，既有2號(hào)線有1～2 mm的上隆，可以通過(guò)開(kāi)啟排泥管控制既有隧道隆起量；成樁結(jié)束后由于水泥硬化收縮及工后沉降，既有2號(hào)線會(huì)有沉降的趨勢(shì)，一般情況下該沉降為3～5 mm。

4) 由于MJS加固體的保護(hù)，盾構(gòu)施工對(duì)于既有2號(hào)線的影響一直在可控范圍之內(nèi)，盾構(gòu)穿越過(guò)程中通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)可實(shí)時(shí)了解既有隧道變形情況，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)優(yōu)化施工參數(shù)，減少了對(duì)既有線路的擾動(dòng)。盾構(gòu)穿越后通過(guò)地質(zhì)雷達(dá)探測(cè)管片壁后空洞情況，并利用管片多孔注漿填充地層，進(jìn)一步控制工后沉降。