礦山法擴挖盾構(gòu)隧道斷面的關(guān)鍵技術(shù)

任 磊，陳瑞征

(1.鄭州地鐵集團有限公司，河南 鄭州 450000；2.中鐵第五勘察設(shè)計院集團有限公司，北京 102627)

隨著我國城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，渡線、聯(lián)絡(luò)線等分岔區(qū)隧道在地鐵工程中不斷涌現(xiàn)。岔線多與車站和區(qū)間隧道正線合建，采用明挖法或礦山法施工[4-8]。李兆平等[9]研究了先采用礦山法開挖橫向通道，然后由大斷面到小斷面縱向開挖構(gòu)筑分岔區(qū)隧道的關(guān)鍵技術(shù)。嚴彬等[10]介紹了寧波軌道交通3號線鄞南區(qū)間隧道采用的盾構(gòu)法構(gòu)筑分岔聯(lián)絡(luò)通道施工技術(shù)。受工法、工期、征遷、經(jīng)濟性等因素制約，各分岔區(qū)隧道情況各異，施工技術(shù)還需要不斷探索和豐富。

鄭州市軌道交通1，2號線聯(lián)絡(luò)線位于富水粉砂層，地質(zhì)條件差，周邊存在多處老危建筑和大直徑管線，工程風險大。為降低工程風險，加快工程進度，分岔區(qū)采用礦山法擴挖盾構(gòu)隧道施工技術(shù)。

1 工程概況

1.1 分岔區(qū)地理位置

鄭州市軌道交通1，2號線聯(lián)絡(luò)線與2號線紫(荊山站)—東(大街站)區(qū)間隧道左線同期合建(見圖1)，分岔區(qū)隧道的建設(shè)受2號線紫東區(qū)間隧道左線的影響和制約。

圖1 線路與周邊建(構(gòu))筑物位置關(guān)系

分岔區(qū)周邊環(huán)境復雜，黃委小學教學樓(5層)、西側(cè)商鋪(4層)、順河路、黃委會住宅樓(6層)、新月大廈(5層)、既有給水管(φ1 000 mm)均為影響施工方案的控制性因素。此外，道岔岔心前14 m至岔心后16 m范圍內(nèi)隧道結(jié)構(gòu)不能設(shè)置變形縫。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

分岔區(qū)隧道埋深約22.6 m，所處地貌單元為黃河沖積平原。隧道穿越地層自上而下為第四系全新統(tǒng)沖洪積粉砂層④-2、粉土層④-5和粉砂層④-3。3種地層力學參數(shù)見表1。

表1 3種地層力學參數(shù)

分岔區(qū)地下水類型為潛水，主要賦存于粉砂層④-2、粉土層④-5和粉砂層④-3中。穩(wěn)定地下水位位于自然地表以下13.5 m,線路軌頂面以上約15.2 m處。

通過對檔案的收集、分類、編號、保存和銷毀等環(huán)節(jié)的管理，使檔案工作的全過程都能對質(zhì)量活動的各個環(huán)節(jié)進行有效的控制，對已完成的檢測工作能夠做到準確統(tǒng)計，對已運行的管理體系各要素的歷史狀態(tài)能夠做到準確查詢，從而達到有效的查證和管理，確保管理體系的有效運行。

2 施工方案

黃委小學附近的分岔區(qū)隧道長57 m，存在場地開挖條件，采用明挖法施工。順河路下方的分岔區(qū)隧道長30.2 m，受管線改遷及交通疏解限制，可采用礦山法或盾構(gòu)法施工。東紫區(qū)間隧道正線長 1 393 m，采用盾構(gòu)法施工。盾構(gòu)從東大街站始發(fā)向紫荊山站掘進，途中盾構(gòu)空推通過分岔區(qū)明挖段，后從分岔區(qū)明挖段左端頭二次始發(fā)掘進至紫荊山站。受外界條件影響，分岔區(qū)明挖段開工時間延遲至2015年3月，此刻東大街站端頭盾構(gòu)井已施作完成，盾構(gòu)已經(jīng)具備始發(fā)掘進條件。因工期嚴峻,在盾構(gòu)從分岔區(qū)明挖段左端頭二次始發(fā)掘進期間，同時采用礦山法反向擴挖順河路下方的盾構(gòu)隧道，將有效節(jié)省時間，加快工程進度(如圖2、圖3所示)。因此，采用礦山法擴挖盾構(gòu)隧道成為工程實施的關(guān)鍵。

圖2 工程平面

圖3 分岔區(qū)擴挖段大斷面示意(單位：mm)

3 關(guān)鍵施工技術(shù)

1)特殊襯砌預拼裝

分岔區(qū)擴挖段盾構(gòu)隧道襯砌全環(huán)采用特殊鋼管片通縫拼裝，方便擴挖期間切割拆除，并在管片內(nèi)部增設(shè)徑向注漿孔。

2)縱向緊固

管片拆除易引起鄰近管片的變形和位移。擴挖施工前采用槽鋼通過吊裝孔將管片連接，將與擴挖段相接的盾構(gòu)隧道20環(huán)長度范圍內(nèi)管片進行縱向緊固，環(huán)向共布置6道槽鋼。

3)洞內(nèi)徑向注漿

管片拆除易造成管片背后土體空洞坍塌，管片局部受力狀態(tài)改變而開裂，對擴挖段地層進行注漿加固，以改善開挖條件。注漿通過管片預留注漿孔或開孔進行，以管片中心為圓心按11.25°環(huán)向布置32個注漿孔，縱向間距1.0 m；擴挖輪廓線外3 m范圍內(nèi)為注漿區(qū)域(如圖4所示)。漿液采用水泥+水玻璃雙液漿，擴散半徑1.0 m。根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果調(diào)整注漿壓力，確保加固后土體28 d無側(cè)限抗壓強度不小于0.8 MPa。

圖4 徑向注漿示意(單位：mm)

4)超前支護

分岔區(qū)位于深埋富水粉砂層，開挖風險大。采用超前管棚+超前小導管支護措施，防止坍塌。

超前管棚單根長35 m，共打設(shè)1環(huán)，環(huán)向間距400 mm，外插角1.0°～1.5°。超前小導管單根長1.8 m，環(huán)向間距400 mm，縱向間距0.5 m，外插角不大于33.5°。超前管棚及小導管均在拱部150°范圍內(nèi)布設(shè)，并壓注水泥+水玻璃雙液漿。

5)降水

采用以洞外為主、以洞內(nèi)為輔的管井降水，防止隧道開挖時涌水涌砂發(fā)生。洞外采用地表管井降水，井深45 m，在擴挖段隧道兩側(cè)3.5 m處地表沿縱向以 5～6 m間隔布置。洞內(nèi)在既有盾構(gòu)隧道鋼管片底部打設(shè)管井降水，管井內(nèi)徑275 mm，深3.5 m，縱向間距5 m，將水位降至仰拱下1 m 以下。洞內(nèi)降水配合地表降水有效解決富水砂層降水深度大、難度大的問題。擴挖段隧道初期支護施工時封堵洞內(nèi)降水井。

6)擴挖段施工順序及方法

結(jié)合鋼管片襯砌位置及施工作業(yè)條件綜合確定各洞室開挖順序，采用交叉中隔壁法分左上、右上、左下、右下4步開挖洞室，設(shè)臨時中隔壁和臨時仰拱，如圖5所示。

圖5 擴挖段施工順序

擴挖前采用I22b臨時型鋼支撐穿越TK塊鋼管片深入拱頂土體，在下部接焊I22b臨時型鋼并與TK塊、TA2塊鋼管片焊接牢固，在盾構(gòu)隧道下半斷面堆填沙袋進一步穩(wěn)固型鋼支撐和壓載盾構(gòu)隧道，解決上半斷面擴挖導致的既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)上浮問題。擴挖時首先開挖TK塊上部小空間土體，及時將臨時型鋼支撐與擴挖段初期支護連接牢固，然后進行各工序開挖。

7)隧道接口處理

采用礦山法擴挖盾構(gòu)隧道至接口處，采用超前小導管對臨土區(qū)掌子面前方3 m范圍土體進行注漿加固。采用型鋼噴混凝土施作堵頭墻，型鋼與混凝土管片間通過環(huán)狀背覆鋼板連接(如圖6所示)。鋼板覆蓋于管片外表面，已在前期盾構(gòu)隧道施作襯砌時預留。

圖6 擴挖段與正線盾構(gòu)段的銜接示意(單位:mm)

4 擴挖段數(shù)值模擬及實施效果

利用MIDAS GTS NX有限元分析軟件模擬,采用礦山法反向擴挖,得到各分步開挖引起的地表沉降云圖,見圖7。臨時中隔壁及臨時仰拱在二次襯砌施工后再切割拆除。

圖7 各分步開挖地表沉降云圖

將各分步最大地表沉降的模擬值與后續(xù)施工的實測值對比于圖8。

圖8 最大地表沉降模擬計算值與實測值對比

由圖8可知:①在擴挖上半斷面與下半斷面時最大地表沉降發(fā)展速率差異明顯，擴挖下半斷面引起的沉降發(fā)展速率大，這與擴挖上半斷面前新建與既有隧道襯砌間采取了臨時型鋼連接以及在下半斷面堆填沙袋壓載措施有關(guān)。②上半斷面開挖即分步1，2中，最大地表實測值明顯大于模擬計算值，這可能與管片頂部擴挖造成土體二次擾動或施工時臨時型鋼連接措施不到位、上半斷面初期支護未及時封閉有關(guān)。③斷面開挖結(jié)束后，最大地表沉降實測值25.1 mm，模擬計算值21.9 mm，相差不大，且兩者在斷面開挖結(jié)束后均趨于穩(wěn)定。

5 結(jié)語

1)采用礦山法擴挖盾構(gòu)隧道解決了分岔區(qū)隧道施工難題。工程最大地表沉降25.1 mm，縮短工期3.5～5.0個月。

2)在周邊環(huán)境復雜地段，富水粉砂層中強降水采用超前管棚+小導管支護措施，不僅為礦山法擴挖施工提供了有利條件，而且既安全又經(jīng)濟。

3)采用礦山法返向擴挖盾構(gòu)隧道，并采取臨時型鋼支撐及堆填沙袋壓載措施，可將新建與既有結(jié)構(gòu)穩(wěn)固連接，有利于控制隧道擴挖施工對周邊土體的影響。