砂卵石地層新建隧道近距離上跨既有盾構(gòu)隧道施工技術(shù)研究

王義春

(中鐵二十三局集團(tuán)有限公司 四川成都 610072)

1 引言

隨著人們對城市公共交通需求日益增強(qiáng)，國內(nèi)各大城市的地下軌道交通建設(shè)均在迅猛發(fā)展。隨著城市地鐵線路的增多，地鐵線路相互交錯的情況越來越普遍，經(jīng)常面臨在已運(yùn)營地鐵線路上方或者下方新建地鐵隧道。如何盡量降低新建隧道對既有線路的影響，保障既有線路的運(yùn)營安全，是新型城市軌道交通建設(shè)中需要解決的一個施工技術(shù)難題。

國內(nèi)外許多學(xué)者已經(jīng)對臨近地鐵隧道的相互影響和施工控制技術(shù)展開了分析。劉建國等[1]以深圳地鐵5號線為工程依托，對新建盾構(gòu)隧道上跨既有地鐵隧道進(jìn)行了研究。張明書等[2]以重慶地鐵5號線為例，研究了區(qū)間隧道上跨高鐵隧道的施工技術(shù)。何鵬等[3]以沈陽地鐵10號線為工程依托，介紹了既有隧道的預(yù)加固處理、刀盤和刀具改造、盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)控制和參數(shù)預(yù)設(shè)等施工技術(shù)。申文明等[4]基于三維數(shù)值分析模型，提出了上跨既有地鐵隧道的工程控制措施。華珊珊[5]通過多種研究方法，分析了新建盾構(gòu)隧道上跨或下穿施工既有盾構(gòu)隧道時，既有隧道的力學(xué)特征。江華等[6]采用數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測的研究方法，分析了上跨施工對既有隧道的變形影響。萬飛等[7]采用三維計算模型，分析不同施工方法對既有隧道的安全影響。劉明高[8]根據(jù)外部控制因素、工程地質(zhì)及既有隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)等限制條件，對比三種不同上跨方案，提出明挖法更合理。徐福田[9]以北京地鐵17號線東大橋站下穿6號線區(qū)間隧道為工程依托，論證了近距離側(cè)穿既有線路的施工方法，為類似工程提供施工經(jīng)驗(yàn)。王聯(lián)平[10]以新建深圳地鐵7號線為例，介紹了暗挖隧道下穿既有地鐵施工技術(shù)。

然而，目前的研究成果很少涉及砂卵石地層條件下超近距離上跨既有隧道，未對類似地層條件下的施工控制技術(shù)展開系統(tǒng)的分析。本文以北京新建新機(jī)場線新發(fā)地站～草橋站區(qū)間(以下簡稱“新草區(qū)間”)近距離上跨北京地鐵10號線草橋站～紀(jì)家廟盾構(gòu)區(qū)間(以下簡稱“草紀(jì)區(qū)間”)隧道為工程依托，對管幕法[11-15]施工技術(shù)進(jìn)行研究，為后期類似工程提供施工技術(shù)參考。

2 工程概況及重難點(diǎn)分析

2.1 工程簡介

北京新建新機(jī)場線新草區(qū)間位于馬草河?xùn)|側(cè)、鎮(zhèn)國寺北街南側(cè)地塊內(nèi)，線路全長264.351 m，標(biāo)段起點(diǎn)設(shè)盾構(gòu)接收井，順接盾構(gòu)區(qū)間。區(qū)間隧道上跨既有地鐵10號線草紀(jì)盾構(gòu)區(qū)間、下穿鎮(zhèn)國寺北街到達(dá)草橋站，如圖1所示。

圖1 新草區(qū)間線路平面圖

暗挖區(qū)間隧道首先利用南側(cè)豎井進(jìn)行底部管幕施工，待管幕施工完成后，利用南側(cè)豎井由南向北進(jìn)行暗洞施工，同時進(jìn)行北側(cè)豎井施工及利用北側(cè)豎井由北向南進(jìn)行暗洞施工。

既有區(qū)間隧道覆土厚度13～14 m，隧道結(jié)構(gòu)為外徑6 m的圓形管片，管片厚300 mm。為降低新建地鐵隧道對已運(yùn)營線路的影響，下穿鎮(zhèn)國寺北街且上跨草紀(jì)盾構(gòu)區(qū)間段采取管幕暗挖法施工。管幕法斷面尺寸13.4 m×9.8 m，覆土高度3.94 m，距下臥隧道最小距離僅為733 mm。

新草區(qū)間施工對10號線區(qū)間上方土體卸載后回彈變形帶來風(fēng)險，對區(qū)間上方鎮(zhèn)國寺北街沉降也會帶來影響；同時，管幕距既有盾構(gòu)區(qū)間隧道間距過小，施工時對位移變形控制要求極高，因而需要提高管幕精度控制要求。

2.2 施工重難點(diǎn)

(1)由于新建地鐵區(qū)與既有線路最小間距僅為733 mm，且所處地層為砂卵石地層，如何保證管幕施工精確，防止破壞既有10號線結(jié)構(gòu)及管線。

(2)地鐵10號線為正在運(yùn)營線路，管幕法施工過程中土方開挖造成上跨區(qū)段土體卸荷，引起10號線上跨區(qū)段上浮，如何將既有隧道變形值控制在允許值之內(nèi)。

(3)鎮(zhèn)國寺北街為雙向四車道城市道路，管幕法施工過程中土方開挖會造成道路沉降，如何將沉降控制在允許值之內(nèi)。

3 暗挖區(qū)間施工技術(shù)

3.1 上導(dǎo)洞施工

(1)馬頭門破除

暗挖區(qū)間施工前，需要破除豎井井壁及鋼格柵支護(hù)，易導(dǎo)致該處土體失穩(wěn)，故在豎井初期支護(hù)施工至馬頭門處時，應(yīng)對馬頭門處提前進(jìn)行加固處理，豎井初支提前沿馬頭門拱部外輪廓線插打設(shè)2 m長超前小導(dǎo)管并注漿加固地層。

馬頭門開洞兩側(cè)的豎井格柵應(yīng)加密縱向連接筋布置，采用22@300縱向連接筋格柵內(nèi)外雙排設(shè)置。下導(dǎo)洞破馬頭門施工前，在區(qū)間斷面?zhèn)葔Σ课辉O(shè)置加強(qiáng)柱，加強(qiáng)柱通過設(shè)置預(yù)埋鋼筋與豎井側(cè)墻格柵、底板格柵及樁頂冠梁進(jìn)行有效連接。馬頭門破除完后立即用格柵封閉周邊，并與豎井格柵焊接成整體，并連立三榀通道格柵鋼架，施作初支。通道第一榀格柵與被割斷的豎井格柵及豎向連接筋焊接成一體共同受力。

(2)上導(dǎo)洞開挖

小導(dǎo)洞雖為臨時支護(hù)結(jié)構(gòu)，但在該階段應(yīng)努力控制工程施工對地層的擾動，以便為下階段的作業(yè)創(chuàng)造條件，尤其需要采取適當(dāng)措施，減小群洞效應(yīng)。

暗挖區(qū)間上層導(dǎo)洞拱部主要位于粉土層和粉細(xì)砂層，導(dǎo)洞開挖前對拱部進(jìn)行深孔注漿預(yù)加固，注漿孔直徑為φ50，孔間距0.5 m×0.5 m，注漿孔水平鉆設(shè)，漿液擴(kuò)散半徑取0.3 m。

各導(dǎo)洞均采取對向施工，先施工1號邊導(dǎo)洞，待1號邊導(dǎo)洞進(jìn)洞8～10 m后，施工4號邊導(dǎo)洞，待1、4號邊導(dǎo)洞貫通并施工完成洞樁、冠梁及初支間回填后進(jìn)行2號中導(dǎo)洞施工，待2中導(dǎo)洞進(jìn)洞2～3 m后進(jìn)行3號中導(dǎo)洞施工。開挖步序見圖2。

圖2 上導(dǎo)洞開挖步序

上層小導(dǎo)洞均采用預(yù)留核心土臺階法施工，每循環(huán)進(jìn)尺0.5 m，待上臺階進(jìn)洞3 m后，進(jìn)行下臺階的開挖及支護(hù)，使初支護(hù)結(jié)構(gòu)盡快封閉。

1、4號導(dǎo)洞貫通后，施作導(dǎo)洞內(nèi)洞樁，洞樁φ1 000 mm，間距1 800 mm，挖孔樁縱向有三種樁型分布，分別為Z1、Z2、Z3，樁長分別為13.3 m、9.3 m、4.9 m，洞樁布置見圖3。

洞樁施作完后，邊導(dǎo)洞樁頂部設(shè)置冠梁，冠梁截面尺寸為1 200 mm(寬)×1 685 mm(高)，將所有的圍護(hù)樁連接起來成為一個整體作為二襯扣拱支撐梁。隨后進(jìn)行上層導(dǎo)洞內(nèi)二襯施工，二襯采取跳段施工，分段長度4～6 m。

圖3 導(dǎo)洞洞內(nèi)樁

2、3號導(dǎo)洞貫通后，在導(dǎo)洞內(nèi)每4～6 m分段、跳段拆除1、4號導(dǎo)洞邊墻，鋪設(shè)防水層，進(jìn)行二襯扣拱施工，為確保施工安全，保留2、3號導(dǎo)洞間型鋼支撐。

上導(dǎo)洞施工完成后如圖4所示。

圖4 上導(dǎo)洞施工完成后

3.2 管幕施工

為減小暗洞開挖對既有10號線的影響，在南側(cè)豎井內(nèi)于暗洞底部單向打設(shè)超前管幕，主動控制既有盾構(gòu)變形。管幕采用D402(壁厚t＝16 mm)無縫鋼管，水平間距450 mm，單根長38.5 m，管內(nèi)填充水泥砂漿，用于提高鋼管整體的剛度及整體性。管幕布置如圖5所示。

圖5 管幕布置

根據(jù)目前19號線平安里站管幕施工經(jīng)驗(yàn)，在粉質(zhì)黏土及粉細(xì)砂地層中19 m長管幕施工精度控制在5 cm以內(nèi)，本工程38.5 m長管幕施工可以控制在10 cm以內(nèi)。為檢驗(yàn)新設(shè)備的現(xiàn)場實(shí)際操作性能及工人操作控制水平，在左側(cè)原位進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，過程嚴(yán)格控制頂進(jìn)速度，使頂進(jìn)速度與出土相協(xié)調(diào)，以減少頂力，頂進(jìn)過程及時糾偏，保證管幕施工精度?，F(xiàn)場施工效果如圖6所示。

圖6 管幕現(xiàn)場施工效果

3.3 下導(dǎo)洞施工

上層導(dǎo)洞二襯扣拱及底部管幕施工完成后，拆除導(dǎo)洞底板，進(jìn)行下導(dǎo)洞施工。下導(dǎo)洞開挖高度約4.5 m，既有上方土體按臺階法單向開挖，并隨做錨索及吊腳樁范圍水平鋼支撐，下臺階施工至錨索停止向前開挖，待錨索張拉符合設(shè)計要求后方可繼續(xù)向前開挖。

如圖7所示，既有線區(qū)間兩側(cè)共設(shè)置8道錨索，每道錨索橫向設(shè)置3根，單根錨索長17 m(錨固段10 m，自由段7 m)，主動控制既有線隆起。根據(jù)地勘資料揭示，本工程錨索施工所處地層主要為卵石圓礫層，同時考慮鉆孔及注漿對10號線影響，錨索施工擬采用“氣動潛孔跟管干法鉆進(jìn)成孔，一次常壓注漿”工藝。

圖7 預(yù)應(yīng)力錨索施工

下層導(dǎo)洞開挖完成后，縱向分段，豎向分層進(jìn)行底板及側(cè)墻施工，縱向分段同下導(dǎo)洞開挖部序，豎向分層為底板及側(cè)墻兩部分，按照平面部序分段拆除底層鋼支撐，施工墊層、防水及底板至腋角以上30 cm，待底板達(dá)到強(qiáng)度后拆除第一道鋼支撐，進(jìn)行剩余側(cè)墻結(jié)構(gòu)施工，施工完成后如圖8所示。

圖8 整體結(jié)構(gòu)斷面圖

3.4 監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析

為了有效控制新建隧道對既有建筑物的影響，對地表沉降、地下水位、管線變形、初支拱頂沉降、初支側(cè)壁收斂等進(jìn)行監(jiān)測，既有隧道監(jiān)測見圖9。

圖9 既有隧道監(jiān)測示意

通過現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)表明，鎮(zhèn)國寺北街地表下沉最大值為18 mm，既有線上浮最大值為1.27 mm，均滿足控制要求。

4 總結(jié)

復(fù)雜城市環(huán)境條件下，上跨、下穿既有地鐵線路，是城市軌道交通建設(shè)的一個施工難題。本文以北京地鐵新機(jī)場線新發(fā)地站～草橋站區(qū)間隧道為工程依托，介紹了新建地鐵隧道近距離上跨北京地鐵10號線草橋站～紀(jì)家廟盾構(gòu)區(qū)間隧道和下穿鎮(zhèn)國寺北街的施工情況，為砂卵石地層重疊隧道施工提供了有益的工程經(jīng)驗(yàn)。本文主要結(jié)論如下：

(1)豎井結(jié)構(gòu)施工時，提前對馬頭門位置處結(jié)構(gòu)和土體進(jìn)行預(yù)加固處理，避免暗挖區(qū)間施工導(dǎo)致該處土體失穩(wěn)。

(2)暗挖區(qū)間上導(dǎo)洞施工分為4個小導(dǎo)洞施工，需要采取適當(dāng)支護(hù)措施，減小群洞效應(yīng)。上導(dǎo)洞除拱部采用預(yù)注漿加固外，在洞內(nèi)施作洞樁，并通過冠梁將洞樁連接，為二襯扣拱提供支撐。

(3)在豎井內(nèi)暗挖區(qū)間隧道底部施作大管幕，下導(dǎo)洞開挖時提前施作預(yù)應(yīng)力錨索，與管幕共同發(fā)揮作用，有效控制了既有隧道變形。

(4)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，鎮(zhèn)國寺北街地表下沉最大值為18 mm，既有線上浮最大值為1.27 mm，均滿足控制要求。