某地鐵盾構(gòu)穿越既有公路技術(shù)分析

任興成

(中鐵十八局集團(tuán)市政工程有限公司，天津300222 ）

該地鐵盾構(gòu)區(qū)間起止里程為K33+208.249～K35+545.227，區(qū)間右線全長(zhǎng)2118.308m，左線全長(zhǎng)2121.098m，盾構(gòu)區(qū)間設(shè)置三個(gè)聯(lián)絡(luò)通道及一個(gè)泵房。隧道覆土厚度在12.2～26.9m之間，最大坡度為20‰，最小轉(zhuǎn)彎半徑3000m。

盾構(gòu)下穿區(qū)間對(duì)應(yīng)南五環(huán)里程為Z43+960～Z43+988，下穿區(qū)間段道路寬度約為28m，區(qū)間結(jié)構(gòu)頂與路面垂直距離約29.49m ，盾構(gòu)隧道下穿五環(huán)處于坡度為19.91%的下坡段（如圖1所示）。

1 工程地質(zhì)與水文地質(zhì)

1.1 工程地質(zhì)

該工程位于北京大興區(qū)，據(jù)地質(zhì)資料顯示，工程區(qū)域內(nèi)地勢(shì)由南向北逐漸升高，工程位于永定沖洪積扇中上部，屬于第四紀(jì)沖洪積平原區(qū)。

根據(jù)現(xiàn)有地質(zhì)勘察資料，盾構(gòu)隧道穿越地層以卵石圓礫⑦及⑨層等粗粒土為主，局部夾層為黏土④1層、粉細(xì)砂④3層、卵石圓礫⑤層、粉質(zhì)黏土⑥層、細(xì)中砂⑥3層、粉細(xì)砂⑧3層等地層。

1.2 水文地質(zhì)

2016 年 12 月 1 日～ 2017 年 2 月 21 日，該工程進(jìn)行了詳細(xì)的勘察現(xiàn)場(chǎng)鉆探，在鉆探深度（70.0m）范圍內(nèi)地下水以第四紀(jì)松散沉積物孔隙水為主，受地層巖性分布特點(diǎn)的影響，該水文地質(zhì)單元主要分布兩層地下水，地下水類型為上層滯水（一）和層間水（四）。

圖1 地鐵盾構(gòu)穿越公路斷面

盾構(gòu)區(qū)間下穿南五環(huán)路基段存在地下水，地下水類型為層間潛水～承壓水（四）：該層穩(wěn)定水位埋深在25.80～27.80m，穩(wěn)定水位標(biāo)高為11.75～13.70m，主要含水層為卵石圓礫⑦層及其以下砂土、卵石地層（如圖2所示）。

2 盾構(gòu)區(qū)間下穿公路段施工模擬分析

該段區(qū)間在里程盾構(gòu)區(qū)間隧道于右K34+756.532 -右K34+813.710里程段穿越公路與公路線路的夾角在88°左右，受地鐵隧道施工影響,研究區(qū)域沿公路線路方向按隧道兩側(cè)不小于25m考慮[1]。模型采用MlDASGTS三維有限元軟件進(jìn)行計(jì)算[2]，初步設(shè)計(jì)方案為盾構(gòu)洞內(nèi)采取管片同步注漿及二次深孔加強(qiáng)注漿措施。

圖2 地鐵盾構(gòu)穿越公路地質(zhì)

2.1 計(jì)算模型和參數(shù)

結(jié)合工程水文地質(zhì)條件，區(qū)間隧道施工對(duì)公路運(yùn)行的影響存在2個(gè)階段，即地鐵右和左線隧道盾構(gòu)掘進(jìn)[3]。下穿公路段的隧道蓋土層厚度達(dá)26.9米。其計(jì)算模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型

計(jì)算土層是根據(jù)地勘報(bào)告選取，且每層土的參數(shù)均以地質(zhì)勘測(cè)資料標(biāo)準(zhǔn)值為準(zhǔn)[4]。模型中除自重外，在地面上汽車活載。汽車活載采用標(biāo)準(zhǔn)“中-活載”圖式進(jìn)行檢算。在模型的四周，法向位移約束被施加到除了作為自由表面的地面之外的其它三個(gè)側(cè)面[5]。

2.2 施工過程及結(jié)果

計(jì)算中開挖的土體半徑，即盾構(gòu)機(jī)半徑為4.557m，管片外側(cè)半徑為4.4m。施工過程中，先開挖土體后安裝管片。圖4為無(wú)洞內(nèi)深孔注漿時(shí)，左線隧道施工完后土體豎向變形。圖5為無(wú)洞內(nèi)深孔注漿時(shí)，右線隧道施工完土體豎向變形。圖6為無(wú)洞內(nèi)深孔注漿時(shí)，施工完地面沉降曲線。圖7為采取洞內(nèi)深孔注漿時(shí)，左線隧道施工完后土體豎向變形。圖8為采取洞內(nèi)深孔注漿時(shí)，右線隧道施工完后土體豎向變形。

2.3 地表沉降分析

由表1、圖10分析可知，穿越段內(nèi)（下穿區(qū)間段道路寬度約為28m），通過對(duì)參數(shù)的調(diào)整，地表累計(jì)沉降逐漸減小且趨于穩(wěn)定。

2.4 結(jié)論

綜上分析，在地鐵隧道區(qū)間右線施工時(shí)，隧道上方的地面沉降速度與沉降值比其他兩處要大；在地鐵隧道區(qū)間左線開始施工時(shí)，地鐵右線隧道上面地面的沉降速度開始降低，隧道左線上方地面沉降速度快于右線隧道；在地鐵隧道區(qū)間左線施工即將完成時(shí)，其中間的沉降便比其它兩處要大，直到工程完工[6]。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，并對(duì)盾構(gòu)施工方案優(yōu)化，在控制好盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的情況下，可有效控制既有公路路基在施工期間的變形沉降[7]。

由于公路修建年代較長(zhǎng)，屬于重要運(yùn)行通道，結(jié)合該線使用現(xiàn)狀，考慮對(duì)其采取一定的地面措施，確保公路在盾構(gòu)施工期間正常使用。

3 主要技術(shù)措施

3.1 盾構(gòu)施工要求

（1）盾構(gòu)推進(jìn)至公路下方，施工中建立完整的量測(cè)體系，制定量測(cè)內(nèi)容和量測(cè)頻率，并結(jié)合實(shí)際應(yīng)用效果不斷完善成可以遵循的信息化施工標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)根據(jù)周圍量測(cè)結(jié)果，結(jié)合計(jì)算分析結(jié)果，調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)過程中的各參數(shù)，主要有正面土壓力、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、千斤頂頂力及編組力、刀盤的扭矩、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度、盾構(gòu)機(jī)排土量、盾構(gòu)機(jī)同步注漿壓力、注漿量等，確保盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)安全和既有公路的運(yùn)行安全。

圖4 無(wú)洞內(nèi)注漿時(shí) 左線隧道施工后土體豎向變形

圖5 無(wú)洞內(nèi)深孔注漿時(shí) 右線隧道施工完成后土體豎向變形

圖6 無(wú)洞內(nèi)深孔注漿時(shí) 施工后地面沉降曲線

圖7 洞內(nèi)深孔注漿時(shí) 左線隧道施工后土體豎向變形

圖8 洞內(nèi)深孔注漿時(shí) 右線隧道施工后土體豎向變形

圖9 洞內(nèi)深孔注漿時(shí) 施工后地面沉降曲線

表1 盾構(gòu)區(qū)間右線穿越五環(huán)路路基段地表累計(jì)沉降值

圖10 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)方向與測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降關(guān)系

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)盡量調(diào)整至最佳。根據(jù)識(shí)別的地質(zhì)情況，為土層的變化設(shè)置合理的土壓力、倉(cāng)壓力，在盾構(gòu)機(jī)下穿公路前調(diào)整好。在粉砂層推進(jìn)時(shí)，及時(shí)向盾構(gòu)機(jī)開挖面壓注泡沫或膨潤(rùn)土，從而改良土體，嚴(yán)防產(chǎn)生流砂涌泥涌水等意外，切實(shí)避免因粉砂層的液化造成隧道開挖面的土體流失，避免引起地層意外沉降。要嚴(yán)格控制盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度[8]。在隧道施工時(shí)，根據(jù)盾構(gòu)埋深和位置的土層狀態(tài)及監(jiān)測(cè)情況，設(shè)置適當(dāng)?shù)亩軜?gòu)平衡壓力。

（2）控制地鐵隧道軸線，嚴(yán)防超挖過大，防止盾構(gòu)前方土體的坍落或擠密現(xiàn)象，要降低地基的土橫向變形對(duì)建筑物基礎(chǔ)上施加的橫向力。當(dāng)盾構(gòu)在推進(jìn)和管片拼裝時(shí)，務(wù)必保證盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)力過小，漿液填充速度會(huì)過慢，導(dǎo)致不能充足填充，也會(huì)導(dǎo)致地表的變形增大。要選擇泌水性好、和易性好且具有一定強(qiáng)度的漿液在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)中注漿，確保均勻、及時(shí)、足量的壓注和填充空隙，具體實(shí)施時(shí)依據(jù)情況及時(shí)做相應(yīng)調(diào)整。在重要保護(hù)區(qū)，建議采取兩次壓漿工藝，避免因漿液收縮引起地面沉降。在確保壓漿質(zhì)量的前提下，才能開始下一環(huán)的盾構(gòu)推進(jìn)。根據(jù)地面沉降情況和漏漿情況適時(shí)進(jìn)行二次注漿，注入時(shí)應(yīng)該采取隔3環(huán)補(bǔ)漿，注漿孔的具體位置在地鐵隧道頂部?jī)蓚?cè)的管片，就是9點(diǎn)到3點(diǎn)之間的位置。二次注漿的管片位置，應(yīng)以脫離盾尾10環(huán)以后為準(zhǔn)。二次注漿的漿液采用雙液漿注漿，其壓入量、壓力值及詳細(xì)壓入位置依據(jù)地層變形觀測(cè)等實(shí)際情況確定。漿液主要材料的配比見表2。不能變坡、后退、及變向。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)速度必須同出土量、地面控制的沉降值、前土壓力的平衡調(diào)整值和同步注漿相配合協(xié)調(diào)，如果盾構(gòu)機(jī)停歇時(shí)間不短，必須及時(shí)迅速關(guān)閉正面的土體。

表2 隧道二次注漿的漿液配比

（3）盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)后，應(yīng)及時(shí)充填地鐵管片和地層之間的一切環(huán)形空隙，從而避免地層下陷。另外，提高防水能力主要采用注漿方式對(duì)環(huán)形間隙進(jìn)行填充，如果按注漿時(shí)機(jī)則可分為二次注漿和同步注漿。

根據(jù)建筑物和地下管線的結(jié)構(gòu)類型及對(duì)沉降的敏感程度、沉降允許值，制定重要建筑物及地面變形警戒值。建立完善的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，及時(shí)反饋信息，在盾構(gòu)同步注漿后，及時(shí)進(jìn)行跟蹤補(bǔ)漿或二次注漿。同步注漿量的控制要依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)分析，及時(shí)調(diào)整同步注漿量的參數(shù)，對(duì)同步注漿量要控制適當(dāng)，不僅能減少盾尾通過后隧道外圍形成的空隙，還能減少隧道周圍土體的水平位移及因此產(chǎn)生對(duì)基礎(chǔ)的負(fù)摩阻力。同步注漿時(shí)，要在壓入口的壓力不小于該點(diǎn)的靜止水壓和土壓力兩者之和。如果注漿壓力過大，那么漿液會(huì)擾動(dòng)地鐵管片外的土層，從而造成后期地層較大沉降和隧道本身的沉降，并導(dǎo)致跑漿。如果注漿壓

3.2 土體改善措施

為保證盾構(gòu)正常出土，在盾構(gòu)刀盤正面注入泡沫或膨潤(rùn)土以達(dá)到潤(rùn)滑效果，降低刀具的磨損、改良土質(zhì)，增加土體的流動(dòng)性，減少土的透水性，利于保持土倉(cāng)內(nèi)土壓力平衡，從而避免開挖面的土體坍塌，減少刀盤與土體的摩擦，降低扭矩，保持掘進(jìn)的順利進(jìn)行。加入泡沫或膨潤(rùn)土?xí)r嚴(yán)格控制注入量和壓力，以避免土體在過多泡沫或膨潤(rùn)土量及較高壓力下形成定向貫通的介質(zhì)裂縫，造成滲水通道，嚴(yán)重影響隧道安全。

4 結(jié)語(yǔ)

本文以地鐵某區(qū)間下穿公路工程為例，闡述了采用MIDAS GTS三維有限元軟件計(jì)算分析盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)左/右線隧道上方地面沉降影響，使用階段隧道能夠承受列車動(dòng)荷載以及穿越公路結(jié)構(gòu)施工技術(shù)要求。具有一定的經(jīng)濟(jì)效果和推廣價(jià)值，可為后期施工提供有效的技術(shù)支撐。