復(fù)合地層盾構(gòu)磨除地下連續(xù)墻關(guān)鍵技術(shù)研究

金 平， 夏童飛， 劉曉陽

(1.中鐵四局集團(tuán)有限公司城市軌道交通工程分公司, 安徽合肥 230022; 2.西南交通大學(xué)交通隧道工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 四川成都 610031)

隨著我國城市化的推進(jìn)，基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)建設(shè)，城市軌道交通也呈現(xiàn)快速發(fā)展趨勢。地鐵線路的持續(xù)增加，受到既有城市建筑制約的現(xiàn)象也愈發(fā)突顯。新建地鐵線路的建設(shè)過程中不可避免的將會穿越大型建構(gòu)筑物的地下結(jié)構(gòu)部分，例如樁基、地下連續(xù)墻等。如何安全的穿過這部分樁基、地下連續(xù)墻成為很多工程不得不考慮的施工難題。目前國內(nèi)類似工程的處理多采用樁基托換、人工挖孔破除樁體、地下連續(xù)墻等處理方式，存在施工難度大，風(fēng)險高，進(jìn)度緩慢等問題。因此采用盾構(gòu)機(jī)磨除侵限樁體或地下連續(xù)墻的施工方法得到越來越多的關(guān)注和研究。本文依據(jù)深圳地鐵10號線下穿4號線福田口岸站既有地下連續(xù)墻侵限問題，對土壓平衡盾構(gòu)磨除地下連續(xù)墻施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。

1 工程概況

深圳地鐵10號線福田口岸站—福民站區(qū)間隧道垂直近接下穿既有4號線福田口岸站，其平面關(guān)系見圖1。4號線福田口岸站為地下一層車站，主體結(jié)構(gòu)型式為多跨箱型混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)立柱，每根立柱下設(shè)置了1～2根支撐樁；其圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻疊合結(jié)構(gòu)(圖2)，車站底板距隧道頂部6.9～7.8 m，地下連續(xù)墻設(shè)計600 mm厚，地下連續(xù)墻主筋為φ28 mm，采用工字鋼接頭。

圖1 深圳地鐵10號線與4號線福田口岸站平面位置關(guān)系

圖2 下穿4號線福田口岸站地下連續(xù)墻位置

由于4號線福田口岸車站地下連續(xù)墻及站底4根支撐樁侵入隧道修建范圍，隧道穿越時需將其破除。因此福田口岸站—福民站區(qū)間隧道采用盾構(gòu)施工和礦山法施工兩種工法，福民站始發(fā)至4號線福田口岸站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工；區(qū)間下穿4號線福田口岸站至接收采用礦山法施工，以便對侵入?yún)^(qū)間隧道范圍地下連續(xù)墻進(jìn)行處理，隨后盾構(gòu)磨除侵入部分地下連續(xù)墻(圖3)。

圖3 福田口岸站—福民站區(qū)間隧道施工方案

2 工程重難點(diǎn)分析

在本工程中，礦山法段隧道起著類似于“盾構(gòu)接收井”的重要作用，而深圳地鐵10號線與4號線福田口岸區(qū)間段，穿越的主要地層為素填土、淤泥質(zhì)黏性土、粗砂、卵石、中風(fēng)化花崗巖和微風(fēng)化花崗巖等，地下水豐富，不同風(fēng)化程度巖層的強(qiáng)度沿深度變化劇烈，地層軟硬不均表現(xiàn)十分明顯，若不進(jìn)行地層加固和密封直接進(jìn)行接收，極大可能會造成礦山法隧道內(nèi)涌水涌沙，威脅洞內(nèi)作業(yè)人員和設(shè)施安全，而盾構(gòu)隧道側(cè)上方則可能發(fā)生大量地層損失，造成周圍土體和車站過大沉降。

由于地下連續(xù)墻內(nèi)存在鋼筋、工字鋼接頭等構(gòu)件，盾構(gòu)磨墻的施工勢必會對其造成不同程度的干擾，且其穩(wěn)定性將直接影響上方結(jié)構(gòu)，因此地下連續(xù)墻的安全磨除成為本工程控制的要點(diǎn)。

3 施工方案

為解決上述問題，且充分利用現(xiàn)有條件，工程采用了“暗挖加固+地下連續(xù)墻不完全拆除+地層加固”的方案，以確保復(fù)合地層條件下的磨除地下連續(xù)墻工作安全進(jìn)行。以下為詳細(xì)施工步驟。

3.1 地層加固

針對地層加固，首先在盾構(gòu)側(cè)對第一道地下連續(xù)墻外側(cè)與盾構(gòu)隧道接口處地層，從地面采用后退式注漿工藝進(jìn)行了注漿加固，加固范圍寬6 m，長3 m，深度為隧底至隧頂以上3 m(圖4)。

(a)地面加固平面

3.2 暗挖段清障、加固措施

暗挖段采用上下臺階法只開挖上臺階的方法開挖至地下連續(xù)墻，并破除隧道內(nèi)侵限的4根車站樁基，具體施做方法如下。

3.2.1 超前預(yù)加固

采用全斷面注漿、大管棚和超前小導(dǎo)管等超前加固技術(shù)對隧道周邊圍巖進(jìn)行預(yù)加固。隧道開挖前，對隧道開挖輪廓線外3 m以內(nèi)進(jìn)行深孔全斷面注漿(圖5)，注漿段設(shè)計長度為9 m，每個注漿段完成后開挖6 m，預(yù)留3 m不開挖作為下一循環(huán)的止?jié){巖盤；在隧道拱部150 °范圍內(nèi)水平打設(shè)直徑為108 mm、環(huán)向間距為330 mm、長度為35 m的管棚，左右線各30根，總計60根；在隧道拱部150 °范圍內(nèi)與管棚相隔布設(shè)單排超前小導(dǎo)管；下穿4號線福田口岸站時在隧道拱部150 °范圍內(nèi)布設(shè)雙排超前小導(dǎo)管(圖6)。

圖5 全斷面注漿平面布置

圖6 大管棚和超前小導(dǎo)管布置

3.2.2 半臺階法開挖和樁基破除

區(qū)間隧道下穿既有建(構(gòu))物段采用半臺階礦山法隧道開挖，設(shè)置臨時仰拱。先施工左線再施工右線，左右線錯開10 m左右開挖。具體施工步驟如下：

(1)半臺階開挖立鋼拱架并施作初期支護(hù)。

(2)待隧道半臺階施工挖通，侵入隧道樁基范圍內(nèi)下臺階開挖立鋼拱架，并施作初期支護(hù)。

(3)二襯澆筑，初支及二襯根部落入中風(fēng)化巖層面0.5 m，二襯長度為樁中心往大小里程各延伸1倍樁徑。

(4)自里往外切除侵入隧道內(nèi)的樁基并回填素混凝土(C20)(圖7)。

圖7 侵入隧道內(nèi)樁基破除施工示意

3.3 地下連續(xù)墻處理

結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)判斷，僅需處理盾構(gòu)無法磨除的工字鋼接頭和礦山法隧道側(cè)的部分鋼筋，則在強(qiáng)度和止水性上均可以滿足封堵條件。具體施工方案為：

破除地下連續(xù)墻工字鋼接頭(圖8)與暗挖側(cè)地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)鋼筋(圖9)，地下連續(xù)墻外側(cè)鋼筋采用水鉆取孔切斷(圖10)，以減小對既有車站擾動，保護(hù)刀盤，避免刀盤纏繞鋼筋卡死。

圖8 工字鋼處理

圖9 地下連續(xù)墻內(nèi)側(cè)鋼筋割除

圖10 地下連續(xù)墻外側(cè)鋼筋切斷

3.4 素混凝土回填

盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)部分長度9 m左右，考慮盾構(gòu)空推時盾構(gòu)機(jī)千斤頂推力不好控制，姿態(tài)不易控制，并且在空推過程中，同步注漿的漿液容易出現(xiàn)跑漿，導(dǎo)致盾構(gòu)管片與土體之間填充不充分留有空隙，同時考慮回填混凝土的經(jīng)濟(jì)性，在地下連續(xù)墻端處進(jìn)行10 m的混凝土回填，保證盾構(gòu)機(jī)在通過該段達(dá)到地下連續(xù)墻端頭處前的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)以及管片姿態(tài)符合控制要求(圖11)。

圖11 現(xiàn)場素混凝土回填

3.5 盾構(gòu)磨墻掘進(jìn)

磨地下連續(xù)墻掘進(jìn)時總體采用低速、小推力、低扭矩帶氣壓平衡掘進(jìn)模式。具體措施如下：

(1)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中將土倉渣土液位控制在半倉(掘進(jìn)過程根據(jù)渣土核算，嚴(yán)格控制出土量)，掘進(jìn)過程中保持土倉壓力，渣土改量和易性嚴(yán)格控制。

(2)刀盤扭矩控制在2 500 kN·m以下(刀盤啟動扭矩800～1 200 kN·m)，刀盤轉(zhuǎn)速1.2～1.4 r/min(刀盤轉(zhuǎn)向勤來回更換)。

(3)螺旋輸送機(jī)插到底，轉(zhuǎn)速非恒定，過程中高低轉(zhuǎn)速配合，時不時快速轉(zhuǎn)2 min。每環(huán)開始推進(jìn)時，先慢慢開螺旋機(jī)閘門、小口度開，待螺機(jī)口出土不噴則開始慢慢放大閘門正常出土。

(4)渣土改良：以泡沫改良為主，使用6路泡沫注入，原液比例3 %～5 %，發(fā)泡率10～16倍，泡沫流量200～500 L/min(根據(jù)渣土干稀狀況、渣土貫入度動態(tài)調(diào)整)，同時根據(jù)渣土和易性和含砂量情況，輔以膨潤土和刀盤噴水改良，改良要具有一定的超前性；渣土坍落度控制在140～180 mm；實(shí)測出渣口渣溫小于45 ℃。

(5)同步注漿量7～8 m3，以注漿壓力控制為主，注漿壓力300 kPa以內(nèi)； 二次注漿每五環(huán)做一次封環(huán)，每環(huán)對上部點(diǎn)位進(jìn)行二次注漿，注雙液漿。每環(huán)盾殼注克泥效(不加水玻璃)，注入量1～1.5 m3。

4 磨地下連續(xù)墻掘進(jìn)現(xiàn)場情況

根據(jù)里程推算，盾構(gòu)掘進(jìn)557環(huán)與558環(huán)時磨地下連續(xù)墻掘進(jìn)，圖12為下穿地下連續(xù)墻段掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計，從圖12可知，盾構(gòu)推力范圍為12 000～14 000 kN，刀盤扭矩范圍為2 000～2 300 kN·m，掘進(jìn)速度：5～10 mm/min。當(dāng)掘進(jìn)行程從557環(huán)1 500 mm到558環(huán)600 mm，盾構(gòu)機(jī)與地下連續(xù)墻內(nèi)部鋼筋接觸，掘進(jìn)速度明顯下降、推力相對波動增大。

圖12 磨地下連續(xù)墻現(xiàn)場掘進(jìn)參數(shù)統(tǒng)計

現(xiàn)場其他掘進(jìn)情況如下：

(1)渣土改良：泡沫選用的為巴斯夫泡沫，泡沫注入半自動模式，原液比5 %，膨脹率18倍，泡沫流量400 L/min，4路注入(2路堵塞)；渣土和易性略微偏稀，坍落度220 mm(圖13)。

圖13 渣土改良情況

(2)出渣量：557環(huán)出渣60 m3，558環(huán)出渣57 m3，出渣量小于控制值(62 m3)。

(3)刀盤：掘進(jìn)過程中未出現(xiàn)卡刀盤現(xiàn)象，盾構(gòu)出洞后觀察刀盤面板有少量纏繞鋼筋(圖14)。

圖14 刀盤面板有少量鋼筋纏繞

(4)螺旋機(jī)：掘進(jìn)過程中有輕微卡頓現(xiàn)象，經(jīng)過螺旋機(jī)正反轉(zhuǎn)后即可恢復(fù)正常；盾構(gòu)出洞后觀察土倉螺旋機(jī)口有纏繞鋼筋(圖15)。

圖15 螺旋機(jī)口運(yùn)輸?shù)牡叵逻B續(xù)墻鋼筋

(5)螺旋機(jī)閘門：掘進(jìn)過程中偶爾出現(xiàn)閘口未能完全閉合情況，螺機(jī)口漏渣，通過正反轉(zhuǎn)螺旋機(jī)、閘門開合調(diào)整處理，處理不果采取螺機(jī)塞土，然后人工割除。

(6)下穿段地面情況：經(jīng)地面巡視人員觀察無異常情況發(fā)生。

(7)監(jiān)測數(shù)據(jù)：表1、表2分別為穿越過程中及穿越后對地表沉降數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)可知，穿越過程較為穩(wěn)定，完全滿足施工控制要求。

5 結(jié)束語

本文以深圳地鐵10號線下穿4號線福田口岸站盾構(gòu)磨除地下連續(xù)墻工程為依托，對地層條件復(fù)雜，下穿建筑物安全控制要求高，擾動風(fēng)險大等條件下的盾構(gòu)磨除地下連續(xù)墻關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。系統(tǒng)闡述了利用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)切削磨除侵限地下連續(xù)墻的施工工藝和施工參數(shù)。結(jié)合4號線福田口岸站地質(zhì)條件，工程控制要點(diǎn)，提出了針對性的磨除地下連續(xù)墻施工技術(shù)方案，包括地下連續(xù)墻前期處理、盾構(gòu)機(jī)參數(shù)設(shè)計、開挖工法，輔助加固措施等。通過周密的策劃，精心的施工，保證了復(fù)合地層條件下的盾構(gòu)磨除地下連續(xù)墻施工的安全進(jìn)行。

表1 2019年1月20日地表沉降監(jiān)測日報

表2 2019年1月21日地表沉降監(jiān)測日報