富水礫卵石地層中盾構(gòu)下穿地鐵隧道的施工控制技術(shù)

許劍波 蘇長(zhǎng)毅 李子碩 劉燦光

中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司 湖北 武漢 430073

隨著城市化進(jìn)程的加速，地下空間得到進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)利用。在地下隧道施工過(guò)程中，不可避免地會(huì)遇到與既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路產(chǎn)生相互交叉的情況。在盾構(gòu)下穿過(guò)程中，一旦操作不當(dāng)，就有可能導(dǎo)致既有地鐵隧道沉降，進(jìn)而影響地鐵列車(chē)行車(chē)安全。因此，尋找合理有效的辦法控制地層沉降或隆起，減少盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)既有地鐵線路的影響十分有必要[1-5]。本文重點(diǎn)研究了盾構(gòu)下穿過(guò)程中采用的施工技術(shù)控制要點(diǎn)，分析了下穿過(guò)程中的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，可為今后的類(lèi)似工程提供借鑒。

1 工程概況

武漢大東湖核心區(qū)污水傳輸系統(tǒng)工程主隧全長(zhǎng)17.5 km，包含9個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，其中2#—1#區(qū)間（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“深隧”）在羅家港和沙湖港交匯處下穿武漢地鐵4號(hào)線鐵羅區(qū)間（圖1），交角為80°。2#—1#區(qū)間全長(zhǎng)2 261 m，隧道底埋深為27.7～33.6 m，采用外徑3.9 m、內(nèi)徑3.4 m、厚250 mm的C50預(yù)制混凝土管片結(jié)構(gòu)。

圖1 區(qū)間下穿關(guān)系平面

下穿區(qū)段位于沙湖港下，水深約2 m，地鐵覆土深度為3.4 m，深隧覆土深度為22.3 m，地鐵隧道外壁距深隧結(jié)構(gòu)外壁垂直距離12.9 m（圖2），下穿前后盾構(gòu)機(jī)在中風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)粉砂巖和礫卵石中掘進(jìn)，其中穿越礫卵石地層長(zhǎng)度為1 300 m。

2 深隧下穿地鐵隧道影響分析

在盾構(gòu)下穿前，對(duì)深隧施工影響進(jìn)行安全評(píng)估。通過(guò)建立模型數(shù)值模擬施工工況進(jìn)行有限元分析，如圖3所示。計(jì)算結(jié)果顯示：污水深隧工程隧道掘進(jìn)施工前后，地鐵4號(hào)線鐵羅區(qū)間隧道豎向位移變化較小，隧道的軸力、彎矩和剪力無(wú)較大變化。評(píng)估結(jié)論為：深隧規(guī)范化的施工對(duì)地鐵4號(hào)線隧道影響較小，在可控范圍內(nèi)，不影響地鐵的安全運(yùn)營(yíng)。

圖2 區(qū)間下穿關(guān)系剖面

圖3 數(shù)值模擬計(jì)算網(wǎng)格

但隧道穿越地層位于透水性強(qiáng)的礫卵石層，施工過(guò)程中極易引起地層擾動(dòng)，同時(shí)穿越區(qū)地表為港渠水體且存在原地鐵4號(hào)線施工的上覆頂板，原設(shè)計(jì)MJS（全方位高壓噴射）工法樁加固不具備施工條件，只能通過(guò)良好的施工控制，確保盾構(gòu)下穿施工的安全。

3 施工控制要點(diǎn)

盾構(gòu)下穿分為4個(gè)階段：下穿前60 m試驗(yàn)段、下穿前50 m、正穿22 m、穿越后50 m，如圖4所示。通過(guò)分階段采取相應(yīng)措施，保證地鐵運(yùn)營(yíng)安全。盾構(gòu)下穿地鐵4號(hào)線區(qū)域前后施工控制要點(diǎn)及安全技術(shù)措施如下。

圖4 下穿區(qū)域地質(zhì)縱斷面

3.1 提前更換刀具措施

下穿區(qū)段地層中石英含量較高，為提高刀具的耐磨性，減少因偏磨造成的對(duì)地層的擾動(dòng)，將原來(lái)高155 mm雙聯(lián)滾刀（1#—8#）替換成高140 mm撕裂刀，原高155 mm單刃滾刀（9#—28#）替換成高155 mm單刃鑲齒敷焊滾刀，其他刀具不變。選擇在穿越前盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)進(jìn)入中風(fēng)化泥質(zhì)細(xì)粉砂巖地層時(shí)進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)檢查及常壓換刀，如圖5所示。

圖5 刀具更換示意

3.2 洞內(nèi)更換盾尾刷措施

本區(qū)間盾構(gòu)機(jī)在盾構(gòu)選型設(shè)計(jì)中設(shè)置了4道盾尾刷，考慮在下穿前已連續(xù)掘進(jìn)2.5 km，長(zhǎng)距離盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)盾尾刷有一定的磨損，選擇在地層穩(wěn)定且含水量少的位置進(jìn)行第1、2道盾尾刷的更換。

在拼裝完最后一環(huán)管片且油缸行程達(dá)到1 560 mm后，進(jìn)行停機(jī)保壓。在掘進(jìn)停止后，在盾尾后方采用雙液漿注止水環(huán)，同時(shí)在盾體的徑向孔中注入聚氨酯，形成盾體外臨時(shí)封閉環(huán)。

更換盾尾刷之前，在倒數(shù)第3環(huán)管片吊裝孔上開(kāi)孔檢查管片背部漏水情況。若背部水流較大且持續(xù)，則繼續(xù)進(jìn)行二次注漿封堵，在保證止水效果后，開(kāi)始盾尾刷更換。

3.3 盾構(gòu)糾偏措施

在正式進(jìn)入試驗(yàn)段前，提前做好盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整復(fù)核。進(jìn)入試驗(yàn)段之后，確保盾構(gòu)姿態(tài)沿設(shè)計(jì)線路掘進(jìn)，避免穿越地鐵期間發(fā)生大的糾偏動(dòng)作，施工中嚴(yán)格控制每環(huán)糾偏量不大于4 mm（高程、平面），以減少盾構(gòu)施工對(duì)地層的擾動(dòng)。

3.4 土壓力控制

1）根據(jù)水土分算原理計(jì)算掘進(jìn)期間土倉(cāng)壓力理論值為0.25 MPa，在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中，掘進(jìn)上部土壓力控制在0.25～0.30 MPa，具體值需根據(jù)試驗(yàn)段掘進(jìn)情況確定。

2）在試驗(yàn)段掘進(jìn)開(kāi)始時(shí)就必須嚴(yán)格保持土壓模式掘進(jìn)，不得欠壓掘進(jìn)。

3.5 推進(jìn)速度控制

在穿越影響區(qū)的122 m范圍內(nèi)，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度控制在20～30 mm/min，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整，盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)應(yīng)力求均勻連續(xù)，嚴(yán)禁非故障停機(jī)。

3.6 出土量控制

試驗(yàn)段做好每環(huán)出渣量統(tǒng)計(jì)，嚴(yán)格要求龍門(mén)吊對(duì)每環(huán)出渣量進(jìn)行稱(chēng)重記錄。在進(jìn)入下穿段后，嚴(yán)禁超挖，每掘進(jìn)30 cm統(tǒng)計(jì)一次出渣量，每環(huán)掘進(jìn)完畢后利用龍門(mén)吊進(jìn)行稱(chēng)重計(jì)量。掘進(jìn)出土量應(yīng)控制在理論出土量的97%～100%之間，出渣量異常時(shí)立即降低螺旋機(jī)出渣速度，迅速查明原因。

3.7 注漿和漿液質(zhì)量控制

自進(jìn)入試驗(yàn)段掘進(jìn)后，應(yīng)加強(qiáng)同步注漿，保證足量及時(shí)，同步注漿漿液稠度控制在12 cm左右，初凝時(shí)間根據(jù)掘進(jìn)和電瓶車(chē)運(yùn)輸工效確定，考慮到區(qū)間運(yùn)輸距離較長(zhǎng)，可適當(dāng)提高初凝時(shí)間。漿液注入率根據(jù)該段穿越的不同地層和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況按2.0～2.5考慮，計(jì)算理論注漿量為5.38～6.73 m3/環(huán)，根據(jù)設(shè)計(jì)資料及以往的施工經(jīng)驗(yàn)，注漿壓力暫設(shè)定為0.25～0.30 MPa。為確保盾構(gòu)穿越后地層不發(fā)生沉降，在進(jìn)入試驗(yàn)段后，在盾構(gòu)正常掘進(jìn)、同步注漿的同時(shí)，利用同步注漿系統(tǒng)分出一路管路，在脫出盾尾第5環(huán)（設(shè)備橋附近）進(jìn)行補(bǔ)漿作業(yè)，確保注漿充填密實(shí)，如圖6所示。為防范分出管路堵管風(fēng)險(xiǎn)，在隧道內(nèi)應(yīng)備一套管路，發(fā)生堵管時(shí)應(yīng)及時(shí)更換。

圖6 補(bǔ)漿位置示意

完成穿越后，對(duì)下穿影響區(qū)及時(shí)進(jìn)行二次注漿作業(yè)，通過(guò)預(yù)留的多孔管片進(jìn)行二次注漿加固地層，注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，配比為1∶1，凝固時(shí)間控制在30 s，注漿壓力為0.2～0.3 MPa。

二次注漿時(shí)必須指派專(zhuān)人負(fù)責(zé)，對(duì)注漿位置、注漿量、壓力值均作詳細(xì)記錄，并根據(jù)地層變形監(jiān)測(cè)信息及時(shí)調(diào)整，確保壓漿工序的施工質(zhì)量。

3.8 渣土改良與噴涌處理

正常掘進(jìn)時(shí)渣土改良應(yīng)以使用泡沫為主。下穿期間穿越礫卵石地層，地層含水量高且具備承壓性，在盾構(gòu)掘進(jìn)噴涌段，首先使用高分子聚合物進(jìn)行渣土改良，再視改良后掘進(jìn)出土情況，在螺旋機(jī)前部注入膨潤(rùn)土，提高螺旋機(jī)內(nèi)土的塑性，形成土塞，防止噴涌。后方來(lái)水較大時(shí)，還需及時(shí)施作環(huán)箍止水，減小土倉(cāng)內(nèi)水的流入。

3.9 保障連續(xù)掘進(jìn)措施

在正式進(jìn)入試驗(yàn)段前，應(yīng)尋找合適的地層停機(jī)檢查盾構(gòu)機(jī)的各部件工作情況，尤其是盾構(gòu)機(jī)的密封和保壓裝置（鉸接、盾尾、螺旋機(jī)），需由維保工程師檢查并形成記錄報(bào)工區(qū)領(lǐng)導(dǎo)審批。同時(shí)做好同步注漿及二次注漿系統(tǒng)清洗，確保通暢。對(duì)單梁、雙梁、拼裝機(jī)鏈條等故障多發(fā)位置要重點(diǎn)檢查，易損件須進(jìn)行備件，確保下穿過(guò)程中不出現(xiàn)因設(shè)備故障而導(dǎo)致的停機(jī)。

正式穿越前，應(yīng)及時(shí)將渣土池中的土方全部外運(yùn)，做好土方外運(yùn)的保障措施，避免因外運(yùn)不及時(shí)影響盾構(gòu)掘進(jìn)。

3.10 試驗(yàn)段記錄與分析總結(jié)

盾構(gòu)司機(jī)在試驗(yàn)段填寫(xiě)盾構(gòu)掘進(jìn)記錄表時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)記錄出土量/渣重、土倉(cāng)壓力、掘進(jìn)速度、刀盤(pán)扭矩、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、同步注漿量。試驗(yàn)段前20環(huán)上部存在部分礫卵石層，為礫卵石/強(qiáng)/中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖交接層，可作為正穿22 m區(qū)域/穿越后50 m區(qū)域各掘進(jìn)參數(shù)的參考依據(jù)；后30環(huán)為強(qiáng)/中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖交接層，可作為穿越前50 m區(qū)域各掘進(jìn)參數(shù)的參考依據(jù)。下穿前須完成對(duì)試驗(yàn)區(qū)段數(shù)據(jù)前20環(huán)與后30環(huán)的掘進(jìn)分析，得出該地層合理的掘進(jìn)參數(shù)范圍，指導(dǎo)下穿施工。

3.11 建立聯(lián)動(dòng)機(jī)制

下穿前與地鐵部門(mén)、建設(shè)單位及其他相關(guān)單位建立聯(lián)動(dòng)機(jī)制，配合地鐵部門(mén)建立暢通有效的溝通及應(yīng)急機(jī)制，一旦發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)溝通、協(xié)商。同時(shí)，按地鐵部門(mén)要求設(shè)聯(lián)絡(luò)人員，在盾構(gòu)下穿地鐵期間邀請(qǐng)地鐵工務(wù)段人員現(xiàn)場(chǎng)聯(lián)合辦公。

4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

地鐵運(yùn)營(yíng)期間無(wú)人員進(jìn)洞條件，為隨時(shí)掌握施工過(guò)程中隧道的動(dòng)態(tài)變化，項(xiàng)目采用自動(dòng)化信息監(jiān)測(cè)，在地鐵隧道管片及道床上設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括隧道結(jié)構(gòu)拱頂沉降、隧道結(jié)構(gòu)水平位移、隧道結(jié)構(gòu)凈空收斂、隧道結(jié)構(gòu)道床豎向位移等。

隧道內(nèi)主要影響區(qū)每隔5 m布設(shè)1個(gè)斷面，次要影響區(qū)每隔10 m布設(shè)1個(gè)斷面，雙線共計(jì)28個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即道床2個(gè)、側(cè)壁2個(gè)、拱頂1個(gè)，如圖7所示。

圖7 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)斷面

本次地鐵監(jiān)測(cè)范圍為施工影響區(qū)域內(nèi)的地鐵4號(hào)線鐵羅區(qū)間的雙線隧道結(jié)構(gòu)（主要影響區(qū)）及兩端各延伸50 m（次要影響區(qū)），監(jiān)測(cè)區(qū)域約122 m。

地鐵隧道結(jié)構(gòu)水平位移、沉降、凈空收斂（測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化監(jiān)測(cè)）采取24 h不間斷監(jiān)測(cè)。

監(jiān)測(cè)工作的全面啟動(dòng)從盾構(gòu)進(jìn)入地鐵影響范圍開(kāi)始，當(dāng)下穿地鐵隧道施工結(jié)束3個(gè)月，地鐵隧道變形無(wú)異常，且監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定（以連續(xù)3個(gè)月變化速度小于0.6 mm/月視為穩(wěn)定）后，監(jiān)測(cè)工作即告結(jié)束。

深隧在穿越地鐵4號(hào)線過(guò)程中，各點(diǎn)監(jiān)測(cè)值始終小于控制值，為盾構(gòu)掘進(jìn)提供了有利的數(shù)據(jù)支持，保證了地鐵4號(hào)線處于安全可控的狀態(tài)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)測(cè)值

5 結(jié)語(yǔ)

在下穿既有地鐵線路施工中，合理的施工組織、精細(xì)化的盾構(gòu)參數(shù)選擇、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、高效的聯(lián)動(dòng)機(jī)制等是保證既有地鐵安全的關(guān)鍵。

本工程通過(guò)將下穿施工分為4個(gè)階段，于各個(gè)階段分別采取相應(yīng)的對(duì)策，通過(guò)設(shè)備維保措施、盾構(gòu)糾偏措施、掘進(jìn)參數(shù)控制措施、自動(dòng)化監(jiān)控措施等，保障了深隧施工和地鐵運(yùn)營(yíng)的安全，其相關(guān)思路和措施可供類(lèi)似盾構(gòu)施工參考。