喀斯特復(fù)合地層地鐵盾構(gòu)穿越錨索區(qū)施工技術(shù)

于加云

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300308）

城市地下空間開發(fā)快速發(fā)展，但由于前期未落實(shí)有序發(fā)展的城市規(guī)劃[1]，經(jīng)常出現(xiàn)遺留的障礙物給后續(xù)工程帶來較大影響的情況。針對(duì)盾構(gòu)隧道在下穿建筑物時(shí)遇到錨索這一典型案例，有工程技術(shù)人員進(jìn)行了研究分析。李廣良[2]、王淼[3]從工期、造價(jià)等方面對(duì)人工挖孔進(jìn)行錨索拔除方案進(jìn)行了論述；游杰等[4]、張志冰[5]、黃志斌等[6]介紹了地面采用旋挖轉(zhuǎn)切割處理錨索配合盾構(gòu)推進(jìn)的施工技術(shù)；喬海洪[7]介紹了明挖豎井及暗挖通道配合全回轉(zhuǎn)套管跟進(jìn)法拔除錨索的施工方案；溫裕洪[8]對(duì)盾構(gòu)施工中地下障礙物的探測(cè)做了工程實(shí)例介紹。

本文介紹了徐州地鐵2號(hào)線在喀斯特復(fù)合地層中盾構(gòu)直接穿越錨索群的實(shí)例。本區(qū)間工程初期采用礦山法開挖、人工割除錨索后進(jìn)行盾構(gòu)空推的施工方案，因現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件變化，礦山法掘進(jìn)困難，為滿足工期節(jié)點(diǎn)要求，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)礦山法已開挖部分進(jìn)行回填，盾構(gòu)直接切削穿越錨索區(qū)及礦山法回填段，為后續(xù)類似工程提供一種施工參考方案。

1 工程概況

徐州地鐵2號(hào)線建國(guó)路站—師范大學(xué)站區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，地王大廈基坑遺留錨索侵入?yún)^(qū)間隧道左線，受影響區(qū)間長(zhǎng)度約135 m，錨索長(zhǎng)度15 m，由2?25 mm鋼筋組成。左線影響長(zhǎng)度范圍內(nèi)采用礦山法施工先行割除錨索，再盾構(gòu)空推施工。見圖1。

圖1 錨索與盾構(gòu)隧道平面位置

隧道穿越地層主要為硬塑黏土及中風(fēng)化灰?guī)r層（含溶洞）。區(qū)間地面管線眾多，主要有燃?xì)?、排水、給水等。拱頂多分布淤泥質(zhì)黏土層，礦山法施工拱頂坍塌嚴(yán)重，如繼續(xù)暗挖，則加固費(fèi)用高、工期長(zhǎng)、加固效果難以達(dá)到預(yù)期且容易對(duì)周邊環(huán)境造成影響；對(duì)施工方案進(jìn)行調(diào)整，對(duì)已施工礦山法隧道進(jìn)行回填，盾構(gòu)直接切削錨索掘進(jìn)通過錨索區(qū)及礦山法回填段。見圖2。

圖2 隧道地質(zhì)剖面

2 工程難點(diǎn)及應(yīng)對(duì)措施

1）盾構(gòu)直接長(zhǎng)距離大范圍切削錨索，造成扭矩及推力增大，土壓波動(dòng)過大且切削錨索過程中容易拉拔錨索，加劇水土流失，引起較大地面變形及管線沉降。為此，將隧道影響范圍內(nèi)管線挖槽，采用型鋼支架懸吊保護(hù)，待盾構(gòu)通過、地層穩(wěn)定后恢復(fù)；加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，做好應(yīng)急預(yù)案。

2）盾構(gòu)掘進(jìn)上軟下硬地層且?guī)r層溶洞發(fā)育[9～10]，地下水豐富，土體自穩(wěn)性較差；礦山法已施工部分需回填密實(shí)，封堵地下水的水力通道，避免水土流失引發(fā)地表沉降。為此，割除原礦山隧道侵限管棚，采用玻璃纖維筋施作礦山隧道封端墻；車站洞門處施作鋼筋混凝土封端墻，分層壓注水泥砂漿將礦山段回填密實(shí)，防止洞門涌水。

3）盾構(gòu)機(jī)在上軟下硬地層切割，錨索易被刀盤纏繞，帶動(dòng)錨索所在區(qū)域土體坍塌；如果錨桿纏繞刀盤上可能使部分刀具轉(zhuǎn)動(dòng)不暢，造成偏磨或崩齒。為此，在地表預(yù)先間隔設(shè)立加固區(qū)，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入加固區(qū)后，根據(jù)掘進(jìn)參數(shù)變化，進(jìn)倉(cāng)檢查更換刀具，處理纏繞刀盤錨索；采用加強(qiáng)型刀具，配置撕裂刀，增加刀具強(qiáng)度及耐磨性，盡量減少換刀次數(shù)。

3 穿越錨索區(qū)盾構(gòu)施工技術(shù)

3.1 管線保護(hù)

對(duì)隧道左線地表管線進(jìn)行懸吊保護(hù)，具體實(shí)施方案見圖3。

圖3 管線懸吊保護(hù)施工流程

土方開挖前，人工配合挖機(jī)進(jìn)行管線探槽，采用鋼軌作為管線懸吊縱橫向支架。橫向采用6～7 m鋼軌平鋪于縱向鋼軌之上，保證橫向鋼軌穩(wěn)定性，每隔2～3 m設(shè)立一道鋼支架縱橫連接，作為一個(gè)整體。管線用?22 mm鋼絲繩進(jìn)行懸吊保護(hù)，鋼絲繩連接于橫向鋼軌之上，用卡扣固定牢固。見圖4。

圖4 管線懸吊保護(hù)

3.2 礦山法回填封端

區(qū)間上臺(tái)階已完成8 m、下臺(tái)階完成4 m，由于前期暗挖區(qū)間施作了管棚且部分管棚侵限，需再次進(jìn)行開挖確保管棚不侵限，然后進(jìn)行封端，在12 m范圍內(nèi)回填M5水泥砂漿，最后盾構(gòu)推進(jìn)。見圖5。

圖5 礦山段接收封堵

3.2.1 施工工藝流程

接收端開挖至管棚不侵限位置（12 m）→施作礦山隧道封端墻→施作洞門封端及回填砂漿→盾構(gòu)到達(dá)接收。封端從上到下進(jìn)行，礦山隧道封端掌子面采用?25 mm@150 mm×150 mm玻璃纖維筋，噴射500 mmC25混凝土進(jìn)行封閉，玻璃纖維筋錨入到兩側(cè)格柵拱架內(nèi)。

3.2.2 施作洞門封端及回填砂漿

為確保盾構(gòu)接收安全，在車站洞門設(shè)置一道洞門封端墻，墻體厚600 mm，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。墻主筋采用?25 mm@150 mm×150 mm布置，雙層鋼筋網(wǎng)，與圍護(hù)樁鋼筋焊接。墻分三次澆筑完成，每一層施工完成后，在墻體至掌子面范圍內(nèi)泵送M5級(jí)砂漿至填平，再施工下一層墻體，依次施工至填滿礦山隧道；最后通過預(yù)留注漿孔壓注水泥漿（水灰比1∶1）回填密實(shí)。保證盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入回填區(qū)域完成2環(huán)管片（3 m）拼裝后，前方存在3 m的安全距離，防止接收段的貫穿，以保證盾構(gòu)機(jī)在密閉條件下順利接收。

在抵達(dá)洞門封端墻的最后三環(huán)，進(jìn)一步減小盾構(gòu)推力，降低推進(jìn)速度，控制在5～10 mm/min。在接收段掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力應(yīng)逐步降低至40～50 kPa，避免由于壓力過大對(duì)封端結(jié)構(gòu)造成影響。二次注漿完成后，將土倉(cāng)壓力調(diào)整為0，盡量排出開挖倉(cāng)內(nèi)渣土，通過人閘進(jìn)入掌子面，觀察盾體后方地下水有無進(jìn)入土倉(cāng)內(nèi)，確認(rèn)二次注漿效果后，人工破除洞門。

3.3 盾構(gòu)切割錨索及掘進(jìn)

3.3.1 加固方式及加固區(qū)域選擇

為保證施工安全，在區(qū)間左線預(yù)先設(shè)置4處地表加固區(qū)域，采用?800 mm旋噴樁加固，加固體長(zhǎng)12 m、寬9 m，豎向加固范圍為拱頂以上5 m至拱頂以下1 m。管線探明后，根據(jù)注漿孔及管線位置在周邊預(yù)埋?120 mm鋼管作為旋噴樁施工套管。預(yù)埋完成后，管線上部回填≮50 cm粗砂，施工20 cmC30混凝土硬化層并在硬化層上施工旋噴樁。局部旋噴樁無法施工區(qū)域，如排水管線下方，采用后退式注漿進(jìn)行補(bǔ)充施工，漿液為1∶1水泥漿。

1#加固區(qū)域位于進(jìn)入錨索前10 m位置，盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入加固體后，進(jìn)倉(cāng)檢查并更換全盤加強(qiáng)型刀具。2#加固區(qū)域位于進(jìn)入錨索區(qū)后20 m位置，盾構(gòu)機(jī)刀盤進(jìn)入該加固體后，帶壓進(jìn)倉(cāng)檢查刀盤、刀具情況，判斷盾構(gòu)刀具適應(yīng)性并通過進(jìn)倉(cāng)檢查，觀察盾構(gòu)機(jī)切削錨索效果；錨索纏刀盤時(shí)，則利用氣動(dòng)切割機(jī)切割處理。3#、4#加固區(qū)作為預(yù)先加固區(qū)，根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)際情況，決定是否進(jìn)入加固區(qū)進(jìn)行保壓開倉(cāng)換刀。見圖6。

圖6 盾構(gòu)下穿錨索段地表加固區(qū)域

3.3.2 盾構(gòu)掘進(jìn)措施

1）錨索區(qū)掘進(jìn)應(yīng)保持低轉(zhuǎn)速、低扭轉(zhuǎn)，防止土壓波動(dòng)過大，掘進(jìn)速度為5～15 mm/min，刀盤轉(zhuǎn)速為1.2 r/min。

2）同步注漿及二次注漿。為控制地表沉降，注漿壓力控制在0.25～0.35 MPa，注漿量控制在3.5～4.5 m3/環(huán)，管片脫出盾尾后及時(shí)二次注漿進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。二次注漿以水泥漿為主，壓力控制在比水土壓力增加20～50 kPa，使?jié){液具有一定的擴(kuò)散能力，又不至于對(duì)周邊土體和注漿體產(chǎn)生較大影響。

3）聚氨酯隔水環(huán)。因溶洞見洞率較高，連通地下水，盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中容易噴涌；管片壁后有水系連通，易導(dǎo)致同步注漿量增大，砂漿離析及二次注漿遇水凝固時(shí)間增加，水泥漿因擴(kuò)散而達(dá)不到相應(yīng)的填充效果。因此在掘進(jìn)過程每掘進(jìn)5環(huán)左右，需要注入一個(gè)聚氨酯隔水環(huán)，通過管片上預(yù)留的二次注漿孔注入聚氨酯，注入壓力為0.2 MPa。隔水環(huán)能夠確保砂漿不被地下水沖離析，防止成型隧道不穩(wěn)定造成管片變形等問題發(fā)生。

4）克泥效注入?？四嘈11～12]的注入既可以填補(bǔ)開挖直徑與盾體直徑之間空隙，又可以在盾殼外形成隔水環(huán)，阻止同步注漿液順盾殼流到土倉(cāng)內(nèi)，避免漿液浪費(fèi)，減少地表沉降。注入點(diǎn)在時(shí)鐘11～1點(diǎn)鐘位置，克泥效流動(dòng)性好，可逐漸擴(kuò)散到整個(gè)盾體周圍。

5）出土量控制。區(qū)間單環(huán)理論出土量

式中：R為刀盤開挖半徑；L為單環(huán)管片長(zhǎng)度。

由于穿越錨索段地層為上軟下硬地層，結(jié)合右線施工經(jīng)驗(yàn)，取松散系數(shù)為1.3～1.5，故單環(huán)出渣量實(shí)際按照51～60 m3控制。

6）刀具及切割方向選擇。對(duì)刀盤和刀具進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加中心雙刃滾刀及邊緣單刃滾刀，配置高強(qiáng)度撕裂刀。在錨索段掘進(jìn)施工時(shí)，刀盤旋轉(zhuǎn)盡量按照順錨索方向。

3.3.3盾構(gòu)掘進(jìn)效果

盾構(gòu)機(jī)穿越錨索區(qū)共用了18 d，平均掘進(jìn)速度8 m/d。盾構(gòu)機(jī)穿越錨索區(qū)扭矩約為穿越正常土層的1.5倍，在2#加固區(qū)段進(jìn)行一次開倉(cāng)檢查換刀，少量錨索纏繞刀盤。施工后，地面情況良好，地表最大沉降約13 mm，未發(fā)生過大隆起或沉降現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1）有別于提前清除錨索的傳統(tǒng)工法，本文提出了利用盾構(gòu)機(jī)自身直接切削錨索的實(shí)施案例，為今后盾構(gòu)掘進(jìn)中遇類似障礙物的處理提供借鑒。

2）提前做好關(guān)鍵施工籌劃，針對(duì)切削后的錨索可能出現(xiàn)的纏繞刀盤現(xiàn)象，根據(jù)地層特點(diǎn)提前進(jìn)行地面加固，預(yù)備盾構(gòu)換刀條件。

3）喀斯特復(fù)合地層中地下水豐富，針對(duì)地質(zhì)起伏變化較大處，從工期、經(jīng)濟(jì)、安全及對(duì)周邊環(huán)境的影響綜合考慮，盾構(gòu)法施工仍是推薦工法。