富水砂卵石地層盾構(gòu)近距離穿越建（構(gòu)）筑物施工技術(shù)分析

何永健

（中鐵建昆侖地鐵投資建設(shè)管理有限公司，成都 610081）

1 引言

近年來，城市地鐵建設(shè)不斷提速。截至2019 年，我國大陸地區(qū)40 個城市共計208 條線路投入運營，共6 736.2 km；在建線路6 902.5 km[1]。城市地鐵雖然有效緩解了城市交通擁堵，提高了出行效率，但在建設(shè)過程中也會遇見新的問題，如地鐵隧道在下穿既有建（構(gòu)）筑時，會面臨復雜的外部環(huán)境和水文地質(zhì)條件，若處理和應對不當，容易影響建（構(gòu)）筑的使用安全，造成不良后果。

2 工程概況

2.1 背景綜述

地鐵建設(shè)主要集中在城區(qū)，環(huán)境復雜、制約條件多，需頻繁穿越各種建（構(gòu)）筑物。據(jù)統(tǒng)計，成都地鐵5 號線盾構(gòu)穿越鐵路9 次、房屋179 棟、市內(nèi)主要河流及湖泊15 次；6 號線盾構(gòu)下穿運營地鐵8 次、鐵路和高速公路10 次、城市管網(wǎng)干線104次、河流溝渠58 次、房屋192 棟；10 號線二期盾構(gòu)下穿雙流國際機場T2 航站樓、停機坪等多個建（構(gòu)）筑物。綜上，研究和解決盾構(gòu)穿越建（構(gòu)）筑物尤為重要，本文以成都地鐵6 號線某區(qū)間近距離穿越既有3 號線為例進行分析和總結(jié)。

2.2 工程概況

成都地鐵6 號線某區(qū)間沿一環(huán)路敷設(shè)，區(qū)間里程為YCK30+398.840～YCK31+240.578，最小轉(zhuǎn)彎半徑800 m，最小坡度2‰，最大坡度25‰，隧道埋深10.5～20.4 m。盾構(gòu)區(qū)間于YCK31+202.578～YCK31+240.578 下穿既有地鐵3 號線，下穿段長38 m，其中，正穿長度20 m，下穿段隧道埋深20.39 m，既有線距隧道垂直距離僅4.065 m。既有線至車站主體端墻外側(cè)距離為8 m，既有線左右線間距為14 m。

2.3 地質(zhì)條件

成都市西部地層為厚層砂卵石層，其厚度一般為20～50 m；城市東北部地區(qū)砂卵石層的厚度在十余米范圍內(nèi)；城市南部地區(qū)為泥巖與砂卵石復合地層，砂卵石層的厚度為10～20 m。因此，成都的主城區(qū)盾構(gòu)施工地層以富水砂卵石地層為主。該盾構(gòu)區(qū)間主要穿越的地層為稍密卵石層、中密卵石層、密實卵石層，隧道洞身局部夾有中砂層[2]。

3 施工難點

該工程處于城市核心區(qū)域，建筑密集、道路眾多，端頭地下管線交錯，且盾構(gòu)機始發(fā)8 m 后就下穿運營中的地鐵線，下穿位置最小垂直凈距僅4.065 m。同時，施工穿越段的地層為高富水砂卵石地層，地下水位高、補給快，是全國首例在高富水砂卵石地層中始發(fā)下穿既有運營地鐵線路。如何將既有隧道沉降、變形控制在容許范圍內(nèi)，確保運營安全是一個施工難題。

4 施工技術(shù)

4.1 預加固處理

1）管棚群超前支護。采用φ194 mm×10 mm+φ146 mm×10 mm 管棚（共142 根）進行超前支護，在洞口分4 層打設(shè)，上部2 層φ146 mm×10 mm 管棚，長度L=30 m；下部2 層φ194 mm×10 mm 管棚，L=33 m。管棚既要滿足既有線的安全距離要求，又不侵入盾構(gòu)開挖界限，施工時要嚴格控制偏移量。管棚安裝完成后，及時采用1∶1 的水泥漿進行充填。

2）端頭預注漿加固。為了保證穿越段地層的密實性和穩(wěn)定性，在穿越既有建（構(gòu)）筑物前，采用φ42 mm 袖閥管注漿對端頭土體進行加固，地面打設(shè)4 排，間距為1 m，呈梅花形布置。注漿壓力控制在約0.6 MPa，采取隔1 孔注漿的方法注入水灰比為1∶1 的水泥漿液，直至孔口有水泥漿液反出為止。

4.2 既有線模擬沉降計算

由于盾構(gòu)始發(fā)及接收15 m 范圍風險最高，管棚群超前加固對15 m 范圍加固控制相對較好，計算對遠端既有線下方加固進行折減考慮。管棚群為φ146 mm 管棚，管內(nèi)注漿充填并打設(shè)溢漿孔對周邊圍巖進行注漿，根據(jù)現(xiàn)場情況按拱頂150°管棚打設(shè)考慮，同時對盾構(gòu)推進時按盾殼上方縱向4 m 漏空進行考慮，分2 種模型進行模擬計算。

模型1：對管棚群形成的殼體厚度按0.5 m 考慮，注漿達到C25 混凝土彈性模量折減0.6：2.8×104×0.6=1.68×104MPa；

模型2：按梁單元考慮管棚作用，將雙排管棚按剛度等效拆成單排管棚進行計算。通過模擬計算，2 種模型計算出盾構(gòu)下穿地鐵3 號線引起既有線最大沉降為2.79 mm，如圖1、圖2 所示。

圖1 模型1 數(shù)值計算模型及結(jié)果

圖2 模型2 數(shù)值計算模型及結(jié)果

4.3 盾構(gòu)機選型

該盾構(gòu)區(qū)間穿越地層為密實砂卵石地層，地層反應靈敏，開挖面易產(chǎn)生坍塌，沉降控制難度大；富水卵石流塑性差、改良難度大，土壓平衡不易實現(xiàn)；大粒徑卵石可能會卡刀盤和螺旋機[3]。根據(jù)上述特點，選用鐵建重工DL340、DL347 盾構(gòu)機，刀盤最大扭矩達到8 687 kN·m，刀盤開口率約38%，螺旋機額定扭矩達到178 kN·m，最大通過粒徑φ350 mm×590 mm，同時，還增加了中盾注惰性漿系統(tǒng)（2 臺施維因泵）。且這2 臺盾構(gòu)機有成都砂卵石地層掘進經(jīng)驗，性能優(yōu)良，滿足要求。

4.4 關(guān)鍵技術(shù)措施

1）控制掘進時間。盡可能在運營線夜間停運時通過既有隧道區(qū)域，白天掘進非既有隧道區(qū)域。因此，始發(fā)時間選擇在23:30 既有線停運之后，然后，連續(xù)不間斷掘進，直至通過既有線，即使第二天恢復運營前未能全部通過既有線范圍，也可大大減少影響時間。

2）端頭降水。在車站端頭布設(shè)3 口降水井，在既有線左側(cè)遠離基坑一側(cè)設(shè)置1 口降水井，降點位置至既有線距離為5 m，將水位降至影響范圍以下。

3）始發(fā)延長鋼環(huán)。盾構(gòu)始發(fā)8 m 即下穿既有線，為提前建立土倉壓力，采取增加2 m 延長鋼環(huán)措施，鋼環(huán)中部設(shè)置2 道鋼絲密封刷，尾部設(shè)置1 道簾布密封。

4）渣土改良。渣土改良是地鐵盾構(gòu)施工的核心，采用泡沫劑、膨潤土進行渣土改良，能夠提升渣土的流塑性，防范渣土滯排問題，顯著降低刀盤、螺旋輸送機的油壓及盾構(gòu)推力，減小刀盤扭矩[4]，也可避免渣溫過高及掘進超方等現(xiàn)象?？梢赃x擇性能優(yōu)良的鈉基膨潤土，通過摻入適量泡沫的方式進行改良，其與水的配比為1∶9，膨潤土黏度需要大于40 s，坍落度在15～20 cm。

5）五步注漿法。根據(jù)沉降的5 個階段，采用中盾注特殊漿液、同步注漿、二次注漿、三次補注砂漿、四次注單液漿的五步注漿法[5]。施工時，通過試驗優(yōu)化漿液參數(shù)，達到最佳注漿效果。

第一步：盾構(gòu)機推進過程從前盾徑向孔注入惰性漿液至盾殼外表面，填充超挖及前盾至盾尾間錐形空隙，漿液中加入砂粒石、膨潤土等材料，增加填充效果。

第二步：同步注漿采用稠度大、凝固快、少收縮的漿液，減小地面沉降。注漿量7～8 m3，漿液初凝時間4～6 h，稠度11～12 cm，注漿壓力0.15～0.3 MPa。

第三步：該區(qū)域采用配筋加強且增設(shè)注漿孔的D 形特殊管片，在盾尾完全進入鋼筒且管片脫出盾尾4 環(huán)后，使用水泥漿：水玻璃=1∶1 的雙漿液實施二次注漿，壓力控制在0.3～0.4 MPa，避免建筑基礎(chǔ)的再次沉降。

第四步：管片脫出盾尾后8 環(huán)按照每5 環(huán)一次進行第三次補注砂漿控制沉降，注漿壓力≤0.4 MPa，避免造成管片錯臺和破壞。

第五步：最后，根據(jù)既有線的沉降監(jiān)測情況進行第四次補注漿控制沉降。

4.5 盾構(gòu)機掘進控制

1）盾構(gòu)始發(fā)8 m 即到達既有線下方，為保證盾構(gòu)順利、平穩(wěn)下穿既有線，分刀盤到達掌子面階段、磨樁階段、下穿既有線階段3 個階段進行差別控制，并對38 m（28 環(huán)）范圍每一環(huán)采取針對性的控制措施。

2）嚴格控制掘進參數(shù)。根據(jù)地層實際情況，適當加大刀盤轉(zhuǎn)速，減小推力，降低掘進速度，再配合大量的泡沫注入改善渣土性能，實現(xiàn)土艙內(nèi)部壓力均衡。在該工程中，當盾構(gòu)機下穿既有線時，將刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.0～1.5 r/min，扭矩控制住2 000～2 300 kN·m，掘進速度控制在60～80 mm/min，推力控制在9 000～11 000 kN。

3）合理設(shè)定土艙壓力。土艙壓力應該與地層土壓力以及靜水壓力保持相對平衡，根據(jù)經(jīng)驗初步設(shè)定土艙壓力為0.14 MPa，掘進過程中需要根據(jù)土層狀況和埋深做好相應的調(diào)整優(yōu)化，將壓力波動范圍控制在±0.02 MPa。

4）出土量控制。采用體積法和稱重法雙控，根據(jù)W=παD2L/4（式中，W 為渣土體積，m3；α 為松散系數(shù)，取1.2；D為刀盤直徑，6.28 m；L 為掘進長度，m），1.5 m 管片出渣量約為56 m3/環(huán)，依據(jù)地層的密實情況稱重約為1 120 kN（112 t）；掘進過程中分析每斗渣土的推進管理行程，判斷是否過程超方，及時對掘進參數(shù)進行調(diào)整；掘進完成后，對總出渣量與總管理行程進行對比，分析當環(huán)超方量，便于修正當環(huán)同步注漿量及確定二次補注漿措施。

4.6 自動化監(jiān)測

為及時掌握施工期間地鐵隧道的變形趨勢、變形量大小及變形規(guī)律等特性，引入了自動化監(jiān)測系統(tǒng)，對盾構(gòu)穿越前、穿越時和穿越后的情況進行監(jiān)測。既有線上下行線的監(jiān)測長度各約90 m，正下穿段每5 m 布置1 個斷面，每個斷面布置5 個監(jiān)測點位，對豎向沉降、水平位移、軌道兩側(cè)高差、斷面收斂變形等進行全天候監(jiān)控，實時掌握沉降數(shù)據(jù)變化情況，及時調(diào)整掘進參數(shù)與注漿方量。同時，通過將實測值與預測數(shù)據(jù)進行對比，判斷是否達到預期，對下一步的掘進進行控制，實現(xiàn)信息化施工。截至盾構(gòu)通過既有線影響區(qū)域，右線累計最大沉降為-4.41 mm，差異沉降最大為-1.96 mm；左線累計最大沉降為-3.33 mm，差異沉降最大為-1.28 mm，單次和累計變形量都在控制值范圍內(nèi)。

5 結(jié)語

在盾構(gòu)施工中經(jīng)常會遇到穿越既有建（構(gòu)）筑的情況。本工程通過采取延長始發(fā)鋼環(huán)、設(shè)備改造、渣土改良、嚴格控制出土量、五步注漿法、管棚群預加固，優(yōu)化盾構(gòu)掘進參數(shù)等措施，連續(xù)施工、快速穿越建（構(gòu)）筑物，左線盾構(gòu)用43 h、右線僅用34 h 便順利穿越地鐵3 號線，且差異沉降控制在2 mm以內(nèi)。