上軟下硬地層區(qū)段新建地鐵線路盾構(gòu)法下穿既有地鐵運(yùn)營(yíng)線路關(guān)鍵施工技術(shù)

章邦超

(中鐵華南建設(shè)有限公司，511458，廣州 ∥ 高級(jí)工程師)

隨著地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，新建線路下穿既有運(yùn)營(yíng)線路的情況將會(huì)越來越多。珠三角區(qū)域的地層特點(diǎn)為上軟下硬，施工難度高和安全風(fēng)險(xiǎn)大，因此對(duì)該區(qū)域盾構(gòu)法下穿既有運(yùn)營(yíng)線路施工關(guān)鍵技術(shù)研究十分重要。

目前國(guó)內(nèi)有關(guān)盾構(gòu)法下穿既有運(yùn)營(yíng)線路的研究主要集中在對(duì)具體工程實(shí)踐案例的總結(jié)。文獻(xiàn)[1]介紹了長(zhǎng)沙地鐵3號(hào)線盾構(gòu)法施工下穿武廣高鐵瀏陽(yáng)河隧道工程中的安全控制標(biāo)準(zhǔn)；文獻(xiàn)[2]針對(duì)深圳地鐵9號(hào)線下穿既有4號(hào)線工程，通過數(shù)值模擬分析并結(jié)合地表和既有線路的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的擬合分析，指出盾構(gòu)刀盤到達(dá)下穿斷面至盾尾脫出既有線路期間，既有線路和地表沉降速率和沉降量最大；文獻(xiàn)[3]利用ABAQUS有限元軟件建立了軌道-路基-下穿隧道有限元模型，分析了盾構(gòu)法施工對(duì)既有線路軌道結(jié)構(gòu)的影響。此外，文獻(xiàn)[4-5]和文獻(xiàn)[6]分別總結(jié)了廣州地鐵1號(hào)線和上海地鐵4號(hào)線盾構(gòu)法近距離下穿既有線路工程的經(jīng)驗(yàn)。

國(guó)外也有一些在建工程下穿既有線路的工程案例，例如：文獻(xiàn)[7]中，日本京都地鐵兩條運(yùn)營(yíng)線路Keishin線和Tozai線的車站前方，兩條新建地鐵線路與既有線路交匯，對(duì)工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，指出了盾構(gòu)隧道近距離施工時(shí)既有線地表沉降、隧道結(jié)構(gòu)變形位移等的變化規(guī)律；文獻(xiàn)[8]研究了倫敦地鐵Jubilee延長(zhǎng)線下穿5號(hào)地鐵線路施工過程中鄰近多條隧道的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，指出既有運(yùn)營(yíng)線路的埋深對(duì)新建隧道與既有線路隧道結(jié)構(gòu)的相互作用影響較大，且20%～50%的沉降是在開挖面到達(dá)既有隧道正下方過程中完成的。

上述文獻(xiàn)鮮有研究如珠三角地區(qū)這種上軟下硬地層的工程案列。因此，目前缺乏針對(duì)該類地層的盾構(gòu)法施工下穿既有運(yùn)營(yíng)線路工程的系統(tǒng)成熟的安全控制標(biāo)準(zhǔn)和施工方法，為此需要結(jié)合該類地層的實(shí)際工程進(jìn)行理論和施工方法的研究。

1 工程概況

1.1 區(qū)間概況

廣州地鐵22號(hào)線番祈中間風(fēng)井—番祈2#盾構(gòu)井區(qū)間位于番禺區(qū)市橋東環(huán)路，區(qū)間長(zhǎng)2.51 km，采用φ8.8 m土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，管片采用6+1形式，管片外徑8.5 m、環(huán)寬1.6 m。該盾構(gòu)區(qū)間在光明北路與東環(huán)路十字路口下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵3號(hào)線(隧道處于5Z-2和6Z地層中，為盾構(gòu)法隧道，管片外徑6.0 m、環(huán)寬1.5 m)漢溪長(zhǎng)隆站—市橋站區(qū)間。下穿段對(duì)應(yīng)3號(hào)線區(qū)間左線里程ZDK24+009.94～ZDK24+034.77，右線里程YDK24+004.099～YDK24+028.92；下穿段對(duì)應(yīng)22號(hào)線左線里程ZDK38+542.909～ZDK38+523.709 (297環(huán)—309環(huán))，右線里程YDK38+564.327～YDK38+545.127 (291環(huán)—303環(huán))，盾構(gòu)下穿長(zhǎng)度19.2～20.8 m，先下穿3號(hào)線右線，再下穿3號(hào)線左線。

1.2 地質(zhì)情況

穿越段地層自地表至盾構(gòu)區(qū)間底部的地層依次為<1-2>素填土、<4N-2>粉質(zhì)黏土、<3-2>中粗砂、<5Z-2>砂質(zhì)黏性土、<6Z>全風(fēng)化花崗巖、<7Z>強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、<8Z>中風(fēng)化花崗巖、<9Z>微風(fēng)化花崗巖。

3號(hào)線地層主要位于<5Z-2>砂質(zhì)黏性土、<6Z>全風(fēng)化花崗巖。圍巖不均一，自穩(wěn)性差；<6Z>全風(fēng)化花崗巖遇水會(huì)軟化崩解。

22號(hào)線隧道盾構(gòu)施工主要穿越<7Z>強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、<8Z>中風(fēng)化花崗巖。7Z地層風(fēng)化含砂量較高，含砂量達(dá)90%，含泥量10%，手?jǐn)Q易碎，自穩(wěn)性差；8Z地層飽和抗壓強(qiáng)度最小65.1 MPa、最大138.1 MPa。隧道下部較硬，RQD(巖石質(zhì)量指標(biāo))值為6%～12%，裂隙比較發(fā)育，屬于廣州地區(qū)典型的“上軟下硬”地層。

1.3 周邊環(huán)境與管線情況

施工周邊環(huán)境復(fù)雜，地表為交通繁忙的光明北路與東環(huán)路，交通流量大。根據(jù)區(qū)間管線調(diào)查報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地摸排，影響區(qū)域內(nèi)管線主要為燃?xì)夤堋⒆詠硭鞴?、高壓電力管、雨水管、通信管等。管線錯(cuò)綜復(fù)雜，且多為主干管線，涉及產(chǎn)權(quán)管理單位多，對(duì)地表及管線保護(hù)要求較高，因此，施工前，需要做好管線坑探和現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)志，并制定加固保護(hù)方案；施工過程中，需安排專人檢查，加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)等措施，把對(duì)周邊環(huán)境的影響降到最低。

1.4 三維位置關(guān)系

22號(hào)線隧頂距既有3號(hào)線隧底凈距約5.5 m，22號(hào)線隧頂埋深26.5 m，3號(hào)線隧頂埋深15.1 m。采用可視化建筑信息模型(BIM)技術(shù)建立3號(hào)線、22號(hào)線區(qū)間模型及三維地質(zhì)模型(見圖1)，通過合模及斷面剖切分析，能夠可視化查看任意位置隧道拱頂?shù)貙有畔?，能夠輔助分析穿越過程中的風(fēng)險(xiǎn)。

圖1 廣州地鐵22號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間下穿既有3號(hào)線三維模型圖

2 既有線運(yùn)營(yíng)控制參數(shù)要求

3號(hào)線為正在運(yùn)營(yíng)的隧道，所處地層易受擾動(dòng)變形。3號(hào)線運(yùn)營(yíng)參數(shù)控制要求：確保列車的正常運(yùn)行，即保證既有線的軌道平順度，軌向偏差和高低差需滿足規(guī)范要求；保證將3號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)安全、沉降、變形、收斂、裂縫等控制在允許范圍內(nèi)，預(yù)警值為上述各參數(shù)最大值的80%。

根據(jù)廣東省《城市軌道交通既有線結(jié)構(gòu)技術(shù)保護(hù)規(guī)范》，既有線控制標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 廣東省城市軌道交通既有線結(jié)構(gòu)安全控制值

3 工程難點(diǎn)分析

該工程屬于廣州地區(qū)φ8.8 m土壓盾構(gòu)首次在上軟地層中下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵隧道。由于下穿段為典型的上軟下硬地層，掘進(jìn)過程中容易出現(xiàn)諸如刀具異常損壞、刀盤扭矩大、螺旋機(jī)噴涌、糊刀盤等現(xiàn)象。該工程的主要難點(diǎn)如下：

1) 盾構(gòu)法在上軟下硬地層中主要采用氣壓輔助模式掘進(jìn)，氣壓穩(wěn)定是關(guān)鍵，若出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象則會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)失壓，引起地層塌方。因此如何控制勘察孔、監(jiān)測(cè)孔、地層漏氣、3號(hào)線洞內(nèi)管片接縫漏氣是難點(diǎn)。

2) 盾構(gòu)近距離(最小垂直距離5.5 m)在上軟下硬地層推進(jìn)時(shí)，刀盤振動(dòng)明顯，推進(jìn)速度慢，刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)上部的軟弱地層擾動(dòng)大，再加以列車通過時(shí)振動(dòng)影響，容易出現(xiàn)隧道上部土體超挖。因此如何保證市政道路路面、重要管線，以及既有3號(hào)線隧道沉降、變形、位移等各項(xiàng)指標(biāo)控制在允許值范圍內(nèi)是難點(diǎn)；如何控制同步注漿、二次注漿、洞內(nèi)超前注漿、水平定向鉆注漿引起的既有運(yùn)營(yíng)隧道、管線隆起也是難點(diǎn)。

3) 盾構(gòu)法在上軟下硬地層掘進(jìn)，如何控制渣土改良不當(dāng)、刀具異常損壞、糊刀盤、卡螺旋機(jī)、螺旋機(jī)噴涌等現(xiàn)象發(fā)生是難點(diǎn)。

4) 盾構(gòu)下穿過程中，3號(hào)線仍處于運(yùn)營(yíng)狀態(tài)，無(wú)法進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)，只能依靠自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備。隧道內(nèi)潮濕、多塵、振動(dòng)等因素會(huì)造成自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備失靈，因此如何保證自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備處于有效工作狀態(tài)是難點(diǎn)。

4 盾構(gòu)下穿過程中采用的關(guān)鍵技術(shù)

4.1 地面水平定向鉆孔注漿加固技術(shù)

采用地面水平定向鉆孔，設(shè)計(jì)鉆孔13孔，鉆孔水平間距2 m，水平段(3號(hào)線下方)垂深應(yīng)為25.0 m(第一順位7孔)和24.5 m(第二順位6孔，備用孔)，區(qū)間左線水平定向鉆加固平、縱斷面示意圖如圖2～3所示。區(qū)間左線加固平面范圍為3號(hào)線邊線外擴(kuò)5.0 m(設(shè)計(jì)加固長(zhǎng)度28.0 m)，22號(hào)線邊線外擴(kuò)2 m(設(shè)計(jì)加固寬度12.5 m)，水平段鉆孔高程在22號(hào)線隧道上方1.5 m，主要加固地層是全、強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖。

圖2 廣州地鐵22號(hào)線盾構(gòu)法下穿既有3號(hào)線左線區(qū)間水平定向鉆加固平面示意圖

4.2 盾構(gòu)機(jī)超前注漿孔注漿加固技術(shù)

區(qū)間左線從274環(huán)開始進(jìn)行第一次超前注漿，每掘進(jìn)6環(huán)(9.6 m)后進(jìn)行下一次注漿，注漿桿總長(zhǎng)按20 m設(shè)計(jì)，其中有效注漿范圍為刀盤前方11.5 m，相鄰兩次注漿范圍搭接長(zhǎng)度約1.9 m，加固最高高度為隧道上方1.94 m。注漿環(huán)號(hào)分別是：第1次注漿為274環(huán)，第2次注漿為280環(huán)，第3次注漿為286，第4次注漿為292環(huán)，注漿出口為304環(huán)管片位置。注漿出口位置為7Z與8Z地層交接面。圖4為左線下穿3號(hào)線超前注漿示意圖。右線下穿參考左線施工方案進(jìn)行，可根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)適當(dāng)調(diào)整方案。

圖3 廣州地鐵22號(hào)線盾構(gòu)法下穿既有3號(hào)線左線區(qū)間水平定向鉆加固縱斷面示意圖

圖4 廣州地鐵22號(hào)線盾構(gòu)法下穿既有3號(hào)線左線區(qū)間超前注漿示意圖

4.3 洞內(nèi)深孔跟蹤補(bǔ)償注漿

洞內(nèi)深孔跟蹤補(bǔ)償注漿方案為盾構(gòu)跟進(jìn)式注漿，當(dāng)管片脫開盾尾且具備注漿條件時(shí)應(yīng)盡快開啟該方案。深孔跟蹤補(bǔ)償注漿為對(duì)隧道拱部150°(時(shí)鐘10：00—2：00位置)、拱頂以上4 m、拱肩進(jìn)入中風(fēng)化地層1 m的區(qū)域進(jìn)行注漿。深孔跟蹤補(bǔ)償注漿設(shè)計(jì)方案為：φ42 mm袖閥鋼管，普通硅酸鹽42.5級(jí)水泥，注漿壓力按0.1～0.5 MPa控制，先外后內(nèi)，少量多次。盾構(gòu)掘進(jìn)注漿期間應(yīng)結(jié)合既有線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)密切監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)變形和道床沉降情況，與3號(hào)線洞內(nèi)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備聯(lián)動(dòng)。注漿時(shí)控制壓力，防止3號(hào)線出現(xiàn)隧道隆起、變形、漏漿等情況發(fā)生。盾構(gòu)通過后，根據(jù)監(jiān)測(cè)信息反饋、累計(jì)沉降及不均勻沉降情況，經(jīng)分析確認(rèn)得到有效控制的情況下可以結(jié)束注漿。圖5為洞內(nèi)深孔跟蹤補(bǔ)償注漿示意圖。

圖5 洞內(nèi)深孔跟蹤補(bǔ)償注漿示意圖

4.4 既有3號(hào)線洞內(nèi)道床注漿加固

在3號(hào)線道床與水溝進(jìn)行環(huán)氧樹脂注漿：處理范圍為3號(hào)線右線對(duì)應(yīng)區(qū)間下穿段及前后30 m，總長(zhǎng)共80 m。道床與盾構(gòu)仰拱面的注漿加固輔助處理如圖6所示。

圖6 既有3號(hào)線道床注漿加固輔助處理

1) 在道床兩側(cè)水溝邊布2排注漿孔，平均間距42 cm，孔徑φ10 mm，孔深至道床管片仰拱面。采用EAA(乙烯丙烯酸)環(huán)氧漿封閉，注漿壓力0.3～0.4 MPa。

2) 在道床面布3排注漿孔，按梅花形布孔，間距1.2 m ，孔深至仰拱管片面。

3) 對(duì)34條道床裂縫進(jìn)行注漿處理。目前已完成對(duì)3號(hào)線右線道床及水溝的治理，共使用EAA環(huán)氧漿154 kg。

4.5 掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置

由于下穿段地質(zhì)為上軟下硬地層(上部7Z,下部8Z)和全斷面硬巖地層，至全斷面中風(fēng)化混合花崗巖<8Z>漸變，如在掘進(jìn)時(shí)采用純土壓模式，則難以掘進(jìn)，將出現(xiàn)結(jié)泥餅、刀盤扭矩大、速度慢、刀具異常損壞等情況。同時(shí)，為了避免在下穿風(fēng)險(xiǎn)源時(shí)出現(xiàn)地層突變塌方，經(jīng)綜合考慮，采用土壓+氣壓輔助模式，將土倉(cāng)渣位控制在1/2～3/2倉(cāng)高度。該方案在改善掘進(jìn)參數(shù)的同時(shí)能盡快建立實(shí)土壓力，防止掌子面出現(xiàn)較大的塌方。

主要掘進(jìn)參數(shù)：試驗(yàn)段和下穿段地層埋深在26.5 m，穩(wěn)定地下水位埋深3.4～4.1 mm；土倉(cāng)上部(1#傳感器)壓力設(shè)定在0.26～0.28 MPa，土倉(cāng)下部(6#傳感器)壓力穩(wěn)定在0.30～0.32 MPa，壓差約0.4 MPa；刀盤轉(zhuǎn)速1.3～1.5 r/min，掘進(jìn)速度10～25 mm/min，扭矩5 000～8 000 kN·m，推力30 000～40 000 kN；每環(huán)出渣量控制在6斗(混合方量150 m3)以內(nèi)；注漿量不低于12 m3/環(huán)，二次注漿(雙液漿)和深孔注漿及時(shí)跟進(jìn)。

4.6 施工監(jiān)測(cè)

1) 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)：對(duì)于每個(gè)斷面，在軌道附近的道床上布設(shè)2個(gè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在中腰位置布設(shè)2個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在隧道拱頂布設(shè)2個(gè)拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即在每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2) 施工監(jiān)測(cè)：地表施工監(jiān)測(cè)頻率如圖7所示。其中，距離穿越范圍中點(diǎn)30～50 m范圍內(nèi)的監(jiān)測(cè)頻率為1次/d；隨著開挖面逐步靠近，距離穿越范圍中點(diǎn)2倍洞徑至3倍洞徑(約30 m)時(shí)，將提高監(jiān)測(cè)頻率至2次/d；在該穿越范圍中點(diǎn)前后2倍洞徑處，將監(jiān)測(cè)頻率加密至1次/2 h；在盾尾脫出距離穿越范圍中點(diǎn)2倍洞徑后，將監(jiān)測(cè)頻率逐步降低至4次/d、2次/d及1次/d。

圖7 地表施工監(jiān)測(cè)頻率圖

3) 洞內(nèi)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)：3號(hào)線洞內(nèi)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)頻率如圖8所示。與地表施工監(jiān)測(cè)頻率相比，主要時(shí)提高了盾構(gòu)通過該穿越范圍時(shí)的監(jiān)測(cè)頻率，每隔1 h監(jiān)測(cè)1次軌面沉降、管片水平位移、拱頂沉降。

圖8 洞內(nèi)施工監(jiān)測(cè)頻率圖

4) 監(jiān)測(cè)斷面的布置：根據(jù)隧道下穿對(duì)3號(hào)線的影響強(qiáng)弱情況布設(shè)監(jiān)測(cè)斷面，位于下穿位置1倍洞徑范圍內(nèi)約45 m強(qiáng)烈影響區(qū)域，每5 m布設(shè)1個(gè)，共布設(shè)7個(gè)監(jiān)測(cè)斷面；1倍洞徑范圍外至3倍洞徑范圍內(nèi)約30 m的影響區(qū)域，每10 m一個(gè)，共布設(shè)6個(gè)監(jiān)測(cè)斷面；單線共計(jì)布設(shè)13個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。

5 3號(hào)線沉降、上抬情況分析

通過上述輔助工法處理后，對(duì)左線盾構(gòu)下穿3號(hào)線前后的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。盾構(gòu)下穿前，3號(hào)線隧道對(duì)應(yīng)盾構(gòu)刀盤位置前方1～2 m處(自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn))呈整體抬升趨勢(shì),上抬量為0.8～2.2 mm；3號(hào)隧道待脫出盾尾后2～5 m處(自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn))呈整體下沉趨勢(shì)，下沉量為0.3 mm～4.5 mm；盾構(gòu)成功下穿地鐵3號(hào)線后，3號(hào)線右線道床主要影響區(qū)變化值(正值為上抬、負(fù)值為下沉)為-0.5～-6.3 mm，平均變化值為-3.3 mm，豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)YDM07-2處的累計(jì)變化值最大，為+12.83 mm；3號(hào)線左線道床主要影響區(qū)變化值為-3.4～+1.9 mm，平均變化值為+0.1 mm，豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZDM07-4處的為累計(jì)變化值最大，為+14.22 mm。

從監(jiān)測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)分析：豎向位移最大值均在7號(hào)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)斷面，7號(hào)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)斷面位于22號(hào)線盾構(gòu)隧道左、右線之間，施工擾動(dòng)疊加效應(yīng)最大符合沉降規(guī)律；豎向位移沉降值以7號(hào)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)斷面為中心向兩邊遞減，其中1、13自動(dòng)化監(jiān)測(cè)斷面影響最??；盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的擾動(dòng)范圍及二次擾動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與3號(hào)線隧道X、Y軸水平位移、收斂、軌道橫向高差等成正比例關(guān)系，但其中不乏無(wú)規(guī)律數(shù)據(jù)值；經(jīng)過加固后的上軟下硬地層的沉降規(guī)律與硬巖段地層的基本相符。

6 結(jié)語(yǔ)

上述盾構(gòu)輔助措施的實(shí)施，保證了盾構(gòu)下穿施工過程連續(xù)順利，確保了3號(hào)線隧道的結(jié)構(gòu)和運(yùn)營(yíng)安全。作為廣州市φ8.8 m土壓平衡盾構(gòu)首次在上軟地層中下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵隧道工程，為今后類似工程提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。在確保盾構(gòu)機(jī)及相關(guān)設(shè)備經(jīng)過仔細(xì)檢修的前提下，控制好盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)模式、掘進(jìn)姿態(tài)、推力、刀盤扭矩、螺旋機(jī)扭矩、出土控制、注漿量、注漿壓力等參數(shù)，采用水平定向鉆注漿、洞內(nèi)超前注漿、洞內(nèi)深孔跟蹤注漿、既有3號(hào)線洞內(nèi)道床注漿等加固方法，合理布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)、選擇監(jiān)測(cè)頻率并進(jìn)行動(dòng)態(tài)化監(jiān)測(cè)，這些都是確保在上軟下硬地層中近距離下穿運(yùn)營(yíng)線路的關(guān)鍵。