富水砂卵石地層盾構(gòu)近距離下穿既有線施工技術(shù)

舒 波，饒仁強(qiáng)，任 建

(成都地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

伴隨我國(guó)施工技術(shù)發(fā)展與軌道線網(wǎng)的迅速擴(kuò)張，新線中盾構(gòu)穿越既有線路越來(lái)越多，新線施工安全與運(yùn)營(yíng)安全已經(jīng)成為重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題之一。為確保施工與運(yùn)營(yíng)安全，關(guān)于盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)既有線路的影響，學(xué)者們做了大量研究。王立新等[1]通過(guò)數(shù)值模擬，研究了在黃土地區(qū)新線與既有線不同豎向凈距的盾構(gòu)掘進(jìn)施工中既有隧道變形與應(yīng)力變化規(guī)律，并提出相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)；駱保勝[2]以大連地鐵5號(hào)線下穿既有地鐵2號(hào)線為工程背景，采用理論和實(shí)際結(jié)合的手段研究了新線穿越既有線施工對(duì)圍巖變形影響規(guī)律；張毅等[3]采用三維有限元數(shù)值模擬手段，研究了新建盾構(gòu)隧道十字交叉施工對(duì)既有隧道位移的影響；隋曉燕[4]研究了大直徑土壓平衡盾構(gòu)施工下穿既有線U形槽的施工技術(shù)與變形規(guī)律；邵華等[5]以上海某隧道穿越新線工程為背景，利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析既有線隧道擾動(dòng)變形規(guī)律；孫國(guó)慶[6]以深圳地鐵7號(hào)線、9號(hào)線下穿既有1號(hào)線為工程背景，研究盾構(gòu)接收端加固技術(shù)；曾良峰[7]以成都地鐵6號(hào)線穿越既有地鐵3號(hào)線為背景，研究了始發(fā)延長(zhǎng)鋼環(huán)密封保壓、中盾注漿盾構(gòu)間隙、輔助注漿糾偏、自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等技術(shù)措施；楊冬[8]以成都地鐵4號(hào)線下穿既有地鐵2號(hào)線為工程背景，研究了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)切割暗挖素混凝土二襯結(jié)構(gòu)下穿既有隧道施工技術(shù)；吳全立等[9]以深圳地鐵9號(hào)線下穿既有地鐵4號(hào)線為工程背景，采用 ABAQUS仿真模型分析手段，研究了盾構(gòu)近始發(fā)端鋼套筒保壓、克泥效充填盾構(gòu)間隙、輔助注漿糾偏等綜合技術(shù)，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分區(qū)管理、自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等管理手段進(jìn)行探討；趙銘[10]以深圳地鐵9號(hào)線下穿既有地鐵3號(hào)線為工程背景，研究了盾構(gòu)近距離穿越既有線施工技術(shù)。

本文以成都地鐵9號(hào)線近距離下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵線為工程背景，研究了富水砂卵石地層盾構(gòu)下穿施工技術(shù)，分析了盾構(gòu)下穿施工對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道結(jié)構(gòu)變形影響，探討了相關(guān)管理手段，技術(shù)經(jīng)驗(yàn)可為下穿施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

成都地鐵9號(hào)線區(qū)間隧道下穿既有地鐵4號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)隧道，穿越長(zhǎng)度約22m。9號(hào)線盾構(gòu)隧道采用幅寬1.5m、外徑6.7m、內(nèi)徑6.0m的盾構(gòu)管片，采用中等減振道床，隧道埋深約9m；既有地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道采用幅寬1.5m.、外徑6.0m、內(nèi)徑5.4m的盾構(gòu)管片，采用普通道床，隧道埋深約19m；新線與既有線左線最小豎向間距約3.65m，與右線的最小豎向間距為3.78m。

盾構(gòu)隧道工程穿越地層從上到下依次為:雜填土、稍密卵石土、中密卵石土、密實(shí)卵石土。其中密實(shí)卵石層卵石含量約占60%～80%，孔隙率e=0.27，卵石一般粒徑40～80mm，最大粒徑150mm，其中漂石含量約占5%，漂石粒徑20～25cm。場(chǎng)地地下水平均埋深約5.2m，主要有2種類型：一是賦存于黏土層之上人工填土層中的上層滯水；二是第四系松散巖土顆粒孔隙水。既有地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道位于中密卵石土、密實(shí)卵石土層；新建地鐵9號(hào)線盾構(gòu)隧道位于密實(shí)卵石土層。該穿越工程施工難度高、風(fēng)險(xiǎn)大，平面與剖面位置關(guān)系如圖1，2所示。

圖1 平面位置關(guān)系

圖2 剖面位置關(guān)系

2 施工技術(shù)措施

2.1 降水措施

綜合考慮周邊車站基坑工程降水，采用分階段、分梯度降水，在既有隧道兩側(cè)分別設(shè)置降水井，井深45m，與既有線的安全距離為5m，并相應(yīng)設(shè)置3口靜態(tài)水位監(jiān)測(cè)井，監(jiān)測(cè)水位變化情況，以確保水位降至設(shè)計(jì)深度，避免既有隧道承受側(cè)水壓力。同時(shí)由于場(chǎng)地為砂卵石地層，嚴(yán)格控制出水含砂率，并做好含砂率測(cè)試。

2.2 土體注漿加固

土體注漿加固分為2個(gè)階段，第1階段在新線車站端頭與既有線之間土體進(jìn)行袖閥管跟蹤注漿；第2階段在盾構(gòu)下穿既有線隧道土體影響范圍內(nèi)進(jìn)行袖閥管跟蹤注漿，并預(yù)留注漿孔。在第2階段注漿加固前，預(yù)先對(duì)既有線盾構(gòu)隧道下穿影響范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)及以下土層現(xiàn)狀調(diào)查，若檢測(cè)有空洞，應(yīng)提前注漿加固。為減小注漿孔施工對(duì)運(yùn)營(yíng)安全的影響，應(yīng)確保鉆孔施工過(guò)程中和既有線隧道的安全距離>3m。其中注漿管采用φ48mm，t=3.25mm袖閥管，間距1 000mm×1 000mm。注漿漿液為1∶1普通水泥漿液，注漿壓力為0.3MPa。加固范圍平面位置關(guān)系如圖3所示。

圖3 加固區(qū)平面

2.3 管棚施工

車站端頭進(jìn)行超前加固，采用“雙排大管棚+管棚內(nèi)注漿”的方式，其中左線管棚長(zhǎng)40m，右線管棚長(zhǎng)35m，共計(jì)90根，管棚布置如圖4所示。

圖4 管棚加固剖面

1)大管棚鋼管采用直徑194mm，壁厚16mm的鋼管，絲扣連接。

2)管棚布置范圍為隧道拱頂120°(上排)/130°(下排)，上排23根，下排22根，2排管棚孔口位置分別布置在洞門輪廓線外200mm和600mm位置，注漿管環(huán)向中心間距400mm，管棚傾角為1.5°。

3)大管棚鋼管上鉆孔注漿，孔徑10mm，孔間距200mm，呈梅花形布置。

4)注漿漿液采用1∶1的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥砂漿進(jìn)行注漿，注漿壓力控制在0.5MPa。

5)設(shè)置600mm厚，寬度為800mm的導(dǎo)向墻，并設(shè)置定位鋼筋與導(dǎo)向鋼管。定位鋼筋直徑20mm，長(zhǎng)0.6m；導(dǎo)向鋼管直徑219mm，壁厚6mm，長(zhǎng)度為0.4m，導(dǎo)向鋼管角度與管棚角度均為1.5°，導(dǎo)向管的外露長(zhǎng)度為10cm。

2.4 試驗(yàn)段參數(shù)設(shè)置

將穿越前一次停機(jī)點(diǎn)至既有線影響范圍前30m設(shè)置為試驗(yàn)段，長(zhǎng)度90m，模擬穿越既有線工況，對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行模擬總結(jié)，并在正式下穿前20環(huán)進(jìn)行重新下穿參數(shù)交底，確保盾構(gòu)快速、勻速、穩(wěn)定穿越既有線區(qū)間隧道。同時(shí)在穿越時(shí)，應(yīng)及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，調(diào)整相應(yīng)參數(shù)，為后續(xù)穿越做準(zhǔn)備。試驗(yàn)段參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)段參數(shù)

2.5 掘進(jìn)技術(shù)措施

1)盾構(gòu)姿態(tài)控制

盾構(gòu)姿態(tài)控制在±35mm范圍，推進(jìn)速度勻速，具體推進(jìn)速度參數(shù)以盾構(gòu)推進(jìn)后優(yōu)化參數(shù)為準(zhǔn)且糾偏量不得超過(guò)5mm/m。管片選型順應(yīng)盾構(gòu)的運(yùn)行走向進(jìn)行拼裝，盾尾測(cè)量間隙原則上不得小于50mm。

2)出土量控制

出土量控制采取出土參數(shù)控制與出土方量質(zhì)量雙控措施：①嚴(yán)格按照螺旋出土速度與掘進(jìn)速度參數(shù)控制出土速度和出土量，如表2所示；②嚴(yán)格執(zhí)行方量質(zhì)量控制措施，根據(jù)地勘報(bào)告與試驗(yàn)段模擬掘進(jìn)分析結(jié)果，松散系數(shù)為1.15，則穿越段每環(huán)出土方量不得超過(guò)66m3，每環(huán)出土量不得超過(guò)133t。在掘進(jìn)過(guò)程中根據(jù)分析結(jié)果及時(shí)修正當(dāng)環(huán)同步注漿量并進(jìn)行二次補(bǔ)注漿。

表2 參數(shù)控制

3)渣土改良

渣土改良的目的是增加渣土的和易性和流塑性，并依據(jù)掘進(jìn)參數(shù)的變化及時(shí)對(duì)改良劑應(yīng)用參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，防止噴涌的發(fā)生，確保掌子面穩(wěn)定[12]。穿越施工中渣土改良采用鈉基膨潤(rùn)土+巴斯夫泡沫方式。采用巴斯夫泡沫劑，初始泡沫發(fā)泡率為3%，泡沫混合液注入率暫定60%，每環(huán)泡沫原液使用量為90～120L，每環(huán)泡沫原液用量90～120L；鈉基膨潤(rùn)土配合比為0.2∶1膨化，每環(huán)加入量不小于7m3。

4)同步注漿

在掘進(jìn)過(guò)程中應(yīng)保證同步注漿的及時(shí)性。根據(jù)試驗(yàn)段結(jié)果，同步注漿漿液選用單漿液，注漿量控制在8～9m3以上，注漿壓力0.2～0.3MPa，漿液初凝時(shí)間6h，通過(guò)6路管路注入。同步注漿漿液配合比如表3所示。

表3 同步注漿漿液配合比 kg·m-3

5)二次注漿

二次注漿可及時(shí)填充管片背面空腔，能有效控制地表后期沉降。對(duì)已成型管片每間隔3環(huán)進(jìn)行二次補(bǔ)注漿，采取間歇、多點(diǎn)、少量注漿的方式。二次注漿采用雙液漿，漿液配合比為水∶水泥∶水玻璃=1∶1∶1，注漿壓力為0.2～0.3MPa。在管片脫出盾尾后第2環(huán)開始注漿，注漿點(diǎn)位選擇隧道正上方16點(diǎn)位。

2.6 預(yù)警及相應(yīng)施工措施

根據(jù)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)分析結(jié)果，按照可能發(fā)生事故的危害程度、緊急程度和發(fā)展勢(shì)態(tài)，建立黃色預(yù)警、橙色預(yù)警、紅色預(yù)警三級(jí)預(yù)警制度，進(jìn)行分級(jí)預(yù)警管理，根據(jù)施工情況制定分級(jí)管理施工措施(見表4)。

表4 預(yù)警應(yīng)急措施

3 既有結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)技術(shù)

3.1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)控制值確定

為確保新線施工與既有線運(yùn)營(yíng)安全，做好城市軌道交通保護(hù)區(qū)既有結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)工作是必要的手段之一，在本工程中采用地鐵常用的監(jiān)測(cè)手段全站儀自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)采用人工監(jiān)測(cè)復(fù)核手段，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確有效。

根據(jù)城市軌道交通的結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)要求、現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及安全評(píng)估報(bào)告確定既有線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目、監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置間距及監(jiān)測(cè)控制值。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值如表5所示。

圖5 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

表5 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值

3.2 既有結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

該工程右線盾構(gòu)于7月11日進(jìn)入盾構(gòu)影響區(qū)，7月13日完成既有線穿越，左線盾構(gòu)于7月26日完成既有線穿越，在施工過(guò)程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在可控范圍內(nèi)。

本文主要以9號(hào)線右線盾構(gòu)穿越4號(hào)線右線的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析：①降水及管棚施工中引起地層固結(jié)、砂卵石地層擾動(dòng)，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)沉降，豎向變形最大基本在1mm范圍內(nèi)波動(dòng)；②盾構(gòu)穿越過(guò)程中，既有線結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)先沉降后隆起，最后穩(wěn)定的變形趨勢(shì)，右線盾構(gòu)掘進(jìn)引起的最大沉降為2.99mm，后采取同步注漿，地面注漿及二次注漿等措施，隧道結(jié)構(gòu)隆起約0.9mm，經(jīng)過(guò)約4d后變形穩(wěn)定，最終豎向沉降累計(jì)值約為2mm，如圖6所示；③盾構(gòu)穿越過(guò)程中，軌道結(jié)構(gòu)變形與結(jié)構(gòu)變形一致，均呈現(xiàn)先沉降后隆起，最后穩(wěn)定的趨勢(shì)，最終豎向累計(jì)值為2mm，由于軌道變形趨勢(shì)一致，差異沉降在可控范圍內(nèi)，為1.20mm，如圖7所示；④結(jié)構(gòu)水平變形較小，遠(yuǎn)小于結(jié)構(gòu)豎向位移，最大值為 0.78mm，基本在±1m范圍內(nèi)波動(dòng)，表明既有隧道水平方向受力均衡，如圖8所示。

圖6 隧道結(jié)構(gòu)豎向變形

圖7 軌道豎向變形

圖8 隧道結(jié)構(gòu)水平變形

4 結(jié)語(yǔ)

1)新線在富水砂卵石地層近距離下穿既有線對(duì)新線施工及既有線影響極大，必須采取嚴(yán)格的地鐵保護(hù)施工技術(shù)，確保運(yùn)營(yíng)與施工安全。

2)盾構(gòu)穿越前，采用袖閥管與管棚注漿措施能夠填充原有地層空洞，有效加固既有結(jié)構(gòu)周邊土體，確保運(yùn)營(yíng)與施工安全。

3)在盾構(gòu)穿越過(guò)程中采取出土參數(shù)與出土方量雙控措施能有效控制出土量、開挖量，能有效控制超挖，最大限度減少對(duì)既有結(jié)構(gòu)擾動(dòng)。

4)在盾構(gòu)穿越過(guò)程中采用同步注漿措施及盾構(gòu)穿越后采用二次注漿能完成管片背后間隙填充，可以有效控制地層下沉與既有線結(jié)構(gòu)變形，是保障運(yùn)營(yíng)安全的措施。

5)既有線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)能夠及時(shí)反饋盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中既有結(jié)構(gòu)變形，提供及時(shí)的監(jiān)測(cè)信息，指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)施工。