長(zhǎng)江漫灘地盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道沉降控制

趙紅光

(南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，江蘇 南京 210024)

0 前 言

隨著城市地鐵規(guī)模的不斷擴(kuò)大，互相交織的地鐵網(wǎng)絡(luò)逐漸形成，不可避免地會(huì)出現(xiàn)穿越既有地鐵隧道、橋梁、地下管線及城市建筑基礎(chǔ)等復(fù)雜的工況[1]。在中心城市核心區(qū)域，軌道交通高速發(fā)展，新建地鐵隧道下穿既有地鐵運(yùn)營(yíng)隧道的工程數(shù)量急劇上升[2]。盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道，若施工過(guò)程中控制不當(dāng)，可造成地面沉降超標(biāo)或塌陷，進(jìn)而導(dǎo)致既有地鐵隧道軌道變形，產(chǎn)生地鐵停運(yùn)等風(fēng)險(xiǎn)，造成惡劣社會(huì)影響。

對(duì)盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道引發(fā)的相關(guān)沉降問(wèn)題相關(guān)成果，國(guó)內(nèi)研究成果豐富。姚曉明等[3]以成都地鐵某新建盾構(gòu)隧道下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵線工程為例，針對(duì)砂卵石地層進(jìn)行盾構(gòu)施工影響研究，提出根據(jù)實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)源制定相應(yīng)監(jiān)測(cè)方案，依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)施工。高利宏[4]依托某盾構(gòu)隧道雙線間隔近距離下穿既有暗挖隧道區(qū)間工程，結(jié)合數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)豎向位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了卵石層、礫巖層和泥巖層近接下穿既有隧道的變形規(guī)律。江杰等[5]對(duì)富水圓礫地層盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道進(jìn)行了掘進(jìn)參數(shù)研究。牟軍東[6]以杭州地鐵工程粉砂地層土壓平衡盾構(gòu)下穿既有線路為背景，著重介紹了穿越既有隧道時(shí)的保護(hù)措施及施工技術(shù)。

盾構(gòu)施工引起地層位移進(jìn)而導(dǎo)致既有構(gòu)筑物變形規(guī)律，和盾構(gòu)掘進(jìn)及既有地鐵隧道所處地層密切相關(guān)，針對(duì)長(zhǎng)江漫灘地質(zhì)條件粉砂層，盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道引發(fā)相關(guān)的沉降研究較少。長(zhǎng)江漫灘地由于長(zhǎng)江近代以來(lái)的退移形成的原因，造就了其低凹、平坦的地形，具有相對(duì)穩(wěn)定的50 m左右厚的軟土層。由于其固結(jié)沉降程度不夠高，固結(jié)沉降還在進(jìn)行中[7]。以上的因素，導(dǎo)致該地層承載力低、易變形、不穩(wěn)定性高。在此工況在進(jìn)行盾構(gòu)施工難度較大，本文以南京地鐵7號(hào)線莫愁湖站-清涼山站區(qū)間下穿南京地鐵2號(hào)線段為例，通過(guò)對(duì)既有隧道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析，對(duì)施工進(jìn)行總結(jié)分析。

1 工程背景

1.1 整體區(qū)間概況

區(qū)間右線長(zhǎng)1 112.9 m(含短鏈40 m)、右線長(zhǎng)1 131.1 m(含長(zhǎng)鏈21.8 m)，設(shè)1座聯(lián)絡(luò)通道帶泵房。區(qū)間最小半徑為R=350 m，線路縱坡為“V”字坡。線路自莫愁湖站出站后以28‰和4.547‰的下坡到區(qū)間最低點(diǎn)，后以7.6‰和15.6‰的上坡到達(dá)清涼山站。區(qū)間采用2臺(tái)泥水平衡盾構(gòu)機(jī)組織施工，初期進(jìn)行左線施工，后期根據(jù)左線施工情況調(diào)整施工方案進(jìn)行右線施工。

區(qū)間始發(fā)段至秦淮河段穿越的地層主要為粉質(zhì)黏土夾粉砂、粉砂、粉細(xì)砂地層，秦淮河段—清涼山段為中風(fēng)化礫巖和中風(fēng)化泥巖。潛水主要賦存于填土、新近沉積黏性土層中。其中，人工填土層由粉質(zhì)黏土夾碎石、碎磚混填，其透水性不均勻，該土層的大孔隙往往成為地下水的賦存空間。全新世沉積軟弱黏性土淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土飽含地下水，富水性弱，透水性弱。

1.2 下穿段工程概況

區(qū)間地處長(zhǎng)江漫攤地質(zhì)，具體下穿既有2號(hào)線情況如圖1所示。

圖1 區(qū)間下穿二號(hào)線平面圖

盾構(gòu)埋深27 m，2號(hào)線埋深約12 m，7號(hào)線隧道下穿運(yùn)營(yíng)的軌道交通2號(hào)線區(qū)間隧道，與隧道結(jié)構(gòu)最小豎向凈距約為9.4 m。穿越段地質(zhì)如圖2所示。

圖2中，由上往下依次為雜填土、素填土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉土夾粉砂、粉細(xì)土，盾構(gòu)穿越的地層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土和粉土夾粉砂地層，地層軟弱、地下水豐富。

圖2 區(qū)間下穿地鐵二號(hào)線地質(zhì)斷面圖

2 左線施工設(shè)計(jì)

2.1 風(fēng)險(xiǎn)分析

本區(qū)間隧道主要穿越②-4b3粉質(zhì)黏土層、②-4b3 d粉質(zhì)黏土夾粉砂層、②-4 d2粉砂層、②-5 dl粉細(xì)砂層:K2p-2強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、K2p-3-1中風(fēng)化泥巖、泥質(zhì)砂巖、砂質(zhì)泥巖，K2p-3-2中風(fēng)化砂礫巖、礫巖,K2p-3-2a中風(fēng)化砂礫巖、礫巖(破碎)層等。下穿段盾構(gòu)穿越的地質(zhì)以粉砂層為主。粉砂層的摩擦角，所以盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中會(huì)受到較大的頂推力和扭矩；同時(shí)，粉砂層的滲透系數(shù)大，增大了盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中遇到流沙的可能性，除此之外，盾構(gòu)姿態(tài)也會(huì)因此變得難以控制[8]。基于此，在盾構(gòu)接收施工前要加固盾構(gòu)端頭、對(duì)盾構(gòu)接收端進(jìn)行降水施工、多次測(cè)量核對(duì)盾構(gòu)機(jī)與洞門位置[9]。所以下穿段粉砂層施工過(guò)程中易沉降，需采用注漿加固措施。

2.2 注漿參數(shù)

在施工過(guò)程中進(jìn)行同步注漿。注漿技術(shù)參數(shù)：注漿量為理論建筑空隙的130%～160%，即為4.98～6.12 m2/環(huán)，根據(jù)盾構(gòu)下穿段埋深同步注漿壓力控制在3.0～3.5 bar；注漿要求：做到“掘進(jìn)、注漿同步，不注漿、不掘進(jìn)”，通過(guò)控制同步注漿壓力和注漿量雙重標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定注漿時(shí)間；漿液配合比情況如下：①膠凝時(shí)間：3～8 h；②固結(jié)體強(qiáng)度：7天強(qiáng)度大于0.4 MPa，14天抗壓強(qiáng)度大于1 MPa；③漿液結(jié)石率：>95%，即固結(jié)收縮率<5%；④漿液稠度：8～12 cm。注漿材料配比見表1。

表1 同步注漿材料配比表 單位：kg

為了彌補(bǔ)前期注漿效果，根據(jù)固結(jié)率及沉降、變形等情況，須在同步注漿后進(jìn)行二次注漿來(lái)加強(qiáng)強(qiáng)度。本工程二次注漿采用雙液漿，主要材料為水泥、水、水玻璃。材料控制指標(biāo)如下：①漿液凝固時(shí)間為60 s；②注漿壓力控制在3.0～3.5 bar；③水泥∶水=1∶1；④水玻璃∶水泥漿=1∶1。泥漿中的泥水比重應(yīng)為1.05～1.25 g/cm3，下限為1.04～1.2 g/cm3，局部時(shí)段根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果甚至可選1.25 g/cm3。泥漿性能指標(biāo)見表2。

表2 泥漿性能指標(biāo)表

2.3 注漿安排

注漿施工如圖3所示。

圖3 注漿施工示意圖

同步注漿：負(fù)2環(huán)管片安裝完成后開始同步注漿(管片脫出盾尾后)，同步注漿采用商品砂漿，注漿量不少于6 m2，注漿壓力不小于3 bar。注漿采用少量多次注漿入，注漿期間確保盾尾油脂壓力不小于10 bar。

二次注漿：已完成兩次封閉環(huán)注漿封堵，第三次封堵為盾尾處素墻9環(huán)后，既盾構(gòu)施工完成20環(huán)后，進(jìn)行二次注漿封堵。下穿建構(gòu)筑物期間，對(duì)管片進(jìn)行二次注漿，本區(qū)間采用多注漿孔管片，大塊管片有3個(gè)注漿孔，注漿部位主要以中上部為主，注漿期間確保注漿孔封閉效果。

2.4 盾構(gòu)施工參數(shù)

盾構(gòu)施工參數(shù)見表3。

表3 下穿地鐵二號(hào)線盾構(gòu)施工參數(shù)

3 左線沉降結(jié)果

7號(hào)線莫愁湖站—清涼山站區(qū)間下穿2號(hào)線段在2號(hào)線內(nèi)沉降觀測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 二號(hào)線沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布圖

地鐵2號(hào)線隧道內(nèi)由地鐵運(yùn)營(yíng)公司實(shí)施，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享。采用測(cè)量機(jī)器人對(duì)既有2號(hào)線沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，S代表2號(hào)線上行，X代表2號(hào)線下行。2號(hào)線道床最終沉降結(jié)果如圖5所示。

圖5 左線下穿時(shí)2號(hào)線道床沉降圖

上行線道床最大沉降在S14點(diǎn)為-7.8 mm，下行線道床最大沉降在X17點(diǎn)為-9.4 mm。

4 沉降分析及右線施工分析

4.1 沉降分析

1)地層變化，盾構(gòu)穿越的地層由粉質(zhì)黏土夾粉砂變?yōu)槿珨嗝娣凵暗貙樱凵皩邮┕ひ壮两登页两捣磻?yīng)較快；粉砂層掘進(jìn)，泥漿含砂率高，黏度下降較快，在地層形成泥膜能力較差。

2)施工中同步注漿有管路堵塞的情況。所以要確保盾構(gòu)連續(xù)施工及時(shí)進(jìn)行補(bǔ)充二次注漿，粉砂層掘進(jìn)期間控制泥漿比重不大于1.3 g/cm3，黏度不低于20 s，及時(shí)補(bǔ)充新制漿液。

4.2 右線施工設(shè)計(jì)

右線施工設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 隧道頂部注漿加固示意圖(單位：m)

初次右線盾構(gòu)施工在隧道頂部2 m范圍內(nèi)采用注漿加固。注漿施工控制標(biāo)準(zhǔn)：①保證施工影響范圍內(nèi)地層損失率≤2‰；②對(duì)既有軌交隧道襯砌結(jié)構(gòu)的附加沉降、水平位移≤5 mm，報(bào)警值為3 mm；③盾構(gòu)推進(jìn)引起的2號(hào)線附加曲率半徑應(yīng)大于15 000 m，相對(duì)彎曲<1/2500；④隧道內(nèi)兩軌道橫向高差≤2 mm，縱向偏差和高差<4 mm/10 m。針對(duì)粉砂層施工過(guò)程中易沉降及右線施工情況采取以下措施。

1)嚴(yán)格控制泥漿比重。下穿地鐵2號(hào)線區(qū)間穿越的地層以粉砂為主，粉砂地層施工泥漿比重下降較快。目前左線正在掘進(jìn)粉質(zhì)黏土層，將左右線泥漿混合在一起，有效保證右線盾構(gòu)下穿地鐵2號(hào)線時(shí)泥漿的黏度。采用優(yōu)質(zhì)的鈉基膨潤(rùn)土加以纖維素、純堿等對(duì)漿液黏度進(jìn)行調(diào)整，確保漿液黏度不低于20 s。

2)確保盾構(gòu)連續(xù)施工。根據(jù)統(tǒng)計(jì)下穿地鐵2號(hào)線期間，由于同步注漿管路堵塞、設(shè)備故障等影響盾構(gòu)未能連續(xù)施工，停機(jī)期間盾構(gòu)沉降速率及沉降值較大。優(yōu)化砂漿配比，進(jìn)一步提高砂漿填充能力，確保砂漿質(zhì)量；定期對(duì)注漿管理進(jìn)行清洗，避免因砂漿堵管造成不必要的停機(jī)。

3)盾構(gòu)穿越既有隧道前應(yīng)調(diào)整好掘進(jìn)姿態(tài)，力求以良好姿態(tài)勻速、緩慢、連續(xù)穿越;完善同步注漿和二次注漿管理措施，加強(qiáng)掘進(jìn)期間對(duì)盾尾刷油脂飽滿和尾刷保護(hù)控制。

4)穿越工況下建議以微欠挖方式掘進(jìn)，嚴(yán)禁超挖，合理控制艙內(nèi)壓力和出渣量，以減少對(duì)地層的擾動(dòng)。

5)確保渣土外運(yùn)，專人管理渣土外運(yùn)，若出現(xiàn)渣土外運(yùn)困難時(shí)優(yōu)先保證右線盾構(gòu)施工。

6)有現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)下穿地鐵2號(hào)線期間，盾構(gòu)技術(shù)服務(wù)公司人員駐場(chǎng)，確保盾構(gòu)連續(xù)施工。

7)盾構(gòu)下穿地鐵2號(hào)線前對(duì)盾構(gòu)機(jī)及泥漿站進(jìn)行一次全面的維修保養(yǎng)，對(duì)損壞件建成更換，儲(chǔ)備易損件。

8)管片脫出盾尾5環(huán)后進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿，二次注漿數(shù)量不少于1 m3。

4.3 右線掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化

根據(jù)上述既有經(jīng)驗(yàn)對(duì)右線施工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，施工技術(shù)也按照進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)整，如表4所示。

表4 掘進(jìn)參數(shù)表

4.4 優(yōu)化后的右線盾構(gòu)沉降結(jié)果

優(yōu)化后的右線盾構(gòu)沉降結(jié)果見圖7。

圖7 右線下穿時(shí)2號(hào)線道床沉降圖

上行線道床最大沉降在S17及S18點(diǎn)為-9.3 mm，下行線道床最大沉降在X20點(diǎn)為-7.4 mm。和左線盾構(gòu)引發(fā)沉降相比，沉降未得到改善，但還處于有效控制范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定安全施工。分析為左線盾構(gòu)對(duì)土的擾動(dòng)及施工效果未達(dá)到預(yù)期所致。

《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》(CJJ/T 202—2013)[10]附錄 B 對(duì)城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值給出了明確要求，針對(duì)本工程情況，規(guī)范要求：隧道豎向位移的預(yù)警值為10 mm、控制值為20 mm。道床最終左右線盾構(gòu)引發(fā)的累計(jì)沉降見圖8。

圖8 道床累計(jì)沉降圖

所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)都滿足了沉降控制值，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)都滿足了沉降預(yù)警值，超過(guò)預(yù)警值的監(jiān)測(cè)點(diǎn)最多也只是超過(guò)30%左右?？傮w來(lái)說(shuō)，下穿段施工很好地滿足了規(guī)范要求，說(shuō)明右線盾構(gòu)的改進(jìn)施工，在已經(jīng)有左線盾構(gòu)土體擾動(dòng)的情況下，產(chǎn)生了一定的效果。

5 結(jié) 論

通過(guò)南京地鐵7號(hào)線莫愁湖站—清涼山站區(qū)間左線下穿南京地鐵2號(hào)線段施工實(shí)踐，可以得出以下結(jié)論。

1)粉砂層施工易沉降且沉降反應(yīng)較快，粉砂層掘進(jìn)，泥漿含砂率高，黏度下降較快，在地層形成泥膜能力較差，所以需要及時(shí)注漿處理，并對(duì)注漿效果及時(shí)監(jiān)測(cè)、反饋，來(lái)指導(dǎo)施工方法及參數(shù)的調(diào)整，可以有效控制沉降在允許范圍內(nèi)。

2)對(duì)于這種復(fù)雜施工條件，現(xiàn)場(chǎng)必須有完善的組織體系，減少同步注漿管路堵塞、設(shè)備故障等的影響。

3)巖土工程本身具有復(fù)雜性和特殊性，充分利用監(jiān)測(cè)技術(shù)，可以讓施工變得靈活安全，即使可能達(dá)不到預(yù)期目標(biāo)，但監(jiān)測(cè)與施工的協(xié)調(diào)可以做到工程的安全可控。

4)確定合適的施工參數(shù)及方法，除了借鑒已完成的施工項(xiàng)目，還可以借助軟件建模分析，提前預(yù)判可能會(huì)出現(xiàn)的一些工程問(wèn)題。

[ID:013329]