新建隧道下穿既有地鐵區(qū)間試驗(yàn)段關(guān)鍵因素研究

鄭立鋼

(北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司 北京 100068)

1 引言

截至2021年底，作為地鐵運(yùn)營線路最多的城市北京已開通地鐵共27條，其運(yùn)營里程達(dá)到約783 km。軌道交通的快速發(fā)展為人們的出行提供了便利，但地鐵建設(shè)也面臨越來越復(fù)雜的環(huán)境。

地鐵的主要施工方法主要有明挖法、暗挖法及盾構(gòu)法三種。在無法大量占用地面資源前提下，對于地鐵建設(shè)中的區(qū)間工程，盾構(gòu)法具有安全、效率高、對周邊環(huán)境影響小、對地下水的適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)，越來越被廣泛選用。

由于新建地鐵線路經(jīng)常會(huì)與既有地鐵線路發(fā)生“上跨、下穿或平行側(cè)穿”等關(guān)系，新建隧道建設(shè)勢必會(huì)對既有線路產(chǎn)生影響。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中造成土體的變形沉降，其周邊的應(yīng)力場重新分布，作用在既有結(jié)構(gòu)上的附加荷載對其產(chǎn)生了不利影響。既有結(jié)構(gòu)變形、開裂、不均勻沉降等引發(fā)的安全性事故每年都在發(fā)生。

大量研究發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)施工的掘進(jìn)參數(shù)與既有線變形沉降有著極大關(guān)聯(lián)性。周路鳴[1-3]等總結(jié)了盾構(gòu)隧道下穿既有線的施工控制技術(shù)；荀亮亮[4]等通過有限元分析模擬了盾構(gòu)區(qū)間下穿地鐵U型槽結(jié)構(gòu)的影響并提出有效防治措施；魏綱[5-6]等運(yùn)用最小勢能原理對既有盾構(gòu)隧道在新建隧道穿越時(shí)的結(jié)構(gòu)變形進(jìn)行了分析預(yù)測；祝思然[7-9]等提出盾構(gòu)下穿既有隧道沉降控制的有效技術(shù)措施；姜海剛[10-12]等對不同地質(zhì)條件下新建地鐵盾構(gòu)隧道穿越既有線監(jiān)測進(jìn)行了研究。這些研究為盾構(gòu)隧道安全下穿既有線施工奠定了良好的基礎(chǔ)，確保了既有線的正常運(yùn)營。

鑒于盾構(gòu)穿越施工對既有地鐵區(qū)間結(jié)構(gòu)存在較大影響，為了保證地鐵運(yùn)營安全，在穿越前應(yīng)設(shè)置試驗(yàn)段，以保證良好的掘進(jìn)速度、控制出渣量及刀盤扭矩，靈活調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，摸索出適合此種地層的最佳組合參數(shù)。同時(shí)通過對試驗(yàn)段施工相關(guān)參數(shù)及沉降數(shù)據(jù)的分析及總結(jié)，進(jìn)一步優(yōu)化初步設(shè)定的相關(guān)參數(shù)，最大限度地減小盾構(gòu)施工對既有線的影響，保證穿越施工對既有線的影響在控制值內(nèi)。

2 盾構(gòu)穿越既有線試掘進(jìn)試驗(yàn)

2.1 工程概況

北京地鐵12號線工程西壩河站-三元橋站區(qū)間采用6.4 m外徑盾構(gòu)，以122°平面角度下穿既有10號線三元橋站-亮馬橋站區(qū)間。10號線區(qū)間采用6 m外徑盾構(gòu)，穿越處地面為首都機(jī)場高速公路。12號線與10號線左線區(qū)間最小垂直距離僅約2.18 m，在國內(nèi)近距離穿越工程中案例不多。區(qū)間主要穿越土層為粉細(xì)砂、粉土及粉質(zhì)黏土層，位于地下水(三)以下。作為“國門第一路”，首都機(jī)場高速公路具有極高的政治意義，在高速路下方穿越不僅要減少對既有線隧道沉降影響，更要確保首都機(jī)場高速公路安全正常平穩(wěn)運(yùn)營。周邊環(huán)境平面和剖面如圖1所示。

圖1 結(jié)構(gòu)周邊環(huán)境

2.2 試掘進(jìn)參數(shù)確定影響因素分析

2.2.1 主控因素

(1)掘進(jìn)速度:掘進(jìn)速度的快與慢均會(huì)對土體產(chǎn)生較大影響，進(jìn)而帶來附加地質(zhì)沉降。因此，在施工過程中通過盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩及出渣量的增減及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)速度，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析總結(jié)出影響最小的最佳掘進(jìn)速度。

(2)刀盤扭矩:盾構(gòu)機(jī)的推力、土壓和渣土改良(泡沫及膨潤土)是影響盾構(gòu)機(jī)刀盤扭矩的主要因素。因此，掘進(jìn)過程中采用合理的渣土改良參數(shù)并對土壓和推力合理控制是保證最佳掘進(jìn)速度的前提。

渣土改良的成效通過渣土和易性進(jìn)行判定。正常的和易性應(yīng)土水不分離、具有很好的流動(dòng)性，可使切削下來的渣土順利快速進(jìn)入土倉，并通過螺旋輸送機(jī)順利排土，同時(shí)降低渣土粘結(jié)在刀盤上從而結(jié)成泥餅的風(fēng)險(xiǎn)。

(3)刀盤轉(zhuǎn)速:根據(jù)掘進(jìn)速度、刀盤扭矩及出渣量等綜合考慮選擇最優(yōu)參數(shù)。

(4)推力:根據(jù)掘進(jìn)速度和刀盤扭矩設(shè)定。

(5)土壓:根據(jù)北京已建地鐵工程施工經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中土壓是非常重要的掘進(jìn)控制參數(shù)。建立合理的土壓平衡可對掌子面及拱頂沉降有很好的控制，開挖面處土體壓力可根據(jù)開挖面深度、地下水位高度及地層的土體特性等參數(shù)確定。為降低穿越過程中掌子面發(fā)生垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，在確定土倉壓力時(shí)還需重點(diǎn)考慮土體應(yīng)力重分布情況，對壓力值進(jìn)行0.2～0.3 bar的適當(dāng)擴(kuò)大。在試驗(yàn)段處地面應(yīng)設(shè)置沉降監(jiān)測點(diǎn)(其中部分沉降監(jiān)測點(diǎn)為深層測點(diǎn)，可更好模擬穿越過程中既有線處沉降變化)，掘進(jìn)時(shí)根據(jù)出渣量和沉降值調(diào)整土壓力，收集數(shù)據(jù)分析總結(jié)出最適合的土壓值。

(6)出渣量:根據(jù)地表沉降及掘進(jìn)狀態(tài)的變化情況分析總結(jié)最合適的出渣量，并推算出地層的松散系數(shù)，在后續(xù)掘進(jìn)中不斷完善試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.2.2 輔助因素

(1)同步注漿:主要是針對開挖空間與管片之間的間隙進(jìn)行的第一次填充，要求填充密實(shí)且凝固時(shí)間較快。在試驗(yàn)段施工過程中調(diào)配漿液比例，使砂和水泥占比達(dá)到最大化。

(2)徑向注漿:管片脫出盾尾后上部要立即進(jìn)行徑向注漿，及時(shí)調(diào)整漿液配比，使凝固時(shí)間在15 s以內(nèi)。試驗(yàn)段應(yīng)掌握漿液配比，熟悉打孔操作流程及防止?jié){液流竄到盾體，把控好注入壓力參數(shù)。

(3)施工監(jiān)測:利用監(jiān)測點(diǎn)沉降變化值總結(jié)注漿壓力大小，確保穿越過程中注漿壓力不會(huì)對既有線產(chǎn)生影響。

(4)管片拼裝:拼裝管片時(shí)司機(jī)應(yīng)時(shí)刻關(guān)注土倉壓力的變化，油缸按需求收回，拼裝完成一塊，頂緊之后再收下一塊拼裝管片的油缸(根據(jù)拼裝管片時(shí)土倉壓力的變化，可適當(dāng)調(diào)高推進(jìn)油缸低壓模式的油壓)。

(5)減阻措施:通過試驗(yàn)段提前做好高濃度的泥水材料和塑強(qiáng)調(diào)整劑(水玻璃)配比，調(diào)配出高黏度塑性的膠化體注入盾體徑向注入孔中，對盾體前行起到潤滑減阻并對盾體與土體間隙起到填充支護(hù)的作用(見表1)。

表1 試驗(yàn)段主控及輔助因素參數(shù)調(diào)整原則

3 試掘進(jìn)沉降分析及參數(shù)確定

3.1 試驗(yàn)段確定

3.1.1 試驗(yàn)段設(shè)置情況

為總結(jié)盾構(gòu)施工參數(shù)，降低盾構(gòu)施工對既有線的影響，在盾構(gòu)隧道穿越既有10號線前設(shè)置試驗(yàn)段，在試驗(yàn)段完成且滿足沉降要求條件下，進(jìn)行下穿施工。試驗(yàn)段長100 m，共分三個(gè)循環(huán)，管片環(huán)號為55～145環(huán)，地質(zhì)情況與下穿既有線處地質(zhì)情況基本相同。其中循環(huán)1:55～85環(huán)，以調(diào)整土壓為目的；循環(huán)2:85～115環(huán)，調(diào)整土壓及掘進(jìn)參數(shù)增加二次補(bǔ)漿量為目的；循環(huán)3:115～145環(huán)，增加減阻措施施工為目的。

3.1.2 試驗(yàn)段位置及監(jiān)測點(diǎn)布置

試驗(yàn)段位于首都機(jī)場高速公路東南側(cè)綠地內(nèi)，在正常布置基礎(chǔ)上增設(shè)加密點(diǎn)滿足試驗(yàn)段需求，具體見圖2。

圖2 試驗(yàn)段及監(jiān)測點(diǎn)布置

3.2 試驗(yàn)段沉降分析

12號線西壩河站-三元橋站地鐵區(qū)間盾構(gòu)機(jī)于2020年9月19日始發(fā)，10月29日完成55～145環(huán)試驗(yàn)段掘進(jìn)。

(1)試驗(yàn)段1掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定及沉降數(shù)據(jù)

循環(huán)1掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置為:土倉壓力1.0～1.3 Bar、總推力1 600～1 800 t、掘進(jìn)速度40～65 mm/min、松散系數(shù)1.2、刀盤扭矩3 000～5 000 kN·m、同步注漿量3.5 m3/環(huán)，渣土改良采用泡沫劑；循環(huán)1不采取減阻措施。

按照上述參數(shù)進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工，沉降監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)總結(jié)如下:監(jiān)測點(diǎn)DB-04-07沉降值為-11.06 mm，DB-04-09沉降值為-11.38 mm(見圖3)。

圖3 試驗(yàn)段1監(jiān)測點(diǎn)沉降曲線

通過對55～85環(huán)推進(jìn)過程沉降數(shù)據(jù)觀測，沉降值達(dá)到-11.06～-11.38 mm，數(shù)據(jù)較大。結(jié)合沉降時(shí)程曲線可發(fā)現(xiàn)，地表沉降監(jiān)測點(diǎn)在盾構(gòu)機(jī)通過后呈直線下降趨勢，故需對推進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

參數(shù)調(diào)整使用Midas/GTS進(jìn)行三維建模輔助分析。上邊界為地表，豎向取50 m，長取280 m，寬取220 m。地表取為自由邊界，其他三個(gè)面均約束其法向變形。共劃分38 116個(gè)單元，計(jì)16 626個(gè)節(jié)點(diǎn)，如圖4所示。計(jì)算中采用不同本構(gòu)模型模擬不同的材料，各層土體均采用莫爾-庫侖(M-C)模型，新建地鐵12號線隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)和既有地鐵10號線隧道區(qū)間結(jié)構(gòu)采用彈性模型。

圖4 計(jì)算模型

結(jié)合上文所述掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整原則，在掌子面處增加附加荷載模擬增加土倉壓力，同時(shí)調(diào)整應(yīng)力釋放系數(shù)模擬減阻措施，通過沉降曲線(見圖5)可發(fā)現(xiàn)，沉降變化由直線下降變?yōu)橄任⑿÷∑鸷笙陆?，地面沉降值也同時(shí)減小，據(jù)此對試驗(yàn)段后續(xù)階段掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

圖5 沉降曲線對比

(2)試驗(yàn)段2掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定及沉降數(shù)據(jù)

循環(huán)2掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置為:土倉壓力1.5～1.7 Bar、總推力1 500～1 700 t、掘進(jìn)速度30～50 mm/min、松散系數(shù)1.2、刀盤扭矩3 500～4 500 kN·m、同步注漿量3.75 m3/環(huán)，渣土改良采用泡沫劑；循環(huán)2仍不采取減阻措施。

按照上述參數(shù)進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工，沉降監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)總結(jié)如下:監(jiān)測點(diǎn)DB-02-06沉降值為-2.74 mm，DB-03-06沉降值為-3.29 mm(見圖6)。

圖6 試驗(yàn)段2監(jiān)測點(diǎn)沉降曲線

通過對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及時(shí)調(diào)整，盾構(gòu)機(jī)在85～115環(huán)掘進(jìn)過程中沉降數(shù)據(jù)得到大幅改觀，監(jiān)測點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)為-2.74～-3.29 mm，沉降相比循環(huán)1得到有效控制。

(3)試驗(yàn)段3掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定及沉降數(shù)據(jù)

循環(huán)3掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置為:土倉壓力1.6～1.7 Bar、總推力1 500～1 700 t、掘進(jìn)速度30～50 mm/min、松散系數(shù)1.2、刀盤扭矩3 500～4 500 kN·m、同步注漿量4 m3/環(huán)，渣土改良采用泡沫劑；減阻措施為0.4～0.6 m3/環(huán)。

在循環(huán)3中，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)基本沿用循環(huán)2的掘進(jìn)參數(shù)，同時(shí)增加了減阻措施。減阻措施采用惰性漿液，每環(huán)增加量約為0.4～0.6 m3。

按照上述參數(shù)進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)施工，沉降監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)總結(jié)如下:監(jiān)測點(diǎn)DB-04-11沉降值為-2.24 mm，DB-04-12沉降值為-2.52 mm(見圖7)。

圖7 試驗(yàn)段3監(jiān)測點(diǎn)沉降曲線

在延續(xù)循環(huán)2的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)前提下，適當(dāng)增加減阻措施可對沉降進(jìn)行進(jìn)一步控制。在盾構(gòu)機(jī)115～145環(huán)掘進(jìn)過程中，監(jiān)測點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)為-2.24～-2.52 mm，相比循環(huán)2進(jìn)一步降低，可滿足下穿既有線控制指標(biāo)要求。各循環(huán)推進(jìn)參數(shù)對比見表2。

表2 各循環(huán)推進(jìn)參數(shù)對比

3.3 掘進(jìn)參數(shù)確定

綜合以上分析，根據(jù)試驗(yàn)段對比各項(xiàng)推進(jìn)數(shù)據(jù)，確定盾構(gòu)下穿既有線參數(shù)如下:土倉壓力1.6～1.7 Bar、總推力 1 500～1 700 t、掘進(jìn)速度 40～60 mm/min、刀盤扭矩≤4 500 kN·m。12號線西壩河站-三元橋站區(qū)間盾構(gòu)機(jī)于2020年11月10日～2020年12月23日完成對既有10號線三元橋站-亮馬橋站區(qū)間穿越，在嚴(yán)格按照試驗(yàn)段確定的掘進(jìn)參數(shù)前提下，既有10號線區(qū)間在單線穿越完成后最大沉降值為-0.8 mm，雙線穿越完成后最大沉降值為-1.4 mm(見圖8)。穿越過程中沉降值滿足既有線控制要求且變形平緩，對既有線產(chǎn)生影響較小。

圖8 既有線沉降曲線

4 結(jié)論及建議

本文結(jié)合12號線下穿10號線區(qū)間工程試驗(yàn)段，確定了盾構(gòu)下穿施工過程中的盾構(gòu)推力、土壓、扭矩等參數(shù)的選取原則及調(diào)整方法。

(1)從試驗(yàn)段三個(gè)循環(huán)階段的盾構(gòu)機(jī)土壓、掘進(jìn)速度及沉降數(shù)據(jù)可以看出，土倉壓力與推進(jìn)速度是引起刀盤前方地層沉降變形的主要控制因素。試驗(yàn)段循環(huán)1中土倉壓力設(shè)置較小，刀盤前方地層沉降較大，隨著盾構(gòu)機(jī)通過導(dǎo)致沉降值進(jìn)一步累加，達(dá)到-11 mm左右。后續(xù)試驗(yàn)段將土倉壓力增大使地表有一微小隆起，隨著盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)通過土體應(yīng)力得到釋放，隆起值回落后地表開始緩慢沉降，注漿后趨于平衡。

(2)本區(qū)間試驗(yàn)段穿越范圍地層變化不大，掘進(jìn)過程中推力波動(dòng)變化不大。在渣土改良較好的情況下刀盤扭矩和總推力維持在穩(wěn)定的區(qū)間，從而獲得比較理想的推進(jìn)速度和出土量。經(jīng)試驗(yàn)在該土層掘進(jìn)過程中，推力維持在1 500～1 700 t、扭矩維持在3 500～4 500 kN·m、刀盤轉(zhuǎn)速0.9～1.1 r/min、速度30～50 mm/min比較合適。

(3)管片在脫離盾尾后，地層在1周之內(nèi)會(huì)發(fā)生明顯沉降，管片脫離盾尾時(shí)的同步注漿可有效控制地面下沉。因此，及時(shí)進(jìn)行同步注漿及二次補(bǔ)充注漿可對沉降起到良好的控制作用。

(4)各參數(shù)之間相互影響程度以及盾構(gòu)施工所引起的地表變形需進(jìn)一步深入研究。