鄰近既有礦山法隧道的盾構(gòu)始發(fā)端頭加固技術(shù)

羅桂軍，劉 旭，肖 超，劉建民，李星霖，張 聰

(1.中建五局土木工程有限公司，湖南 長沙 410004；2.中南林業(yè)科技大學土木工程學院，湖南 長沙 410004)

近年來，隨著我國城市建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵建設(shè)也進入了蓬勃發(fā)展時期，盾構(gòu)法具有掘進速度快、對周圍環(huán)境擾動小等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于地鐵隧道建設(shè)中。盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是施工的難點之一。盾構(gòu)始發(fā)對地層擾動可能使其脫離始發(fā)基座，造成隧道塌陷和地表沉降等事故，所以必須采取可靠的措施對盾構(gòu)端頭進行加固。

近年來，國內(nèi)外學者們針對盾構(gòu)始發(fā)端頭加固開展了廣泛的研究，取得了豐富的研究成果。雷金山等人采用理論解析、數(shù)值模擬方法，推導出了盾構(gòu)端頭的合理加固范圍。石泉彬、陸東生等人采用凍結(jié)技術(shù)對盾構(gòu)始發(fā)端頭土體進行了加固，并且通過探孔實測凍結(jié)效果驗證了凍結(jié)方法的可行性。趙合全提出一種三軸攪拌樁、高壓旋噴樁及局部垂直凍結(jié)相結(jié)合的聯(lián)合加固方法，并系統(tǒng)介紹該方法加固參數(shù)的確定以及加固效果評價。以上學者們的研究成果主要集中在盾構(gòu)始發(fā)端頭加固范圍、加固方案方面，且取得了較為豐碩的研究成果。在實際施工過程中，后行線往往會臨近先行線，且后行線的施工極易對先行線造成影響，但目前針對鄰近既有礦山法隧道的盾構(gòu)始發(fā)端頭加固的相關(guān)研究則較少，仍有待進一步探討。

鑒于此，本文依托西安市軌道交通8 號線曲江池西-曲江池·寒窯區(qū)間工程，提出左線盾構(gòu)始發(fā)端頭洞內(nèi)超前注漿加固和左、右線之間設(shè)置隔離樁的施工方案，來降低左線盾構(gòu)始發(fā)造成的地表沉降以及對已建的右線礦山法隧道初支結(jié)構(gòu)變形的影響。

1 工程概況

西安地鐵8 號線曲江池西-曲江池·寒窯區(qū)間沿雁南四路向東，下穿曲江池至寒窯路，全長977.283m，左右線中心距離13.0～17.2m。其中，左線隧道采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間長度為978.361m，右線隧道里程YDK7+082.460～YDK7+141.440采用礦山法施工，其余段落均采用盾構(gòu)法施工，圖1 為曲江池西-曲江池·寒窯區(qū)間示意圖?，F(xiàn)場勘察顯示，施工地層由上到下依次為：素填土、雜填土、老黃土、古土壤，圖2 為隧道施工地層分布圖。

圖1 曲江池西-曲江池·寒窯區(qū)間示意圖

圖2 曲江池西站-曲江池·寒窯站地層分布圖

2 施工重難點分析

1）地質(zhì)因素 曲江池西站-曲江池·寒窯站區(qū)間穿越地層條件復雜，主要以雜填土、素填土、新黃土、古土壤、老黃土為主。根據(jù)文獻調(diào)研，在黃土地區(qū)修建隧道工程，特殊的黃土地層以及干旱、半干旱氣候地區(qū)特殊的地形地貌及地質(zhì)環(huán)境會對隧道結(jié)構(gòu)形成潛在的威脅。此外，由于黃土受水浸濕后，強度會隨之降低，表現(xiàn)出“濕陷性”特征。根據(jù)以往施工經(jīng)驗，當隧道穿越濕陷性黃土地層時，施工過程中極易出現(xiàn)因黃土浸水濕陷而導致的隧道塌陷、地表沉降過大等問題。因此，在該類地層采用盾構(gòu)法修建隧道時應(yīng)進行盾構(gòu)始發(fā)。

2）環(huán)境因素 根據(jù)設(shè)計方案，左線采用盾構(gòu)法施工，右線里程YDK7+082.460 至YDK7+141.440 采用礦山法施工，左、右線中心距離為13.0～17.2m。此外，右線礦山法段先于左線施工，故左線盾構(gòu)始發(fā)對鄰近的右線礦山法隧道可能會造成擾動。因此，需考慮左線盾構(gòu)進洞時對臨近右線既有的礦山法隧道的影響，采取措施降低盾構(gòu)始發(fā)時對右線的擾動，并需要在左線盾構(gòu)施工中實時監(jiān)測右線礦山法隧道初支結(jié)構(gòu)的變形。

3 盾構(gòu)始發(fā)端頭加固施工方案

西安市市軌道交通8 號線曲江池西-曲江池· 寒窯區(qū)間左線采用盾構(gòu)法，為避免施工中對已建的右線礦山法隧道初支結(jié)構(gòu)造成破壞，采取了左線盾構(gòu)始發(fā)端頭洞內(nèi)超前注漿加固和左、右之間設(shè)置隔離樁的綜合施工方案。

3.1 超前預(yù)注漿

根據(jù)曲江池西-曲江池·寒窯區(qū)間工程所處環(huán)境及地質(zhì)情況，確定洞內(nèi)超前注漿加固范圍：深度為結(jié)構(gòu)下方3m，寬度為結(jié)構(gòu)側(cè)邊3m，上部加固范圍為結(jié)構(gòu)上方3m，沿隧道方向縱向長度為8m，注漿加固范圍為開挖輪廓線外2.5m。為了便于過程控制及保證加固效果，漿液擴散半徑為1.2m，注漿壓力0.5～0.8MPa。為避免鉆孔過程地下水及地層介質(zhì)的大量流失，采用后退式分段注漿工藝，注漿孔徑?90mm，孔口安設(shè)100mm PVC 管并通過水囊式止?jié){塞進行孔口止?jié){、注漿作業(yè)。為了提高地層的整體抗變形能力，必要時在注漿結(jié)束后，可在注漿孔內(nèi)放入PE 管，達到支護和錨固作用，作為安全儲備，更好地控制既有線沉降變形。洞內(nèi)超前注漿具體設(shè)計如圖3、圖4 所示。

圖3 注漿孔位布置

圖4 洞內(nèi)超前注漿縱剖面圖

3.2 隔離樁

為避免左線盾構(gòu)掘進過程中對右線礦山法初支結(jié)構(gòu)造成破壞，設(shè)計在里程YDK7+082.460～YDK7+141.440 區(qū)間左線 盾構(gòu)段與右線礦山法段之間設(shè)置隔離樁。其中，隔離樁直徑為800mm，布置間距為1350mm，數(shù)量一共21 根，距離隧道結(jié)構(gòu)1.5m 布置，隔離樁施工時加大樁體跳做間隔，減少對土體的擾動。隔離樁深入盾構(gòu)隧道底以下6m，盾構(gòu)隧道頂以上7m，樁長19.2m，樁中心距離盾構(gòu)隧道凈距1.5m，鉆孔灌注樁范圍為左線區(qū)間隧道底以下6m，隧道頂以上7m，總長19.2m。隔離樁鋼筋保護層50mm，采用C30 混凝土。隔離樁布設(shè)如圖5 所示。

圖5 隔離樁布設(shè)圖

4 現(xiàn)場施工及效果評價

4.1 現(xiàn)場施工

4.1.1 超前預(yù)注漿施工

為保證左線盾構(gòu)進洞安全，需要在洞口段進行超前注漿加固以確保盾構(gòu)順利始發(fā)。洞內(nèi)超前注漿施工工藝流程如下，具體如圖6 所示。

圖6 洞內(nèi)超前注漿施工流程

1）鉆孔 鉆機采用HM90 型，根據(jù)設(shè)計圖在工作面上用油漆標定鉆孔位置，調(diào)整鉆桿，移動鉆機至鉆頭對準孔位處。

2）制備水泥漿液 注漿材料采用PC42.5R早強型復合硅酸鹽水泥，制漿機制備水灰比0.6～0.8 的均勻漿液，隨攪隨用，并在漿液初凝前使用完。

3）綁設(shè)注漿管 采用抗壓大于3MPa 的高壓纏絲橡膠壓漿管，壓漿接頭保持密閉，不漏漿、不泄?jié){，綁設(shè)牢固不脫落。

4）注漿 采用后退式分段注漿施工工藝，采用后退式分段注漿工藝，注漿孔徑90mm，孔口安設(shè)100mmPVC 管并通過水囊式止?jié){塞進行孔口止?jié){、注漿作業(yè)。采用壓漿泵壓漿，壓漿開始時用清水或稀漿走孔，結(jié)束時用濃漿封孔，灌漿壓力控制在0.2～0.5MPa 左右。當發(fā)生壓力急劇上升或壓漿管劇烈抖動時，壓漿立即停止，迅速打開回漿閥門，以免漏漿、爆管。

5）場地清理 封孔完成后進行場地清理，對殘留材料清除出場，場地平整、夯實。

4.1.2 隔離樁施工

為保證左線盾構(gòu)始發(fā)施工安全以及降低盾構(gòu)始發(fā)對鄰近右線礦山法隧道的擾動，施工中在左線盾構(gòu)始發(fā)區(qū)間與右線礦山法隧道之間設(shè)置隔離樁。隔離樁采用鉆孔灌注樁，布置范圍為左線區(qū)間隧道底部以下6m，隧道頂部以上7m，總長19.2m。隔離樁施工流程如圖7 所示。

圖7 隔離樁施工流程

1）定位、鉆孔 ①根據(jù)軸線及樁位布置情況，在場地內(nèi)建立測量控制網(wǎng)，然后依據(jù)控制網(wǎng)測放各樁位中心點，并設(shè)置護樁，護筒直徑應(yīng)比樁孔直徑大200mm，護筒埋設(shè)的傾斜度控制在1%以內(nèi)，護筒埋設(shè)偏差不超過30mm，護筒四周用黏土回填，分層夯實；②采用拌漿機在泥漿池拌制足夠的護壁泥漿，先在護筒內(nèi)注入泥漿，開始緩慢鉆進，要注意通過控制盤來監(jiān)控垂直度，根據(jù)不同地質(zhì)情況調(diào)整泥漿指標和旋挖速度，設(shè)計要求控制成孔深度。

2）鋼筋籠制作 鋼筋籠在鋼筋加工廠采用滾焊機集中加工，主筋采用幫條焊或同軸焊，部分位置主筋采用直螺紋機械連接，機械連接直徑28～32mm，擰緊力矩為320Nm。樁縱筋搭接采用焊接，搭接長度10d，定位加勁筋直徑20mm，間距2000mm，與縱筋全部焊接。

3）灌注混凝土 采用普通C35 水下商品混凝土，運輸罐車運輸，導管法灌注。水下灌注樁坍落度宜為180～220mm，開始灌注混凝土時，導管底部至孔底的距離宜為300～500mm；導管一次埋入混凝土灌注面以下不應(yīng)少于0.8m。

4）回填 混凝土灌注施工完畢后，選用碎石、卵石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂、中砂或石屑進行回填、平整場地。

4.2 施工效果評價

根據(jù)GB 50911-2013《城市軌道交通工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》及現(xiàn)場施工監(jiān)測方案，在盾構(gòu)始發(fā)端頭工作井和右線礦山法隧道布設(shè)監(jiān)測點，用于盾構(gòu)始發(fā)過程中監(jiān)測地表沉降量和右線礦山法隧道初支變形，現(xiàn)場施工監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖8 所示。

圖8 盾構(gòu)始發(fā)掘進10m后地表沉降量

現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果顯示，盾構(gòu)始發(fā)掘進10m 后最大沉降量為2.8mm，沉降速率為2.2mm/d，小于預(yù)警值2.8mm/d。同時，右線礦山法隧道初支結(jié)構(gòu)拱頂沉降量為2.5mm，且沉降速率小于施工控制值。本工程進行的盾構(gòu)始發(fā)施工過程總體安全，并且未遇到隧道塌陷、土體失穩(wěn)等問題，較好地避免了對右線礦山法隧道初支結(jié)構(gòu)的擾動，盾構(gòu)端頭加固效果良好。

5 結(jié)語

以西安地鐵8 號線曲江池西-曲江池·寒窯區(qū)間工程為背景，結(jié)合該工程的地質(zhì)情況以及左、右線的相對位置情況，提出了“洞內(nèi)超前注漿+隔離樁”的盾構(gòu)始發(fā)端頭施工方案，即通過對左線盾構(gòu)隧道進行端頭注漿加固和左、右線之間設(shè)置隔離樁。現(xiàn)場施工效果表明，洞內(nèi)超前注漿加固后端頭土體加固效果良好，盾構(gòu)始發(fā)后地表沉降量小于控制值。此外，在左、右線之間設(shè)置的隔離樁降低了對右線既有礦山法隧道初支結(jié)構(gòu)的影響，保證了左線盾構(gòu)的順利始發(fā)。隨著類似工程的增加，本文提出的“洞內(nèi)超前注漿+隔離樁”的盾構(gòu)始發(fā)端頭施工方案具有廣闊的應(yīng)用前景。