MJS工法在砂卵石地層盾構近距離下穿運營地鐵隧道的應用

周 朋

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展， 在建及規(guī)劃軌道交通線路與既有運營線路不可避免會存在平面交叉，從而出現(xiàn)近距離穿越既有運營線路工程，如廣州珠江新城旅客自動輸送系統(tǒng)(APM線)下穿既有1號線區(qū)間[1]，北京地鐵 14號線下穿 15號線區(qū)間[2]，上海地鐵 M4線下穿M2線區(qū)間[3]，武漢地鐵3號線下穿既有2號線區(qū)間[4]等。目前很多學者對該類工程已有較為深入研究，雖然盾構穿越既有運營線路施工工藝逐漸成熟，但是在砂卵石復雜地層近距離穿越既有運營線路的相關案例仍比較少見。

1 工程概況

長沙地鐵4號線作為長沙主城區(qū)輻射西北、東南的骨干線路(見圖1)，4號線溁灣鎮(zhèn)站—湖南師大站區(qū)間與既有2號線溁灣鎮(zhèn)站—橘子洲站區(qū)間在溁灣鎮(zhèn)站附近相交，均采用盾構法施工，隧道外徑6.0 m，管片厚度300 mm，環(huán)寬1.5 m。4號線下穿既有2號線最小垂直凈距僅2.86 m，穿越段地層類型復雜且分布紊亂，卵石、圓礫地層局部夾有漂石、碎裂巖等，不論沿著4號線還是2號線地質(zhì)極不均勻，盾構姿態(tài)及地層沉降控制困難。下穿段距離盾構始發(fā)端頭最小水平凈距約27 m，下穿區(qū)域處于始發(fā)段，盾構掘進參數(shù)尚處于不穩(wěn)定階段，增大了穿越過程中的地層沉降控制難度。根據(jù)長沙1、2號線盾構區(qū)間既有施工經(jīng)驗，富水砂卵石地層盾構掘進過程中易超挖[5]，坍塌風險較大并且有一定的滯后性。盾構穿越過程中既有2號線若出現(xiàn)較大不均勻變形，會導致管片接縫張開量增大，甚至出現(xiàn)突水突泥風險?？紤]上述原因及運營線路的重要性，需采取必要措施把穿越風險限定在可控范圍之內(nèi)，確保既有2號線運營安全。

圖1 地鐵4號線與2號線平面及地質(zhì)剖面位置關系圖Fig.1 Relative position of plane and geologic section between metro line 4 and line 2

2 下穿保護方案比選

盾構隧道下穿既有運營區(qū)間，關鍵是控制既有區(qū)間隧道縱向不均勻沉降，可以考慮從洞外和洞內(nèi)采取措施對既有2號線進行加固。

2.1 超前管棚加固

超前管棚是廣泛應用于山嶺隧道不良地質(zhì)的地層加固措施，當隧道穿越洞口段、破碎帶、松散軟弱地層、涌水、涌沙等地段時，管棚及其超前注漿會對隧道的穩(wěn)定起到保護作用。管棚超前加固可以起到“扁擔梁”的作用，盾構施工過程中抑制既有隧道變形。從溁灣鎮(zhèn)車站實施管棚長度約72 m，超長管棚在砂卵石地層打設困難，精度難以控制，可以在既有2號線兩側設置臨時工作井減少管棚打設長度。

2.2 超前管幕加固

管幕直徑相對較大，一般Φ299～800不等，主要適用于長距離下穿既有鐵路線及既有軌道交通超前預支護工程。施工方法主要有跟管鉆進法、拉管法、水平定向螺旋頂進法、微型盾構法。管幕鋪設精度要求較高，管幕施工過程必須控制地層變形，一般先用無線導向儀進行導向孔施工，再采取擠擴拉管法進行管幕鋼管鋪設。

2.3 地面注漿加固

地面注漿加固是實施性相對較好的方案，下穿區(qū)域位于施工圍擋范圍內(nèi)，場地條件較好，可以通過打設豎向或斜向袖閥管對2號線預加固。

2.4 洞內(nèi)管片加固

該方案是考慮從2號線洞內(nèi)采用環(huán)形鋼板和縱向型鋼拉結的方式對既有2號線進行加固，提高穿越段管片整體剛度及抵抗不均勻變形能力。

2.5 MJS水平旋噴加固

MJS(metro jet system)工法即全方位高壓旋噴加固工法，與常規(guī)水平旋噴加固工法相比，最主要特點是采用獨特的多孔管和前端裝置[6]。前端裝置集成了高壓水切削裝置、強制排泥裝置、測壓傳感器、水泥漿噴射口等(見圖2)，施工過程中利用測壓傳感器實時監(jiān)測、反饋噴射點附近地層壓力變化，從而通過控制特有的排漿孔閥門的開啟大小及調(diào)節(jié)泥漿排出量達到控制土體內(nèi)壓力的目的，降低對既有建(構)筑物的影響。MJS工法采用專用排泥管進行排漿，輸送至地面排泥箱或泥漿池內(nèi)。該工法從日本引進，在國內(nèi)應用較少，主要在上海等軟土地區(qū)豎向加固方面有過工程應用[7-8]，水平加固實施案例較少。

圖2 MJS前端裝置及多孔管Fig.2 Front end and porous pipe of MJS

2.6 既有2號線保護方案優(yōu)缺點比選

上述加固方案對于4號線下穿既有2號線工程保護優(yōu)缺點如表1所示。

結合表1綜合考慮預加固效果、施工安全風險、實施難度及經(jīng)濟合理性，最終選用 MJS工法對 4號線下穿2號線區(qū)段地層進行預加固，并施作兩個臨時豎井作為 MJS工作井，豎井采用地連墻圍護+環(huán)框梁支護，盾構穿越面地連墻鋼筋改為玻璃纖維筋，MJS加固施工完成后豎井回填，盾構再穿越豎井及既有2號線。

表1 既有2號線保護方案比選Tab.1 Protection schemes for existing line 2

3 數(shù)值模擬分析

對4號線下穿既有2號線區(qū)間采用數(shù)值模擬進行分析，本次建模計算采用midas/GTS(NX版)巖土有限元分析軟件。結合該工程項目實際情況，并考慮邊界影響，模型尺寸取 60 m×90 m×50 m(X×Y×Z)，4號線與既有2號線區(qū)間斜交約65°。兩隧道均沿Y軸負向推進，先開挖左線隧道，后開挖右線隧道。地層及開挖土體均采用實體單元模擬，選用莫爾—庫倫本構模型；盾構隧道管片結構采用結構板單元，彈性本構模型。計算模型及計算參數(shù)如圖3、表2所示。

圖3 數(shù)值計算模型Fig.3 Profile of numerical computation

表2 數(shù)值計算參數(shù)Tab.2 Parameters for numerical computation

數(shù)值計算主要考慮兩種工況：下穿既有2號線不采取預加固措施和采取MJS工法預加固。通過模擬盾構施工分析在這兩種工況下既有 2號線隧道變形規(guī)律，盾構下穿過程中既有2號線變形曲線如圖4、圖5所示。

由上述計算可知，軌道交通4號線在掘進過程中，不采取預加固措施工況下，穿越過程中既有2號線最大豎向位移20.6 mm，采取MJS預加固措施工況下，穿越過程中既有2號線最大豎向位移11.5 mm。可見采用MJS加固后可有效控制既有隧道變形，最大變形量減少約44%。

圖4 既有2號線左線與右線軌道豎向位移過程曲線(不加固工況)Fig.4 Track deformation curve for existing line 2 (Unreinforced)

圖5 既有2號線左線與右線軌道豎向位移過程曲線(MJS加固工況)Fig.5 Track deformation curve for existing line 2 (MJS reinforcement)

4 MJS加固施工

MJS水平旋噴工藝在廣州地鐵下穿鐵路施工中有過成功應用，但在砂卵石地層尤其是近距離下穿既有運營地鐵區(qū)間在國內(nèi)還是首次采用。本次長沙地鐵4號線下穿既有線路工程地質(zhì)條件較廣州地鐵9號線穿越武廣、京廣鐵路路基工程更為復雜，穿越豎向凈距更小，施工風險更大。MJS水平樁成孔采用MJS-60VH鉆機，多孔管直徑142 mm，1.5 m分節(jié)，通過螺栓孔與前端裝置連接。由于所在地層為砂卵石地層，在開洞位置安裝防噴涌閥門及O型密封圈。

MJS成孔過程及噴漿過程中壓力較大，為了確保MJS水平旋噴樁施工中既有2號線運營安全，在2號線隧道內(nèi)左右線均安裝了自動化監(jiān)測系統(tǒng)，在MJS加固及后續(xù)盾構穿越過程中對既有2號線隧道及軌道變形進行實時監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結果及時優(yōu)化施工參數(shù)。

考慮到砂卵石地層成孔較為困難，盡量減少MJS成樁長度，左右線分別設置施工豎井。MJS加固水平長度42 m，由于成樁距離較長，為控制成樁精度，采用發(fā)光體測斜儀監(jiān)測成樁偏斜情況，精度控制在 1%以內(nèi)。成樁直徑不小于2 m，樁間搭接不小于40 cm，左右線分別設置13根樁，采用上下兩排拱形布置，MJS樁位布置如圖6所示。

圖6 MJS樁位布置示意圖Fig.6 Profile of the MJS pile layout

根據(jù)現(xiàn)場施工情況，MJS在卵石、圓礫地層成樁約7～10 d，一般成孔3 d，若出現(xiàn)鉆頭磨損或噴嘴填堵需對原孔填充回撥再重新成孔。MJS加固擺動設置角度160～180°，注漿壓力38 MPa，地內(nèi)壓控制0.15～0.3 MPa，注漿采用純水泥漿。MJS施工后對加固體強度和滲透性進行檢測，加固體芯樣28 d抗壓強度平均值為5～8 MPa，壓水試驗檢測滲透系數(shù)＜5×10-5cm/s (見圖7)。

圖7 加固取芯芯樣Fig.7 Core sample of reinforcement

長沙地鐵4號線左線MJS及右線MJS施工過程既有2號線區(qū)間變形如圖8、圖9所示(紅、藍線代表線路兩側的軌道)。

圖8 2號線軌道沉降曲線(左線MJS施工)Fig.8 Track deformation curve for line 2(MJS construction of left tunnel)

圖9 2號線軌道沉降曲線(右線MJS施工)Fig.9 Track deformation curve for line 2(MJS construction of right tunnel)

從上述圖表可知，左線MJS施工過程中既有2號線最大變形約6 mm，位于2號線左線與4號線左線交叉區(qū)域，2號線右線變形相對較小，最大約3 mm，局部出現(xiàn)隆起趨勢。右線MJS施工過程中既有2號線最大變形約7 mm，位于2號線左線與4號線右線交叉區(qū)域，2號線右線變形相對較小，最大約3 mm。

5 盾構下穿施工

4號線下穿既有2號線區(qū)域地質(zhì)條件復雜，穿越段地層主要有中粗砂、圓礫、卵石、碎裂巖及砂巖等。盾構穿越過程中主要控制措施如下：

1) 穿越前對既有 2號線區(qū)間隧道結構現(xiàn)狀進行詳盡調(diào)查，包括管片裂縫、破損、滲漏水、螺栓及軌道情況，并對區(qū)間相關管線設備進行維護保養(yǎng)，下穿前對影響范圍內(nèi)管片螺栓進行復緊；

2) 由于穿越段位于盾構始發(fā)段，應嚴格控制盾構掘進姿態(tài)及盾構掘進速度，確保盾構機勻速均衡地通過下穿段，根據(jù)下穿段地質(zhì)情況，建議掘進速度為30～50 mm/min；

3) 嚴格控制盾構出渣量，根據(jù)地質(zhì)實際情況，當黏粒含量少于30%時，每環(huán)出渣控制在50～55 m3，黏粒含量每增加20%，出渣體積上調(diào)不超過5 m3，最高不超過 65 m3，若出土量超限，則應適當加大土壓力及增加注漿量[9]；

4) 盾構施工過程中及時進行同步注漿，嚴格控制同步注漿量及注漿壓力，盡量填充地層，一般注漿壓力控制在1.1～1.2倍地層壓力[10]；

5) 穿越過程中實時監(jiān)測既有2號線變形情況，根據(jù)要求每10 min讀取一次數(shù)據(jù)，每0.5 h形成監(jiān)測數(shù)據(jù)表并反饋參建各方，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工參數(shù)并進行洞內(nèi)二次注漿[11]；

6) 盾構穿越后及時利用地質(zhì)雷達對下穿段進行掃描，探測隧道周邊是否存在空洞，并及時利用增設注漿管進行二次注漿控制工后沉降；

7) 建設單位牽頭成立穿越既有 2號線現(xiàn)場指揮小組，并協(xié)調(diào)運營公司對下穿段限速20 km/h運營，參建單位24 h現(xiàn)場值班，確保安全下穿。

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，4號線左線及右線盾構下穿過程中既有區(qū)間變形如圖10、圖11所示(紅、藍線代表線路兩側的軌道)。

由圖可知，左線下穿過程中既有2號線變形約2 mm，右線變形不到 1 mm。右線下穿地層主要有碎裂巖、圓礫、砂層等，由于右線條件更為復雜，前期MJS在碎裂巖中施工出現(xiàn)卡鉆、取鉆情況，局部影響到MJS加固效果，右線下穿過程中既有2號線最大變形約8 mm，位于2號線與4號線右線平面交叉范圍。

圖10 2號線軌道沉降曲線(左線盾構下穿施工)Fig.10 Track deformation curve for line 2(left tunnel construction)

圖11 2號線軌道沉降曲線(右線盾構下穿施工)Fig.11 Track deformation curve for line 2(right tunnel construction)

6 結語

1) 長沙軌道交通4號線下穿既有2號線地質(zhì)條件復雜，對多種預加固方案比選最終選用MJS工法進行加固，并通過數(shù)值模擬等手段對下穿2號線進行計算分析，采取MJS工法加固后既有2號線變形控制在11 mm左右(實際下穿過程中既有區(qū)間最大沉降約8 mm)，實踐證明MJS工法對于4號線下穿2號線的保護十分成功，在4號線上方形成“護拱”結構，確保了4號線后續(xù)施工過程中既有2號線的運營安全。

2) 穿越段主要為圓礫、卵石地層，局部有碎裂巖。從MJS成樁情況及加固效果來看，MJS對于長沙砂卵石地層(粒徑一般10～20 mm為主，最大約35 mm)是適用的；但是在碎裂巖地層卡鉆、鉆頭鉆桿磨損較為嚴重，雖然施工單位現(xiàn)場采取一系列措施對成孔工藝進行改良，但是施工工效較慢，因此MJS工法對于碎裂巖的適應性應進一步研究。

3) 現(xiàn)場實施及監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，MJS成孔過程中由于對地層有擾動，既有2號線略有沉降；MJS噴漿過程中由于壓力較大，既有2號線有1～2 mm的上隆，可以通過開啟排泥管控制既有隧道隆起量；成樁結束后由于水泥硬化收縮及工后沉降，既有2號線會有沉降的趨勢，一般情況下該沉降為3～5 mm。

4) 由于MJS加固體的保護，盾構施工對于既有2號線的影響一直在可控范圍之內(nèi)，盾構穿越過程中通過自動化監(jiān)測可實時了解既有隧道變形情況，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時優(yōu)化施工參數(shù)，減少了對既有線路的擾動。盾構穿越后通過地質(zhì)雷達探測管片壁后空洞情況，并利用管片多孔注漿填充地層，進一步控制工后沉降。