砂卵石地層新建隧道近距離上跨既有盾構隧道施工技術研究

王義春

(中鐵二十三局集團有限公司 四川成都 610072)

1 引言

隨著人們對城市公共交通需求日益增強，國內各大城市的地下軌道交通建設均在迅猛發展。隨著城市地鐵線路的增多，地鐵線路相互交錯的情況越來越普遍，經常面臨在已運營地鐵線路上方或者下方新建地鐵隧道。如何盡量降低新建隧道對既有線路的影響，保障既有線路的運營安全，是新型城市軌道交通建設中需要解決的一個施工技術難題。

國內外許多學者已經對臨近地鐵隧道的相互影響和施工控制技術展開了分析。劉建國等[1]以深圳地鐵5號線為工程依托，對新建盾構隧道上跨既有地鐵隧道進行了研究。張明書等[2]以重慶地鐵5號線為例，研究了區間隧道上跨高鐵隧道的施工技術。何鵬等[3]以沈陽地鐵10號線為工程依托，介紹了既有隧道的預加固處理、刀盤和刀具改造、盾構掘進姿態控制和參數預設等施工技術。申文明等[4]基于三維數值分析模型，提出了上跨既有地鐵隧道的工程控制措施。華珊珊[5]通過多種研究方法，分析了新建盾構隧道上跨或下穿施工既有盾構隧道時，既有隧道的力學特征。江華等[6]采用數值分析和現場監測的研究方法，分析了上跨施工對既有隧道的變形影響。萬飛等[7]采用三維計算模型，分析不同施工方法對既有隧道的安全影響。劉明高[8]根據外部控制因素、工程地質及既有隧道支護結構等限制條件，對比三種不同上跨方案，提出明挖法更合理。徐福田[9]以北京地鐵17號線東大橋站下穿6號線區間隧道為工程依托，論證了近距離側穿既有線路的施工方法，為類似工程提供施工經驗。王聯平[10]以新建深圳地鐵7號線為例，介紹了暗挖隧道下穿既有地鐵施工技術。

然而，目前的研究成果很少涉及砂卵石地層條件下超近距離上跨既有隧道，未對類似地層條件下的施工控制技術展開系統的分析。本文以北京新建新機場線新發地站～草橋站區間(以下簡稱“新草區間”)近距離上跨北京地鐵10號線草橋站～紀家廟盾構區間(以下簡稱“草紀區間”)隧道為工程依托，對管幕法[11-15]施工技術進行研究，為后期類似工程提供施工技術參考。

2 工程概況及重難點分析

2.1 工程簡介

北京新建新機場線新草區間位于馬草河東側、鎮國寺北街南側地塊內，線路全長264.351 m，標段起點設盾構接收井，順接盾構區間。區間隧道上跨既有地鐵10號線草紀盾構區間、下穿鎮國寺北街到達草橋站，如圖1所示。

圖1 新草區間線路平面圖

暗挖區間隧道首先利用南側豎井進行底部管幕施工，待管幕施工完成后，利用南側豎井由南向北進行暗洞施工，同時進行北側豎井施工及利用北側豎井由北向南進行暗洞施工。

既有區間隧道覆土厚度13～14 m，隧道結構為外徑6 m的圓形管片，管片厚300 mm。為降低新建地鐵隧道對已運營線路的影響，下穿鎮國寺北街且上跨草紀盾構區間段采取管幕暗挖法施工。管幕法斷面尺寸13.4 m×9.8 m，覆土高度3.94 m，距下臥隧道最小距離僅為733 mm。

新草區間施工對10號線區間上方土體卸載后回彈變形帶來風險，對區間上方鎮國寺北街沉降也會帶來影響；同時，管幕距既有盾構區間隧道間距過小，施工時對位移變形控制要求極高，因而需要提高管幕精度控制要求。

2.2 施工重難點

(1)由于新建地鐵區與既有線路最小間距僅為733 mm，且所處地層為砂卵石地層，如何保證管幕施工精確，防止破壞既有10號線結構及管線。

(2)地鐵10號線為正在運營線路，管幕法施工過程中土方開挖造成上跨區段土體卸荷，引起10號線上跨區段上浮，如何將既有隧道變形值控制在允許值之內。

(3)鎮國寺北街為雙向四車道城市道路，管幕法施工過程中土方開挖會造成道路沉降，如何將沉降控制在允許值之內。

3 暗挖區間施工技術

3.1 上導洞施工

(1)馬頭門破除

暗挖區間施工前，需要破除豎井井壁及鋼格柵支護，易導致該處土體失穩，故在豎井初期支護施工至馬頭門處時，應對馬頭門處提前進行加固處理，豎井初支提前沿馬頭門拱部外輪廓線插打設2 m長超前小導管并注漿加固地層。

馬頭門開洞兩側的豎井格柵應加密縱向連接筋布置，采用22@300縱向連接筋格柵內外雙排設置。下導洞破馬頭門施工前，在區間斷面側墻部位設置加強柱，加強柱通過設置預埋鋼筋與豎井側墻格柵、底板格柵及樁頂冠梁進行有效連接。馬頭門破除完后立即用格柵封閉周邊，并與豎井格柵焊接成整體，并連立三榀通道格柵鋼架，施作初支。通道第一榀格柵與被割斷的豎井格柵及豎向連接筋焊接成一體共同受力。

(2)上導洞開挖

小導洞雖為臨時支護結構，但在該階段應努力控制工程施工對地層的擾動，以便為下階段的作業創造條件，尤其需要采取適當措施，減小群洞效應。

暗挖區間上層導洞拱部主要位于粉土層和粉細砂層，導洞開挖前對拱部進行深孔注漿預加固，注漿孔直徑為φ50，孔間距0.5 m×0.5 m，注漿孔水平鉆設，漿液擴散半徑取0.3 m。

各導洞均采取對向施工，先施工1號邊導洞，待1號邊導洞進洞8～10 m后，施工4號邊導洞，待1、4號邊導洞貫通并施工完成洞樁、冠梁及初支間回填后進行2號中導洞施工，待2中導洞進洞2～3 m后進行3號中導洞施工。開挖步序見圖2。

圖2 上導洞開挖步序

上層小導洞均采用預留核心土臺階法施工，每循環進尺0.5 m，待上臺階進洞3 m后，進行下臺階的開挖及支護，使初支護結構盡快封閉。

1、4號導洞貫通后，施作導洞內洞樁，洞樁φ1 000 mm，間距1 800 mm，挖孔樁縱向有三種樁型分布，分別為Z1、Z2、Z3，樁長分別為13.3 m、9.3 m、4.9 m，洞樁布置見圖3。

洞樁施作完后，邊導洞樁頂部設置冠梁，冠梁截面尺寸為1 200 mm(寬)×1 685 mm(高)，將所有的圍護樁連接起來成為一個整體作為二襯扣拱支撐梁。隨后進行上層導洞內二襯施工，二襯采取跳段施工，分段長度4～6 m。

圖3 導洞洞內樁

2、3號導洞貫通后，在導洞內每4～6 m分段、跳段拆除1、4號導洞邊墻，鋪設防水層，進行二襯扣拱施工，為確保施工安全，保留2、3號導洞間型鋼支撐。

上導洞施工完成后如圖4所示。

圖4 上導洞施工完成后

3.2 管幕施工

為減小暗洞開挖對既有10號線的影響，在南側豎井內于暗洞底部單向打設超前管幕，主動控制既有盾構變形。管幕采用D402(壁厚t＝16 mm)無縫鋼管，水平間距450 mm，單根長38.5 m，管內填充水泥砂漿，用于提高鋼管整體的剛度及整體性。管幕布置如圖5所示。

圖5 管幕布置

根據目前19號線平安里站管幕施工經驗，在粉質黏土及粉細砂地層中19 m長管幕施工精度控制在5 cm以內，本工程38.5 m長管幕施工可以控制在10 cm以內。為檢驗新設備的現場實際操作性能及工人操作控制水平，在左側原位進行現場試驗，過程嚴格控制頂進速度，使頂進速度與出土相協調，以減少頂力，頂進過程及時糾偏，保證管幕施工精度。現場施工效果如圖6所示。

圖6 管幕現場施工效果

3.3 下導洞施工

上層導洞二襯扣拱及底部管幕施工完成后，拆除導洞底板，進行下導洞施工。下導洞開挖高度約4.5 m，既有上方土體按臺階法單向開挖，并隨做錨索及吊腳樁范圍水平鋼支撐，下臺階施工至錨索停止向前開挖，待錨索張拉符合設計要求后方可繼續向前開挖。

如圖7所示，既有線區間兩側共設置8道錨索，每道錨索橫向設置3根，單根錨索長17 m(錨固段10 m，自由段7 m)，主動控制既有線隆起。根據地勘資料揭示，本工程錨索施工所處地層主要為卵石圓礫層，同時考慮鉆孔及注漿對10號線影響，錨索施工擬采用“氣動潛孔跟管干法鉆進成孔，一次常壓注漿”工藝。

圖7 預應力錨索施工

下層導洞開挖完成后，縱向分段，豎向分層進行底板及側墻施工，縱向分段同下導洞開挖部序，豎向分層為底板及側墻兩部分，按照平面部序分段拆除底層鋼支撐，施工墊層、防水及底板至腋角以上30 cm，待底板達到強度后拆除第一道鋼支撐，進行剩余側墻結構施工，施工完成后如圖8所示。

圖8 整體結構斷面圖

3.4 監控量測數據分析

為了有效控制新建隧道對既有建筑物的影響，對地表沉降、地下水位、管線變形、初支拱頂沉降、初支側壁收斂等進行監測，既有隧道監測見圖9。

圖9 既有隧道監測示意

通過現場監控量測數據表明，鎮國寺北街地表下沉最大值為18 mm，既有線上浮最大值為1.27 mm，均滿足控制要求。

4 總結

復雜城市環境條件下，上跨、下穿既有地鐵線路，是城市軌道交通建設的一個施工難題。本文以北京地鐵新機場線新發地站～草橋站區間隧道為工程依托，介紹了新建地鐵隧道近距離上跨北京地鐵10號線草橋站～紀家廟盾構區間隧道和下穿鎮國寺北街的施工情況，為砂卵石地層重疊隧道施工提供了有益的工程經驗。本文主要結論如下：

(1)豎井結構施工時，提前對馬頭門位置處結構和土體進行預加固處理，避免暗挖區間施工導致該處土體失穩。

(2)暗挖區間上導洞施工分為4個小導洞施工，需要采取適當支護措施，減小群洞效應。上導洞除拱部采用預注漿加固外，在洞內施作洞樁，并通過冠梁將洞樁連接，為二襯扣拱提供支撐。

(3)在豎井內暗挖區間隧道底部施作大管幕，下導洞開挖時提前施作預應力錨索，與管幕共同發揮作用，有效控制了既有隧道變形。

(4)監測數據表明，鎮國寺北街地表下沉最大值為18 mm，既有線上浮最大值為1.27 mm，均滿足控制要求。