富水圓礫地層條件下盾構小凈距立體下穿既有地鐵線路施工技術

賀望宇

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司, 北京100018)

1 工程概況及地質情況

昆明軌道交通5號線昆明北站站-圓通公園站區間重疊始發至北站隧道段左線(下洞)隧頂埋深為27.8m～28.8m；右線19.8～20.8m。5號線隧道主要位于圓礫層中，重疊隧道之間夾層為粉質黏土，2號線與5號線之間主要為黏土層，4號線和5號線隧道主要穿越的地層主要為圓礫土層，含水層為圓礫層，粘性土層均為微透水層-弱透水層。地面存在鐵路博物館和北站隧道等重要建(構)筑物。其中5號線重疊隧道豎向凈距最小僅1.8m，距離云南省鐵路博物館筏板樁基礎最小豎向凈距為5.46m，距離2號線隧底最小豎向凈距為2.36m， 4號線與5號線兩線最小水平凈距為12.2m。距離火車北站隧道路肩支護樁基最小水平凈距為1.3m，各線路位置關系見圖1，周邊環境效果圖見圖2。

圖1 昆明軌道交通5號線及緊鄰線路位置關系

圖2 昆明軌道交通5號線周邊環境效果

2 工程重難點

區間始發即連續下穿重要建(構)筑物，周邊環境十分復雜，且試驗段較短，盾構施工參數選擇和沉降控制是本工程的難點。

重疊始發且重疊距離較長，最小凈間距小于1倍洞徑，上洞施工時如何確保下洞成型隧道質量是本工程的難點。

盾構隧道施工完成后，如何確保既有線路的后期運營安全是本工程的重難點。

3 GTS數值模擬分析

昆明軌道交通2、4、5號線交疊段采用GTS對本工程進行模擬分析，根據既有2、4、5號線空間相對關系，根據地質勘察并假定地層在水平方向上均勻分布建立三維有限元模型(圖3)。土體采用實體單元模擬，Mohr-Coulomb準則計算。既有4、5號線與既有2號線盾構隧道管片均采用板單元進行模擬，模擬左右兩側及前后側均對法向位移進行約束，對底面的X、Y、Z方向的位移進行約束，剖分圖見圖4。

圖3 GTS數值模型

圖4 各地鐵線剖分圖

Mohr-Coulomb屈服準則表達式為：

τn=σntgν+c

以不變量表示屈服條件為：

I1為應力張量的第一不變量：

I1=σ1+σ2+σ3

J2為應力偏張量的第二不變量：

理論分析與實際經驗表明，土體彈塑性破壞準則Mohr-Coulomb屈服準則能較為真實的體現土體的性質，計算結果也較為貼近工程實際，參數選取見表1。

表1 數值模擬參數取值

4 盾構選型及掘進參數

4.1 盾構機選型

通過地質勘察并對比二次補勘分析，圓礫層滲透系數較大，透水性極強。如采用土壓平衡盾構機進行隧道掘進，螺旋機極易發生噴涌，土壓力波動大，出現超挖，導致地表和建(構)筑物沉降。區間隧道自始發至160余米多為全斷面圓礫層，后段又多以粘性土層為主，粘性土層如采用泥水盾構機掘進工效較低，且容易造成泥漿堵管停機。因此使用了土壓/泥水雙模式盾構機，見圖5。

圖5 土壓/泥水雙模式盾構機示意

4.2 通過試驗段探索盾構掘進參數

倉壓：為確保始發洞門止水裝置的穩定性，上部土艙壓力易控制在0.80～1.20bar進行盾構掘進。在封堵洞門完成后，為確定倉壓具體數值，在掘進完成4環后，進行長達1.5h的停機，觀察倉壓變化，發現倉壓在上升到2.1bar后不再上升，判定地下水壓為2.1bar，初步設定倉壓為2.1bar進行推進，同時加密監測頻率，發現地表和鐵路博物館沉降很小，最大速率僅為-0.3mm。因此下穿過程中采用在掘進時倉壓為2.0bar，臨時停機期間為2.2bar。進排漿流量為580～650m3/h。在刀盤即將到達2號線時提前五環對2號線進行加密監測，并時刻關注2號線隧道情況，直至刀盤開始進入2號線隧道，發現2號線隧道、道床及軌道變化很小，繼續保持原有倉壓進行下穿。

刀盤轉速：因隧道范圍內含有約1/5的粉質黏土，易發生采石箱堵塞，適當提高刀盤轉速以減少黏土結塊，堵塞采石箱。刀盤轉速易設定為1.5～1.8rpm/min。

同步注漿：同步注漿采用單液硬性漿液，漿液具有凝結時間較短、凝固快、強度尤其是早期強度較高，初凝時間為3h，1d固結強度不小于0.2MPa，28d不小于2.0MPa。依據盾構機機型，經計算開挖理論注漿量為3.34m3，同步漿液量提高控制在6m3注入，根據監測給出的沉降數據結合地勘報告對同步注漿的方量及質量實時進行調整，揭示效果較好。

泥漿指標：當洞門封堵完成，盾構機能正常建立土倉壓力后，泥水參數相對穩定。由于地層含有部分黏土層，在掘進過程中泥漿比重會有增大現象出現，需要技術人員及時進行比重檢測、調整漿液質量。泥漿比重1.15～1.18g/cm3，黏土24～26s。

最終獲取的始發段及下穿段盾構掘進參數見表2、表3。

表2 始發段掘進參數

5 隧道補強措施

5.1 重疊隧道洞內支撐加固

由于左線隧道距離右線隧道間距僅1.8m，在右線隧道掘進之前，需要在左線內設置臨時支撐臺車(圖6)對其進行臨時支撐加固，以確保在右線掘進過程中，左線隧道結構受力安全，臨時支撐臺車長度采用與右線隧道盾構掘進同步移動，從而確保左線隧道施工安全，臺車加工長度為12.5m，與右線盾構機保持移動一致。從區間重疊段均采用臺車支撐架進行對左線保護。

表3 下穿段掘進參數設定

圖6 隧道支撐臺車示意

5.2 隧道壁后二次補強加固

下洞盾構下穿結束后，對成型隧道壁外范圍3m擾動土體進行全環洞內注漿加固(圖7)，主要利用現有混凝土管片的16個徑向注漿孔，插入直徑32mm、3.55m長的鋼花管對管片壁后土體進行徑向注漿加固，加固范圍為隧道全環，形成加固體厚度為3m。

圖7 鋼花管注漿加固示意

注漿漿液類型采用單液漿，水灰比取0.8～1.0，注漿壓力控制在0.2～0.4MPa。上洞采用長度1.5m的鋼花管進行加固施工。注漿壓力控制在0.2～0.3MPa。

6 信息化監控量測

監測分為地表、鐵路博物館、北站隧道等建(構)筑物及軌道交通2號線、4號線隧道內的監測施工。2號線、4號線施工影響區段的地表監測點每5m布設1個中線測點，每10m布設1排(5個點)監測斷面點，2、4號線隧道內部布設拱底沉降、凈空收斂、管片結構水平位移監測點，一組布設5個點，5號線隧道軸線和2號線隧道交叉點布一個斷面，兩側5m一個斷面各布設兩個斷面，外側10m一個斷面，布設8個斷面。左、右線分別13個斷面，自動化監測共26個斷面。并于2、4號線在下穿前建立監測聯動機制，明確監測項目及控制值標準，并建立微信群，每天監測數據共享，進行對比分析，有效的指導盾構施工，監測曲線見圖8～圖10。

圖8 隧道結構沉降曲線(4號線)

圖9 管片徑向收斂折線示意(2號線)

圖10 隧道管片豎向位移折線示意(2號線)

7 結論

(1) 通過盾構下穿過程的監控量測實際數據分析，與模擬推算數值相比較，既有線和建(構)筑物沉降值減小近1/3，證明盾構機選型和該掘進參數是完全滿足該復雜線路和不良地質地層施工要求的。不但對建(構)筑物起到了保護作用，也起到了指導盾構施工的作用。

(2) 小凈距重疊隧道洞內支撐臺車及管片壁后二次補強加固的方法，能夠有效的保障下洞成型隧道質量和既有線路的運營安全，證明該施工方法是具有可操作和實施性。

(3) 施工過程中方案的正確比選、盾構的明確選型、施工過程的嚴密監控、企業人員制度的精細化管理及現場的總體應急處置均是盾構成功穿越的關鍵。