砂卵石地層地鐵近接下穿既有盾構區間施工控制技術

周慶國

(中國鐵建昆侖投資集團有限公司, 成都 610000)

城市軌道交通迅猛發展,地下空間隧道交錯縱橫,地鐵的近接下穿時有存在,有下穿既有地鐵車站、下穿飛機場和火車站以及下穿群樁基等[1-6]；針對不同下穿工程的研究已取得諸多成果,其中研究廣泛的有下穿既有隧道和下穿管線工程[7-11]。針對下穿既有隧道研究,金大龍[13]分析了盾構隧道群下穿既有隧道的變形機理,提出了一套信息化施工綜合控制理念。熊志浩等[14]利用FLAC3D有限差分法分析了盾構隧道對上部既有綜合管廊單洞隧道變形的影響特點。不同地層條件下,盾構施工對既有隧道的影響是不同的。萬俊峰[15]通過分析盾構隧道在富水粉細砂層施工過程中不均勻沉降導致的土體變形施工風險,從施工工藝及設備選擇方面進行了優化。也有眾多學者[16-20]采用理論推導、數值模擬和現場監測相結合手段,設計下穿角度、凈空距離、推進距離和多隧道施工等不同因素,對下穿隧道對鄰近既有隧道的誘導效應展開了研究,這些案例研究的結果表明,預測值與觀測值符合得很好。

同時,基于下穿既有隧道研究,眾多學者結合實際工程案例對工程加固技術方案展開研究。周朋[21]、鐘可等[22]依托長沙軌道交通4號線,對砂卵石復雜地層下穿既有2號區間的加固保護措施進行了研究,認為在富水砂卵石地層中盾構近接下穿既有隧道時,采用MJS工法加固措施是必要且可行的。

綜上可知,地鐵雙洞近距離下穿的施工存在施工風險,同時也危及周邊重要建筑物,以成都5號線近接下穿既有3號線為工程背景,提出適應于成都砂卵石地層的預埋注漿加固保護方案,且通過數值模擬研究了不同注漿加固范圍的保護效果、注漿過程對隧道結構影響以及針對下穿過程相關規律性進行討論,驗證預埋注漿加固保護方案在雙洞近距離下穿工程中的適應性,具有工程參考價值?；谟懻摻Y果和現場監測分析,提出二次襯砌工序優化、深孔注漿加固補救措施以及節點位置格柵密排措施,可為類似工程施工提供參考依據。

1 依托工程概況

如圖1所示，省骨科醫院—高升橋區間為成都地鐵5號線的一段地下區間,區間起于省骨科醫院站,穿越既有3號線區間后進入高升橋站。成都5號線暗挖區間和3號線位置關系如圖2所示。

圖1 暗挖區間工程概況Fig.1 General situation of concealed excavation section project

圖2 暗挖區間位置關系Fig.2 Location relation of concealed excavation section

1.1 場地周邊環境

場地內,5號線距離既有3號線盾構區間最近水平距離僅為1.109 m,距離高升橋地鐵車站為29.839 m,該盾構區間和高升橋車站均已施工完成。如圖3所示。5號線暗挖區間及3號線鄰近建筑主要為西藏農行駐成都辦事處大樓。

圖3 場地周邊環境Fig.3 Surrounding environment of the siteto gaoshengqiao

1.2 工程地質條件

依托工程暗挖區間屬岷江水系一級階地,場區內地形平坦、地勢開闊。暗挖區間場地卵石土層厚度大,暗挖區間地質條件,如圖4所示,各亞層巖性特點如表1所示。

表1 卵石地層亞層分級Table 1 Sub layer classification of pebble stratum

圖4 暗挖區間地質條件Fig.4 Geological conditions of underground excavation section

1.3 下穿隧道施工

成都地鐵5號線下穿3號線處節點工程施工時,5號線隧道采用圓形斷面,區間開挖采用臺階法施工,共分4個小導洞開挖, 每個導洞分上下臺階進行開挖,開挖時對開挖斷面進行外放50 mm。每個臺階為 3 m,相鄰導洞錯開5～7 m,臺階的坡度為1∶0.75,每個臺階開挖完成后及時噴射混凝土進行初支和臨時支撐架設。

2 預埋注漿加固設計方案

為保證后期5號線在修建工程中在該位置下穿3號線時的施工安全,地鐵3號線初步設計階段考慮在3號線與5號線交叉點進行地層加固,地層加固方案采用洞內預埋注漿管進行地層注漿加固處理,將注漿管預留至軌道結構之上,后期5號線施工過程中,3號線仍具備洞內注漿加固條件。根據工程設計圖要求,在3、5號線節點位置采用洞內深孔注漿的方式進行加固處理,且管片下部錨桿應引出至軌道道床以上,為后期5號線通過時注漿預留條件。盾構隧道3、5號線節點洞內注漿孔布置如圖5所示。

圖5 洞內注漿孔布置示意圖Fig.5 Layout of grouting holes in the tunnel

考慮5號線區間正洞開挖前需從3號線注漿,確保開挖期間對3號線影響降到最低。注漿范圍為3號線節點處向大里程和小里程分別引10 m的范圍內,如圖6所示。具體施工流程如圖7所示。經現場試驗,部分注漿加固照片如圖8所示。

圖6 注漿范圍平面圖Fig.6 Plan view of grouting range

圖7 注漿工藝流程圖Fig.7 Flow chart of grouting process

圖8 部分注漿加固照片Fig.8 Photos of partial grouting reinforcement

3 地鐵近接下穿加固模擬分析

3.1 計算模型建立

依托成都地鐵5號線施工方案和設計資料,基于圣維南原理,充分考慮邊界效應的影響,計算模型范圍(XY方向)依據交叉加固區域范圍的4倍寬度,計算范圍下邊界(Z方向)取3倍隧道埋深深度。三維模型采用計算軟件建立,如圖9所示；模型基本尺寸為226 m(X方向)×254 m(Y方向)×80 m(Z方向)。模型主體包括:既有3號線盾構區間、高升橋地鐵車站、西藏農行駐成都辦事處大樓及1號風亭。

圖9 數值模擬模型Fig.9 Numerical simulation model

其中,地面建筑物及車站采用線彈性模型,地層土體采用摩爾-庫倫本構模型,根據高升橋車站詳細勘察階段巖土工程勘察設計參數建議值,計算模型結構體系和地層土體物理力學參數選取如表2、表3所示。

表2 結構體系物理力學參數Table 2 Physical and mechanical parameters of structure system

表3 土層物理力學參數Table 3 Physical and mechanical parameters of soil layer

3.2 地鐵近接下穿計算分析

3.2.1 注漿加固范圍比選分析

基于成都5號線近距離下穿3號線,為控制既有3號線的安全性,采用預埋鋼花管注漿加固設計方案?？紤]原設計的合理性,設計注漿加固范圍對比工況:無加固、加固5、10、15、20 m的情況,經過計算得到的隧道豎向位移結果如圖10所示。可知,5種工況下,既有和新建的地鐵隧道變形均是向洞內擠壓變形,在兩線交叉區域盾構區間均出現位移局部增大,既有3號線變形量較新開挖隧道的小,最大豎向位移變形發生在底部新建下穿隧道。

圖10 加固范圍比選分析Fig.10 Comparison and analysis of reinforcement range

為比較5種情況的差異性,分別提取3號線、5號線和西藏農行豎向位移最大值，如圖11所示,得到隨著三號線注漿加固范圍擴大,其隧道結構沉降變形呈線性減小,若實際沉降變形較大,可適當增加3號線的注漿范圍；在加固10 m范圍處出現折點,沉降變形減小變緩,故依托設計工程設計具有一定合理性,過分加固范圍將導致經濟效益顯著降低。若以沉降0.8為界限繪制變化梯度較大范圍,則5號線穿過3號線所產生的影響區域范圍(圖12),在加固范圍大于5 m后,既有隧道結構沉降變形范圍縮小,可見注漿加固的土體與原有的隧道襯砌形成更大厚度支護體系,使得擠壓力所產生的的變形顯著降低。綜上,工程設計加固10 m范圍,3號線沉降變形1 mm,滿足設計要求。

圖11 各工況豎向沉降對比Fig.11 Comparison of vertical settlement under different working conditions

圖12 3號線沉降范圍對比Fig.12 Comparison of settlement range of line 3

3.2.2 注漿加固過程分析

以原設計3號線預埋注漿加固10 m范圍進行研究,經計算得到交叉中間斷面變形規律曲線，如圖13所示。由圖13可知，加固過程漿液壓力將導致既有隧道結構產生變形,既有隧道結構注漿加固后豎向產生沉降,水平方向向隧道中間靠攏,最終均趨于穩定,變形量較小。

圖13 注漿加固分析Fig.13 Analysis of grouting reinforcement

3.2.3 地鐵近接下穿規律分析

依托工程,5號線左右線并行施工,右線先行左線掘進25 m,施工過程如圖14所示。通過掘進產生的規律分析對既有工程提供相應控制安全變形施工建議。

圖14 部分施工模擬工序Fig.14 Simulation process of partial construction

(1)周邊地面沉降分析。以豎向變形向下為表征,繪制地表沉降區域直觀揭示隧道下穿施工對地表的影響,取沉降值大于0區域范圍,繪制沉降槽如圖15所示。由圖15可知，隨地鐵近接下穿施工進行,地表沉降槽形式先以寬度擴展為主,當掘進一定長度后,以縱向擴展為主。

圖15 地表沉降計算結果Fig.15 Calculation results of surface settlement

(2)3號線結構變形分析?；谑」强漆t院—高升橋區間下穿工程監控量測項目,選取模型測點測線,如圖16所示,由3號線結構變形時程曲線可知,5號線穿過3號線測點投影位置時,結構變形先是緩慢沉降變形,穿過測點投影位置后出現變形突增,最后再趨于收斂；故在3號線變形異常之前是具有一定的反應時間。計算結果發現5號線穿過3號線產生的水平方向變形極小,主要影響是豎向上的結構安全。同時,由測線直觀發現,地鐵近接下穿時,既有隧道將會產生明顯局部沉降凹槽。

GD表示拱頂；SP表示水平收斂；CX表示測線；Y表示右線；Z表示左線圖16 3號線結構變形時程曲線Fig.16 Time history curve of structural deformation of line 3

(3)5號線結構變形分析。省骨科醫院～高升橋區間下穿工程亦需監測5號線結構變形,選取測點如圖17所示,可知右線先行開挖將導致左線未開挖土沉降變形提前,左線掌子面前方土體受到預擾動,增加施工風險。另外,相比既有隧道沉降變形,5號線結構變形預變形階段短,突降區的反應時間短,風險高。

注：GD表示拱頂；SP表示水平收斂；CX表示測線；Y表示右線；Z表示左線圖17 5號線結構變形分析Fig.17 Time history curve of structural deformation of line 5

4 現場監測分析

4.1 監測項目簡介

工程中既有3號線安全與異常情況需密切關注；通過對3號線隧道豎向位移的監測,掌握在注漿過程中3號線隧道結構的豎向位移變化情況,為信息化指導施工提供數據支持。工程采用的監測控制值和報警值如表4所示。

表4 監測項目及其控制指標Table 4 Monitoring items and control indicators

4.1.1 結構豎向位移變化監測

隧道豎向位移變化監測采取數據自動采集和無線傳輸的靜力水準測量方式,在左右線路隧道的側壁管片上鉆孔安裝靜力水準傳感器,提前設定數據采集頻率,隨時無線下載測量數據,實時監測3號線結構豎向位移變形情況,靜力水準布點示意如圖18所示。

圖18 豎向位移變化監測Fig.18 Monitoring of vertical displacement change

4.1.2 隧道水平位移及收斂監測

選用瑞士徠卡TCA2003智能型全站儀和自動監測軟件GeoMoS建立自動監測系統(圖19)。自動測量地鐵隧道結構在三維方向，即X、Y、Z方向(其中，X、Y為水平方向,Z為垂直位移方向)的變形變位值。

圖19 水平位移監測Fig.19 Monitoring of horizontal displacement

4.2 監測數據對比分析

依據成都地鐵3和5號線施工監測報告,提取數值模擬相應的監測點數據進行對比驗證。

4.2.1 3號線拱頂沉降分析

5號線近距離下穿3號線過程中3號線拱頂沉降監測曲線如圖20所示,結果對比如表5所示,現場監測的沉降量最大為預警值的40%,滿足安全要求。可知所采用的預埋注漿加固設計方案合理,能夠保證3號線的安全穩定性。

表5 3號線拱頂沉降分析Table 5 Settlement analysis of vault of line 3

圖20 3號線豎向位移變化監測Fig.20 Monitoring of vertical displacement change of line 3

4.2.2 5號線拱頂沉降分析

5號線礦山法掘進過程,采用全站儀監測拱頂沉降,選取兩線交叉加固區的6個監測點位的監測數據結果隨時間變化曲線如圖21所示。依據5號線拱頂沉降位移控制值,均滿足要求。

圖21 5號線豎向位移變化監測Fig.21 Monitoring of vertical displacement change of line 5

表6 5號線拱頂沉降分析Table 6 Settlement analysis of vault of line 5

5 施工風險應對措施探討

5.1 二次襯砌工序調整

工程下穿3號線區間,為保障施工過程既有3號線受影響最小,通過二次襯砌工序優化措施進行彌補,采用先節點處襯砌,然后進行洞口處結構襯砌,然后由節點處向豎井方向進行襯砌。最后待襯砌完成后,將剩余部分進行襯砌,如圖22所示。

圖22 二次襯砌工序優化Fig.22 Optimization of secondary lining process

5.2 深孔注漿加固施工補救措施

若回填注漿不能控制地鐵3號線隧道結構持續變形,則在5號線高升橋工區現場準備一套深孔注漿設備及材料,可通過實時監測反饋及時采取深孔注漿方式對地鐵5號線拱頂土體進行加固。根據地鐵3號線變形情況,以確定注漿加固的部位,可隨時從地表向下對地鐵3號線隧道兩側或拱部土體進行加固注漿,也可在地鐵5號線已完隧道內對地鐵3號線隧道下方土體進行注漿加固。如圖23所示。

圖23 深孔注漿加固補救措施Fig.23 Remedial measures for deep hole grouting reinforcement

5.3 節點位置格柵密排措施

開挖過程中,若地鐵3號線變形沉降過大,必要時可在節點位置初支時采取格柵加密措施。格柵架立間距為40 cm每榀。如圖24所示。

圖24 格柵設計優化Fig.24 Optimization of grid parameters

6 結論

以成都5號線近接下穿既有3號線為工程背景,研究了注漿加固范圍影響、注漿過程影響以及下穿過程規律,并通過現場監測對比分析,得出如下主要結論。

(1)既有隧道注漿加固范圍擴大,其隧道結構沉降變形呈線性減小,且當加固范圍延伸大于5 m后,既有隧道結構沉降槽呈線性縮??；若實際監測3號線結構沉降變形報警,可適當增加3號線的注漿范圍。

(2)預埋鋼花管注漿加固過程中,漿液壓力和土體硬化將導致既有隧道結構產生變形,注漿加固之后主要引起結構豎向產生沉降,水平方向相向靠攏,最終均趨于穩定,變形量小。

(3)地鐵下穿過程中,既有隧道結構變形先是緩慢沉降變形,當施工隧道穿過后沉降變形突增,最后再趨于收斂；3號線變形異常前期是具有一定變形量和反應階段。其次,3號線產生的水平方向變形極小,主要影響是豎向沉降,且存在明顯的局部沉降凹槽。

(4)由5號線分析可知右線先行開挖將導致左線掌子面前方未開挖土存在預變形擾動,圍巖應力重分布增加了施工風險。相比既有隧道,近距離的大范圍注漿加固導致土體硬化,5號線結構變形預變形階段極大縮短,突降區的反應時間短,施工風險增大。

(5)針對3號線存在的運營風險,提出二次襯砌工序調整施工方案,優先進行節點處襯砌,后進行洞口結構襯砌；其次,針對3號線下穿過程安全,提出深孔注漿加固施工補救措施和節點位置格柵密排措施。