富水砂卵石地層盾構(gòu)近距離穿越建（構(gòu)）筑物施工技術(shù)分析

何永健

（中鐵建昆侖地鐵投資建設(shè)管理有限公司，成都 610081）

1 引言

近年來(lái)，城市地鐵建設(shè)不斷提速。截至2019 年，我國(guó)大陸地區(qū)40 個(gè)城市共計(jì)208 條線路投入運(yùn)營(yíng)，共6 736.2 km；在建線路6 902.5 km[1]。城市地鐵雖然有效緩解了城市交通擁堵，提高了出行效率，但在建設(shè)過(guò)程中也會(huì)遇見新的問(wèn)題，如地鐵隧道在下穿既有建（構(gòu)）筑時(shí)，會(huì)面臨復(fù)雜的外部環(huán)境和水文地質(zhì)條件，若處理和應(yīng)對(duì)不當(dāng)，容易影響建（構(gòu)）筑的使用安全，造成不良后果。

2 工程概況

2.1 背景綜述

地鐵建設(shè)主要集中在城區(qū)，環(huán)境復(fù)雜、制約條件多，需頻繁穿越各種建（構(gòu)）筑物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，成都地鐵5 號(hào)線盾構(gòu)穿越鐵路9 次、房屋179 棟、市內(nèi)主要河流及湖泊15 次；6 號(hào)線盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)地鐵8 次、鐵路和高速公路10 次、城市管網(wǎng)干線104次、河流溝渠58 次、房屋192 棟；10 號(hào)線二期盾構(gòu)下穿雙流國(guó)際機(jī)場(chǎng)T2 航站樓、停機(jī)坪等多個(gè)建（構(gòu)）筑物。綜上，研究和解決盾構(gòu)穿越建（構(gòu)）筑物尤為重要，本文以成都地鐵6 號(hào)線某區(qū)間近距離穿越既有3 號(hào)線為例進(jìn)行分析和總結(jié)。

2.2 工程概況

成都地鐵6 號(hào)線某區(qū)間沿一環(huán)路敷設(shè)，區(qū)間里程為YCK30+398.840～YCK31+240.578，最小轉(zhuǎn)彎半徑800 m，最小坡度2‰，最大坡度25‰，隧道埋深10.5～20.4 m。盾構(gòu)區(qū)間于YCK31+202.578～YCK31+240.578 下穿既有地鐵3 號(hào)線，下穿段長(zhǎng)38 m，其中，正穿長(zhǎng)度20 m，下穿段隧道埋深20.39 m，既有線距隧道垂直距離僅4.065 m。既有線至車站主體端墻外側(cè)距離為8 m，既有線左右線間距為14 m。

2.3 地質(zhì)條件

成都市西部地層為厚層砂卵石層，其厚度一般為20～50 m；城市東北部地區(qū)砂卵石層的厚度在十余米范圍內(nèi)；城市南部地區(qū)為泥巖與砂卵石復(fù)合地層，砂卵石層的厚度為10～20 m。因此，成都的主城區(qū)盾構(gòu)施工地層以富水砂卵石地層為主。該盾構(gòu)區(qū)間主要穿越的地層為稍密卵石層、中密卵石層、密實(shí)卵石層，隧道洞身局部夾有中砂層[2]。

3 施工難點(diǎn)

該工程處于城市核心區(qū)域，建筑密集、道路眾多，端頭地下管線交錯(cuò)，且盾構(gòu)機(jī)始發(fā)8 m 后就下穿運(yùn)營(yíng)中的地鐵線，下穿位置最小垂直凈距僅4.065 m。同時(shí)，施工穿越段的地層為高富水砂卵石地層，地下水位高、補(bǔ)給快，是全國(guó)首例在高富水砂卵石地層中始發(fā)下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路。如何將既有隧道沉降、變形控制在容許范圍內(nèi)，確保運(yùn)營(yíng)安全是一個(gè)施工難題。

4 施工技術(shù)

4.1 預(yù)加固處理

1）管棚群超前支護(hù)。采用φ194 mm×10 mm+φ146 mm×10 mm 管棚（共142 根）進(jìn)行超前支護(hù)，在洞口分4 層打設(shè)，上部2 層φ146 mm×10 mm 管棚，長(zhǎng)度L=30 m；下部2 層φ194 mm×10 mm 管棚，L=33 m。管棚既要滿足既有線的安全距離要求，又不侵入盾構(gòu)開挖界限，施工時(shí)要嚴(yán)格控制偏移量。管棚安裝完成后，及時(shí)采用1∶1 的水泥漿進(jìn)行充填。

2）端頭預(yù)注漿加固。為了保證穿越段地層的密實(shí)性和穩(wěn)定性，在穿越既有建（構(gòu)）筑物前，采用φ42 mm 袖閥管注漿對(duì)端頭土體進(jìn)行加固，地面打設(shè)4 排，間距為1 m，呈梅花形布置。注漿壓力控制在約0.6 MPa，采取隔1 孔注漿的方法注入水灰比為1∶1 的水泥漿液，直至孔口有水泥漿液反出為止。

4.2 既有線模擬沉降計(jì)算

由于盾構(gòu)始發(fā)及接收15 m 范圍風(fēng)險(xiǎn)最高，管棚群超前加固對(duì)15 m 范圍加固控制相對(duì)較好，計(jì)算對(duì)遠(yuǎn)端既有線下方加固進(jìn)行折減考慮。管棚群為φ146 mm 管棚，管內(nèi)注漿充填并打設(shè)溢漿孔對(duì)周邊圍巖進(jìn)行注漿，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況按拱頂150°管棚打設(shè)考慮，同時(shí)對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)按盾殼上方縱向4 m 漏空進(jìn)行考慮，分2 種模型進(jìn)行模擬計(jì)算。

模型1：對(duì)管棚群形成的殼體厚度按0.5 m 考慮，注漿達(dá)到C25 混凝土彈性模量折減0.6：2.8×104×0.6=1.68×104MPa；

模型2：按梁?jiǎn)卧紤]管棚作用，將雙排管棚按剛度等效拆成單排管棚進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)模擬計(jì)算，2 種模型計(jì)算出盾構(gòu)下穿地鐵3 號(hào)線引起既有線最大沉降為2.79 mm，如圖1、圖2 所示。

圖1 模型1 數(shù)值計(jì)算模型及結(jié)果

圖2 模型2 數(shù)值計(jì)算模型及結(jié)果

4.3 盾構(gòu)機(jī)選型

該盾構(gòu)區(qū)間穿越地層為密實(shí)砂卵石地層，地層反應(yīng)靈敏，開挖面易產(chǎn)生坍塌，沉降控制難度大；富水卵石流塑性差、改良難度大，土壓平衡不易實(shí)現(xiàn)；大粒徑卵石可能會(huì)卡刀盤和螺旋機(jī)[3]。根據(jù)上述特點(diǎn)，選用鐵建重工DL340、DL347 盾構(gòu)機(jī)，刀盤最大扭矩達(dá)到8 687 kN·m，刀盤開口率約38%，螺旋機(jī)額定扭矩達(dá)到178 kN·m，最大通過(guò)粒徑φ350 mm×590 mm，同時(shí)，還增加了中盾注惰性漿系統(tǒng)（2 臺(tái)施維因泵）。且這2 臺(tái)盾構(gòu)機(jī)有成都砂卵石地層掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，性能優(yōu)良，滿足要求。

4.4 關(guān)鍵技術(shù)措施

1）控制掘進(jìn)時(shí)間。盡可能在運(yùn)營(yíng)線夜間停運(yùn)時(shí)通過(guò)既有隧道區(qū)域，白天掘進(jìn)非既有隧道區(qū)域。因此，始發(fā)時(shí)間選擇在23:30 既有線停運(yùn)之后，然后，連續(xù)不間斷掘進(jìn)，直至通過(guò)既有線，即使第二天恢復(fù)運(yùn)營(yíng)前未能全部通過(guò)既有線范圍，也可大大減少影響時(shí)間。

2）端頭降水。在車站端頭布設(shè)3 口降水井，在既有線左側(cè)遠(yuǎn)離基坑一側(cè)設(shè)置1 口降水井，降點(diǎn)位置至既有線距離為5 m，將水位降至影響范圍以下。

3）始發(fā)延長(zhǎng)鋼環(huán)。盾構(gòu)始發(fā)8 m 即下穿既有線，為提前建立土倉(cāng)壓力，采取增加2 m 延長(zhǎng)鋼環(huán)措施，鋼環(huán)中部設(shè)置2 道鋼絲密封刷，尾部設(shè)置1 道簾布密封。

4）渣土改良。渣土改良是地鐵盾構(gòu)施工的核心，采用泡沫劑、膨潤(rùn)土進(jìn)行渣土改良，能夠提升渣土的流塑性，防范渣土滯排問(wèn)題，顯著降低刀盤、螺旋輸送機(jī)的油壓及盾構(gòu)推力，減小刀盤扭矩[4]，也可避免渣溫過(guò)高及掘進(jìn)超方等現(xiàn)象。可以選擇性能優(yōu)良的鈉基膨潤(rùn)土，通過(guò)摻入適量泡沫的方式進(jìn)行改良，其與水的配比為1∶9，膨潤(rùn)土黏度需要大于40 s，坍落度在15～20 cm。

5）五步注漿法。根據(jù)沉降的5 個(gè)階段，采用中盾注特殊漿液、同步注漿、二次注漿、三次補(bǔ)注砂漿、四次注單液漿的五步注漿法[5]。施工時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化漿液參數(shù)，達(dá)到最佳注漿效果。

第一步：盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程從前盾徑向孔注入惰性漿液至盾殼外表面，填充超挖及前盾至盾尾間錐形空隙，漿液中加入砂粒石、膨潤(rùn)土等材料，增加填充效果。

第二步：同步注漿采用稠度大、凝固快、少收縮的漿液，減小地面沉降。注漿量7～8 m3，漿液初凝時(shí)間4～6 h，稠度11～12 cm，注漿壓力0.15～0.3 MPa。

第三步：該區(qū)域采用配筋加強(qiáng)且增設(shè)注漿孔的D 形特殊管片，在盾尾完全進(jìn)入鋼筒且管片脫出盾尾4 環(huán)后，使用水泥漿：水玻璃=1∶1 的雙漿液實(shí)施二次注漿，壓力控制在0.3～0.4 MPa，避免建筑基礎(chǔ)的再次沉降。

第四步：管片脫出盾尾后8 環(huán)按照每5 環(huán)一次進(jìn)行第三次補(bǔ)注砂漿控制沉降，注漿壓力≤0.4 MPa，避免造成管片錯(cuò)臺(tái)和破壞。

第五步：最后，根據(jù)既有線的沉降監(jiān)測(cè)情況進(jìn)行第四次補(bǔ)注漿控制沉降。

4.5 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)控制

1）盾構(gòu)始發(fā)8 m 即到達(dá)既有線下方，為保證盾構(gòu)順利、平穩(wěn)下穿既有線，分刀盤到達(dá)掌子面階段、磨樁階段、下穿既有線階段3 個(gè)階段進(jìn)行差別控制，并對(duì)38 m（28 環(huán)）范圍每一環(huán)采取針對(duì)性的控制措施。

2）嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)。根據(jù)地層實(shí)際情況，適當(dāng)加大刀盤轉(zhuǎn)速，減小推力，降低掘進(jìn)速度，再配合大量的泡沫注入改善渣土性能，實(shí)現(xiàn)土艙內(nèi)部壓力均衡。在該工程中，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)下穿既有線時(shí)，將刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.0～1.5 r/min，扭矩控制住2 000～2 300 kN·m，掘進(jìn)速度控制在60～80 mm/min，推力控制在9 000～11 000 kN。

3）合理設(shè)定土艙壓力。土艙壓力應(yīng)該與地層土壓力以及靜水壓力保持相對(duì)平衡，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)初步設(shè)定土艙壓力為0.14 MPa，掘進(jìn)過(guò)程中需要根據(jù)土層狀況和埋深做好相應(yīng)的調(diào)整優(yōu)化，將壓力波動(dòng)范圍控制在±0.02 MPa。

4）出土量控制。采用體積法和稱重法雙控，根據(jù)W=παD2L/4（式中，W 為渣土體積，m3；α 為松散系數(shù)，取1.2；D為刀盤直徑，6.28 m；L 為掘進(jìn)長(zhǎng)度，m），1.5 m 管片出渣量約為56 m3/環(huán)，依據(jù)地層的密實(shí)情況稱重約為1 120 kN（112 t）；掘進(jìn)過(guò)程中分析每斗渣土的推進(jìn)管理行程，判斷是否過(guò)程超方，及時(shí)對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整；掘進(jìn)完成后，對(duì)總出渣量與總管理行程進(jìn)行對(duì)比，分析當(dāng)環(huán)超方量，便于修正當(dāng)環(huán)同步注漿量及確定二次補(bǔ)注漿措施。

4.6 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

為及時(shí)掌握施工期間地鐵隧道的變形趨勢(shì)、變形量大小及變形規(guī)律等特性，引入了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)盾構(gòu)穿越前、穿越時(shí)和穿越后的情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。既有線上下行線的監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度各約90 m，正下穿段每5 m 布置1 個(gè)斷面，每個(gè)斷面布置5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位，對(duì)豎向沉降、水平位移、軌道兩側(cè)高差、斷面收斂變形等進(jìn)行全天候監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握沉降數(shù)據(jù)變化情況，及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)與注漿方量。同時(shí)，通過(guò)將實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，判斷是否達(dá)到預(yù)期，對(duì)下一步的掘進(jìn)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)信息化施工。截至盾構(gòu)通過(guò)既有線影響區(qū)域，右線累計(jì)最大沉降為-4.41 mm，差異沉降最大為-1.96 mm；左線累計(jì)最大沉降為-3.33 mm，差異沉降最大為-1.28 mm，單次和累計(jì)變形量都在控制值范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

在盾構(gòu)施工中經(jīng)常會(huì)遇到穿越既有建（構(gòu)）筑的情況。本工程通過(guò)采取延長(zhǎng)始發(fā)鋼環(huán)、設(shè)備改造、渣土改良、嚴(yán)格控制出土量、五步注漿法、管棚群預(yù)加固，優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)等措施，連續(xù)施工、快速穿越建（構(gòu)）筑物，左線盾構(gòu)用43 h、右線僅用34 h 便順利穿越地鐵3 號(hào)線，且差異沉降控制在2 mm以內(nèi)。