新建地鐵密貼下穿既有車站暗挖段施工技術(shù)研究

王力功

(中鐵十二局集團第一工程有限公司 陜西西安 710038)

1 引言

隨著當(dāng)今城市的不斷建設(shè)和發(fā)展，合理開發(fā)利用深層地下空間已成為緩解城市空間資源壓力的有效途徑[1-2]，但逐漸出現(xiàn)不同構(gòu)筑物穿越、交叉與臨近地鐵線路現(xiàn)象，建設(shè)時出現(xiàn)的近距離施工問題引起諸多研究人員的關(guān)注[3]。趙偉[4]采用結(jié)構(gòu)概念分析的方法，研究了洞樁法密貼下穿既有地鐵車站施工過程的力學(xué)特性及其關(guān)鍵控制環(huán)節(jié)。王乃勇[5]采用FLAC3D數(shù)值模擬分析了雙線盾構(gòu)施工對公路路面、路塹邊坡的影響規(guī)律。曾鐵梅等[6]提出了一種基于Pair-Copula貝葉斯模型的盾構(gòu)下穿既有隧道施工風(fēng)險評價方法。馬相峰等[7]基于鋼花管地層注漿實踐，證明地層注漿加固對控制路基沉降的有效性。周丁恒等[8]建立了暗挖隧道下穿京張隧道三維有限元數(shù)值模擬，總結(jié)了京張高速鐵路隧道豎向位移和橫向位移隨施工步變化特征。陳志敏等[9]對福州市某超淺埋隧道管線沉降規(guī)律展開研究，并制定安全可行的管線控制基準(zhǔn)。張宏等[10]研究呼和浩特市在建地鐵2號線隧道盾構(gòu)掘進過程對上跨地道基坑穩(wěn)定性影響規(guī)律。高利宏[11]重點分析了某新建盾構(gòu)隧道新建左、右線依次穿越過程中既有雙線隧道沉降變形規(guī)律。宋洋等[12]對比研究了泥水平衡盾構(gòu)在全斷面泥巖地層段和圓礫泥巖復(fù)合地層段中的掘進參數(shù)。

綜上所述，目前對于不同地下構(gòu)筑物的臨近、交叉已有相關(guān)研究，但對于不同地鐵線路的下穿直接影響研究仍然缺乏，為此本文以徐州市軌道交通2號線和6號市政府站為工程背景，研究新建6號線地鐵下穿既有線路暗挖段施工技術(shù)，為類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工提供重要參考。

2 工程概況及重難點分析

2.1 項目概況

徐州市軌道交通2號線市政府站為與6號線進行換乘的換乘車站，為地下兩層11 m島式站臺車站，標(biāo)準(zhǔn)段為單柱雙跨鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)型式。車站有效站臺中心里程處底板埋深約16.6 m，凈長203 m，標(biāo)準(zhǔn)段凈寬18.3 m。暗挖段襯砌斷面如圖1所示。

圖1 暗挖段襯砌斷面圖

車站采用明挖順做法施工，目前市政府站2號線車站主體結(jié)構(gòu)、附屬已全部施工完成。本次實施的6號線車站暗挖段位于昆侖大道與漢風(fēng)路交叉路口西北象限，密貼2號線已建成車站底板，南北走向。斷面形式為平頂直墻斷面，二襯外包尺寸為6.41 m×6.4 m，暗挖段有效長度為22.7 m，線間距16 m，凈間距為8.3 m，結(jié)構(gòu)頂板埋深約17.3 m。暗挖段結(jié)構(gòu)穿越地層主要為②5-3砂質(zhì)粉土，穩(wěn)定水位埋深約3.3 m，采用CRD工法開挖，車站暗挖段北端接6號線車站盾構(gòu)井，南端接遠(yuǎn)期6號線車站。暗挖段只是下穿已經(jīng)施工完成的2號車站，長度為22.7 m，施工區(qū)域為原有市政府站場地，該范圍的管線已全部遷移。在暗挖段的東北側(cè)為綠地商務(wù)樓，水平距離為57 m，北側(cè)為在建的永嘉中心廣場地下商場中心，水平距離約為25 m，其余建筑物都離得較遠(yuǎn)。

場地地貌類型為廢黃河高漫灘，淺部15～30 m以淺黃河及古河道沖積的粉土、粉質(zhì)黏土等堆積而成，其下為河流沖洪積老黏土，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)王氏組粉砂巖、礫巖。本站場范圍內(nèi)的不良地質(zhì)主要為地震液化。液化土層:暗挖段開挖范圍內(nèi)的②5-2、②5-3層砂質(zhì)粉土為可液化土層，場地地基液化等級為中等。

場地范圍內(nèi)地下水為第四系粉土層中的孔隙潛水-弱承壓水及基巖裂隙水。市政府站抗浮設(shè)計水位采用地面以下0.5 m，標(biāo)高為39.32 m，6號線暗挖段采取相同設(shè)防水位。市政府站施工已將地下水降至車站結(jié)構(gòu)以下1 m，并且地下連續(xù)墻插入⑤3-4黏土中，基本切斷②5-3砂質(zhì)粉土承壓水層與周邊地表水的水力聯(lián)系，對本工程暗挖隧道有利。

2.2 工程重難點

(1)支護結(jié)構(gòu)可能存在加固盲區(qū)

暗挖段穿越地層為沙質(zhì)粉土層，極易液化，且為富含水層，具有微承壓性，在開挖過程中，因全斷面注漿加固可能存在加固盲區(qū)，在開挖過程中有可能突泥涌水，造成車站主體受力改變和下沉，暗挖段塌方。

(2)暗挖段對既有車站的變形、沉降影響大

車站暗挖段緊鄰2號線車站底板施作(初支緊貼底板墊層150 mm)，對既有車站受力、變形、沉降影響較大。嚴(yán)格控制進尺，分工序分部開挖，及時封閉初期支護。

3 密貼下穿暗挖段施工技術(shù)

暗挖段位于北側(cè)6號盾構(gòu)井1 m厚地連墻＋2號線0.8 m厚地連墻與南側(cè)2號線車站主體0.8 m厚的地連墻中間。6號盾構(gòu)井主體為暗挖段工作井，目前已施工完成，2號車站南側(cè)為后期實施。

3.1 施工總體方法與步序

在地連墻上安裝防滲漏套管，然后采用全斷面分區(qū)域超前加固，待達(dá)到強度后，對于兩道地連墻進行鑿除，鑿除后進行暗挖段開挖，開挖采用CRD施工。首先根據(jù)施工現(xiàn)場情況，完善臨建設(shè)置，開挖輪廓線外4 m以內(nèi)全部采用全斷面注漿加固，加固完成后，進行取芯檢測加固的質(zhì)量，待加固質(zhì)量達(dá)到設(shè)計參數(shù)要求后，開挖前條件驗收合格后，對第一堵地連墻開挖輪廓范圍內(nèi)一次性鑿除，第二堵地連墻進行分塊鑿除。暗挖采用CRD法，共分4個小洞室開挖，左上洞室地連墻鑿除及開挖，及時施作初支，待左上洞室開挖2 m，破除左下部分地連墻，并進行初期支護施工，其次待左下洞室開挖2 m后，破除右上部地連墻、開挖及初期支護施作，最后待右上洞室開挖2 m后，破除右下部分地連墻，密排施作右下部分地墻處初期支護，之后進行右下洞室的開挖作業(yè)，及時施作初支，初支封閉成環(huán)后及時進行初支背后注漿，待初支收斂后，中隔墻進行二次襯砌施工，待左線貫通至南側(cè)地連墻后，施作防水層，澆筑左側(cè)封堵墻，同理施工右線。

3.2 地連墻鑿除施工

地連墻破除采用破碎錘進行分層剝除，鑿除時邊線應(yīng)當(dāng)控制在離結(jié)構(gòu)線20 cm左右，后期采用人工風(fēng)鎬進行修邊，防止破壞結(jié)構(gòu)。

(1)地連墻分塊劃分

第一道地連墻(6號盾構(gòu)井)開挖面以內(nèi)一次性破除，且需按照洞口預(yù)留邊線進行破除8.4 m×7.73 m，第二道地連墻(2號主體結(jié)構(gòu))采用分8塊進行鑿除，分塊按照地連墻接縫及導(dǎo)洞尺寸進行劃分，如圖2所示。

圖2 地連墻破除分塊劃分

(2)地連墻拆除施工工序

先試破除①部分地墻，若掌子面穩(wěn)定，進行后續(xù)施工；若掌子面涌水涌砂，焊接鋼筋網(wǎng)片于地連墻上，再進行噴射混凝土封堵掌子面，若涌水涌砂嚴(yán)重則采用澆筑快干混凝土封堵，再采取注漿補償加固。破除②部分地連墻，噴混、施作地墻處初期支護及臨時橫撐和豎撐。待左上導(dǎo)洞開挖2 m后，緊跟破除③④部分地連墻，密排架設(shè)地墻處初支、噴混。依次按照上述施工方法破除⑤⑥、⑦⑧部分地連墻。待地連墻完全破除后，拆除地墻處的豎撐和橫撐，及時施作洞口環(huán)梁，確保洞口安全。

(3)暗挖洞口段的主要措施

進洞3 m范圍密排12榀初支鋼架，鋼架間距為25 cm，保證進洞時洞口處安全。將地墻鋼筋與初支鋼架焊接牢固，鋼架之間采用φ22縱向連接筋焊接，滿足雙面焊接120 mm。地連墻全部破除后，拆除地連墻范圍內(nèi)豎撐和橫撐，及時施作洞口環(huán)梁，加強支護剛度。破除地墻時，根據(jù)開挖掌子面穩(wěn)定情況，必要時封堵掌子面，進行補償注漿加固或其他措施。

(4)地連墻破除措施

為防止地連墻破除振動過大造成未加固土體液化和6號盾構(gòu)接收井主體結(jié)構(gòu)永久性開裂及損壞，采取以下措施:

①為避免破除過程中，對結(jié)構(gòu)底板造成開裂及底板以下土層造成液化，故破碎錘作業(yè)范圍內(nèi)鋪設(shè)輪胎，鋪設(shè)面積50 m2；②為避免第一堵地連墻破除過程中，對6號預(yù)留盾構(gòu)接收井主體側(cè)墻及中板造成開裂，經(jīng)現(xiàn)場試破確定，若需要則預(yù)先用水鉆在結(jié)構(gòu)邊150 mm處，開直徑100 mm孔，間距250 mm，孔深1 m，可共用注漿孔，左線同右線如圖3a所示；③為避免第二堵地連墻破除過程中，對2號這站底板造成開裂及未加固土體液化，加大支護外部壓力，經(jīng)現(xiàn)場試破確定，若需要則預(yù)先用水鉆在結(jié)構(gòu)邊150 mm及開挖導(dǎo)洞邊線處，開直徑100 mm孔，間距250 mm，孔深0.8 m，可共用注漿孔，左線同右線如圖3b所示；④緊貼預(yù)留洞口邊線剩余地連墻采取人工破除及修邊。

圖3 右線一、二堵地連墻水鉆布孔

3.3 注漿加固施工

(1)注漿區(qū)域劃分

按照地層特性、加固強度及抗?jié)B等級的要求，劃分A區(qū)域(隧道開挖斷面及中隔柱區(qū)域)、B區(qū)域(開挖斷面底部影響區(qū))、C區(qū)域(開挖輪廓線左右兩側(cè)區(qū)域)，形成帷幕注漿加固圈。在平面施工順序方面，應(yīng)首先完成C區(qū)外插注漿孔及管棚孔施作，由下向上次序，跳孔施作。在保證結(jié)構(gòu)安全性的同時盡量減少后續(xù)注漿作業(yè)對臨近結(jié)構(gòu)的影響。其次，完成底部B區(qū)域的加固處理，使開挖局域具有堅實穩(wěn)固的持力地基。最后，完成兩通道A區(qū)域的加固，由下向上間隔布置。注漿加固區(qū)域劃分如圖4所示。

圖4 注漿加固區(qū)域劃分

(2)注漿孔設(shè)置

在沿加固長度方向上進行分析，A、C兩區(qū)由于受到加固體性能要求，以及上界面和左右界面施作空間的限制，注漿孔均設(shè)置為水平孔形式，并采用分段注漿的形式，依次完成注漿加固工作。其中C區(qū)管棚加固為一次成孔，并設(shè)置控制區(qū)段為5 m，由深及淺后退式注漿，C區(qū)左右兩側(cè)為外插孔注漿，并采用分段前進注漿的形式，依次完成注漿加固工作。A區(qū)采用鉆孔置換-誘導(dǎo)劈裂注漿工藝。B區(qū)域與A區(qū)域保持相同的控制區(qū)段，考慮到端頭井底部高程與實際要求加固深度的關(guān)系，該區(qū)域鉆孔為斜孔，加固形式設(shè)置為半斷面帷幕注漿，最終與C區(qū)形成的側(cè)向加固區(qū)閉合成整體帷幕。左線擬采用量循環(huán)施作，第一循環(huán)0～10 m，第二循環(huán)10～21.7 m，依次施作；右線及中隔柱設(shè)計一循環(huán)施作，即一次性注漿加固總長度21.7 m。

(3)區(qū)域注漿材料及參數(shù)(見表1)

表1 區(qū)域注漿材料及參數(shù)

(4)注漿效果檢驗

①設(shè)計要求。加固完成后取芯，左右線A、B區(qū)域各取2個孔，C區(qū)域取2個孔，加固土體無側(cè)限抗壓強度(28 d)應(yīng)達(dá)到qu≥1.0 MPa，滲透系數(shù)≤1.0×10-6cm/s的要求。破除地連墻前在開挖輪廓線中心、兩側(cè)及底部加固區(qū)共打設(shè)4個探水孔，探孔深度不小于暗挖段有效長度的2/3，探測孔內(nèi)無水滲塌孔后方可進行開挖。

②效果檢測。注漿效果檢驗是評價注漿加固效果的依據(jù)，本工程采用地球物理探測、參數(shù)分析、檢查孔、開挖取樣與變形監(jiān)測等方法相結(jié)合的多手段綜合檢驗方法，對注漿治理效果進行科學(xué)檢驗和系統(tǒng)評價。以跨孔電阻率成像法為例進行說明，跨孔電阻率成像法是一種超高密度的陣列勘探方法，將所有的電極分別置于2個鉆孔中，通過觀測跨孔的電流、電壓數(shù)據(jù)，最后反演獲得兩鉆孔之間的電阻率分布斷面圖如圖5所示。采用跨孔電阻率成像方法，獲得兩鉆孔之間地質(zhì)的詳細(xì)物性信息，對數(shù)據(jù)進行反演計算，得到探測區(qū)域圍巖電阻率剖面，對含水構(gòu)造表現(xiàn)為低阻，對完整圍巖表現(xiàn)為高阻，最終對探測區(qū)域地質(zhì)進行完整探查。

圖5 剖面跨孔電阻率CT反演成像結(jié)果

3.4 暗挖區(qū)間施工工序

(1)洞口段開挖

①測量放線:根據(jù)區(qū)間中線、高程，在地連墻上定出開挖輪廓線，并檢查開挖輪廓線，劃出各導(dǎo)洞的輪廓線。②試破除小部分地墻，若開挖面穩(wěn)定未出現(xiàn)涌水涌砂，進行后續(xù)施工。若開挖面滲水涌砂，噴混封堵掌子面，再次補償注漿，或經(jīng)各方研討確定切實的處理方案以后，再進行開挖。③完全破除左上部分地墻，掛網(wǎng)、立拱架，噴混，密排施作左上部分地墻處初期支護。之后進行左上洞室的開挖作業(yè)，及時施作初支。④待左上洞室開挖2 m后，破除左下部分地連墻，密排施作左下部分地墻處初期支護，之后進行左下洞室的開挖作業(yè)，及時施作初支。⑤待左下洞室開挖2 m后，破除右上部分地連墻，密排施作右上部分地墻處初期支護，之后進行右上洞室的開挖作業(yè)，及時施作初支。⑥待右上洞室開挖2 m后，破除右下部分地連墻，密排施作右下部分地墻處初期支護，之后進行右下洞室的開挖作業(yè)，及時施作初支，初支封閉成環(huán)后及時進行初支背后注漿。⑦拆除地墻位置豎撐及橫向支撐，施作洞口環(huán)梁處的防水，綁扎鋼筋、澆筑洞口環(huán)梁。⑧待初支收斂后，根據(jù)二襯澆筑長度拆除下部部分中隔墻，施作防水層，澆筑矮邊墻及底板二襯，二襯緊跟開挖面5 m施作。⑨待下部二襯達(dá)到設(shè)計強度的75%后，施作防水層，澆筑剩下部分側(cè)墻及頂板二襯。待二襯強度達(dá)到設(shè)計要求后及時進行二襯背后回填注漿。⑩待左線貫通至南側(cè)地連墻后，施作防水層，澆筑左側(cè)封堵墻。?待左線封堵墻施作完畢，進行右線暗挖段的開挖，步驟同左線。CRD法縱向施工步序如圖6所示。

圖6 CRD法縱向施工步序

(2)掌子面探水孔施工

①CRD開挖，四個導(dǎo)洞開挖前需進行超前打設(shè)探水孔，每個導(dǎo)洞2個探水孔，孔徑48 mm，孔深5 m，方向斜向上，開挖3 m，預(yù)留2 m，具體位置如圖7所示；②判斷是否正常進尺；③正常段開挖工序與洞口段開挖工序一樣，只是少了地連墻鑿除工序，各洞室開挖步由原來的2 m，調(diào)整至3 m，除主體車站側(cè)墻、底縱梁及地連墻以外區(qū)域，初支型鋼鋼架加密至250 mm，其余間距為750 mm。左線開挖完成后，施作防水層，澆筑左線左側(cè)封堵墻。右線待左線貫通后進行開挖，開挖方法及工序同左線。

圖7 探水孔平面布置(左右線相同)

4 結(jié)論

本文以徐州市軌道交通6號線密貼下穿既有2號線市政府站暗挖段施工為工程背景，針對支護結(jié)構(gòu)可能存在加固盲區(qū)、暗挖段對既有車站的變形沉降影響大等難點問題，研究新建地鐵下穿既有線路車站暗挖段施工技術(shù)，最終6號線得以成功下穿市政府站并投入使用，主要得到以下結(jié)論:

(1)工程暗挖段穿越地層為沙質(zhì)粉土層，極易液化，且為富含水層，在開挖過程中有可能突泥涌水，造成車站主體受力改變和下沉，暗挖段塌方。為解決該問題，首先在地連墻上安裝防滲漏套管，然后全斷面分區(qū)域超前加固，開挖輪廓線外4 m以內(nèi)全部采用全斷面注漿加固，加固完成后，進行取芯檢測加固的質(zhì)量，待加固質(zhì)量達(dá)到設(shè)計參數(shù)要求后，對于兩道地連墻進行鑿除，鑿除后進行暗挖段開挖施工。該綜合施工方法成功在此類地層暗挖施工且質(zhì)量良好，證明了其有效性和安全性。

(2)暗挖段施工重點關(guān)注洞口段施工及掌子面探水孔施工。暗挖采用CRD法，共分4個小洞室開挖，導(dǎo)洞開挖前需進行超前打設(shè)探水孔，特別注意及時施作初支，初支封閉成環(huán)后及時進行初支背后注漿，待初支收斂后，中隔墻進行二次襯砌施工，待左線貫通至南側(cè)地連墻后，施作防水層，澆筑左側(cè)封堵墻，同理施工右線。