張?jiān)缽?qiáng)

(中鐵十二局集團(tuán)第四工程有限公司 陜西西安 710021)

1 引言

盾構(gòu)機(jī)上穿既有成型隧道時(shí)(凈距小于1倍洞徑)，施工控制不當(dāng)極易造成地層塌陷或下部隧道形變，對(duì)下部隧道安全性造成威脅。南寧地鐵2號(hào)線東延工程出入場(chǎng)線上穿既有正線成型隧道，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，為減少地層沉降及對(duì)下部隧道結(jié)構(gòu)變形的影響，采用注漿＋支撐及掘進(jìn)控制技術(shù)，保障了上部隧道盾構(gòu)順利掘進(jìn)及下部成型隧道的結(jié)構(gòu)安全，解決了重疊段隧道的施工難題，規(guī)避了次生風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

2 工程簡(jiǎn)介

南寧市軌道交通2號(hào)線東延工程土建2工區(qū)工程范圍含1站1區(qū)間，車站為玉嶺路站，區(qū)間為新村停車場(chǎng)出入場(chǎng)線。區(qū)間隧道總長(zhǎng)1 164.313 m，自里程YDK0＋457.790始，盾構(gòu)刀盤開始上穿正線左線隧道；掘進(jìn)至YDK0＋515.86時(shí)，盾構(gòu)刀盤脫出正線左線隧道；掘進(jìn)至YDK0＋524.26時(shí)，盾尾脫出正線區(qū)間隧道范圍，穿越長(zhǎng)度共計(jì)約58 m。平面位置關(guān)系見圖1。

圖1 出入場(chǎng)線區(qū)間與正線區(qū)間隧道平面關(guān)系

出入場(chǎng)線區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工，開挖斷面直徑為6 280 mm，采用1.2 m加強(qiáng)型多孔Y-4′管片，正線區(qū)間采用1.5 m X-3型管片，出入場(chǎng)線區(qū)間右線與正線區(qū)間左線成型隧道最小凈距2 493 mm，盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)(掘進(jìn)開挖)實(shí)際最小凈距僅為2 213 mm。

盾構(gòu)掘進(jìn)重疊段主要穿越地層為含礫(卵)石黏性土。出入場(chǎng)線右線(穿越段)隧道拱頂埋深為40.86～18.76 m，穿越期間兩隧道間主要地層為含礫(卵)石黏性土。

3 總體方案

盾構(gòu)機(jī)上穿正線成型隧道主要采取注漿＋支撐以及掘進(jìn)控制的全方位、全過程控制措施，即在盾構(gòu)上穿重疊段前、后過程中，利用上、下部隧道的管片吊裝孔進(jìn)行洞內(nèi)鋼花管補(bǔ)充注漿加固，及時(shí)填充建筑空隙，增加土體抗變形能力；在正線隧道內(nèi)搭設(shè)鋼管扣件式滿堂腳手架支撐系統(tǒng)，增強(qiáng)管片的支撐力，進(jìn)一步約束成型隧道在盾構(gòu)通過時(shí)產(chǎn)生的形變；采用全周期不間斷風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)，提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)指導(dǎo)施工；盾構(gòu)機(jī)穿越過程中，嚴(yán)格控制土倉(cāng)壓力、刀盤推力、扭矩、注漿壓力等施工參數(shù)，保持盾構(gòu)掘進(jìn)面穩(wěn)定平衡，防止周邊土體擾動(dòng)引起下部隧道結(jié)構(gòu)變形、沉降。

4 施工工藝流程及技術(shù)要點(diǎn)

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程見圖2。

4.2 技術(shù)要點(diǎn)

4.2.1 風(fēng)險(xiǎn)源評(píng)估

盾構(gòu)機(jī)上穿前對(duì)下部隧道結(jié)構(gòu)及地層特性做細(xì)致風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別和評(píng)估，制定相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。采用有限元分析軟件(MIDAS/GTS)，建立三維有限元數(shù)值模型(修正摩爾庫(kù)倫模型)，見圖 3。通過大量云計(jì)算處理分析，求解并評(píng)估穿越過程中的土體位移變化情況，下部隧道結(jié)構(gòu)變形情況以及地層、成型隧道的沉降等情況，進(jìn)一步加強(qiáng)盾構(gòu)施工過程中的安全管理[1-3]。

圖3 重疊段三維有限元模型

盾構(gòu)機(jī)在通過風(fēng)險(xiǎn)源范圍過程中，下部隧道管片及腳手架逐步受到上部附加荷載的情況下，支撐架滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定性要求；下部隧道管片結(jié)構(gòu)彎矩、軸力、剪力均小于設(shè)計(jì)計(jì)算值；下部隧道管片螺栓滿足設(shè)計(jì)抗剪要求。

4.2.2 夾層土體注漿加固

盾構(gòu)上穿重疊段前后，對(duì)下部隧道靠近夾層部分頂部120°范圍(完成上穿后對(duì)上部隧道底部120°范圍)內(nèi)徑向1.5 m范圍實(shí)施注漿[4]。相交段、平行段夾層土體注漿加固見圖4。

鉆孔前吊裝孔安裝單向止槳閥，用堵漏材料對(duì)周邊進(jìn)行封堵。注漿管采用φ42 mm、壁厚3.5 mm、長(zhǎng)1.8 m的無(wú)縫鋼管，管壁四周設(shè)φ8 mm的溢漿孔，呈梅花形布置，孔間距10～15 cm，在下管之前將溢漿孔用貼片或者膠布粘貼封孔。

圖4 相交段、平行段夾層土體注漿加固示意

重疊段注漿采用水泥單液漿，水灰比為1∶1，注漿以壓力控制為主、方量控制為輔，使?jié){液能沿管片外壁較均勻地滲流而不致劈裂土體，形成團(tuán)狀加固區(qū)。注漿壓力不大于0.4 MPa，漿液流量宜控制在10～15 L/min之間。

注漿完畢后，對(duì)夾層土體加固效果進(jìn)行檢查，采用地質(zhì)雷達(dá)檢驗(yàn)加固體的密實(shí)度和均勻性，輔以一定數(shù)量的鉆孔取芯進(jìn)行驗(yàn)證。地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)為全覆蓋，取芯檢測(cè)批次為1斷面/20環(huán)，每斷面取芯3個(gè)[5]。

4.2.3 下部隧道支撐加固

盾構(gòu)上穿重疊段前，在下部隧道內(nèi)搭設(shè)滿堂腳手架支撐系統(tǒng)為管片提供支撐力[6-7]。鋼管為φ48.3 mm×3.6 mm，支撐橫桿間距為1 200 mm，立桿間距為600 mm，隧道縱向每900 mm搭設(shè)1副支撐對(duì)下部隧道進(jìn)行支撐加固。鋼管末端通過U型頂托進(jìn)行長(zhǎng)度調(diào)節(jié)，與管片接觸面均采用方木支撐，支撐保護(hù)見圖5～圖6。腳手架體系每隔4 500 mm處連續(xù)設(shè)置1幅斷面(縱向)剪刀撐。剪刀撐寬度為5跨(7跨)，剪刀撐與地面的夾角在45°～60°之間。

圖5 下部隧道支撐加固結(jié)構(gòu)橫斷面(單位：mm)

圖6 下部支撐加固結(jié)構(gòu)縱剖面

4.2.4 上穿重疊段掘進(jìn)參數(shù)控制

通過設(shè)置試驗(yàn)段總結(jié)掘進(jìn)施工參數(shù)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，按照控制欠壓、充分注漿、主動(dòng)防護(hù)等原則確定上穿重疊段施工相關(guān)參數(shù)，以確保滿足下部成型隧道沉降在允許范圍之內(nèi)[8-10]。

(1)總推力、刀盤轉(zhuǎn)速和刀盤扭矩控制。上穿重疊段時(shí)，應(yīng)控制總推力，減小盾構(gòu)前方土體的擠壓力。刀盤轉(zhuǎn)速應(yīng)控制在1.0～1.3r/min，千斤頂總推力宜控制在800～1 000 t，刀盤扭矩宜控制在1 500～2 500 kN·m。

(2)掘進(jìn)速度控制。掘進(jìn)速度及推力的選擇以保持土倉(cāng)壓力為目的，連續(xù)平緩地通過上穿段，掘進(jìn)速度宜保持在30～50 mm/min，并根據(jù)施工實(shí)際情況調(diào)整掘進(jìn)速度及推力。

(3)同步注漿控制。同步注漿應(yīng)平穩(wěn)連續(xù)。為減少注漿壓力對(duì)下部隧道的影響，應(yīng)減少底部注漿流速，降低底部注漿孔壓力，減少底部注漿量，同時(shí)增強(qiáng)中部及頂部注漿量，保持總注漿量不變。

(4)土倉(cāng)壓力控制。土倉(cāng)壓力應(yīng)調(diào)整至對(duì)下部隧道影響最小為標(biāo)準(zhǔn)，保證穩(wěn)定的土壓至關(guān)重要。穿越段土倉(cāng)壓力設(shè)置為正常段的90% ～100%，施工時(shí)以正線隧道內(nèi)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)及時(shí)調(diào)整。應(yīng)注意土壓要保持勻速性，波動(dòng)范圍在±0.005 MPa，防止忽高忽低。

(5)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制。盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)上下左右偏差控制在±35 mm，垂直趨勢(shì)控制在2～4 mm，水平趨勢(shì)0～2 mm，每環(huán)糾偏量不得大于4 mm。姿態(tài)調(diào)整應(yīng)遵循“及時(shí)、連續(xù)、限量”的原則，調(diào)整量不宜過大、過于頻繁，避免因?yàn)樽藨B(tài)調(diào)整對(duì)土層造成超挖和擾動(dòng)。

5 下部成型隧道及支撐系統(tǒng)監(jiān)測(cè)

為掌握盾構(gòu)上穿重疊段施工對(duì)地層及下部隧道結(jié)構(gòu)等的影響規(guī)律，確保整個(gè)施工過程安全，采取上穿風(fēng)險(xiǎn)源實(shí)時(shí)全周期不間斷風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)技術(shù)[11]。

5.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

盾構(gòu)上穿重疊段施工監(jiān)測(cè)項(xiàng)目見表1。

表1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

5.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)與監(jiān)測(cè)

地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)按常規(guī)布設(shè)，本文主要就成型隧道及支撐系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)及測(cè)量方法做簡(jiǎn)要說(shuō)明[12]。

(1)管片豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)與監(jiān)測(cè)

拱頂、拱底豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置同水平收斂監(jiān)測(cè)，均布置于同一個(gè)斷面(間距5 m)。每個(gè)斷面在隧道頂部、底部位置均布設(shè)2個(gè)測(cè)點(diǎn)，利用管片自帶滑槽將安裝有棱鏡(L型直角)的不同長(zhǎng)度鋼筋安裝于測(cè)點(diǎn)位置的滑槽上。測(cè)點(diǎn)埋設(shè)見圖7。

圖7 下部隧道管片豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置橫斷面(單位：mm)

拱頂(拱底)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每斷面高差250 mm，拱頂(拱底)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均設(shè)置于隧道第4、5根立桿之間，高程遞減(遞增)250 mm、縱向間距5 m設(shè)置，于第4、5根立桿之間(監(jiān)測(cè)點(diǎn)具備全部通視的情況下)安全距離6 m以外架設(shè)全站儀進(jìn)行拱頂(拱底)豎向位移監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)全周期不間斷風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)，及時(shí)反饋數(shù)據(jù)，指導(dǎo)施工。

(2)支撐系統(tǒng)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)與監(jiān)測(cè)

支撐系統(tǒng)位移監(jiān)測(cè)設(shè)置同收斂以及管片豎向監(jiān)測(cè)，均布置于同一個(gè)斷面(間距5 m)。使用定制扣件將安裝有棱鏡(L型直角)的不同長(zhǎng)度鋼筋安裝在每個(gè)斷面的立桿(左起第4根)與橫向(第3根)水平桿件上，各布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)方法同成型隧道位移監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)埋設(shè)見圖8。

圖8 下部隧道支撐系統(tǒng)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)橫斷面布置(單位：mm)

6 施工情況及應(yīng)用效果

施工中地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均未有明顯變化，扣件式滿堂支撐系統(tǒng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)亦未有明顯變化，成型隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，未出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、破損、滲漏、開裂等現(xiàn)象。

盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至上、下部隧道輪廓線交叉位置時(shí)(重疊段小于50%范圍段)，對(duì)下部正線成型隧道的水平、豎向位移影響達(dá)到最大。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，水平、豎向位移累計(jì)均達(dá)到-2～-3 mm，穿越該段時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)適當(dāng)減小推力、扭矩、掘進(jìn)速度，可減少對(duì)下部隧道的擾動(dòng)，保證開挖面的穩(wěn)定。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至上、下隧道洞身重疊段大于50%以上位置時(shí)，水平、豎向位移累計(jì)均為0～-1 mm。在該工況下，雖然隧道施工凈距達(dá)到最小，但盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)對(duì)下部隧道影響遠(yuǎn)小于進(jìn)、出重疊段時(shí)盾體側(cè)向擠壓、擾動(dòng)地層對(duì)下部隧道的影響。此時(shí)，只需根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)適當(dāng)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，平穩(wěn)快速掘進(jìn)即可，但應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)正面土倉(cāng)壓力、盾尾注漿壓力等參數(shù)，防止對(duì)下部隧道密封結(jié)構(gòu)造成損壞，發(fā)生滲漏水等安全質(zhì)量事故。

7 結(jié)束語(yǔ)

采用的注漿＋支撐以及掘進(jìn)控制的全方位、全過程控制措施，減少了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地層的擾動(dòng)，提高了下部成型隧道的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；采用的下部隧道不間斷監(jiān)測(cè)技術(shù)，可實(shí)時(shí)指導(dǎo)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整，在保證重疊段順利上穿的同時(shí)，大大降低了施工安全風(fēng)險(xiǎn)，具有良好的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，為類似近距離上穿成型隧道施工積累經(jīng)驗(yàn)。