駱瑞萍,陳保國(guó),閆騰飛,王程鵬

(1.湖北省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院股份有限公司,武漢 430071； 2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,武漢 430074)

引言

城市地鐵盾構(gòu)穿越近接構(gòu)筑物形式多樣，如下穿、上穿、側(cè)穿，無(wú)論哪種形式穿越近接構(gòu)筑物，都會(huì)產(chǎn)生相互影響[1-3]，涉及到盾構(gòu)施工穩(wěn)定性控制[4，5]。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)穿越近接構(gòu)筑物進(jìn)行了研究，G.Lee等[6]利用數(shù)值方法，探討了盾構(gòu)法施工對(duì)地表及橋梁樁基的影響規(guī)律。張治國(guó)等[7]以上海軌道交通工程為背景，采用三維有限元數(shù)值模擬方法、簡(jiǎn)化理論方法以及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法，對(duì)軟土城區(qū)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)上下交疊穿越近接地鐵隧道的變形規(guī)律進(jìn)行了研究，并提出上下交疊穿越近接地鐵隧道的盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)定規(guī)律以及安全控制技術(shù)措施。姜華龍等[8]以工程實(shí)例為背景，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析，得到了復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)近距離穿越車站的關(guān)鍵技術(shù)措施。祝和意等[9]就盾構(gòu)施工地表沉降原因、地層變形特征及變形機(jī)理、地層變形預(yù)測(cè)進(jìn)行研究，分析了盾構(gòu)施工引起位移的原因與機(jī)理，并提出控制地層變形保護(hù)建筑物的相關(guān)措施。張孟喜等[10]采用數(shù)值模擬結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)方法，解決了全風(fēng)化巖層中盾構(gòu)上穿問(wèn)題注漿壓力合理取值與既有隧道變形控制兩大難題。戴志仁[11]結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)出富水砂卵石地層盾構(gòu)隧道微擾動(dòng)施工關(guān)鍵技術(shù)。文獻(xiàn)[12-13]分別就不同地層下穿地鐵隧道采用MJS工法進(jìn)行預(yù)加固保護(hù)，結(jié)果表明可有效保護(hù)既有線路的安全運(yùn)營(yíng)。楊俊龍等[14]采用數(shù)值模擬結(jié)合實(shí)測(cè)，分析了下穿鐵路橋涵盾構(gòu)參數(shù)的變化規(guī)律、控制方法和橋涵變形效果。文獻(xiàn)[15-17]研究了黃土地區(qū)盾構(gòu)穿越建(構(gòu))筑物工況下的變形控制技術(shù)，分析了影響因素變化規(guī)律。李凱梁[18]采用數(shù)值模擬分析了隧道穿越施工對(duì)既有線路的影響及施工過(guò)程中的地表變形。高繼錦[19]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)及三維數(shù)值分析，研究了地面堆載下的隧道交叉節(jié)點(diǎn)處交叉隧道的受力變形特性。

從目前研究來(lái)看，淤泥層中盾構(gòu)上穿高速地鐵線路的研究尚不成熟[20]，施工中存在很多難題；根據(jù)已有勘察成果資料、原位測(cè)試、室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，深圳地鐵5號(hào)線穿越含有大量觸變性大、強(qiáng)度低的不穩(wěn)定深厚淤泥層，當(dāng)采用盾構(gòu)法穿越淤泥地層時(shí)，易造成地面沉降，難以保證地面周邊構(gòu)筑物的安全，同時(shí)也造成施工成本增加。因此，結(jié)合實(shí)際工程對(duì)淤泥層中盾構(gòu)上穿近接地鐵施工穩(wěn)定性展開(kāi)研究具有重要的意義。驗(yàn)證旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固技術(shù)的有效性，分析得出淤泥層中盾構(gòu)上穿近接地鐵時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的建議值，為此類工程施工提供一定的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和參考價(jià)值。

1 工程問(wèn)題分析

深圳地鐵5號(hào)線位于前海填海造陸區(qū)域，是典型的填海區(qū)淤泥交互地層，主要地層為第四系全新統(tǒng)人工堆填層、海相沉積層、上更新統(tǒng)沖洪積層、殘積層，下伏基巖為加里東期混合花崗巖。沿線場(chǎng)地現(xiàn)狀主要為填?？盏?、道路、在建工地等。地下水主要是受大氣降水滲入補(bǔ)給，并在一定條件下接受海水、河(溝)水的側(cè)向補(bǔ)給，并與二者具較密切水力關(guān)系。第四系孔隙水局部水量較豐富，水質(zhì)易被污染。區(qū)間線路主要從海陸交互相沉積層中穿越，該層含有大量觸變性大、含水量高、強(qiáng)度低的淤泥，面臨很大的施工風(fēng)險(xiǎn)。

深圳地鐵11號(hào)線運(yùn)行最高時(shí)速達(dá)到120 km，屬于國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)運(yùn)營(yíng)的最高時(shí)速地鐵線。地鐵5號(hào)線盾構(gòu)施工小間距上穿11號(hào)地鐵線給其運(yùn)營(yíng)帶來(lái)安全隱患。5號(hào)線盾構(gòu)隧道以8°～10°角度斜上穿11號(hào)線隧道，在4個(gè)上跨段隧道中心線相交位置附近為盾構(gòu)施工對(duì)11號(hào)線影響最不利位置(圖1)。因上穿段地質(zhì)條件復(fù)雜，且5號(hào)線上穿前11號(hào)線已投入營(yíng)運(yùn)，地鐵5號(hào)線與11號(hào)線最小間距2.05 m，11號(hào)線本身存在微裂縫，工程安全風(fēng)險(xiǎn)、施工安全風(fēng)險(xiǎn)均極大，若處置不當(dāng)，將帶來(lái)非常嚴(yán)重的后果。

圖1 盾構(gòu)上穿地鐵11號(hào)線主要影響區(qū)

傳統(tǒng)的組合鋼架臨時(shí)內(nèi)支撐措施加固11號(hào)線，不能對(duì)線路起到長(zhǎng)期保護(hù)作用，且鋼架拆除難度大；盾構(gòu)上穿已運(yùn)營(yíng)地鐵11號(hào)線間距小，盾構(gòu)推進(jìn)控制不當(dāng)可能造成地鐵11號(hào)線隧道管片上浮或下沉，從而偏離設(shè)計(jì)軸線；如果同步注漿跟不上或二次注漿不及時(shí)，可能造成地鐵11號(hào)線管片上浮，管片錯(cuò)臺(tái)；盾構(gòu)施工經(jīng)過(guò)高速地鐵11號(hào)線時(shí)，可能由于同步注漿壓力及注漿量控制不當(dāng)造成地鐵11號(hào)線局部位置被擊穿或加速地鐵11號(hào)線管片滲漏水、管片開(kāi)裂或錯(cuò)臺(tái)。

2 技術(shù)處理措施

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、周邊環(huán)境，提出了旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固技術(shù)，解決上穿11號(hào)線軟弱土層局部加固的難題，從根本上改善地基承載力和變形特征，有利于穩(wěn)定盾構(gòu)姿態(tài)及既有線路結(jié)構(gòu)安全，減少地面沉降、降低對(duì)既有近接地鐵線的影響。

旋噴樁主要針對(duì)盾構(gòu)穿越層土體進(jìn)行加固，漿液通過(guò)高壓旋噴與土體膠結(jié)，以提高穿越層的土體強(qiáng)度，控制地表沉降。袖閥管局部注漿主要針對(duì)上穿既有近接地鐵隧道周圍1 m范圍內(nèi)加固，把具有膠凝和充填性能的混合漿液材料通過(guò)注漿器具在高壓作用下壓入需要加固的局部軟弱地層中，充填既有運(yùn)營(yíng)線路周圍1 m范圍內(nèi)土層的空隙，從而減小局部軟弱土層的滲透系數(shù)及隧道開(kāi)挖時(shí)的滲水量，提高地基強(qiáng)度和自穩(wěn)能力，減少盾構(gòu)施工對(duì)既有近接地鐵線的擾動(dòng)，加固區(qū)域如圖2所示。

圖2 旋噴樁聯(lián)合袖閥管加固剖面(單位：m)

上穿區(qū)既有隧道周圍1 m范圍之外旋噴樁注漿加固，通過(guò)室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)注漿實(shí)驗(yàn)確定加固參數(shù)如下：

(1)旋噴樁采用φ600 mm@450 mm的雙管旋噴樁；

(2)水灰比為1∶1～1∶1.5，采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥；

(3)旋噴樁要求28 d無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu≥1.0 MPa、滲透系數(shù)小于10-6cm/s；

(4)水泥用量≮200 kg/m，漿液噴射壓力25～30 MPa，氣流壓力≮0.7 MPa，提升速度≯10～25 cm/min，透水層需復(fù)噴，復(fù)噴提升速度為100cm/min。

上穿區(qū)既有隧道周圍1 m范圍之內(nèi)采用PVC管材的袖閥管注漿加固，通過(guò)室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)注漿實(shí)驗(yàn)確定加固參數(shù)如下：

(1)袖閥管間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置；

(2)注漿液采用42.5級(jí)普通硅酸鹽水泥，注漿時(shí)按先灌入稀漿后灌入濃漿的原則逐漸調(diào)整水灰比；

(3)開(kāi)環(huán)壓力為0.3 MPa，具體數(shù)值可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整；正常注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa，注漿過(guò)程中通過(guò)注漿泵出漿口處儀表讀數(shù)控制注漿壓力；

(4)注漿次序：每次都必須跳開(kāi)一個(gè)孔進(jìn)行注漿，以防止發(fā)生竄漿現(xiàn)象；

(5)間歇循環(huán)小壓力注漿：全孔段注漿完成后，間歇一段時(shí)間再進(jìn)行第二次注漿，間歇時(shí)間控制在10～30 min。循環(huán)注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa；

(6)注漿次數(shù)：每根樁注漿需2～3次，可據(jù)實(shí)際施工情況進(jìn)行調(diào)整。

3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與結(jié)果分析

3.1 監(jiān)測(cè)內(nèi)容和測(cè)點(diǎn)布置

在地鐵5號(hào)線右線盾構(gòu)上穿11號(hào)線過(guò)程中，對(duì)施工過(guò)程中的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)(土倉(cāng)壓力、注漿壓力、推進(jìn)速度、同步注漿量、出渣量、盾構(gòu)推力)及地表位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)確保并驗(yàn)證了該聯(lián)合注漿加固技術(shù)效果， 并給出了淤泥層中盾構(gòu)上穿近接高速地鐵時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的建議值。

將5號(hào)線右線盾構(gòu)上穿11號(hào)線分為預(yù)警區(qū)、上穿段(11號(hào)右線)、調(diào)整段、上穿段(11號(hào)左線)、警戒消除段5個(gè)階段，如圖3所示。其中，預(yù)警區(qū)為第34～74環(huán)、上跨段(11號(hào)右線)為第75～106環(huán)、調(diào)整段為第107～121環(huán)、上穿段(11號(hào)左線)為第122～146環(huán)、警戒消除段為第147～186環(huán)，并在上穿區(qū)域設(shè)置4個(gè)橫斷面分別對(duì)5號(hào)線右線盾構(gòu)過(guò)程地表豎向位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，每個(gè)斷面設(shè)置了5個(gè)測(cè)點(diǎn)，如圖4所示。同時(shí)引入了三維激光掃描對(duì)11號(hào)線近接地鐵線的收斂位移情況進(jìn)行了自動(dòng)化掃描。右線最大寬度變化平均值為9 mm。結(jié)合收斂位移調(diào)整上穿隧道的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，來(lái)保證既有地鐵11號(hào)線結(jié)構(gòu)安全。

圖3 上穿地鐵11號(hào)線分區(qū)(單位：m)

3.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.2.1 地表豎向位移數(shù)據(jù)分析

如圖5所示，為盾構(gòu)分別掘進(jìn)至第126環(huán)、第130環(huán)、第133環(huán)、第138環(huán)、第142環(huán)、第146環(huán)時(shí)，上

圖4 地表豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置示意

穿區(qū)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面地表豎向位移變化曲線。斷面1為上穿預(yù)警段地表豎向位移，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中地表最大隆起為3 mm，如圖5(a)所示。斷面2為上穿段豎向位移，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，地表最大隆起量在2～3 mm，在5號(hào)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)了沉降，但變化量?jī)H1 mm，如圖5(b)所示。斷面3為調(diào)整段地表豎向位移，在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中地表最大隆起量達(dá)到6 mm，但變化速率不大，較穩(wěn)定，如圖5(c)所示。斷面4為警戒消除段地表豎向位移，地表主要出現(xiàn)隆起，且不超過(guò)3 mm，同樣變化速率較小，如圖5(d)所示。

圖5 盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中地表豎向位移變化規(guī)律

從圖5可以看出，地層經(jīng)加固處理后盾構(gòu)隧道上穿11號(hào)線過(guò)程中隨著盾構(gòu)掘進(jìn)深度的增加，上部地表隆沉基本維持在3 mm范圍內(nèi)浮動(dòng)，只有極少情況下地表隆起5 mm左右。根據(jù)DG/TJ 08—2041—2008《地鐵隧道工程盾構(gòu)施工技術(shù)規(guī)范》[21]可知，盾構(gòu)施工過(guò)程中地表最大隆起和沉降量均在控制范圍內(nèi)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明盾構(gòu)上穿過(guò)程中進(jìn)行旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固對(duì)上部地表沉降控制作用非常明顯，降低了盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表的擾動(dòng)程度，增強(qiáng)了土體的穩(wěn)定性。

3.2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析

如圖6～圖11所示，為右線盾構(gòu)上穿11號(hào)線預(yù)警區(qū)、上穿段、調(diào)整段、上穿段、警戒消除段5個(gè)階段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的變化曲線，從圖6～圖11可以看出，推進(jìn)速度、土倉(cāng)壓力、注漿壓力、注漿量、出渣量、推力在整個(gè)上穿11號(hào)線過(guò)程的變化范圍。

圖6 5號(hào)線右線上穿11號(hào)線盾構(gòu)推進(jìn)速度變化曲線

圖7 5號(hào)線右線上穿11號(hào)線盾構(gòu)土倉(cāng)壓力變化曲線

圖8 5號(hào)線右線上穿11號(hào)線盾構(gòu)同步注漿壓力變化曲線

圖9 5號(hào)線右線上穿11號(hào)線盾構(gòu)同步注漿量變化曲線

圖10 5號(hào)線右線上穿11號(hào)線盾構(gòu)出渣量變化曲線

圖11 5號(hào)線右線上穿11號(hào)線盾構(gòu)推力變化曲線

預(yù)警段地層與上穿段地層基本一致，結(jié)合地面監(jiān)測(cè)情況及上穿11號(hào)線盾構(gòu)參數(shù)監(jiān)測(cè)值，對(duì)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，最后得出盾構(gòu)上穿地鐵11號(hào)線主要施工參數(shù)，見(jiàn)表1。

表1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

4 數(shù)值分析

采用數(shù)值分析軟件對(duì)淤泥中盾構(gòu)上穿近接高速地鐵11號(hào)線進(jìn)行三維仿真模擬，對(duì)比分析旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固效果。

模型幾何尺寸長(zhǎng)、寬、高分別為264，120 m和60 m(圖12)。土層采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)模型，盾殼和管片采用彈性模型、shell單元模擬。底面固定，側(cè)面約束水平位移，模型上表面為地表，取為自由邊界。主要物理、力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。

圖12 數(shù)值分析模型

表2 材料物理力學(xué)參數(shù)

上穿段5號(hào)線埋深7～9 m，穿越淤泥地層；既有的11號(hào)線盾構(gòu)隧道，位于粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化片麻花崗巖地層。

如圖13、圖14所示，地鐵5號(hào)線右線盾構(gòu)上穿近接地鐵11號(hào)線5個(gè)區(qū)間，地層在未加固條件下盾構(gòu)穿越至警戒消除段時(shí)，監(jiān)測(cè)斷面處地表最大沉降值為28.8 mm。地層經(jīng)旋噴樁聯(lián)合袖閥管加固后，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)地表豎向位移的影響明顯減弱，最大隆起量和沉降值均在3 mm左右。

圖13 地表橫斷面豎向位移(未加固)

圖14 地表橫斷面豎向位移(加固后)

圖15 11號(hào)線豎向位移(未加固)

如圖15、圖16所示，地鐵5號(hào)線施工主要造成11號(hào)線隧道上浮，隧道最大上浮位置都發(fā)生在地鐵5號(hào)線左右線隧道交疊處。地層未加固施工完成時(shí)，隧道最大上浮量為12.5 mm；地層經(jīng)加固后，盾構(gòu)施工引起地鐵11號(hào)線隧道上浮量減少至5.6 mm?？芍?，旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固技術(shù)能有效提高地層強(qiáng)度，改善盾構(gòu)施工環(huán)境。

圖16 11號(hào)線豎向位移(加固后)

5 結(jié)論

(1)綜合現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件、周邊環(huán)境，提出旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固技術(shù)，對(duì)既有地鐵線隧道1 m范圍以外采用旋噴樁加固，既有地鐵線隧道周圍1 m范圍內(nèi)采用袖閥管注漿，提高了土體的強(qiáng)度，降低了土體的滲透性，對(duì)線路起到了長(zhǎng)期保護(hù)作用。

(2)根據(jù)地表豎向位移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)可知，盾構(gòu)隧道上穿11號(hào)線過(guò)程中隨著盾構(gòu)不斷掘進(jìn)，上部地表隆沉基本維持在3 mm范圍內(nèi)浮動(dòng)，滿足《地鐵隧道工程盾構(gòu)施工技術(shù)規(guī)范》要求，驗(yàn)證了旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固技術(shù)有效性。

(3)提出淤泥層中盾構(gòu)上穿近接地鐵時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的建議值，在旋噴樁聯(lián)合袖閥管注漿加固技術(shù)條件下，土倉(cāng)壓力、注漿壓力、推進(jìn)速度、同步注漿量建議值分別為0.14～0.20 MPa、0.15～0.2 MPa、25～35 mm/min、6.5～7.0 m3/環(huán)。