賀望宇
(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設(shè)有限公司, 北京100018)
昆明軌道交通5號線昆明北站站-圓通公園站區(qū)間重疊始發(fā)至北站隧道段左線(下洞)隧頂埋深為27.8m~28.8m;右線19.8~20.8m。5號線隧道主要位于圓礫層中,重疊隧道之間夾層為粉質(zhì)黏土,2號線與5號線之間主要為黏土層,4號線和5號線隧道主要穿越的地層主要為圓礫土層,含水層為圓礫層,粘性土層均為微透水層-弱透水層。地面存在鐵路博物館和北站隧道等重要建(構(gòu))筑物。其中5號線重疊隧道豎向凈距最小僅1.8m,距離云南省鐵路博物館筏板樁基礎(chǔ)最小豎向凈距為5.46m,距離2號線隧底最小豎向凈距為2.36m, 4號線與5號線兩線最小水平凈距為12.2m。距離火車北站隧道路肩支護樁基最小水平凈距為1.3m,各線路位置關(guān)系見圖1,周邊環(huán)境效果圖見圖2。
圖1 昆明軌道交通5號線及緊鄰線路位置關(guān)系
圖2 昆明軌道交通5號線周邊環(huán)境效果
區(qū)間始發(fā)即連續(xù)下穿重要建(構(gòu))筑物,周邊環(huán)境十分復(fù)雜,且試驗段較短,盾構(gòu)施工參數(shù)選擇和沉降控制是本工程的難點。
重疊始發(fā)且重疊距離較長,最小凈間距小于1倍洞徑,上洞施工時如何確保下洞成型隧道質(zhì)量是本工程的難點。
盾構(gòu)隧道施工完成后,如何確保既有線路的后期運營安全是本工程的重難點。
昆明軌道交通2、4、5號線交疊段采用GTS對本工程進行模擬分析,根據(jù)既有2、4、5號線空間相對關(guān)系,根據(jù)地質(zhì)勘察并假定地層在水平方向上均勻分布建立三維有限元模型(圖3)。土體采用實體單元模擬,Mohr-Coulomb準(zhǔn)則計算。既有4、5號線與既有2號線盾構(gòu)隧道管片均采用板單元進行模擬,模擬左右兩側(cè)及前后側(cè)均對法向位移進行約束,對底面的X、Y、Z方向的位移進行約束,剖分圖見圖4。
圖3 GTS數(shù)值模型
圖4 各地鐵線剖分圖
Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則表達式為:
τn=σntgν+c
以不變量表示屈服條件為:
I1為應(yīng)力張量的第一不變量:
I1=σ1+σ2+σ3
J2為應(yīng)力偏張量的第二不變量:
理論分析與實際經(jīng)驗表明,土體彈塑性破壞準(zhǔn)則Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則能較為真實的體現(xiàn)土體的性質(zhì),計算結(jié)果也較為貼近工程實際,參數(shù)選取見表1。
表1 數(shù)值模擬參數(shù)取值
通過地質(zhì)勘察并對比二次補勘分析,圓礫層滲透系數(shù)較大,透水性極強。如采用土壓平衡盾構(gòu)機進行隧道掘進,螺旋機極易發(fā)生噴涌,土壓力波動大,出現(xiàn)超挖,導(dǎo)致地表和建(構(gòu))筑物沉降。區(qū)間隧道自始發(fā)至160余米多為全斷面圓礫層,后段又多以粘性土層為主,粘性土層如采用泥水盾構(gòu)機掘進工效較低,且容易造成泥漿堵管停機。因此使用了土壓/泥水雙模式盾構(gòu)機,見圖5。
圖5 土壓/泥水雙模式盾構(gòu)機示意
倉壓:為確保始發(fā)洞門止水裝置的穩(wěn)定性,上部土艙壓力易控制在0.80~1.20bar進行盾構(gòu)掘進。在封堵洞門完成后,為確定倉壓具體數(shù)值,在掘進完成4環(huán)后,進行長達1.5h的停機,觀察倉壓變化,發(fā)現(xiàn)倉壓在上升到2.1bar后不再上升,判定地下水壓為2.1bar,初步設(shè)定倉壓為2.1bar進行推進,同時加密監(jiān)測頻率,發(fā)現(xiàn)地表和鐵路博物館沉降很小,最大速率僅為-0.3mm。因此下穿過程中采用在掘進時倉壓為2.0bar,臨時停機期間為2.2bar。進排漿流量為580~650m3/h。在刀盤即將到達2號線時提前五環(huán)對2號線進行加密監(jiān)測,并時刻關(guān)注2號線隧道情況,直至刀盤開始進入2號線隧道,發(fā)現(xiàn)2號線隧道、道床及軌道變化很小,繼續(xù)保持原有倉壓進行下穿。
刀盤轉(zhuǎn)速:因隧道范圍內(nèi)含有約1/5的粉質(zhì)黏土,易發(fā)生采石箱堵塞,適當(dāng)提高刀盤轉(zhuǎn)速以減少黏土結(jié)塊,堵塞采石箱。刀盤轉(zhuǎn)速易設(shè)定為1.5~1.8rpm/min。
同步注漿:同步注漿采用單液硬性漿液,漿液具有凝結(jié)時間較短、凝固快、強度尤其是早期強度較高,初凝時間為3h,1d固結(jié)強度不小于0.2MPa,28d不小于2.0MPa。依據(jù)盾構(gòu)機機型,經(jīng)計算開挖理論注漿量為3.34m3,同步漿液量提高控制在6m3注入,根據(jù)監(jiān)測給出的沉降數(shù)據(jù)結(jié)合地勘報告對同步注漿的方量及質(zhì)量實時進行調(diào)整,揭示效果較好。
泥漿指標(biāo):當(dāng)洞門封堵完成,盾構(gòu)機能正常建立土倉壓力后,泥水參數(shù)相對穩(wěn)定。由于地層含有部分黏土層,在掘進過程中泥漿比重會有增大現(xiàn)象出現(xiàn),需要技術(shù)人員及時進行比重檢測、調(diào)整漿液質(zhì)量。泥漿比重1.15~1.18g/cm3,黏土24~26s。
最終獲取的始發(fā)段及下穿段盾構(gòu)掘進參數(shù)見表2、表3。
表2 始發(fā)段掘進參數(shù)
由于左線隧道距離右線隧道間距僅1.8m,在右線隧道掘進之前,需要在左線內(nèi)設(shè)置臨時支撐臺車(圖6)對其進行臨時支撐加固,以確保在右線掘進過程中,左線隧道結(jié)構(gòu)受力安全,臨時支撐臺車長度采用與右線隧道盾構(gòu)掘進同步移動,從而確保左線隧道施工安全,臺車加工長度為12.5m,與右線盾構(gòu)機保持移動一致。從區(qū)間重疊段均采用臺車支撐架進行對左線保護。
表3 下穿段掘進參數(shù)設(shè)定
圖6 隧道支撐臺車示意
下洞盾構(gòu)下穿結(jié)束后,對成型隧道壁外范圍3m擾動土體進行全環(huán)洞內(nèi)注漿加固(圖7),主要利用現(xiàn)有混凝土管片的16個徑向注漿孔,插入直徑32mm、3.55m長的鋼花管對管片壁后土體進行徑向注漿加固,加固范圍為隧道全環(huán),形成加固體厚度為3m。
圖7 鋼花管注漿加固示意
注漿漿液類型采用單液漿,水灰比取0.8~1.0,注漿壓力控制在0.2~0.4MPa。上洞采用長度1.5m的鋼花管進行加固施工。注漿壓力控制在0.2~0.3MPa。
監(jiān)測分為地表、鐵路博物館、北站隧道等建(構(gòu))筑物及軌道交通2號線、4號線隧道內(nèi)的監(jiān)測施工。2號線、4號線施工影響區(qū)段的地表監(jiān)測點每5m布設(shè)1個中線測點,每10m布設(shè)1排(5個點)監(jiān)測斷面點,2、4號線隧道內(nèi)部布設(shè)拱底沉降、凈空收斂、管片結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測點,一組布設(shè)5個點,5號線隧道軸線和2號線隧道交叉點布一個斷面,兩側(cè)5m一個斷面各布設(shè)兩個斷面,外側(cè)10m一個斷面,布設(shè)8個斷面。左、右線分別13個斷面,自動化監(jiān)測共26個斷面。并于2、4號線在下穿前建立監(jiān)測聯(lián)動機制,明確監(jiān)測項目及控制值標(biāo)準(zhǔn),并建立微信群,每天監(jiān)測數(shù)據(jù)共享,進行對比分析,有效的指導(dǎo)盾構(gòu)施工,監(jiān)測曲線見圖8~圖10。
圖8 隧道結(jié)構(gòu)沉降曲線(4號線)
圖9 管片徑向收斂折線示意(2號線)
圖10 隧道管片豎向位移折線示意(2號線)
(1) 通過盾構(gòu)下穿過程的監(jiān)控量測實際數(shù)據(jù)分析,與模擬推算數(shù)值相比較,既有線和建(構(gòu))筑物沉降值減小近1/3,證明盾構(gòu)機選型和該掘進參數(shù)是完全滿足該復(fù)雜線路和不良地質(zhì)地層施工要求的。不但對建(構(gòu))筑物起到了保護作用,也起到了指導(dǎo)盾構(gòu)施工的作用。
(2) 小凈距重疊隧道洞內(nèi)支撐臺車及管片壁后二次補強加固的方法,能夠有效的保障下洞成型隧道質(zhì)量和既有線路的運營安全,證明該施工方法是具有可操作和實施性。
(3) 施工過程中方案的正確比選、盾構(gòu)的明確選型、施工過程的嚴(yán)密監(jiān)控、企業(yè)人員制度的精細(xì)化管理及現(xiàn)場的總體應(yīng)急處置均是盾構(gòu)成功穿越的關(guān)鍵。