王懷東，袁云輝，王二麗

(中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300308)

隨著我國城市軌道交通建設(shè)的日益發(fā)展，新建線路與既有運營線路不可避免存在平面交叉的情況。在建工程中采用盾構(gòu)法下穿或上跨施工，對運營地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生一定不利影響[1-2]。因此，針對相關(guān)風(fēng)險工程開展既有運營隧道的洞外加固技術(shù)研究以及加固案例的經(jīng)驗總結(jié)顯得尤為重要。

研究土體加固對既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，相關(guān)方法以案例實測分析和理論數(shù)值模擬為主。在實測數(shù)據(jù)研究方面，張品等[3]對MJS(metro jet system)水平樁施工期間周圍地層孔壓、隧道附加應(yīng)力和豎向位移進行監(jiān)測分析，獲得MJS水平樁施工對周圍地層及運營隧道的影響規(guī)律。陳仁朋等[4]對MJS水平樁加固在盾構(gòu)下穿既有隧道中的應(yīng)用進行研究，通過室內(nèi)試驗和隧道內(nèi)布點監(jiān)測，研究了MJS水平樁的成樁效果，以及盾構(gòu)掘進時周邊地層與上覆隧道的變形響應(yīng)規(guī)律。唐志輝[5]提出基于強度折減系數(shù)法的地鐵盾構(gòu)隧道近接下穿既有鐵路隧道加固范圍優(yōu)化設(shè)計方法，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證該方法的有效性。李悅等[6]研究了深基坑施工過程中既有地鐵隧道側(cè)方注漿加固對隧道水平收斂的影響。

在有限元分析方面，鐘方杰等[7]采用有限元方法分析了基坑注漿加固面對下方既有地鐵隧道隆起變形及周邊環(huán)境變形的影響。王道遠等[8]采用三維有限差分軟件，對下穿過程進行動態(tài)數(shù)值模擬，獲得不同WSS(無收縮雙液)注漿加固措施下既有線和在建線的位移及變化規(guī)律。

通過采集和對比分析MJS加固既有運營隧道施工過程中各項參數(shù)記錄以及對應(yīng)的隧道變形自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，重點研究該加固工法對盾構(gòu)隧道的影響，驗證其可行性和可靠性，為類似加固工程提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

南京地鐵7號線在出雨潤路站約57 m后須上跨既有運營地鐵2號線(油坊橋站至雨潤大街站區(qū)間)。2號線穿越段里程為K2+393～K2+414，穿越區(qū)段長寬各約為20 m，兩線近垂直井字交叉。新建7號線區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，從永初路站始發(fā)至雨潤路站接收。上跨段盾構(gòu)與既有2號線隧道外皮豎向凈距約為1.5 m。7號線盾構(gòu)上跨2號線節(jié)點剖面關(guān)系如圖1所示。

圖1 7號線盾構(gòu)上跨2號線節(jié)點剖面關(guān)系(單位：m)

1.2 工程地質(zhì)條件

該工程位于南京典型的長江漫灘地貌單元，7號線盾構(gòu)上跨段覆土約8.2 m，開挖上半斷面為②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，下半斷面為②-2b3-4+d3粉質(zhì)黏土夾粉砂層。既有地鐵2號線及即將施工的7號線隧道下半斷面位于②-4d2粉細(xì)砂層中。該層為主要承壓含水層，鉆孔已探明厚度為5.0～18.5 m，層底埋深為21.6～33.0 m。承壓水水頭埋深在地面下2.4～6.6 m，水頭壓力最大可達約150 kPa，具有較高承壓性。

2 MJS加固方案

2.1 設(shè)計方案

南京地鐵2號線區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，管片厚度為0.35 m，寬度為1.2 m。設(shè)計采用“1+2+3”的管片分塊方式，并按“A-B-C”模式進行錯縫拼裝；管片間采用性能等級為5.8級的M30螺栓進行連接，每縱縫布置2個螺栓，共12個環(huán)向螺栓，環(huán)縫縱向螺栓共16個；管片混凝土強度等級為 C50，縱向受力鋼筋采用HRB400級鋼筋。MJS加固平面布置如圖2所示。

圖2 MJS加固平面布置(單位：m)

設(shè)計沿既有2號線縱向采用Φ2 400@1 800 mm MJS工法樁對7號線與2號線相交段隧道進行洞外微擾動加固。加固深度為2號線拱頂上1.5 m至仰拱下3.0 m，平面加固范圍為7號線結(jié)構(gòu)輪廓外不小于9.0 m。MJS加固立面布置如圖3所示。

圖3 MJS加固立面布置(單位：m)

2.2 加固效果分析

既有運營隧道沿軸線縱向加固區(qū)的分布范圍對變形指標(biāo)控制有著重要影響。參考規(guī)范將既有地鐵2號線隧道豎向變形控制值設(shè)定為5 mm。

采用midas GTS巖土與隧道仿真分析軟件進行三維數(shù)值模擬。分別以隧道正上方外擴0.5D、1.0D、1.5D和2.0D為加固區(qū)域，對變形控制效果進行研究，加固區(qū)域如圖4所示。

圖4 加固區(qū)域

加固體及結(jié)構(gòu)材料在數(shù)值模擬時均按彈性材料考慮。材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

采用MJS工法加固既有2號線隧道后，7號線盾構(gòu)上跨既有隧道結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，MJS工法門式加固2號線隧道結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖5 7號線盾構(gòu)上跨既有隧道結(jié)構(gòu)模型

圖6 MJS工法門式加固2號線隧道結(jié)構(gòu)模型

不同縱向加固區(qū)范圍條件下，既有地鐵隧道最終豎向變形量如表2所示。

表2 既有地鐵隧道最終豎向變形量 (mm)

以上跨7號線左右線隧道外皮為基礎(chǔ)，外延加固區(qū)長度大于1.5D范圍，可控制既有運營隧道的最大沉降為4.86 mm(小于5 mm)，徑向最大收斂值為1.04 mm(小于5 mm)，滿足《江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測規(guī)程》(DGJ32/J 195—2015)對隧道結(jié)構(gòu)變形控制的要求。

3 盾構(gòu)隧道MJS加固技術(shù)要求

3.1 盾構(gòu)隧道現(xiàn)狀調(diào)查

采用MJS加固的區(qū)間隧道累計有239環(huán)盾構(gòu)管片(上行線121環(huán)、下行線118環(huán))，將運營期監(jiān)測數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)隧道(內(nèi)徑5.5 m)數(shù)據(jù)進行對比，發(fā)現(xiàn)本區(qū)段上行線水平直徑收斂值與設(shè)計值的差值在19.0～67.2 mm，下行線水平直徑收斂值與設(shè)計值的差值在12.0～68.2 mm，管片均為水平直徑外擴。盾構(gòu)管片水平收斂現(xiàn)狀統(tǒng)計如表3所示。

表3 盾構(gòu)管片水平收斂現(xiàn)狀統(tǒng)計

隧道收斂上、下行線局部變形較大，上、下行線收斂最大值分別為67.2 mm和68.2 mm，其中上行線有120環(huán)收斂值超過2 cm，下行線有117環(huán)收斂值超過2 cm。

同時在MJS加固前對本段隧道結(jié)構(gòu)表觀病害進行普查，地鐵隧道表觀病害統(tǒng)計如表4所示。

表4 地鐵隧道表觀病害統(tǒng)計

為進一步減少MJS加固過程中對既有2號線隧道結(jié)構(gòu)的擾動，須提前對管片采取加強措施，增強整體穩(wěn)定性。

3.2 管片預(yù)加固方案

管片縱向拉結(jié)加固斷面示意如圖7所示。

圖7 管片縱向拉結(jié)加固斷面示意

利用管片的螺栓孔固定槽鋼將受影響區(qū)域管片拉結(jié)為整體。根據(jù)現(xiàn)場隧道內(nèi)管線的安裝情況，對不受管線影響的管片進行80 mm×80 mm方鋼拉結(jié)(個別部位受空間影響，可用寬30 mm、厚5 mm扁鐵)，共拉結(jié)5道螺栓，降低不均勻沉降以減少隧道管片變形及破壞的風(fēng)險。

3.3 MJS加固籌劃

受油坊橋拆復(fù)建及雨潤大街交通導(dǎo)改影響，施工分2個階段進行。第一階段施工靠近油坊橋側(cè)的加固樁(一期)，第二階段施工雨潤大街南側(cè)樁(二期)。根據(jù)相關(guān)施工經(jīng)驗，每臺MJS工法鉆機每天可完成Φ2 400 mm、樁長18～20 m的全圓MJS工法樁1根；可完成Φ2 400 mm、樁長10～12 m的MJS工法樁2根，完成施工需56 d。

施工采用跳樁施工，跳樁間隔4～6 m，相鄰樁施工間隔時間不小于24 h。按照現(xiàn)場施工條件，上跨段MJS加固分兩期施工。第一期施工既有線右線樁，第二期施工既有線左線樁，為保證施工期間既有線隧道兩側(cè)平衡，跳樁樁位沿隧道兩側(cè)設(shè)置。MJS跳樁施工一期按照“先1、2后3、4”的方式跳樁施工，二期按照“先5、6后7、8”的方式跳樁施工。每個施工區(qū)域內(nèi)施工由西向東進行，試樁完成后，先施工半樁再施工整樁。

3.4 MJS加固工藝參數(shù)

該工程的MJS工法樁設(shè)計樁徑為2 400 mm，樁長為25.2 m，單根樁實際成樁時間約210～230 min。MJS工法樁施工工藝參數(shù)如表5所示。

表5 MJS工法樁施工工藝參數(shù)

4 MJS加固地鐵隧道保護監(jiān)測

4.1 監(jiān)測方案

由于在隧道加固和盾構(gòu)穿越施工過程中，地鐵2號線仍需正常運營，因此采用人工與自動化相結(jié)合的方式對既有2號線地鐵隧道結(jié)構(gòu)的垂直位移、水平位移和隧道收斂進行監(jiān)測，2號線地鐵隧道監(jiān)測布點如圖8所示。

圖8 2號線地鐵隧道監(jiān)測布點

根據(jù)《江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測規(guī)程》(DGJ32/J 195—2015)對隧道結(jié)構(gòu)變形控制的要求，MJS加固期間的結(jié)構(gòu)變形控制值如表6所示。

表6 MJS加固期間的結(jié)構(gòu)變形控制值

4.2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

一期施工MJS工法樁自2020年7月13日開始，最后一根樁于2020年8月3日完成，共計施工22 d。二期施工MJS工法樁自2020年10月6日開始，最后一根樁于2020年10月21日完成，共計施工16 d。施工期間以及施工結(jié)束10 d內(nèi)對既有2號線區(qū)間影響段進行監(jiān)測。

一期MJS主要加固既有2號線上行線隧道范圍，本期加固完成后，上行線MJS施工期間隧道累計豎向位移曲線如圖9所示，上行線MJS施工期間隧道累計水平位移曲線如圖10所示，上行線MJS施工期間隧道累計徑向收斂曲線如圖11所示。

圖9 上行線MJS施工期間隧道累計豎向位移曲線

圖10 上行線MJS施工期間隧道累計水平位移曲線

圖11 上行線MJS施工期間隧道累計徑向收斂曲線

二期MJS主要加固既有2號線下行線隧道范圍，本期加固完成后，下行線MJS施工期間隧道累計豎向位移曲線如圖12所示，下行線MJS施工期間隧道累計水平位移曲線如圖13所示，下行線MJS施工期間隧道累計徑向收斂曲線如圖14所示。

圖12 下行線MJS施工期間隧道累計豎向位移曲線

圖13 下行線MJS施工期間隧道累計水平位移曲線

圖14 下行線MJS施工期間隧道累計徑向收斂曲線

由圖9和圖12可知，在既有隧道兩側(cè)跳樁施工MJS工法樁會引起加固的隧道結(jié)構(gòu)有所上浮，施工引起的上行線隧道最大上浮量為0.7 mm，下行線隧道最大上浮量為2.1 mm，為上行線上浮量的3倍；而遠離加固區(qū)的另外一條隧道結(jié)構(gòu)則上浮量較小。由圖10和圖13可知， MJS加固產(chǎn)生的側(cè)向壓力可引起左右線隧道側(cè)向位移，上行線隧道加固過程中兩隧道反向水平位移最大為2.4 mm，下行線隧道加固過程中兩隧道反向水平位移最大為 3.1 mm。由圖11和圖14可知，兩期MJS加固過程中上、下行隧道徑向最大收斂值為2.0～2.5 mm，這與未加固區(qū)段隧道變形量基本一致。

二期MJS加固過程中引起的地鐵隧道位移變形量較一期更大，主要由于二期加固注漿壓力為42 MPa，大于一期注漿壓力的38 MPa；二期倒吸水壓力為15 MPa，小于一期的20 MPa。為控制MJS加固對隧道的變形影響，建議在軟土及粉細(xì)砂地層內(nèi)注漿壓力不宜大于40 MPa，倒吸水壓力至少達到注漿壓力的50%。

5 結(jié)論

針對新建地鐵線路盾構(gòu)穿越既有運營隧道重大風(fēng)險工程，開展MJS加固設(shè)計方案的理論分析并在工程運用中進行加固施工對隧道結(jié)構(gòu)的影響實測研究，主要結(jié)論如下。

(1) 在盾構(gòu)上跨隧道前，采用MJS工法樁的門式加固方案可有效控制盾構(gòu)上跨引起既有隧道上?。谎丶扔兴淼揽v向加固區(qū)范圍至盾構(gòu)外皮1.5倍開挖洞徑即可滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，雖然MJS工法能通過強制排漿較好控制地內(nèi)壓力，但成樁過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示其仍會引起樁體附近盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定上浮和水平位移，而對收斂變形影響不明顯。

(3) 由于本次MJS加固分兩期實施，結(jié)合兩次監(jiān)測變形數(shù)據(jù)及對應(yīng)工藝參數(shù)分析，二期對下行線隧道加固引起的豎向和水平位移均顯著大于一期上行線隧道。建議在軟土及粉細(xì)砂地層MJS成樁注漿壓力不宜大于40 MPa，倒吸水壓力至少達到注漿壓力的50%。

(4) MJS加固樁施工于2020年10月21日完成，于2021年1月2日完成右線盾構(gòu)上跨既有隧道施工、于2021年4月24日完成左線盾構(gòu)上跨既有隧道施工。該工程的順利實施，可為類似盾構(gòu)超近距上跨施工提供指導(dǎo)。