楊曉明

（中鐵二十局集團南方工程有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

盾構(gòu)法在地鐵隧道的施工中十分常見，能夠較好地適應(yīng)不同地層條件，在復(fù)雜的地質(zhì)條件下具有明顯的優(yōu)勢。由于盾構(gòu)法對環(huán)境的影響較小，通過有效的控制技術(shù)，能夠降低隧道施工對既有線路的影響[1]。盾構(gòu)隧道的施工無法避免對于既有結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，由于不同的施工條件對盾構(gòu)隧道施工產(chǎn)生的地層位移的影響具有明顯的差異，因此，在下穿既有線路的施工中需要采取相應(yīng)的控制技術(shù)。

1 盾構(gòu)施工設(shè)備選型與參數(shù)設(shè)定

考慮盾構(gòu)隧道下穿既有線施工的地層條件和實際施工環(huán)境情況，盾構(gòu)施工設(shè)備的選型應(yīng)在安全可靠的基礎(chǔ)上進行，同時控制對鐵路既有線運行和土體的擾動影響。合理的盾構(gòu)施工設(shè)備選型，是下穿既有線施工質(zhì)量的保障，因此，在施工設(shè)備選型中，應(yīng)充分考慮施工設(shè)備的性能能夠維持削掘面穩(wěn)定，并滿足線性掘進要求，適應(yīng)工程長度[2]?？紤]到盾構(gòu)隧道的地層具有較大的滲水性，因此本文選擇封閉式盾構(gòu)土壓平衡盾構(gòu)機進行施工。由于本文工程的施工條件較為復(fù)雜，因此盾構(gòu)機刀盤的選型，綜合考慮到復(fù)合的地層條件，采用復(fù)合型刀盤結(jié)構(gòu)適應(yīng)地層的整體掘進，刀盤中的主要配置為單刃滾刀，以此破碎混凝土，并選擇刮刀為輔助刀具，刮落混凝土碎塊，配合螺旋運送機將碎塊運出，以前后滾刀布置，留出破巖臨空面[3]。設(shè)定盾構(gòu)機的總推力在8000～10000kN，刀盤扭矩800～1600kN·m，刀盤轉(zhuǎn)速0.8～1.2r/min，掘進速度20～50mm/min，土倉壓力0.10～0.20MPa，螺旋機轉(zhuǎn)速5～15rpm，出渣量50～60m3。

2 盾構(gòu)施工軸線控制

2.1 盾構(gòu)軸線控制

盾構(gòu)施工過程中，在下穿既有線施工時，必須預(yù)先進行盾構(gòu)姿態(tài)的控制，以避免管片在施工后產(chǎn)生裂縫和滲漏水的現(xiàn)象，另外，還需嚴(yán)格控制軸線偏差在預(yù)警值范圍內(nèi)。首先，將盾體前段水平姿態(tài)控制在+10～30mm 之間，前點姿態(tài)控制在-20～0mm，在使用盾構(gòu)機掘進的過程中，為避免管片受到不均勻的千斤頂應(yīng)力，需要及時對千斤頂壓力進行適當(dāng)?shù)氖湛s調(diào)整[4]。調(diào)整盾構(gòu)機的掘進軌道軸線與隧道管片的軸線重合，控制軸線和夾角度數(shù)變化在0.5%以下；檢查管片的超前量，控制和掌握盾構(gòu)單次糾偏的幅度，姿態(tài)調(diào)整不易過快過大。在糾偏時應(yīng)遵循緩糾慢糾的原則，減少蛇形掘進，并及時調(diào)整糾偏方式，糾偏量控制在每環(huán)5mm 以下，使糾偏均勻穩(wěn)定，避免因糾偏對周圍土體產(chǎn)生過大的影響。若在糾偏過程中的盾構(gòu)姿態(tài)出現(xiàn)波動，應(yīng)該及時制止糾偏，避免情況進一步惡化?？刂沏暯佑透椎男谐滩?，銜接油缸控制盾體趨勢。在糾偏中應(yīng)實時關(guān)注盾構(gòu)施工的軸線趨勢是否好轉(zhuǎn)，防止因盾構(gòu)機掘進過程中的軸線偏差過大，而產(chǎn)生不均勻間隙的情況。上力過大容易栽頭，下力過大容易前點上翹，因此，應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，實時動態(tài)調(diào)整。

2.2 穿越地下管線施工控制

由于研究區(qū)域內(nèi)的地下管線眾多，且埋深深度具有明顯差異，因此，在進行盾構(gòu)下穿施工中，會不可避免地對管線產(chǎn)生影響，為了防止管線出現(xiàn)損壞的情況，應(yīng)將管線沉降值控制在允許范圍內(nèi)，各管線允許的不均勻沉降，見表1 所示。

由表1 可知，地下管線允許的沉降值，針對不同管線與隧道的不同位置關(guān)系，本文對管線破壞進行了預(yù)測，并提出了相應(yīng)的控制技術(shù)。在盾構(gòu)穿越污水管時，應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)正面的切口平衡壓力，實時監(jiān)測切口壓力相關(guān)的施工參數(shù)，避免因平衡壓力值波動對土體造成過多擾動。對下穿區(qū)域雷達進行孔洞探測，使用加強型管片應(yīng)對地鐵運行時的沖擊荷載，結(jié)合地面監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行泥土塑化改造。

表1 管線允許不均勻沉降值

3 注漿加固施工技術(shù)

3.1 同步注漿施工

盾構(gòu)隧道施工注漿，首先控制同步注漿，通過同步注漿進行隧道加固，控制隧道土層間隙和管片裂縫。每環(huán)理論壓漿量為5m3，而實際的注漿量通常高出理論注漿量25%～75%，考慮到上文對于軸線控制進行的姿態(tài)調(diào)整，其具體漿液注入量進行動態(tài)控制，隨時調(diào)整注漿量，注漿速度應(yīng)注意與掘進速度相協(xié)調(diào)。按盾構(gòu)完成一環(huán)1.5m，在掘進時間內(nèi)完成同步注漿，并確定其平均注漿速度[5]?？偨Y(jié)穿越段合理有效的注漿量，避免由于注漿量過多或過少，導(dǎo)致盾構(gòu)機前方隆起問題。同步注漿主要以控制注漿量為主，根據(jù)現(xiàn)場施工的實際情況不斷優(yōu)化注漿參數(shù)，根據(jù)試驗段注入壓力的數(shù)據(jù)，實際的注漿壓力0.1～0.3MPa，注漿壓力要保證漿液克服水土壓力順利注入，又要使隧道土體與管片間隙填充充分。

3.2 二次注漿加固

在盾構(gòu)推進的同步注漿過程中，土層裂隙滲透可能存在一定間隙，在漿液收縮時，也會使地面出現(xiàn)變形，因此應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場的實際情況，通過二次注漿填充管片的建筑空隙。對本文盾構(gòu)隧道施工進行檢測，發(fā)現(xiàn)在完成同步注漿后，局部土體仍存在一定間隙，因此，需要進行二次注漿加固隧道土體。漿液主要為水泥單液漿，若注漿未滿足施工要求，則應(yīng)暫停盾構(gòu)推進，根據(jù)地面監(jiān)測情況進行二次注漿的調(diào)整，從而控制地面出現(xiàn)過大變形量。采用多點位注漿，注漿漿液使用雙液漿，通過隧道襯砌管片吊裝和預(yù)留孔注入，注入速率在20～30L/min，對整備線拱頂部分進行注漿加固。

3.3 隧道施工風(fēng)險控制

對本隧道下穿既有線盾構(gòu)區(qū)間施工進行風(fēng)險評估，本文工程盾構(gòu)機始發(fā)和接收時，難以建立盾構(gòu)土壓，出渣量容易超方，具有重大風(fēng)險，其既有線路及整備風(fēng)險等級，見表2 所示。

表2 下穿既有線及整備風(fēng)險等級表

由表2 可知工程風(fēng)險影響范圍，因此需要控制盾構(gòu)推進情況，避免施工對地表建筑結(jié)構(gòu)安全造成影響。地鐵的運行對軌道間的差異沉降具有嚴(yán)格要求，在掘進作業(yè)前做好勘查，根據(jù)開挖圖的級配以及透水性等參數(shù)確定施工材料，并調(diào)整材料中的砂石土體黏粒含量，為了有效減少砂石間的摩擦力，可向開挖土層中加入泡沫，改變刀盤扭矩。

4 施工監(jiān)測

上行線和下行線盾構(gòu)在掘進過程中需進行現(xiàn)場實時監(jiān)測,本工程設(shè)置的1 處下穿既有線段為試驗段，試驗段長198m，對工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析。控制技術(shù)對試驗段施工產(chǎn)生的土體分層沉降和水平位移，以及地表沉降數(shù)據(jù)。在地表沉降的監(jiān)測試驗段中，每隔20m 布設(shè)1 個監(jiān)測斷面，共10 個斷面，在既有線斷面中，設(shè)置每個斷面5 個監(jiān)測點，在線路相交段的斷面中，布設(shè)水平位移測點和道床測點共2 個，為了避免對隧道頂部的接觸網(wǎng)產(chǎn)生影響，因此在拱頂測點的布設(shè)上，選擇側(cè)拱部位置進行布設(shè)。在分層沉降的每個監(jiān)測面上，在掘進軸線上方和掘進斷面分別設(shè)置1 個監(jiān)測孔，掘進軸線在孔內(nèi)立面設(shè)置2 個監(jiān)測點，掘進斷面的監(jiān)測孔內(nèi)設(shè)6 個監(jiān)測點，通過多點位移計自動進行實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集。對盾構(gòu)施工前，盾構(gòu)掘進時和盾構(gòu)施工后三個時期的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理，選擇68～76 之間的5 個環(huán)號數(shù)據(jù)，具體監(jiān)測數(shù)據(jù)如表3 所示。

由表3 可知，盾構(gòu)隧道試驗段的地表沉降數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定在-5～-16mm 之間，其中，74 環(huán)的累積沉降量最大，為-15.69mm，基本滿足要求，由于地表沉降的預(yù)警值在-15mm，因此，還應(yīng)進一步優(yōu)化。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，盾構(gòu)機在掘進時的盾體位置有一定沉降，刀盤前有少許隆起?？紤]到刀盤隆起和中心易結(jié)泥餅現(xiàn)象，對泡沫系統(tǒng)的管路進行改良，將部分管路的壓注泡沫改為注水，改善渣土流動性，增加中心區(qū)域泡沫注入孔數(shù)量，對土體改良效果如圖1所示。

圖1 推力變化曲線

表3 監(jiān)測數(shù)據(jù)匯總表

由圖1 可知，對比正常施工段與改良段的改良效果發(fā)現(xiàn)，通過本文對土體的改良，采取合理控制措施后，渣土流塑性得到明顯改善，有利用正常排土與盾構(gòu)推進，土倉壓力能夠控制在0.03～0.06MPa 之間，土倉壓力波動明顯減小并趨于穩(wěn)定，減少了泡沫注入量和土體改良的成本。經(jīng)過改良施工后，土倉內(nèi)泥餅現(xiàn)象減少，對刀盤及刀具的保護作用明顯。在復(fù)合底層施工時，由于開挖地層具有一定的自穩(wěn)能力，導(dǎo)致開挖面不能及時收斂，管片在自重作用下容易產(chǎn)生沉降位移，情況嚴(yán)重時會影響管片的襯砌結(jié)構(gòu)，難以保證注漿效果，需要對隧道施工的各個階段進行監(jiān)測與管理，在對施工結(jié)果進行監(jiān)測與質(zhì)量檢驗的過程中發(fā)現(xiàn)，盾體和管片存在50mm 間隙，出現(xiàn)的沉降量較大，將不同環(huán)號的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比顯示，過高的土壓設(shè)置會導(dǎo)致盾構(gòu)前方出現(xiàn)隆起，在盾構(gòu)施工完成后的累積沉降量較大，注漿量和注漿壓力較小的情況下，會導(dǎo)致注漿的不飽滿，進而造成地表較大沉降。因此，在地面施工結(jié)束后，應(yīng)進行土體加固保護，進行二次注漿，控制漿液凝固收縮時產(chǎn)生的間隙以及管片上浮量。在施工完成后，對管片的上浮現(xiàn)象進行復(fù)測，分析盾構(gòu)施工結(jié)束后和二次注漿時的管片上浮量，具體結(jié)果如圖2 所示。

由圖2 可知，根據(jù)復(fù)測結(jié)果，盾構(gòu)管片在上軟下硬地層容易產(chǎn)生管片上浮現(xiàn)象，上浮量在30～50mm 之間。管片上浮主要在盾構(gòu)掘進完成后的脫尾期間，上浮量為20～35mm。經(jīng)過本文方法進行控制與加固后，管片上浮量具有明顯降低，在10～20mm 之間。經(jīng)過復(fù)測，地表沉降量均在15mm 以內(nèi)，滿足盾構(gòu)隧道下穿既有線的施工控制技術(shù)要求，證明本文方法具有安全可靠性。

圖2 管片上浮試驗結(jié)果

5 結(jié)束語

本文通過對盾構(gòu)施工設(shè)備進行選型，設(shè)定相應(yīng)參數(shù)，控制盾構(gòu)施工軸線，進行注漿加固施工，監(jiān)測施工情況，得到監(jiān)測數(shù)據(jù)并分析，取得了一定的研究成果。由于時間和條件的限制，本文研究還存在著諸多不足，有待于在今后的研究中深入探討，如，未涉及到本文盾構(gòu)隧道下穿既有線的安全風(fēng)險評估。隨著我國地下隧道與地質(zhì)環(huán)境越來越復(fù)雜，應(yīng)充分考慮不同地層的土層加固控制，進一步研究盾構(gòu)機始發(fā)到達方式，為地下工程的技術(shù)問題提供新的解決方法，保證盾構(gòu)隧道下穿鐵路既有線施工的安全和質(zhì)量。