張 凱

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司, 江蘇南京 210008)

隨著國(guó)家城市化步伐的加快及高速鐵路突飛猛進(jìn)的發(fā)展，城市隧道盾構(gòu)施工在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，下穿地下建構(gòu)筑物及既有軌道線路將不可避免[1-3]。張哲[4]對(duì)超大直徑盾構(gòu)隧道下穿棚戶區(qū)沉降控制技術(shù)進(jìn)行了研究，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定最佳水灰配比為0.8∶1，將沉降值控制在15 mm以內(nèi)；張飛[5]以石家莊地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道區(qū)間下穿京石高速鐵路路基段為工程依托，總結(jié)了U型槽沉降特點(diǎn)及合理施工參數(shù)，得出了U型槽沉降控制標(biāo)準(zhǔn)值為5.2 mm的結(jié)論；楊艷玲等[6]通過數(shù)值模擬及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)相結(jié)合方法，對(duì)盾構(gòu)下穿施工擾動(dòng)下頂管隧道最大允許沉降值進(jìn)行了分析，取27 mm為標(biāo)準(zhǔn)值；楊傳坡[7]對(duì)大直徑盾構(gòu)下穿密集管井群的施工參數(shù)進(jìn)行了研究，提出此類工程條件下應(yīng)當(dāng)對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格控制，并建議使用克泥效技術(shù)和高質(zhì)量泥漿；仇文革等[8]以成都地鐵5號(hào)線下穿寶成鐵路咽喉區(qū)為工程背景，使用雙層大管棚結(jié)合地層跟蹤注漿的工法對(duì)地層進(jìn)行加固，保證了施工過程中地表最大沉降在2 mm以內(nèi)。

上述學(xué)者對(duì)隧道盾構(gòu)施工下穿既有建筑物沉降控制進(jìn)行了較為詳細(xì)的說明，在此基礎(chǔ)上，本文依托望京隧道出口段試驗(yàn)段工程，引入具有止水充填作用的環(huán)保材料克泥效，總結(jié)歸納出城市隧道盾構(gòu)施工順利下穿地下車站結(jié)構(gòu)的盾構(gòu)施工參數(shù)，得出一套類似工況下施工參數(shù)控制定額，為日后盾構(gòu)隧道下穿無法拆除或不能及時(shí)拆除的地下建構(gòu)筑物或軌道線路的沉降控制提供依據(jù)。

1 工程概況

新建北京至沈陽鐵路專線望京隧道出口段采用大直徑泥水平衡盾構(gòu)施工，出口段起訖里程DK22+710.7～DK26+550，全長(zhǎng)3 840 m，設(shè)計(jì)為雙單線，如圖1所示，區(qū)段內(nèi)將以近似正交角度穿過北京地鐵15號(hào)線馬泉營(yíng)站。馬泉營(yíng)車站底板埋深約17.2 m，擬建望京隧道設(shè)計(jì)軌面埋深約35 m，其頂部距離馬泉營(yíng)車站底板約9.9 m，距離車站圍護(hù)樁底約3.98 m，距離車站降水井距離不足0.9 m。擬建望京隧道穿越地層主要有細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、黏土，拱頂?shù)貙訛榧?xì)砂，盾構(gòu)掘進(jìn)斷面黏土占比30%，粉細(xì)砂占比70%。

圖1 擬建望京隧道下穿馬泉營(yíng)車站示意

2 試驗(yàn)段及監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

2.1 試驗(yàn)段劃分

在下穿馬泉營(yíng)車站區(qū)段內(nèi)每50 m劃分一個(gè)試驗(yàn)段，本文對(duì)左、右線兩個(gè)試驗(yàn)段進(jìn)行對(duì)比分析，左線試驗(yàn)段一為DK23+220-DK23+170，右線試驗(yàn)段二為右DK23+150-右DK23+100，通過設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)斷面，對(duì)比分析試驗(yàn)參數(shù)。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)段監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置兩種方式：深層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)和地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。深層沉降監(jiān)測(cè)能夠模擬地下車站、出入口、風(fēng)亭底板深度處的沉降變化，地表沉降監(jiān)測(cè)能夠模擬下穿隧道盾構(gòu)施工對(duì)地表沉降的影響范圍及大小。

2.2.1 地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在一個(gè)試驗(yàn)段落內(nèi)每10 m布置一個(gè)斷面，共5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，如圖2所示，以隧道中心往兩側(cè)分別布設(shè)地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，間距分為3 m、3 m、5 m、5 m、10 m、15 m，雙線隧道上方每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)19個(gè)地表沉降觀測(cè)點(diǎn)。

圖2 擬建望京隧道上方地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)

2.2.2 深孔監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

在每個(gè)試驗(yàn)段落的地層深部縱向設(shè)置3個(gè)深層沉降監(jiān)測(cè)斷面，3個(gè)斷面分別模擬地下車站底板(深16.7 m)、出入口底板(深9.6 m)、風(fēng)亭底板(深5.8 m)的沉降值，以隧道中心往兩側(cè)分別布置地層深層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)，間距分別為11.15 m、15 m，雙線隧道上方每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)為5個(gè)地層深層沉降觀測(cè)點(diǎn)(圖3)。

3 試驗(yàn)段沉降控制結(jié)果

3.1 試驗(yàn)段一

試驗(yàn)段一起止里程為DK23+220～DK23+170，試驗(yàn)參數(shù)與實(shí)際施工接近一致，如表1所示。試驗(yàn)掘進(jìn)后，試驗(yàn)段一軸線測(cè)點(diǎn)各階段沉降數(shù)據(jù)如表2所示。

圖3 擬建望京隧道深孔監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置(單位:mm)

通過對(duì)試驗(yàn)段一各監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同一監(jiān)測(cè)斷面上位于盾構(gòu)隧道軸線正上方的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降最大，地層深層沉降觀測(cè)點(diǎn)距離盾構(gòu)隧道越近沉降越大，分析所述：

(1)初始沉降占比13.3%，判斷為泥漿指標(biāo)較低，切口水壓偏低，使泥漿在砂層中未能形成較好的滲透帶和泥膜，地下水滲入開挖倉。為更好的控制沉降應(yīng)提高切口水壓，將泥漿指標(biāo)調(diào)整為相對(duì)密度1.20～1.22，粘度22 Pa·s。

表1 試驗(yàn)段一參數(shù)設(shè)置

表2 試驗(yàn)段一軸線測(cè)點(diǎn)各階段沉降數(shù)據(jù) 單位：mm

(2)脫出盾尾前沉降占比43.79%，判斷為切口水壓偏低，再次驗(yàn)證初始階段中需要提高 切口水壓的論證，同時(shí)盾體通過時(shí)，開挖輪廓面與盾體外殼存在一定錐度空間，盾構(gòu)姿態(tài)過大糾偏等一定程度增加盾殼與地層間的摩擦力與剪切作用，從而導(dǎo)致地表沉降。為更好的控制沉降，將切口水壓增加0.02 MPa，刀盤轉(zhuǎn)速降低0.1 r/min。同時(shí)，注入克泥效3.75 m3，及時(shí)填充開挖直徑和盾體間的空隙。

(3)脫出盾尾10 m沉降占比25.72%，判斷為管片脫出盾尾時(shí)，砂漿注入不及時(shí)，與掘進(jìn)速度不匹配，產(chǎn)生的建筑空隙引起較大的地層損失。為及時(shí)注入足量砂漿，將砂漿注入百分比調(diào)整為150%，注漿壓力提高0.02 MPa。在確保盾構(gòu)機(jī)同步注漿的同時(shí)，勻速穩(wěn)定控制掘進(jìn)速度為20～25 mm/min。

(4)脫出盾尾30 m沉降占比14.88%，判斷為砂漿和易性不達(dá)標(biāo)，漿液太稀，初凝時(shí)間過長(zhǎng)，收縮率過高，會(huì)造成二次沉降。為提高砂漿的和易性，將砂漿稠度適量提高，減少砂漿的初凝時(shí)間。

(5)后期沉降占比2.31%，判斷為盾構(gòu)施工擾動(dòng)土體造成固結(jié)沉降，二次注漿滯后導(dǎo)致地層沉降。為減少沉降，管片脫出盾尾后及時(shí)跟進(jìn)背后二次注漿，適當(dāng)提高注漿壓力、注漿方量及注漿頻次。

3.2 試驗(yàn)段二

試驗(yàn)段二起止里程為右DK23+150-右DK23+100，經(jīng)過試驗(yàn)段一參數(shù)優(yōu)化后，試驗(yàn)段二參數(shù)如表3所示。試驗(yàn)掘進(jìn)后，試驗(yàn)段二軸線測(cè)點(diǎn)各階段沉降數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 試驗(yàn)段二參數(shù)設(shè)置

表4 試驗(yàn)段二軸線測(cè)點(diǎn)各階段沉降數(shù)據(jù) 單位：mm

與試驗(yàn)段一相比，試驗(yàn)段二沉降值均變小，軸線累計(jì)沉降為3.21 mm，較試驗(yàn)段一減少6.1 mm，降幅65.5%。地層深層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降分別為4.29 mm(深5.8 m)、6.16 mm(深9.6 m)、7.79 mm(深16.7 m)，較試驗(yàn)段一分別減少7.6 mm、8.05 mm、8.86 mm，降幅均超過了50%，證明對(duì)盾構(gòu)施工參數(shù)的調(diào)整是正確有效的，分析所述:

(1)初始沉降占比13.9%，地表微隆，判斷泥漿指標(biāo)符合要求，切口水壓適中，形成的泥膜較好，滲透帶及泥膜隔離層較好。

(2)脫出盾尾前沉降占比29.67%，沉降量小，判斷為切口水壓取計(jì)算上限值適中，克泥效對(duì)盾體錐度空間封堵具有很好的效果，為了減小掘進(jìn)過程中的沉降占比，更好的控制沉降，可將克泥效注入量微調(diào)，提高到3.8 m3。

(3)脫出盾尾10 m沉降占比25.16%，注漿量百分比為150%，注漿壓力正常，沉降量小，判斷為漿液和易性符合要求。

(4)脫出盾尾30 m沉降占比25.15%，沉降量小，判斷為砂漿初凝時(shí)間短，且收縮率低，對(duì)地層沉降影響小。

(5)后期沉降占比5.49%，沉降量小，判斷為及時(shí)對(duì)脫出臺(tái)車的管片嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)漿，對(duì)控制地層沉降效果明顯。

4 結(jié)論與建議

本文通過對(duì)望京隧道下穿馬泉營(yíng)地鐵站試驗(yàn)段掘進(jìn)施工的研究，采用對(duì)比試驗(yàn)法優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，得到了良好的效果，能為類似工程提供借鑒。

(1)大直徑泥水平衡盾構(gòu)下穿既有地鐵，盾構(gòu)隧道軸線正上方的沉降最大，地層深層距離盾構(gòu)隧道越近沉降越大。

(2)泥漿指標(biāo)和切口水壓的調(diào)整能形成適合掘進(jìn)的泥膜，滲透帶及泥膜隔離層均較好。

(3)管片脫出盾尾時(shí)，注漿量百分比為150%，掘進(jìn)速度20～25 mm/min時(shí)使得注漿在沉降加速累積之前及時(shí)發(fā)揮作用。

(4)注入克泥效新工藝對(duì)盾體錐度空間封堵具有良好效果，其止水充填作用能及時(shí)控制地層內(nèi)部沉降發(fā)展，本工程建議注入量為3.8 m3。

(5)經(jīng)過本文掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化，軸線累計(jì)沉降為3.21 mm。下一步研究建議繼續(xù)優(yōu)化參數(shù)，以期將軸線累計(jì)沉降控制在2 mm之內(nèi)。