王小剛

(中國水利水電第七工程局有限公司,四川 成都 610081)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,城市軌道交通項目建設也逐漸興起,其中盾構施工法因其對周邊環(huán)境影響小、適應范圍廣及施工快速等優(yōu)點[1]在地鐵隧道建設中得到廣泛運用。近年來,城市地鐵建設密度不斷增加,建筑物地下室及基礎工程等地下部分也越發(fā)復雜,尤其在建筑密度很高的一線城市,會不可避免地出現(xiàn)隧道下穿既有重要建(構)筑物。在隧道施工過程中,盾構掘進必然會對周邊地層產(chǎn)生擾動,破壞地層原始的力學平衡,從而造成地層豎向沉降及既有結構變形、內力變化,施工過程中需嚴格監(jiān)測和控制既有結構的變形[2]。因此,針對盾構隧道下穿施工對既有結構的影響引起越來越多的技術人員及學者的重視。

開展盾構隧道下穿施工的研究方法主要包括數(shù)值模擬、室內模型試驗及施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析3方面。阮雷等[3],陳聰?shù)萚4],孫雪兵[5]對盾構施工的全過程進行了數(shù)值模擬,分析了埋深、樁隧凈距等條件下盾構施工對鐵路橋梁結構變形及地表沉降的影響規(guī)律。章慧健等[6]采用數(shù)值模擬方法,基于隧道與建筑物間的夾巖應力狀態(tài)變化趨勢,建立隧道近接建筑物施工的影響分區(qū)。蔡向輝[7-8],賀思悅[9]建立既有鐵路軌道實體模型,探討了盾構下穿施工過程中軌道變形規(guī)律,并分析了不同開挖參數(shù)的影響。王立新等[10-11]進行模型試驗與數(shù)值模擬,分析了隧道開挖過程中高速鐵路路基的地表沉降、上方樁基礎軸力及圍巖徑向應力,并驗證了管幕加固工法的效果。楊林松等[12]通過土工離心機模擬超大直徑盾構下穿鐵路,研究了鐵路沿線及隧道地表的沉降規(guī)律。楊成永等[13],何川等[14],祝思然等[15],崔玉龍[16]結合數(shù)值模擬和現(xiàn)場測試數(shù)據(jù),研究了新建隧道影響下已運營隧道的地層變形、加固措施、隧道位移,提出了盾構隧道近距離下穿已運營隧道的變形控制措施。楊建烽等[17],劉士海等[18],朱蕾等[19],張瓊方等[20]對既有結構變形進行現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析,探究既有隧道在新建隧道盾構下穿過程施工中的沉降控制方法。謝雄耀等[21]結合壁后注漿雷達檢測和自動化監(jiān)測平臺提出了“微沉降”的施工控制技術,對盾構隧道下穿老舊建筑物的地表沉降進行了控制。

上述研究多針對變形規(guī)律與沉降控制,而對于建(構)筑物加固措施、盾構穿越過程中關鍵技術的總結及應用效果的研究較少?；诖?本文以鄭州地鐵8號線五龍口站—同樂站區(qū)間為工程背景,提出工程重難點的同時,對施工過程中加固參數(shù)、盾構施工關鍵技術及實施效果進行總結,以期為類似盾構下穿工程提供借鑒和參考。

1 工程概況

鄭州地鐵8號線五龍口站—同樂站區(qū)間(以下簡稱“五—同區(qū)間”)為8號線一期工程的第10個區(qū)間,位于8號線線路中段。右線長 2 103.329m(含長鏈5.379m),左線長 2 096.363m(含短鏈1.660m)。區(qū)間為V坡,最大坡度為2.4%,最小曲線半徑R=700m,線間距11～32m,隧道拱頂埋深12.3～28.7m。區(qū)間正線隧道采用盾構法施工,支護結構采用C50混凝土、P12抗?jié)B等級的鋼筋混凝土管片襯砌,襯砌環(huán)外徑6.2m,內徑5.5m,寬1.5m,厚0.35m。區(qū)間采用通用楔形管片,管片最大楔形量40mm。管片采用錯縫拼裝方式,每環(huán)管片縱縫采用12個M30連接螺栓,每環(huán)環(huán)縫采用16個M30連接螺栓。

鄭州火車北編組站是亞洲最大的列車編組站,也是五—同區(qū)間盾構隧道下穿施工重點關注的建(構)筑物。該站南北長6 000余m、東西寬800余m, 占地5.3km2,采用雙向縱列式三級六場機械化駝峰編組站站型。區(qū)間隧道以82°的交角下穿鄭州北編組站編組場,其中,隧道穿越鄭州北編組站長度為633m。根據(jù)鄭州北編組站現(xiàn)場調查情況與收集到的相關資料,區(qū)間隧道穿越鄭州北編組站鐵路區(qū)段線上設備主要有軌道、道床、接觸網(wǎng)立柱、接觸網(wǎng)、信號燈等相關專業(yè)設施設備,此外隧道還下穿站內卸貨倉庫等建(構)筑物,如圖1所示。其中,盾構隧道與接觸網(wǎng)立柱基礎的最小豎向凈距約為13.25m,與卸貨倉庫樁基的最小豎向凈距為12.96m。

圖1 鄭州北編組站構筑物分布Fig.1 Distribution of structures in Zhengzhou North Marshalling Station

2 工程水文地質條件

在穿越鄭州北編組站范圍區(qū)間,隧道主要穿越③36,③37黏質粉土地層和③41粉砂地層,鄭州北編組地質斷面如圖2所示,該段隧道拱頂埋深16.7～25.4m。其中③36黏質粉土呈黃褐色,濕,密實,干強度及韌性低,搖震反應中等,稍有黏性,含少量姜石,一般粒徑5～15mm,局部夾粉質黏土薄層,黃褐色,可塑;③37黏質粉土呈黃褐色,濕,中密,干強度及韌性低,搖震反應中等,稍有黏性,含少量姜石,一般粒徑5～25mm,局部夾粉質黏土薄層,黃褐色,可塑,局部姜石富集,一般粒徑5～25mm,最大粒徑55mm;③41粉砂呈褐黃色,飽和,密實,主要礦物成分為長石、石英,含少量云母。

圖2 盾構穿越鄭州北編組站段地質斷面(單位:m)Fig.2 Geological section of shield crossing Zhengzhou North Marshalling Station(unit:m)

本站區(qū)域勘察期間地下水穩(wěn)定水位埋深為8.0～13.2m, 據(jù)調查,本場地地下水年變幅為1.0～2.0m,近3～5年地下水變幅3.0～5.0m,歷史最高水位埋深為1.0m。地下水類型為第四松散巖類潛水,地下水主要賦存于粉土、粉質黏土中,主要由大氣降水入滲、地表滲水、地下水側向徑流等補給,地下水的排泄主要為開采排泄和蒸發(fā)排泄。本區(qū)段未發(fā)現(xiàn)諸如塌陷、巖溶、滑坡、采空區(qū)、地面沉降、地裂縫等不良地質作用。場地地形平坦,不存在天然邊坡。

3 工程重難點

綜合考慮五—同區(qū)間下穿大型編組站的水文地質條件、諸多風險源等因素,本區(qū)段施工過程中存在以下重難點。

1)軟土地層刀盤結餅 五—同區(qū)間隧道穿越鄭州北編組站段地質條件為黏質粉土,在此類地層掘進時,刀盤中心區(qū)和土倉中心區(qū)易形成“泥餅”,產(chǎn)生堵倉現(xiàn)象,造成刀盤轉動負荷加大,排土不暢,甚至停止轉動,同時造成土倉內溫度升高,影響主軸承密封的壽命,嚴重時會造成主軸承密封老化破壞,“泥餅”現(xiàn)象往往會堵塞刀箱,使刀具發(fā)生偏磨。

2)地表沉降控制 在粉質黏土、黏質粉土、粉砂地層條件下,盾構機掘進施工時會產(chǎn)生較大沉降。另外,由于刀盤掘進擾動地層產(chǎn)生超挖,此時同步注漿尚不能補充,易形成空洞。故即使當時不會發(fā)生沉降,但盾構過后地面會陸續(xù)發(fā)生沉降。

3)螺旋機噴涌 盾構穿越鄭州北編組站段地層部分含粉砂層,粉砂層為本區(qū)間的含水層,隧道拱頂?shù)陀诘叵滤痪€,隧道掘進施工有涌水風險。富水粉砂地層中承壓水位高,土倉一旦建壓極易發(fā)生螺旋機出口的噴涌,導致土倉失壓。

4)砂層卡盾磨損 富水粉砂、黏質粉土地層自穩(wěn)性較差,當土倉壓力過低時易發(fā)生坍塌,或在盾體長度范圍內(土倉壓力已不能影響到該區(qū)域)收斂圍裹盾體,由于砂層的摩擦阻力大,盾體所受推阻力很大,易發(fā)生卡盾現(xiàn)象。砂性渣土對刀具及螺旋機的磨損作用強烈。

4 大型編組站線路加固方案

在盾構機穿越鄭州北編組站前,為盡量降低盾構施工對既有鐵軌線路的影響,對鄭州北編組站內外通線、內通線、B7線路扣軌進行加固,加固長度為65m,順鐵路方向兩側各32.5m,采用3-5-3扣軌加固方式,如圖3所示。

圖3 扣軌加固布置Fig.3 Reinforcement layout of rail fastening

其中,外通線、內通線、B7線線路方向為縱梁,垂直于線路方向為橫梁,縱梁采用P50鋼軌,橫梁采用木枕。在線路既有2根混凝土枕間增加1根木枕,采用隔一插一的方法增加木枕,木枕尺寸為320cm×28cm×22cm(長×高×寬),如圖4所示。木枕上放置鋼軌作為縱梁,橫梁與縱梁間隙采用木楔填塊填充,縱梁布置形式為:內通線、外通線、B7線軌道兩外側各采用3根P50軌進行加固,3根軌道采用“正-反-正”方式緊密貼合,順鐵路線路平行布置,距鐵路線路既有軌道448mm。在外通線、內通線、B7線線路軌道正中間采用5根P50軌進行扣軌加固,5根軌道采用“正-反-正-反-正”的方式緊密貼合,順鐵路線路布置。扣軌與橫梁采用U形螺栓連接,螺栓采用φ22圓鋼制成,U形螺栓寬264mm,長472mm,端部80mm為螺紋段,螺紋為M22型,U形螺栓從木枕下方穿過,帶有螺紋端朝上,方便安裝扣板進行緊固;扣板尺寸長477mm,高110mm,在扣板兩側各有φ22螺栓孔,U形螺栓從扣板螺栓孔穿出后,采用2個螺母進行緊固,如圖5所示。

圖4 扣軌加固斷面布置Fig.4 Layout of track fastening section

圖5 扣軌、枕木聯(lián)接Fig.5 Rail fastening and sleeper connection

5 盾構施工關鍵技術

5.1 掘進參數(shù)控制

為確保盾構安全、勻速地穿越鄭州大型北編組站風險源,盾構推進過程中須減少對周邊土體的超挖,避免較大的地層波動,穿越鐵路段施工過程中盾構掘進參數(shù)如表1所示。

表1 掘進參數(shù)設定Table 1 Excavation parameter setting

5.2 渣土改良控制

盾構機在穿越大型鄭州編組站時,由于主要穿越地層為黏質粉土,為穩(wěn)定開挖面,防止刀盤產(chǎn)生泥餅、降低刀盤扭矩,聯(lián)合采用泡沫劑和高分子材料對渣土進行改良。渣土改良添加劑參數(shù)如表2所示。

表2 渣土改良添加劑參數(shù)Table 2 Parameters of additives for soil improvement

在掘進過程中出現(xiàn)刀盤結泥餅現(xiàn)象,采取高分子材料和發(fā)泡劑配合使用預防和解決盾構機在黏土層中的掘進問題。高分子材料的稀溶液也可在黏性土中使用,其能在渣土表面形成一層韌性高分子膜,具有極好的潤滑性能,可防止土倉內結泥餅,使黏土成塑性流動,減少刀具和皮帶的磨損。實際使用時,砂礫層中建議按0.2%～0.5%的比例稀釋,注入率為10%～20%;在黏性土中建議按0.03%～0.1%的比例稀釋,注入率為25%～40%。當與其他外加劑配合使用時,可酌量增減。

5.3 出土量控制

為保證開挖面及土倉的土壓平衡,盾構機推進過程中須嚴格控制螺旋輸送機的出土量。本區(qū)段盾構掘進地層主要為黏質粉土地層,根據(jù)前期掘進出土測取經(jīng)驗值,盾構掘進理論出土量為48.83m3/環(huán),每環(huán)理論出土量乘松散系數(shù)1.15～1.2,為56.1～58.6m3。須嚴密觀測每環(huán)出渣量,在土斗裝土時密切關注攝像頭和土車滿載/空載信息,以便及時停止螺旋輸送機。土車裝土前,應觀察渣車內剩余土量,掘進后觀察滿斗裝載量,以估算出土量。龍門式起重機裝有稱重系統(tǒng)來精確計算出土量,做好記錄,出現(xiàn)異常情況及時匯報并分析原因。同時也應注意檢查皮帶機的皮帶張緊力,若松弛要及時調節(jié)。當發(fā)現(xiàn)土體狀況不良時,可通過加入泡沫或膨潤土調節(jié)。

掘進時還須配合地面監(jiān)測,及時調整掘進參數(shù),使盾構安全平穩(wěn)推進。同時加強盾構掘進尺與出土量的對比,避免超量出土。

5.4 同步注漿控制

盾構推進過程中,同步注漿壓力應略大于該地層位置的靜止水壓力,同時避免漿液進入盾構機土倉中,一般而言,注漿壓力取1.1～1.2倍的靜止水壓力。最初的注漿壓力是根據(jù)理論靜止水壓力確定的,在實際掘進過程中需不斷優(yōu)化調整。若注漿壓力過大,會導致管片變形,還易漏漿;若注漿壓力過小,則漿液無法滲入巖層裂隙中,止水效果差。

由于從盾尾圓周上多點同時注漿,考慮到水壓力的差別和防止管片大幅度下沉和浮起的需要,各點的注漿壓力將不盡相同,并保持合適的壓差,以達到最佳效果。下部每孔的壓力比上部每孔的壓力大0.5～1bar。在盾構穿越鄭州北編組站時,上部注漿壓力為2～2.5bar,下部注漿壓力為3～3.5bar,同步注漿配合比為:水泥∶砂∶粉煤灰∶膨潤土∶水(kg/m3)=160∶800∶400∶66∶533。

另外,同步注漿速度應與掘進速度相匹配,按盾構完成1.5m/環(huán)掘進的時間內完成當環(huán)注漿量來確定其平均注漿速度,達到均勻注漿的目的。注漿結束標準采用注漿壓力和注漿量雙指標控制,即當注漿壓力達到設定值,注漿量達到設計值的95%以上時,即可認為滿足質量要求。通過監(jiān)控量測對本設計參數(shù)進行優(yōu)化,使注漿效果更佳。注漿效果檢查主要采用分析法,即根據(jù)壓力-注漿量-時間曲線,結合管片、地表及周圍建筑物量測結果進行綜合評價。

5.5 二次注漿

根據(jù)區(qū)間圖紙設計,盾構穿越鄭州北編組站隧道每環(huán)管片增設10個注漿孔,施工過程中根據(jù)監(jiān)測情況及時進行二次補漿,以限制地層沉降,確保鐵路路基的安全。

盾構推進時同步注漿的漿液在填補建筑空隙時可能會存在一定間隙,且漿液的收縮變形也可能引起地面沉降。為控制土體后期沉降量,應根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行二次注漿,結合現(xiàn)場施工及監(jiān)測情況對漿液配合比進行動態(tài)調整,保證漿液能快速充填密實,并在較短時間內達到一定強度。

管片脫出盾尾后,需及時對隧道頂部135°范圍內的預留注漿孔進行二次補償注漿,隔斷地下水向刀盤方向流動的路徑,填充同步注漿未能填充到的建筑空隙。

二次注漿主要有單液漿和雙液漿2種注入方案,單液漿一般采用水∶水泥=1∶1(質量比)的水泥漿液,手動控制;雙液漿采用水泥漿∶水玻璃=1∶1(體積比)的混合漿液。注漿壓力控制在3～5bar,注漿量為0.5～1.2m3/環(huán)。施工時應通過現(xiàn)場試驗調整注漿壓力確保注漿擴散半徑。注漿時機應控制在距開挖面20m左右。

5.6 克泥效工法

為確保盾構順利下穿,并保證地面安全,避免地面不均勻沉降,預防建筑物、鐵路的沉降變形、開裂等。根據(jù)設計要求對該下穿段采用克泥效工法降低地表沉降風險。在試驗段同步注入克泥效,及時填充開挖形成的間隙,保證上方土體穩(wěn)定,從而降低第3階段盾構掘進擾動引起土體自然下沉及后續(xù)沉降的風險,并通過沉降數(shù)據(jù)及時調整注入?yún)?shù),為后期進入風險源時提供經(jīng)驗與參數(shù)參考。

克泥效工法是將高濃度的泥水材料(“克泥效”水溶液,常用濃度為380～420kg/m3)與塑強調整劑(水玻璃40°Be′)2種液體分別以配管壓送到盾體徑向孔處,再將2種液體以體積比20∶1的比例混合,形成高黏度塑性、具有支撐力的擋水性膠化體后,在盾構機掘進過程中同步注入到盾體外,填充盾體與土體間的間隙,有效控制盾構推進時所引起的第3階段沉降,輔助第4階段沉降控制。

根據(jù)區(qū)間地質條件,下穿鄭州北編組站隧道穿越范圍內主要為黏質粉土地層,本站區(qū)域勘察期間地下水穩(wěn)定水位埋深8～13.2m,注入率為150%。因此注入克泥效應既能填充開挖面與盾體間間隙,又能將對地層的影響降低到最小。

5.7 施工實施成果

鄭州市軌道交通8號線五—同區(qū)間盾構下穿鄭州北編組站過程中,地表豎向累積變化最大值為 -4.76mm, 水平累積變化最大值為-1.88mm;內外通線豎向累積位移最大變化區(qū)間為-4.85～3.54mm,水平累積位移最大變化區(qū)間為-3.80～2.89mm;B7線路豎向累積位移最大變化區(qū)間為 -4.78～0.73mm, 水平累積位移最大變化區(qū)間為 -2.29～1.44mm; 接觸網(wǎng)桿支柱的傾斜累積變化區(qū)間為-0.11%～0.14%,小于0.3%的預警值;最大沉降 -2.97mm。 上述累積變化值均符合設計要求,下穿區(qū)間對鐵路運營均未產(chǎn)生影響。

6 結語

盾構隧道在穿越大型鐵路編組站時,首先通過大型編組站線路的扣軌加固減小了盾構掘進對既有運營鐵路軌道的影響;隨后通過控制盾構施工過程中的土倉壓力、推力、扭矩、掘進速度、刀盤轉速等掘進參數(shù),進一步減小土體擾動,并根據(jù)地層沉降變化及時調整盾構施工參數(shù);最后結合渣土改良、出土量控制、同步注漿、二次注漿及克泥效工法及時控制隧道周邊地層變形。采用上述措施大大降低了施工風險,保證了盾構穿越大型鐵路編組站的施工安全。