李志華　陶　冶　鐘長(zhǎng)記

(1.上海天佑工程咨詢有限公司，上?！?00092; 2.華中科技大學(xué)　土木學(xué)院工程管理研究所，武漢　430074)

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盾構(gòu)空推穿越提前暗挖段對(duì)既有隧道的影響分析

李志華1陶冶2鐘長(zhǎng)記2

(1.上海天佑工程咨詢有限公司，上海200092; 2.華中科技大學(xué)土木學(xué)院工程管理研究所，武漢430074)

為解決武漢地鐵六號(hào)線某區(qū)間隧道下穿2號(hào)線既有車站的問(wèn)題，對(duì)下穿2號(hào)線區(qū)段采用提前暗挖施工的方法。本文介紹了施工過(guò)程中盾構(gòu)穿越提前暗挖段所存在的一系列問(wèn)題對(duì)應(yīng)的解決方案，并通過(guò)分析施工過(guò)程中2號(hào)線的軌面沉降和既有車站建筑物沉降情況進(jìn)行分析采用盾構(gòu)空推對(duì)既有隧道的影響程度。本文以武漢軌道交通六號(hào)線某地鐵隧道為依托，系統(tǒng)地分析了提前采用暗挖法穿越既有隧道，之后采用盾構(gòu)空推。在此基礎(chǔ)上，從既有軌道的軌面沉降和車站建筑物累積沉降兩方面探討了盾構(gòu)空推穿越暗挖段的效果。本工程還采用專門的降水及加固方案減小施工過(guò)程中對(duì)既有線路運(yùn)營(yíng)帶來(lái)的影響，同時(shí)為類似工程提供有益參考。

盾構(gòu)施工； 暗挖法； 盾構(gòu)空推

引言

地鐵盾構(gòu)法施工由于其對(duì)周圍環(huán)境影響小、施工速度快、工程質(zhì)量?jī)?yōu)良、施工安全環(huán)保、適用范圍廣等優(yōu)勢(shì)[1]，在城市地鐵隧道中正扮演者越來(lái)越重要的角色。但隨著地鐵線路的增加，不同線路之間必然會(huì)出現(xiàn)線路交叉的問(wèn)題，在修建新的地鐵線路的同時(shí)又不影響既有線路的運(yùn)營(yíng)這一問(wèn)題逐漸凸顯。

武漢市軌道交通6號(hào)線某區(qū)間下穿2號(hào)線既有站點(diǎn)，為了不影響2號(hào)線的正常運(yùn)營(yíng)，采用提前暗挖然后盾構(gòu)空推的施工方案。受隧道空間和設(shè)備的限制，空推段掘進(jìn)相對(duì)土層掘進(jìn)工藝更復(fù)雜，成型隧道質(zhì)量更難控制[2-4]。本文將從盾構(gòu)過(guò)空推段遇到的主要風(fēng)險(xiǎn)提出針對(duì)性的技術(shù)措施，用于指導(dǎo)采用類似工法的盾構(gòu)施工。

1　工程概況

武漢市軌道交通6號(hào)線某區(qū)間隧道右線長(zhǎng)792.1m、左線長(zhǎng)781.6m，采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間右線由大里程段向小里程段方向掘進(jìn)，左線由小里程段向大里程段方向掘進(jìn)?，F(xiàn)場(chǎng)平面圖如圖1所示。

圖1　武漢地鐵6號(hào)線某區(qū)間平面圖

該區(qū)間下穿2號(hào)線，為了不影響2號(hào)線的正常運(yùn)營(yíng)，下穿2號(hào)線的區(qū)段已提前暗挖施工，以截除影響區(qū)間隧道盾構(gòu)穿越的6根抗拔樁。暗挖預(yù)埋段右線長(zhǎng)57.55m； 左線長(zhǎng)71m。隧道拱頂埋深18m，隧道頂距2號(hào)線車站底板為6.5m。

預(yù)埋段隧道前期只施作了初支和二襯，未施做防水，盾構(gòu)機(jī)空推拼裝管片通過(guò)。預(yù)埋段小里程端橫通道凈寬3米，暗挖隧道內(nèi)徑6 580mm，初支采用350mm厚鋼筋格柵砼，二次襯砌采用300mm厚C30鋼筋砼，大里程預(yù)埋段端頭為上口寬3m下口寬9.58m的正梯形C20素混凝土墻。盾構(gòu)機(jī)外殼直徑為6 460m，盾體與暗挖二襯間留有60mm縫隙以便盾構(gòu)機(jī)空推通過(guò)。

盾構(gòu)機(jī)空推穿越前，需先完成預(yù)埋段兩端頭土體的旋噴加固，并破除小里程端橫通道的初支和二襯以及大里程端的素混凝土封堵墻，破除前需進(jìn)行端頭降水施工。該預(yù)埋段隧道左線兩端頭采用Φ800@500mm三重管高壓旋噴樁進(jìn)行地面垂直加固； 右線兩端由于無(wú)法提供地面施工條件，采用洞內(nèi)水平注漿加固。

表1　工程地質(zhì)分層特征表

盾構(gòu)穿過(guò)預(yù)埋段的整個(gè)施工過(guò)程中，需對(duì)已運(yùn)營(yíng)的2號(hào)線軌面進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以確保2號(hào)線的運(yùn)營(yíng)安全。某與2號(hào)線既有車站的位置關(guān)系圖見(jiàn)圖2、圖3。

圖2　預(yù)埋暗挖隧道與2號(hào)線既有車站平面示意圖

本區(qū)間所處地形起伏不大，地面標(biāo)高20.50m左右。本工程所處地層和巖性如表1所示，自上而下為：填土層及第四系填土層、Ⅱ級(jí)階地堆積平原區(qū)、下伏基巖。預(yù)暗挖段隧道穿越地層主要為10-2粉質(zhì)粘土、11粘土、11b粉質(zhì)粘土。根據(jù)勘察資料顯示，擬建場(chǎng)地主要發(fā)育上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水三種類型地下水。預(yù)暗挖隧道穿越地層富含承壓水。

圖3　預(yù)埋暗挖隧道與2號(hào)線既有車站空間示意圖

2　施工中的困難與解決方案

本區(qū)間采用兩臺(tái)中鐵裝備生產(chǎn)的復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)CET6400先后始發(fā)掘進(jìn)。首先對(duì)預(yù)埋段內(nèi)的積水進(jìn)行抽排，然后對(duì)預(yù)埋暗挖斷大小里程端頭進(jìn)行加固，盾構(gòu)到達(dá)預(yù)埋段前，進(jìn)行洞門鑿除，之后洞門空推過(guò)與埋暗挖段，最后盾構(gòu)進(jìn)行二次始發(fā)，本區(qū)間穿越暗挖段具體施工流程如圖4所示。

圖4　盾構(gòu)穿越暗挖段施工工藝流程圖

2.1施工過(guò)程中的技術(shù)難點(diǎn)

本工程盾構(gòu)穿越預(yù)埋暗挖段時(shí)，存在以下施工難點(diǎn)：

(1)因既有路面情況，小里程端頭無(wú)法進(jìn)行地面加固，只能進(jìn)行洞內(nèi)水平加固；

(2)大小里程段洞門鑿除時(shí)，容易發(fā)生樁間涌水涌泥事故；

(3)盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)及推力控制；

(4)盾構(gòu)機(jī)在預(yù)埋段隧道內(nèi)空推掘進(jìn)時(shí)，由于盾構(gòu)機(jī)前方阻力很小，管片易錯(cuò)臺(tái)、滲漏；

(5)盾構(gòu)機(jī)過(guò)空推段時(shí)易產(chǎn)生“掉頭”等不利現(xiàn)象，線型控制困難。

2.2預(yù)埋段區(qū)間端頭加固

(1)右線端頭水平加固

本區(qū)間預(yù)埋段區(qū)間右線位于路面正下方，兩端頭無(wú)地面施工條件，因此采用Φ800@600mm三重管高壓旋噴樁進(jìn)行洞內(nèi)水平加固。高噴加固盲區(qū)采用水平注漿補(bǔ)充加固，施工孔位布置為：沿隧道邊緣一圈環(huán)向布置，間距500mm設(shè)置，共38個(gè)孔，孔位布置圖見(jiàn)圖4，保證隧道結(jié)構(gòu)外3m范圍土體能被有效加固，小里程端加固長(zhǎng)度為10.5m，大里程端加固長(zhǎng)度為9m。

(2)左線端頭垂直加固

圖5　水平加固孔位布置圖

左線兩端頭采用Φ800@500mm三重管高壓旋噴樁進(jìn)行地面垂直加固，第一排旋噴樁與端頭圍護(hù)結(jié)構(gòu)搭接不小于300mm。土體加固范圍為隧道結(jié)構(gòu)及結(jié)構(gòu)四周邊緣以外3m范圍，小里程端加固長(zhǎng)度為10.5m，大里程端加固長(zhǎng)度為9m。

2.3洞門鑿除施工

洞門鑿除施工順序如下：

小里程端：破除初支表面砼→割除初支鋼筋格柵→破除初支剩余砼→破除二襯表面砼→割除二襯鋼筋網(wǎng)→破除二襯剩余砼→清理廢碴。

大里程端頭：破除素混凝土墻→清理廢碴。

洞門采用人工風(fēng)鎬鑿除，將洞門劃分為9部分，鑿除時(shí)按編號(hào)順序先下后上、先兩側(cè)后中間(先短樁后長(zhǎng)樁)進(jìn)行作業(yè)，利于突發(fā)狀況下的人員疏散，鑿除前采用鋼管腳手架搭設(shè)工作平臺(tái)。洞門鑿除順序見(jiàn)圖6。

圖6　洞門鑿除順序示意圖

2.4盾構(gòu)空推過(guò)預(yù)埋段隧道施工

2.4.1盾構(gòu)進(jìn)隧道前的準(zhǔn)備

1)導(dǎo)臺(tái)施工

導(dǎo)臺(tái)厚度60mm，采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆，導(dǎo)臺(tái)弦長(zhǎng)3230mm，導(dǎo)臺(tái)詳見(jiàn)圖7。

2)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)姿態(tài)控制

在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)預(yù)埋段隧道前的100m、50m時(shí)應(yīng)分別人工復(fù)測(cè)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，及時(shí)糾正偏差，確保盾構(gòu)機(jī)順利進(jìn)入接收段。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入預(yù)埋段隧道前的25m作為盾構(gòu)機(jī)到達(dá)段，根據(jù)地質(zhì)條件采用敞開(kāi)模式掘進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入到達(dá)段時(shí)，逐步減小推力、降低推進(jìn)速度，并加強(qiáng)出土量的監(jiān)控頻次。刀盤轉(zhuǎn)速為1.65～1.85r/min，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)總推力小于800t，推進(jìn)速度不大于25mm/min。盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入預(yù)埋段隧道前的最后3環(huán)采掘進(jìn)速度控制在15mm/min以內(nèi)，總推力減少為600t以內(nèi)，采用小推力、低速度進(jìn)入預(yù)埋段隧道。

圖7　導(dǎo)臺(tái)斷面圖

2.4.2預(yù)埋段隧道內(nèi)的空推

根據(jù)刀盤與導(dǎo)向平臺(tái)之間的關(guān)系，調(diào)整各組推進(jìn)油缸的行程，使盾構(gòu)姿態(tài)沿設(shè)計(jì)線路方向推進(jìn)。前期施工時(shí)推進(jìn)速度一般控制在15～40mm/min之間，工藝熟練后推進(jìn)速度可達(dá)到60～85mm/min，下部油缸壓力略大于上部油缸壓力。同時(shí)派專人在盾構(gòu)機(jī)前方檢查、監(jiān)測(cè)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)情況。

豆礫石填充采用濕噴機(jī)在刀盤前面噴射，濕噴機(jī)噴射速率應(yīng)達(dá)到每小時(shí)6～9m3。噴射豆礫石時(shí)，每隔4.5m在盾構(gòu)機(jī)的切口四周用袋裝砂石料圍成一個(gè)圍堰，圍堰范圍不小于2： 00～10： 00的時(shí)鐘位置，以防管片背后的豆礫石、砂漿前竄。從刀盤前方向盾構(gòu)后方吹入粒徑5～10mm的豆礫石骨料，噴射壓力為0.25～0.3MPa。噴射豆礫石過(guò)程中，非操作人員不得進(jìn)入工作面，以免飛石傷人。

同步注漿采用水泥砂漿。漿液初凝時(shí)間為8h，終凝時(shí)間為10.5h，施工時(shí)根據(jù)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過(guò)程中漿液的流動(dòng)情況，適當(dāng)調(diào)整漿液膠凝時(shí)間。同步注漿時(shí)盾殼外圍是敞開(kāi)的，壓力變化不大，不以壓力作為注漿結(jié)束的控制標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)注漿量達(dá)到理論注漿量的80%以上時(shí)，即可結(jié)束注漿。在盾構(gòu)機(jī)管片安裝10環(huán)后，每間隔6m(4環(huán)管片)在管片注漿孔處開(kāi)口檢查注漿效果。

根據(jù)管片間滲漏水情況，采用二次注漿泵進(jìn)行注漿堵水。漿液采用水泥-水玻璃雙夜?jié){。漿液配比水泥：水玻璃為1： 1，注漿壓力為0.2～0.3MPa，注漿流量不大于10L/min。注漿結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)采用注漿壓力單指標(biāo)控制。

3　施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

為了確保地鐵2號(hào)線的運(yùn)營(yíng)安全，在盾構(gòu)過(guò)預(yù)埋段工程的整個(gè)施工過(guò)程中，采用靜力水準(zhǔn)儀對(duì)軌面進(jìn)行自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.1監(jiān)測(cè)方案

監(jiān)測(cè)的目的在于掌握施工過(guò)程中各種可能出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，及時(shí)分析、處理監(jiān)測(cè)所反饋的信息，并根據(jù)監(jiān)測(cè)信息指導(dǎo)施工，調(diào)整頂進(jìn)參數(shù)，確保周邊環(huán)境的安全，保證整個(gè)工程安全順利地進(jìn)行。盾構(gòu)穿越暗挖段期間的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目理論上主要為地表沉降、建筑物沉降與傾斜，共計(jì)2個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。

圖8　2號(hào)線軌面部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置圖

盾構(gòu)正在掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)實(shí)時(shí)觀測(cè)軌面沉降變化情況，當(dāng)量測(cè)結(jié)果出現(xiàn)反?；蛭ｋU(xiǎn)信息時(shí)，應(yīng)立即采取緊急處理措施，必要時(shí)停止施工，做好相關(guān)的防范工作，避免出現(xiàn)意外。

3.22號(hào)線既有車站軌面沉降影響分析

主要取盾構(gòu)空推暗挖段前到推完后軌面監(jiān)測(cè)點(diǎn)GMC01～GMC3中0的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)說(shuō)明其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，具體取2015年4月2號(hào)到2015年5月16日這一時(shí)間段的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析。累計(jì)沉降變化情況時(shí)序曲線如圖9所示。

圖9　第三監(jiān)測(cè)2號(hào)線軌面累計(jì)沉降時(shí)序曲線圖

此時(shí)間段的監(jiān)測(cè)頻率大致為1次/3天，通過(guò)數(shù)據(jù)反映的情況，盾構(gòu)空推前后對(duì)2號(hào)線軌面沉降影響較小，最大累計(jì)值為0.9mm。

3.32號(hào)線既有車站建筑物沉降影響分析

再取2號(hào)線既有車站建筑物來(lái)進(jìn)行沉降分析。仍然選取2015年4月2號(hào)到2015年5月16日這一時(shí)間段的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行分析。相應(yīng)的各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降變化情況如圖10所示。

圖10　2號(hào)線既有車站建筑物累計(jì)沉降時(shí)序曲線圖

此時(shí)間段的監(jiān)測(cè)頻率大致為1次/3天，通過(guò)數(shù)據(jù)反映的情況，盾構(gòu)空推前后對(duì)2號(hào)線軌面沉降影響較小，最大累計(jì)值為-2.9mm。此建筑物累計(jì)沉降量遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有超過(guò)預(yù)警值，其安全狀態(tài)良好[5-7]。根據(jù)對(duì)2號(hào)線軌面和既有車站建筑物沉降進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)空推預(yù)埋暗挖段時(shí)，對(duì)暗挖段上方2號(hào)線運(yùn)營(yíng)軌道和車站建筑物影響較小。

4　結(jié)論

結(jié)合武漢市軌道交通6線一期工程某區(qū)間下穿2號(hào)線既有車站預(yù)埋暗挖段情況，對(duì)盾構(gòu)穿越既有軌道線施工技術(shù)進(jìn)行綜合的風(fēng)險(xiǎn)控制分析，有利于施工的正常有序進(jìn)行，同時(shí)還可以為將來(lái)類似的工程提供施工經(jīng)驗(yàn)，具有重要的指導(dǎo)意義，通過(guò)分析得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1)在施工過(guò)程中，對(duì)施工的周邊環(huán)境進(jìn)行有效的保護(hù)，對(duì)施工技術(shù)方面采取符合實(shí)際水文地質(zhì)概況的應(yīng)對(duì)措施，這樣可以對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)起到一個(gè)良好的控制作用；

(2)對(duì)沉降控制要求比較嚴(yán)格的建構(gòu)筑物，應(yīng)采取監(jiān)測(cè)精度小，能連續(xù)進(jìn)行觀測(cè)的儀器，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)觀測(cè)對(duì)其施工過(guò)程將要出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行一個(gè)很好的反饋，并能讓現(xiàn)場(chǎng)施工人員能及時(shí)采取處理措施，可以有效的避免險(xiǎn)情的發(fā)生；

(3)盾構(gòu)穿越既有軌道線時(shí)，提前施作暗挖預(yù)埋段相對(duì)進(jìn)行地基加固方案，在盾構(gòu)穿越時(shí)對(duì)地層擾動(dòng)較小，對(duì)既有線的影響也較小，能保證既有線運(yùn)營(yíng)安全；

(4)盾構(gòu)穿越暗挖預(yù)埋段時(shí)，因?yàn)榇嬖诙磧?nèi)接收和始發(fā)情況，相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較高，因而端頭加固質(zhì)量，加固方式應(yīng)嚴(yán)格考慮，降水方案選擇也應(yīng)考慮對(duì)既有軌道線路的影響。

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Influence of Empty Shield Tunneling Segment Pushed Ahead through on the Existing Tunnel

Li Zhihua1，Tao Ye2，Zhong Changji2

(1.ShanghaiTianyouEngineeringConsultingCo.，Ltd.，Shanghai200092，China； 2.SchoolofCivilEngineering&Mechanics，HuazhongUniversityofScience&Technology，Wuhan430074，China)

Wuhan Metro Line 6 has to go under an existing station of the 2ndline by the method of in advance tunneling construction.This article describes the construction process in advance of shield tunneling segment through a series of problems existing in the corresponding solutions，and analyzes the track surface during construction on the 2ndline of settlement and the existing station building subsidence case of using shield empty push impact on the existing tunnel.Based on Wuhan metro Line 6 tunnel,this article carries out a systematic analysis on the early application of the existing tunnel excavation method and the shield push with no-load.On this basis，the article dissusses the shield tunneling segment results from the rail surface setflement of the existing track and station building cumulative settlement.The project also uses a special precipitation and strengthening programs to reduce the impact of the construction process on the existing line operator and provides a useful reference for similar engineering.

Shield Tunneling； Undercutting Method； Push Forward with No-load

國(guó)家自然科學(xué)基金“基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論的地鐵盾構(gòu)施工誘發(fā)環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)空演化機(jī)理與規(guī)律研究”(編號(hào)：51408245)

李志華(1971-)，男，高級(jí)工程師。主要研究方向：地鐵工程風(fēng)險(xiǎn)控制。

U455.43

A

1674-7461(2016)01-0108-06

10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.01.20