黃澤明

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

隨著我國城市軌道交通建設(shè)的飛速發(fā)展，城市的地鐵線網(wǎng)越來越密。在這種背景下，新建地鐵線路不可避免越來越多面臨穿越既有地鐵線路的現(xiàn)象，而既有地鐵運(yùn)營線路對(duì)軌道及隧道結(jié)構(gòu)變形要求極高，稍有不慎則會(huì)引起重大安全事故。鑒于此，本文以成都軌道交通9號(hào)線下穿既有地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道(已運(yùn)營)設(shè)計(jì)為例進(jìn)行分析，希望能夠?yàn)槠渌嗨乒こ烫峁┮欢ǖ膮⒖純r(jià)值。

1 工程背景

成都軌道交通9號(hào)線一期工程培風(fēng)站～成都西站區(qū)間，盾構(gòu)從培風(fēng)站始發(fā)，到達(dá)成都西站吊出。在里程ZDK56+928～ZDK56+950/YDK56+933～YDK56+955段，盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵4號(hào)線中壩站～西客站區(qū)間盾構(gòu)隧道(已運(yùn)營)。下穿段，9號(hào)線盾構(gòu)隧道采用幅寬1.5m、外徑6.7m、內(nèi)徑6.0m的盾構(gòu)管片，軌道采用中等減振道床(減振扣件)；既有地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道采用幅寬1.5m、外徑6.0m、內(nèi)徑5.4m的盾構(gòu)管片，軌道采用普通道床。9號(hào)線盾構(gòu)隧道與既有地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道平面交叉角度約為75 °，隧道間最小豎向凈距約為3.6m,既有地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道主要位于中密、密實(shí)卵石地層，9號(hào)線盾構(gòu)隧道主要位于密實(shí)卵石地層，9號(hào)線盾構(gòu)隧道覆土約18.8m。

下穿段地面為武青北路與貨運(yùn)大道交叉路口，該范圍主要市政管線有DN1500mm混凝土雨水管、DN1000mm鑄鐵給水管、DN200mmPE燃?xì)夤堋?10kV供電線等。見圖1。

圖1 9號(hào)線下穿既有地鐵4號(hào)線平面關(guān)系

2 計(jì)算分析

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

計(jì)算分析采用ANSYS10.0軟件，由于涉及到地層擾動(dòng)的影響，故采用“地層-結(jié)構(gòu)”模型。

數(shù)值計(jì)算采用三維有限元進(jìn)行計(jì)算(圖2)，計(jì)算模型共采用8種不同的材料分別模擬地層、管片等。邊界條件除上部為自由邊界外，其余各側(cè)面和底面實(shí)施法向約束。計(jì)算模型分別采用SOLID45單元模擬各類地層等，采用PLANE42單元模擬隧道襯砌結(jié)構(gòu)。地層的物理力學(xué)參數(shù)按地質(zhì)詳勘報(bào)告取值。數(shù)值模擬的施工順序?yàn)椋?號(hào)線盾構(gòu)隧道左右線隧道開挖拼裝管片后形成初始應(yīng)力場(chǎng)(地層自重應(yīng)力場(chǎng))→擬建盾構(gòu)隧道開挖及管片襯砌施工。

根據(jù)地質(zhì)詳勘鉆孔揭示，該下穿節(jié)點(diǎn)處從上到下地層依次為雜填土、粉質(zhì)黏土、第四系全新統(tǒng)沖洪積稍密卵石土、中密卵石土和密實(shí)卵石土以及第四系上更新統(tǒng)冰水沉積密實(shí)卵石土。

圖2 有限元網(wǎng)格示意

2.2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

擬建隧道開挖后,既有隧道計(jì)算結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 擬建隧道開挖后既有隧道豎向沉降云圖(單位：m)

圖4 擬建隧道開挖后既有盾構(gòu)隧道位移云圖(單位：m)

圖5 擬建隧道開挖后既有隧道豎向沉降

圖6 擬建隧道開挖后既有隧道沿縱向的傾斜率

2.3 計(jì)算結(jié)論

通過上述模型，對(duì)既有盾構(gòu)隧道在原狀地層無任何保護(hù)措施狀態(tài)下的下穿工況進(jìn)行了有限元分析，可以得出結(jié)論如下：

(1)擬建隧道接近正交下穿既有地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道施工時(shí)，既有盾構(gòu)隧道將會(huì)在豎向和橫向發(fā)生微小的不均勻位移，這種不均勻位移會(huì)使隧道產(chǎn)生變形和扭轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)豎向沉降在隧道中心范圍內(nèi)表現(xiàn)突出，最大值約為5.5mm。

(2)擬建隧道下穿施工時(shí)，對(duì)既有盾構(gòu)隧道和擬建盾構(gòu)隧道在結(jié)構(gòu)內(nèi)力上都有變化。當(dāng)擬建隧道貫通后，既有隧道管片軸力會(huì)增加，最大值約為50kN，而隧道管片彎矩的變化相對(duì)較小僅有約6kN·m。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

鑒于既有地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道與9號(hào)線隧道之間地層主要為<3-8-3>密實(shí)卵石土，其卵石含量約占65 %～80 %，粒徑一般6～10cm，個(gè)別粒徑10～18cm，最大粒徑25cm，卵石中漂石含量約占6 %，卵石土間細(xì)砂及圓礫充填，細(xì)砂含量約占25 %～30 %，為成都地區(qū)典型的富水砂卵石地層。此外，9號(hào)線隧道下穿既有地鐵4號(hào)線段臨近車站端頭，為盾構(gòu)到達(dá)掘進(jìn)段，容易產(chǎn)生地層沉降，存在較大的施工安全風(fēng)險(xiǎn)[1]，且車站施工過程中對(duì)周邊地層進(jìn)行管井降水，對(duì)原狀地層也存在一定的擾動(dòng)。

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》及成都軌道集團(tuán)運(yùn)營公司地保辦要求，既有地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道豎向位移控制值為10mm，水平位移控制值為10mm，道床縱、橫向差異沉降控制值為4mm。同時(shí)，為保證地下管線安全及道路路面沉降滿足規(guī)范要求，擬采取如下設(shè)計(jì)措施。

3.1 大管棚加固

大管棚超前支護(hù)作為地下工程的輔助施工方法，是為了在惡劣和特殊條件下安全開挖，預(yù)先提供增強(qiáng)地層承載力的臨時(shí)支護(hù)方法，對(duì)控制塌方和抑制地面沉降有明顯的效果。它是防止地中和地面結(jié)構(gòu)物開裂、倒塌的有效方法之一[2]。

根據(jù)下穿段地質(zhì)條件，對(duì)9號(hào)線隧道與既有地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道之間夾土體采用“雙排大管棚+管棚內(nèi)注漿”方式進(jìn)行加固，管棚從成都西站車站端頭向隧道內(nèi)打設(shè),如圖7所示。

圖7 左線隧道下穿既有地鐵4號(hào)線隧道關(guān)系

(1)大管棚采用Φ194mm，壁厚16mm的鋼管，分節(jié)絲扣連接，相鄰管棚接頭錯(cuò)開；左線管棚長度為40m，右線管棚長度為35m。為了解決砂卵石地層在鉆進(jìn)時(shí)孔壁不穩(wěn)定問題，采用跟管鉆進(jìn)法。

(2)因隧道斷面內(nèi)地層較為穩(wěn)定，因此管棚布置范圍為拱頂120 °(上排)/130 °(下排)，兩排管棚孔口位置分別在洞門輪廓線外200mm和600mm位置布置，如圖8所示。管棚環(huán)向布設(shè)間距對(duì)防止上方土體坍落及松弛影響較大，根據(jù)隧道埋深、地層情況等確定鋼管環(huán)向中心間距按400mm，上下排管棚交錯(cuò)布置。

圖8 洞門管棚立面

(3)大管棚鋼管上鉆注漿孔，孔徑10mm，孔間距200mm，呈梅花型布置。鋼管尾部(孔口段)2m不鉆花孔作為止?jié){段。

(4)大管棚外插角需嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求1.5 °執(zhí)行，大管棚施工偏差不得大于500mm；管棚導(dǎo)向管應(yīng)嚴(yán)格定位，管棚鉆進(jìn)過程中應(yīng)采用水平測(cè)斜儀經(jīng)常量測(cè)管棚的偏斜度，發(fā)現(xiàn)偏斜值超出設(shè)計(jì)要求時(shí)，應(yīng)及時(shí)糾偏；左線隧道管棚路徑距離既有線隧道外輪廓最近豎向距離為1.86m(理論值)，右線隧道管棚路徑距離既有線隧道外輪廓最近豎向距離為1.95m(理論值)。

(5)大管棚可部分進(jìn)行預(yù)注漿，剩余部分作為盾構(gòu)通過時(shí)地層同步補(bǔ)償注漿通道。對(duì)于已進(jìn)行注漿的大管棚，應(yīng)進(jìn)行管棚內(nèi)注漿密實(shí)度檢測(cè)，確保注漿填充密實(shí)。

(6)注漿漿液推薦采用水泥砂漿，水泥采用普通硅酸鹽水泥，強(qiáng)度等級(jí)≥P.O42.5。初擬水泥漿水灰比0.8∶1～1∶1，注漿壓力通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后確定。

3.2 與盾構(gòu)掘進(jìn)同步的地層補(bǔ)償注漿

為降低施工風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)進(jìn)行地層同步補(bǔ)償注漿。盾構(gòu)通過前做好地層同步補(bǔ)償注漿通道預(yù)留和實(shí)施的物資準(zhǔn)備。根據(jù)試驗(yàn)段(下穿前20環(huán))各項(xiàng)參數(shù)，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中可能造成地層破裂影響的區(qū)域作為同步補(bǔ)償注漿范圍，盾構(gòu)施工過程中，對(duì)地層破裂影響范圍內(nèi)產(chǎn)生松動(dòng)的區(qū)域及時(shí)注漿填充，尤其是既有地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道上、下方和其緊鄰側(cè)下方的地層。地層同步補(bǔ)償注漿采用地面注漿的方式。

注漿材料建議采用對(duì)環(huán)境污染較小的水泥單液漿，特殊緊急情況下可采用速凝材料。注漿參數(shù)包括注漿孔的布置、漿液配比、注漿壓力、注漿順序、注漿時(shí)間和注漿量等，經(jīng)試驗(yàn)效果確定，并在注漿施工過程中根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋信息進(jìn)行優(yōu)化。注漿過程中應(yīng)注意控制注漿壓力，以防壓力過大而破壞既有地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道。注漿后及時(shí)沖洗注漿管，以便重復(fù)使用。

3.3 洞內(nèi)注漿加固

盾構(gòu)通過后，需通過洞內(nèi)注漿加固地層。洞內(nèi)加固通過在盾構(gòu)隧道管片上增設(shè)注漿孔，利用注漿孔(包括吊裝孔)打設(shè)注漿管，對(duì)隧道外一定范圍內(nèi)土體注漿加固(圖9陰影部分)。注漿管采用φ42的鋼花管，其長度不大于3m，注漿管與4號(hào)線盾構(gòu)隧道之間保證一定的安全距離。

圖9 地層同步補(bǔ)償注漿范圍剖面

為保證洞內(nèi)注漿效果，應(yīng)注重其施作的及時(shí)性，以免地層失土過多或者坍塌范圍擴(kuò)散。

3.4 車站端墻兼作管棚導(dǎo)向墻處理

上述設(shè)計(jì)雙層密排管棚施工勢(shì)必將截?cái)嘬囌径藟ν鈬o(hù)樁，因此在車站基坑開挖階段施作管棚將對(duì)基坑安全造成一定程度的影響。因此，應(yīng)先完成車站端墻主體結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行管棚施工，確保主體結(jié)構(gòu)能夠承受端墻外水土壓力。

鑒于上述理由，成都西站車站端墻(地下三層)由原設(shè)計(jì)1 000mm厚調(diào)整為1 300mm厚，先期施作圈梁及600mm厚管棚導(dǎo)向墻，導(dǎo)向墻鋼筋不與圈梁連接，待管棚施工完成后再施作剩余700mm厚圈梁，使600mm厚管棚導(dǎo)向墻嵌固在700mm厚圈梁內(nèi)。圈梁(局部700mm厚)起到端墻上永久受力及收口的作用。防水層在600mm厚導(dǎo)向墻范圍內(nèi)沿該墻內(nèi)側(cè)鋪設(shè)，上部防水卷材甩出，待管棚施工結(jié)束后沿600mm厚墻內(nèi)側(cè)滿布外包防水層。如圖10所示。

圖10 車站端墻處理剖面

管棚施工時(shí)，采取相關(guān)措施減小對(duì)端墻結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)；后澆700mm厚圈梁采用微膨脹細(xì)石混凝土澆筑，與先澆圈梁采用鋼筋接駁器連接。

3.5 其它輔助措施

常規(guī)盾構(gòu)端頭地面注漿加固，維持車站降水深度等。

4 施工要求

4.1 盾構(gòu)施工控制

減少盾構(gòu)施工過程中導(dǎo)致的地層變形是保護(hù)既有地鐵4號(hào)線盾構(gòu)隧道的最有效手段，其關(guān)鍵在于控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)、提高注漿質(zhì)量和把握注漿時(shí)機(jī)。

(1)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)穿越及上覆的地層情況，設(shè)定適當(dāng)?shù)木蜻M(jìn)參數(shù)并進(jìn)行嚴(yán)格控制，其中主要包括：刀盤轉(zhuǎn)速、刀盤扭矩、千斤頂總推力、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、外加劑選擇及注入量等。施工過程中應(yīng)對(duì)刀盤面板土壓力和土艙壓力、出土量及出土狀態(tài)進(jìn)行密切觀察和記錄，將數(shù)據(jù)反饋到盾構(gòu)控制中心，及時(shí)調(diào)整或優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)。施工過程嚴(yán)抓渣土管理和土倉渣土改良效果，及時(shí)分析開挖、出渣數(shù)據(jù)，嚴(yán)格控制地層損失率，原則上不允許出現(xiàn)開挖超方，并應(yīng)采用“質(zhì)量”和“體積”兩個(gè)指標(biāo)控制出土量。

(2)盾尾同步注漿和洞內(nèi)二次注漿。在管片襯砌環(huán)脫出盾尾后，立即同步注漿并適當(dāng)加大注漿量，充分地填充管片與地層之間空隙；在完成拼裝具備二次注漿條件后及時(shí)進(jìn)行二次注漿，以同步注漿層和地層之間的間隙為主要填充對(duì)象(即要求突破同步注漿層)進(jìn)行注漿填充，必要時(shí)重復(fù)二次注漿。

4.2 監(jiān)控量測(cè)

在盾構(gòu)掘進(jìn)施工及相關(guān)輔助施工(如地層加固、地層同步補(bǔ)償注漿等)過程中，應(yīng)對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)、地層、地表及地下管線等，進(jìn)行系統(tǒng)全面的監(jiān)控量測(cè)。監(jiān)控量測(cè)項(xiàng)目主要包括新建隧道管片結(jié)構(gòu)的豎向、水平位移和凈空收斂；既有線隧道的豎向位移、水平位移、徑向收斂、盾構(gòu)管片接縫張開量、軌道橫向相對(duì)高差、軌向相對(duì)高差、軌間距、道床脫空量，以及地層變形、地表沉降和地下管線的變形位移等。根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋信息，及時(shí)調(diào)整、優(yōu)化各項(xiàng)施工參數(shù)，以確保盾構(gòu)施工安全和既有地鐵4號(hào)線的正常運(yùn)營，地下管線的正常使用。當(dāng)發(fā)生異常時(shí)應(yīng)即刻上報(bào)有關(guān)部門，并采取應(yīng)急措施。

5 施工情況

(1)右線共45根大管棚，長度為35m，其中36根施工均達(dá)到設(shè)計(jì)長度，9根由于施工過程中管靴變形未達(dá)到設(shè)計(jì)長度，鉆進(jìn)長度約24～32m；左線共45根大管棚，長度為40m，其中39根施工均達(dá)到設(shè)計(jì)長度，6根由于施工過程中管靴變形未達(dá)到設(shè)計(jì)長度，鉆進(jìn)長度約28～37m。管棚施工偏差除極個(gè)別外，其余均能滿足設(shè)計(jì)要求的不大于500mm。

(2)右線盾構(gòu)下穿，既有線最終監(jiān)測(cè)值為：道床最大豎向位移1.95mm，結(jié)構(gòu)最大豎向位移2.40mm，結(jié)構(gòu)最大水平位移1.16mm；左線盾構(gòu)下穿，既有線最終監(jiān)測(cè)值為：道床最大豎向位移2.75mm，結(jié)構(gòu)最大豎向位移3.07mm，結(jié)構(gòu)最大水平位移1.23mm。上述數(shù)據(jù)均遠(yuǎn)小于變形控制值。

6 結(jié)論

本工程根據(jù)實(shí)際工程實(shí)例，通過數(shù)值模擬及工程實(shí)際，確定了擬建隧道對(duì)既有地鐵盾構(gòu)隧道的保護(hù)方案，對(duì)同類工程具有一定的參考價(jià)值，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)本工程采用拱頂范圍超長“雙排大管棚”，對(duì)既有線盾構(gòu)隧道進(jìn)行保護(hù)，證明在成都地區(qū)富水砂卵石地層是可行的、有效的。

(2)對(duì)于新建隧道施工對(duì)地層的擾動(dòng)影響區(qū)域，尤其在既有線隧道下方，及其緊鄰側(cè)下方地層，應(yīng)進(jìn)行多種方式，全方位的補(bǔ)償及跟蹤注漿，及時(shí)填充及加固地層。

(3)對(duì)車站端墻的處理措施，一方面解決了管棚施工導(dǎo)向墻的問題，一方面保證了施工期間車站基坑及結(jié)構(gòu)的安全。