地鐵區(qū)間隧道超薄覆土下大直徑盾構(gòu)始發(fā)與接收技術(shù)

汪 鋒，葉至盛，王世豪，周顯剛，李 圍

(1.中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 650004；2.中國(guó)電建集團(tuán)鐵路建設(shè)有限公司，北京 100044；3.上海同隧土木工程技術(shù)有限公司，上海 201306)

0 引 言

在城市地鐵區(qū)間隧道施工中盾構(gòu)始發(fā)與接收存在涌水突泥甚至盾構(gòu)機(jī)沉陷的安全風(fēng)險(xiǎn)，如2007年11月20日，南京地鐵二號(hào)線中和村站～元通站區(qū)間元通站右線南端頭盾構(gòu)接收時(shí)發(fā)生滲漏事件，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)被埋于地面塌陷的土體中。為了穩(wěn)定開挖面和確保周邊環(huán)境安全，盾構(gòu)始發(fā)與接收都必須做好端頭加固工作。目前加固方法較多，有旋噴樁、深層攪拌樁、地表袖閥管注漿、素混凝土樁及水平注漿加固法和凍結(jié)法等[1]，常采用多種加固方法[2]、選擇合理的加固范圍[3]以及控制好盾構(gòu)掘進(jìn)的參數(shù)，方能保證盾構(gòu)始發(fā)與接收的安全。

隨著我國(guó)城市地鐵的不斷發(fā)展，遇到了特殊條件的盾構(gòu)施工技術(shù)難題，如富水砂層地鐵區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進(jìn)[4]、城市地鐵區(qū)間盾構(gòu)隧道超凈距下穿市政公路隧道的施工安全影響[5- 6]、盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)隧道[7]、重疊隧道盾構(gòu)下穿高鐵軌道群沉降控制[8]、深井下泥水盾構(gòu)始發(fā)與接收[9]、富水砂層因極易發(fā)生涌水涌砂風(fēng)險(xiǎn)采用鋼套筒輔助[10]以及曲線區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)與接收[11]等。郭藝真以穗莞深城際鐵路太平隧道為依托，研究了淺覆土軟弱地層中曲線條件下土壓平衡盾構(gòu)機(jī)的始發(fā)技術(shù)，提出了在淺覆土段堆土加載措施[12]，控制了管片的上浮量，確保了始發(fā)安全。

成都地鐵18號(hào)線工程土建4標(biāo)天～龍區(qū)間大直徑盾構(gòu)始發(fā)與接收段埋深淺，盾構(gòu)機(jī)直徑為8.65 m、覆土厚度僅為4.1～6.8 m，盾構(gòu)始發(fā)與接收對(duì)土體擾動(dòng)大、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)及姿態(tài)難控制、地面沉降坍塌等問題，超薄覆土條件下大直徑盾構(gòu)始發(fā)與接收安全風(fēng)險(xiǎn)高，故開展“地鐵區(qū)間隧道超薄覆土下大直徑盾構(gòu)始發(fā)與接收技術(shù)”的開發(fā)具有重要意義。

1 依托工程概況

成都地鐵18號(hào)線工程土建4標(biāo)天府新站～龍泉山隧道進(jìn)口段盾構(gòu)區(qū)間沿線依次下穿東風(fēng)渠河道、森瑞公司，含合江車輛段出入線兩個(gè)區(qū)間。左線起訖里程為YDK 39+628.570～YDK40+345.000、ZDK 39+841.000～ZDK40+345.500，左線全長(zhǎng)504.500 m。右線起訖里程為YDK 39+628.570～YDK40+345.000、YDK 39+841.000～YDK40+345.500，右線長(zhǎng)鏈為19.539 m，右線全長(zhǎng)735.969 m。區(qū)間端頭覆土在4.1～6.8 m，如圖1所示。區(qū)間兩側(cè)主要為現(xiàn)狀農(nóng)田、林地，山頭較多，地形起伏大。

區(qū)間場(chǎng)地覆蓋層均為第四系(Q)，地表多為人工填土(Q4ml)覆蓋，其下為全新統(tǒng)沖積(Q4al)黏土、粉質(zhì)黏土、粉土、砂土及卵石土，上更新統(tǒng)冰水沉積、沖積(Q3fgl+al)砂土及卵石土，下伏基巖為白堊系上統(tǒng)灌口組(K2g)泥巖、砂巖，白堊系下統(tǒng)天馬山組-侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組(K1t-J3p)泥巖、砂巖、礫巖。

區(qū)間設(shè)計(jì)時(shí)速140 km/h，區(qū)間隧道內(nèi)徑7 500 mm，隧道外徑8 300 mm，管片厚度400 mm，管片寬度1 500/1 800 mm。采用中國(guó)鐵建重工集團(tuán)有限公司研制的ZTE8600土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工，其刀盤直徑8.65 m，主機(jī)不包含螺旋機(jī)長(zhǎng)度為10.5 m、包含螺旋機(jī)長(zhǎng)約16.5 m，盾構(gòu)機(jī)及其后配套全長(zhǎng)114 m。

2 超薄覆土盾構(gòu)始發(fā)與接收技術(shù)

2.1 地面袖閥管注漿加固

在始發(fā)與接收端頭從地面采用￠50袖閥管對(duì)土體進(jìn)行注漿加固，加固范圍為左右線始發(fā)井端頭10 m×10 m、深度為16～19 m(要求到隧道底部以下3 m以上)，袖閥管間距2 m×2 m、梅花型布置。采用水泥漿液，水灰比0.8∶1～1∶1，注漿壓力0.3～0.5 MPa。采取分段式注漿，每段注漿長(zhǎng)度為注漿步距。開口鋼管長(zhǎng)度為注漿步距長(zhǎng)度，這樣可以有效地減少地層不均一性對(duì)注漿效果的影響。注漿過程中，每段注漿完成后，向上或向下移動(dòng)一個(gè)步距的芯管長(zhǎng)度，宜采用提升設(shè)備移動(dòng)或人工采用2個(gè)管鉗對(duì)稱夾住芯管，兩側(cè)同時(shí)均勻用力，將芯管移動(dòng)，每完成3～4 m注漿長(zhǎng)度，要拆掉一節(jié)注漿芯管。注漿結(jié)束后，在注漿管上口蓋上悶蓋，以便于復(fù)注施工。加固28 d后對(duì)地層進(jìn)行取芯抗壓試驗(yàn)，其無側(cè)限抗壓強(qiáng)度應(yīng)不小于1 MPa方滿足加固要求，若不滿足應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)注漿。

2.2 端頭地層換填

盾構(gòu)始發(fā)與接收影響范圍內(nèi)端頭采用C15素混凝土換填，其上面部分地層采用摻6%水泥的砂卵石回填并分層夯實(shí)，如圖2所示，回填需滿足盾構(gòu)始發(fā)與接收機(jī)械設(shè)備對(duì)地層承載力的要求。

圖2 端頭地層換填(單位：m)

表1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

2.3 洞門大管棚超前加固

通過對(duì)始發(fā)與接收段地層分析后提出端頭洞門大管棚加固方案，如圖3所示。采用直徑為108 mm的大管棚，長(zhǎng)度為15 m，環(huán)向間距為350 mm，布置在拱部120°范圍，每個(gè)洞門共布設(shè)28根。洞門大管棚施工過程中嚴(yán)格把控施工質(zhì)量，確保采用大管棚加固端口洞門的效果達(dá)到預(yù)期要求，現(xiàn)場(chǎng)施工照片如圖4所示。

圖3 洞門大管棚超前加固(單位：mm)

2.4 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制值列于表1中，保證掘進(jìn)施工中姿態(tài)正常、盾構(gòu)機(jī)可控，平穩(wěn)完成始發(fā)與施工。盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在10～20 mm/min，并根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果和出土情況進(jìn)行調(diào)整。盾構(gòu)機(jī)水平姿態(tài)控制在±20 mm，垂直姿態(tài)控制在前點(diǎn)-20～-10 mm，后點(diǎn)-25～-45 mm。采用泡沫劑進(jìn)行渣土改良，原液比例為2%，流量調(diào)整至450～500 mL/min，刀盤加水和土艙加水相結(jié)合，確保渣土和易性。實(shí)際出土體積與理論體積誤差量應(yīng)控制在±3%以內(nèi)，在掘進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制每環(huán)的出土量，并作好記錄。

圖4 大管棚施工

同步注漿量每環(huán)至少在8.4 m3以上，注漿點(diǎn)位以上部1點(diǎn)和6點(diǎn)為主，中間2點(diǎn)和5點(diǎn)為輔，下部3點(diǎn)和4點(diǎn)少量注漿。每m3同步注漿材料配比為水泥∶粉煤灰∶膨潤(rùn)土∶砂∶水=230 kg∶320 kg∶90 kg∶1 000 kg∶480 kg，注漿壓力0.1～0.2 MPa。

二次注漿每?jī)森h(huán)注一次，根據(jù)管片姿態(tài)、監(jiān)控量測(cè)結(jié)果和同步注漿量來確定注漿量和選擇注漿點(diǎn)位。二次注漿選擇雙液漿，其中水泥漿液的水灰比1∶1、水玻璃與水混合液的配比1∶1，水泥漿液和水玻璃與水混合液的配比為1∶1(體積比)。二次注漿如圖5所示，壓力控制在0.2～0.3 MPa，其凝結(jié)時(shí)間25～40 s。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至盾尾進(jìn)入洞門約5 m時(shí)，及時(shí)進(jìn)行洞內(nèi)管片壁后注漿，壁后注漿直至上部管片開孔有漿液冒出后，封閉管片開孔，保證隧道內(nèi)壁后漿液填充飽滿，防止洞門漏水、滲水。

3 技術(shù)應(yīng)用效果分析

3.1 地面監(jiān)測(cè)結(jié)果

采用電子水準(zhǔn)儀對(duì)始發(fā)及接收端頭地面進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，最大沉降為2.9 mm，確保盾構(gòu)機(jī)在穿越淺覆土?xí)r地面沉降在可控范圍以內(nèi)，保證盾構(gòu)機(jī)順利始發(fā)與接收。

圖5 二次注漿

3.2 經(jīng)濟(jì)效益分析

該技術(shù)減少洞門破除施工工序，每個(gè)洞門破除需3天，每天18人，共8個(gè)洞門，節(jié)省人工費(fèi)8×3×18×300元/天=12.96萬元，節(jié)省機(jī)械費(fèi)3×8×3 000元/天=7.2萬元。每個(gè)洞門提前1天時(shí)間完成洞門封堵，每天盾構(gòu)平均掘進(jìn)10.8 m，節(jié)省盾構(gòu)租賃費(fèi)8×11 000元/m×10.8=95.04萬元。消耗材料費(fèi)用17萬元，則總的經(jīng)濟(jì)效益為98.2萬元。

4 結(jié) 語

針對(duì)超薄覆土下大直徑盾構(gòu)始發(fā)與接收時(shí)地面沉降和盾構(gòu)機(jī)自身姿態(tài)控制困難、風(fēng)險(xiǎn)高、易發(fā)生安全事故，為保證始發(fā)與接收的順利進(jìn)行，確保施工進(jìn)度、質(zhì)量與安全可控，提出了采取地面袖閥管注漿加固、端頭地層換填、洞門大管棚超前加固和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制的措施，建立了地鐵區(qū)間隧道超薄覆土下大直徑盾構(gòu)始發(fā)與接收技術(shù)。該技術(shù)有效地解決了地表沉降甚至坍塌的技術(shù)難題，加快了盾構(gòu)施工速度，縮短了施工工期，降低了工程造價(jià)。同時(shí)，避免了人工破除洞門產(chǎn)生的安全隱患，保證隧道管片壁后漿液飽滿，確保了施工安全，為今后類似工程提供技術(shù)指導(dǎo)。