全斷面粉砂層重疊隧道掘進施工技術(shù)

羅存強

蘇州市軌道交通集團有限公司，中國·江蘇 蘇州 215008

論文通過對中國蘇州地鐵3號線跨～匯區(qū)間現(xiàn)場實際環(huán)境，闡述了全斷面粉砂層重疊隧道施工過程中采取的設(shè)計和施工措施，該項目中各項措施的成功應(yīng)用為蘇州地鐵全斷面粉砂層重疊隧道有借鑒和推廣作用。

盾構(gòu)；重疊隧道；液壓支撐臺車；措施

1 引言

伴隨著中國軌道交通的飛速發(fā)展，城市地鐵線路的加密成網(wǎng)，出現(xiàn)了線與線之間的交叉，尤其在換乘車站附近出現(xiàn)了大量的重疊隧道的工況。為了考慮換乘時乘客的便捷出現(xiàn)了大量的垂直換乘、T型換乘車站，這也對現(xiàn)場施工提出了新的挑戰(zhàn)和要求。通過對蘇州地鐵3號跨～匯區(qū)間左右線重疊隧道施工技術(shù)討論，為蘇州后續(xù)類似工程提供參考和借鑒。

2 工程概況

2.1 工程概況

跨～匯區(qū)間右線起點里程DK34+536.908，終點里程DK35+278.597，右線隧道長741.689m；左線起點里程DK34+536.914，終點里程DK35+278.597，短鏈3.266m，左線隧道長738.417m。區(qū)間隧道最大坡度24.3‰，隧道埋深6.1～19.1m，盾構(gòu)法施工；右DK34+536.908～右DK34+604.120（右線從560～617環(huán)），水平線間距S為1.303～6.203m，豎向凈距D為2.0m。沿線主要下穿園區(qū)葑亭大道2號橋及高壓鋼管塔，重疊施工部分如圖1所示。

圖1 跨～匯區(qū)間重疊隧道平面圖

2.2 具體工程地質(zhì)情況

跨～匯區(qū)間隧道盾構(gòu)掘進范圍內(nèi)土層為軟塑狀為主的粉土層，具體地質(zhì)情況如圖2所示。

圖2 跨～匯區(qū)間盾構(gòu)穿越土層比例圖

表1 重疊隧道位置及土層

3 施工方法

3.1 先建隧道結(jié)構(gòu)加強

3.1.1 螺栓加強

通過三維數(shù)值模擬實驗發(fā)現(xiàn)，下行隧道管片的內(nèi)力極大程度地受到上行隧道施工、盾構(gòu)機作業(yè)面等臨時性因素的影響，故需要對下行隧道管片進行內(nèi)力校核，并考慮各項臨時荷載和內(nèi)力。數(shù)值模擬實驗結(jié)果顯示，下行隧道管片的縱向螺栓，其抗剪和抗彎能力均不符合各項要求[1]。

對重疊隧道段管片縱、橫向連接螺栓均采取加強措施：螺栓由通常設(shè)計的5.8級M27提高到6.8級M30，提高了管片螺栓的抗彎和抗剪強度，進而提高相鄰管片縱向連接力和抵抗上下錯動的能力。

3.1.2 管片加強措施

分析隧道掘進施工時，發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機、管片、土體三者之間的作用關(guān)系，盾構(gòu)機掘進作業(yè)勢必導(dǎo)致設(shè)備四周的土體發(fā)生塑性變形并向各個方向擠壓。若兩條隧道之間的凈距在3m以內(nèi)時，上行隧道盾構(gòu)掘進時所擠壓的土體會對下行既有管片內(nèi)力產(chǎn)生極大的影響，其結(jié)果是下行隧道的管片應(yīng)力增加而超過管片的設(shè)計值上限。因此，需對先施工隧道管片進行加強處理，以抵消施工應(yīng)力增加產(chǎn)生的影響。此外，對重疊隧道的管片進行必要的設(shè)計調(diào)整，主要措施為增大管片含筋量。

3.2 走行式液壓支撐臺車支撐相應(yīng)措施

3.2.1 理論分析

根據(jù)模擬分析結(jié)論，重疊隧道在施工階段所要解決的主要矛盾就是在上行隧道施工過程中，對下行隧道設(shè)置臨時支撐，且臨時支撐體系必須滿足以下要求。

（1）上行隧道掘進作業(yè)時，可抵抗下行既有管片接縫所產(chǎn)生的在垂直方向上的剪應(yīng)力。

（2）通過提高下行隧道縱向的剛度，以減小其垂直方向的彎曲變形。

（3）下行隧道管片在上行隧道掘進影響范圍內(nèi)時，在該范圍內(nèi)必須維持在支撐狀態(tài)，禁止隨意減少支撐力。

根據(jù)上述要求支撐體系與成型隧道的關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3 支撐體系與成型隧道的關(guān)系圖

3.2.2 走行式液壓支撐臺車支撐原理

走行式輪式液壓支撐臺車工作原理，如圖4所示。

圖4 先下后上支撐示意圖

3.2.3 走行式液壓支撐臺車支撐特點

第一，滿足對下行隧道的支撐要求。重疊盾構(gòu)隧道工程的先建隧道（下行隧道）結(jié)構(gòu)受后行盾構(gòu)（上行隧道）施工的影響范圍，上行隧道刀盤前的下行隧道結(jié)構(gòu)存在一定橈曲時，盾尾后方會相應(yīng)向上隆起，直到趨向于一個穩(wěn)定值。按照模擬計算結(jié)合經(jīng)驗影響范圍，確定對上隧道盾構(gòu)機工作面前24m，工作面后12m（共36m）范圍相對應(yīng)的下行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)置臨時支撐系統(tǒng)，降低上行隧道施工對下行隧道既有結(jié)構(gòu)的影響。

第二，在上行隧道掘進施工面即將影響下行管片之前，可以對下行隧道影響范圍內(nèi)的管片提前施加一定的支撐力，保證支撐臺車的支撐面與管片相互吻合。為確保管片不會因為提前受到支撐力而不會發(fā)生錯動，應(yīng)當(dāng)提高下行隧道管片的整體剛度，以此來減少下行隧道產(chǎn)生在垂直方向上的彎曲變形。此外，下行隧道在上行隧道掘進施工面24m的范圍內(nèi)，必須連續(xù)支撐嚴(yán)禁卸載。

第三，可利用盾構(gòu)施工運輸軌道自行行走，與后施工隧道盾構(gòu)機實現(xiàn)同步前進，實現(xiàn)長距離重疊隧道施工過程中連續(xù)不間斷提供支撐力。下行隧道采用走行式臺車支撐體系。行走式的臺車由四節(jié)可在鋼軌上移動的臺車組成，每段臺車可在其縱向位置上設(shè)置間隔為0.75m的管片支撐設(shè)備。走行式臺車由4節(jié)臺車組成，臺車可在鋼軌上行駛，每節(jié)臺車沿縱向設(shè)置一道支撐，每道支撐間隔750mm，由12點、14點、16點、2點、4點共計5個輪式支撐組成（蘇州地區(qū)采用16點，最上面為16點位，順時針依次為1-16點），臺車之間采用連接杠相連形成一個整體。在外力的推動下，臺車在不卸力狀態(tài)下同上行隧道盾構(gòu)機一同向前移動，對下行隧道進行連續(xù)不間斷支撐，移動速度（0～50mm/min)滿足上行隧道盾構(gòu)掘進速度，上下工作面進行溝通[2]。

3.3 夾層土體加固

3.3.1 地層加固方案

如圖5、圖6、圖7所示，針對重疊隧道上部地面不具備加固條件，難以進行地面垂直加固情況下，上下行隧道之間土體加固采用隧道內(nèi)注漿方法。上行與下行隧道的疊加區(qū)域必須安裝帶有注漿孔的特殊管片，方便對管片后方土地進行注漿作業(yè)。

圖5 特制管片注漿預(yù)留孔圖

圖6 重疊隧道夾層注漿加固圖

圖7 近接重疊隧道夾層注漿加固圖

3.3.2 夾土體加固施工

重疊隧道上下隧道間所夾地層為粉砂層及粉質(zhì)黏土層；應(yīng)對上下隧道間所夾土體進行注漿加固處理。具體為：首先，下行隧道掘進時，為了確保盾尾土體、管片空隙、相鄰?fù)馏w直接的密閉性，應(yīng)當(dāng)提高同步注漿壓力和注漿量；其次，兩次注漿必須的導(dǎo)管必須通過預(yù)留的注漿孔插入到足夠深的土地之中，確保對上行與下行隧道間的土體進行注漿加固；最后，二次注漿漿液一般采用雙液漿，即水泥-水玻璃漿液，同時必須滿足注漿后的土體其無側(cè)限抗壓強度大于1MPa。

在上行隧道施工時也需提高同步注漿和二次注漿量，并采用與上述相同的方式向上、下行隧道間土體進行注漿。實際施工時因采用雙液漿，導(dǎo)致漿液擴散難度大，注漿量難以達到設(shè)計要求，最后雙液漿改為單液漿（水泥:水＝1:1）。

3.3.3 夾土體加固效果檢查

上行與下行隧道間土體加固強度一般使用地質(zhì)雷達來檢測，主要檢測指標(biāo)為加固后土體的均勻度和密實性，同時還必須采用鉆孔取芯復(fù)核。地質(zhì)雷達應(yīng)當(dāng)全部檢測加固土體，取芯檢測頻率為1斷面/10環(huán)，每個斷面取3個孔[3]。

3.4 盾構(gòu)施工控制

3.4.1 盾構(gòu)掘進參數(shù)

土倉壓力：0.7～1.5bar.

轉(zhuǎn)速：0.8～1.0r/min.

推進速度：20～30mm/min較合理.

刀具貫入量：20～40mm/r左右.

扭矩：2400～2700kN·m(掘進過程中適當(dāng)調(diào)整).

總推力：1200～1400T（掘進過程中適當(dāng)調(diào)整）.

理論排土量：49m3/環(huán)（刀盤直徑6470mm）.

3.4.2 同步注漿

上行隧道：0.2MPa～0.25MPa（注漿壓力）；同步注漿量為6m3～6.5m3/環(huán)（下部注40%；上部注60%）；再根據(jù)地面沉降情況進行調(diào)整。

下行隧道：0.5MPa～0.20MPa（注漿壓力）；同步注漿量為6m3～6.5m3/環(huán)（下部注60%；上部注40%）；再根據(jù)地面沉降情況進行調(diào)整。

3.4.3 二次注漿

上行隧道：0.2MPa～0.35MPa（注漿壓力）；二次注漿量為1～2m3/環(huán)，要根據(jù)地面沉降情況進行調(diào)整。

下行隧道：0.2MPa～0.30MPa（注漿壓力）；二次注漿量為1～2m3/環(huán)，要根據(jù)地面沉降情況進行調(diào)整。

3.5 端頭井支撐平臺

采取“先下后上”施工順序，由于工期要求及后期工序等情況影響，下線施工完成后不能及時進行吊裝孔封堵，需要采用鋼支撐平臺進行臨時支撐上線盾構(gòu)機接收工作，鋼支撐平臺經(jīng)過受力驗算。

4 自動化監(jiān)測技術(shù)

自動化監(jiān)測采取了TM30自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測的方式對觀測目標(biāo)的水平、垂直位移進行監(jiān)測。把監(jiān)測數(shù)據(jù)及時反饋給盾構(gòu)作業(yè)面，能夠做到實時掌握施工引起的變化，迅速調(diào)整、優(yōu)化施工方法，以確保本工程的安全。

本項目重疊段長度為110環(huán)，130m，因此本項目的監(jiān)測長度為130m。監(jiān)測點布置情況為共布置監(jiān)測點數(shù)：80個，在盾構(gòu)區(qū)間監(jiān)測范圍內(nèi)布設(shè)20個結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測斷面。斷面間距為5環(huán)6m，每個斷面布設(shè)4個迷你棱鏡結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測點，其中拱底布1個棱鏡，拱腰2個棱鏡，拱頂1個棱鏡，如圖8所示。

圖8 監(jiān)測點布置斷面圖

5 施工技術(shù)成果

跨～匯區(qū)間左線于2017年10月10日進入重疊段，10月25日停機封環(huán)，2017年10月28日左線盾構(gòu)全線貫通，環(huán)片拼裝完成，歷時15天。

拱頂沉降監(jiān)測點累計變化最大點為KY04-4，最大累計量為8.6mm（控制值±10mm）。

拱底沉降監(jiān)測點累計變化最大點為KY04-2，最大累計量為6.6mm（報警值±10mm）。

水平收斂監(jiān)測點累計變化最大點為SPSL11，最大累計量為-9.20m，（報警值±10mm）。

垂直收斂監(jiān)測點累計變化最大點為CZSL12，最大累計量為-8.4mm（報警值±20mm）。

該重疊段施工工藝及注漿工藝設(shè)計合理，盾構(gòu)掘進速度均勻，對已施工完成的隧道影響較小，在規(guī)范允許的范圍內(nèi)。