富水圓礫地層條件下盾構小凈距立體下穿既有地鐵線路施工技術

賀望宇

(中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司, 北京100018)

1 工程概況及地質(zhì)情況

昆明軌道交通5號線昆明北站站-圓通公園站區(qū)間重疊始發(fā)至北站隧道段左線(下洞)隧頂埋深為27.8m～28.8m；右線19.8～20.8m。5號線隧道主要位于圓礫層中，重疊隧道之間夾層為粉質(zhì)黏土，2號線與5號線之間主要為黏土層，4號線和5號線隧道主要穿越的地層主要為圓礫土層，含水層為圓礫層，粘性土層均為微透水層-弱透水層。地面存在鐵路博物館和北站隧道等重要建(構)筑物。其中5號線重疊隧道豎向凈距最小僅1.8m，距離云南省鐵路博物館筏板樁基礎最小豎向凈距為5.46m，距離2號線隧底最小豎向凈距為2.36m， 4號線與5號線兩線最小水平凈距為12.2m。距離火車北站隧道路肩支護樁基最小水平凈距為1.3m，各線路位置關系見圖1，周邊環(huán)境效果圖見圖2。

圖1 昆明軌道交通5號線及緊鄰線路位置關系

圖2 昆明軌道交通5號線周邊環(huán)境效果

2 工程重難點

區(qū)間始發(fā)即連續(xù)下穿重要建(構)筑物，周邊環(huán)境十分復雜，且試驗段較短，盾構施工參數(shù)選擇和沉降控制是本工程的難點。

重疊始發(fā)且重疊距離較長，最小凈間距小于1倍洞徑，上洞施工時如何確保下洞成型隧道質(zhì)量是本工程的難點。

盾構隧道施工完成后，如何確保既有線路的后期運營安全是本工程的重難點。

3 GTS數(shù)值模擬分析

昆明軌道交通2、4、5號線交疊段采用GTS對本工程進行模擬分析，根據(jù)既有2、4、5號線空間相對關系，根據(jù)地質(zhì)勘察并假定地層在水平方向上均勻分布建立三維有限元模型(圖3)。土體采用實體單元模擬，Mohr-Coulomb準則計算。既有4、5號線與既有2號線盾構隧道管片均采用板單元進行模擬，模擬左右兩側及前后側均對法向位移進行約束，對底面的X、Y、Z方向的位移進行約束，剖分圖見圖4。

圖3 GTS數(shù)值模型

圖4 各地鐵線剖分圖

Mohr-Coulomb屈服準則表達式為：

τn=σntgν+c

以不變量表示屈服條件為：

I1為應力張量的第一不變量：

I1=σ1+σ2+σ3

J2為應力偏張量的第二不變量：

理論分析與實際經(jīng)驗表明，土體彈塑性破壞準則Mohr-Coulomb屈服準則能較為真實的體現(xiàn)土體的性質(zhì)，計算結果也較為貼近工程實際，參數(shù)選取見表1。

表1 數(shù)值模擬參數(shù)取值

4 盾構選型及掘進參數(shù)

4.1 盾構機選型

通過地質(zhì)勘察并對比二次補勘分析，圓礫層滲透系數(shù)較大，透水性極強。如采用土壓平衡盾構機進行隧道掘進，螺旋機極易發(fā)生噴涌，土壓力波動大，出現(xiàn)超挖，導致地表和建(構)筑物沉降。區(qū)間隧道自始發(fā)至160余米多為全斷面圓礫層，后段又多以粘性土層為主，粘性土層如采用泥水盾構機掘進工效較低，且容易造成泥漿堵管停機。因此使用了土壓/泥水雙模式盾構機，見圖5。

圖5 土壓/泥水雙模式盾構機示意

4.2 通過試驗段探索盾構掘進參數(shù)

倉壓：為確保始發(fā)洞門止水裝置的穩(wěn)定性，上部土艙壓力易控制在0.80～1.20bar進行盾構掘進。在封堵洞門完成后，為確定倉壓具體數(shù)值，在掘進完成4環(huán)后，進行長達1.5h的停機，觀察倉壓變化，發(fā)現(xiàn)倉壓在上升到2.1bar后不再上升，判定地下水壓為2.1bar，初步設定倉壓為2.1bar進行推進，同時加密監(jiān)測頻率，發(fā)現(xiàn)地表和鐵路博物館沉降很小，最大速率僅為-0.3mm。因此下穿過程中采用在掘進時倉壓為2.0bar，臨時停機期間為2.2bar。進排漿流量為580～650m3/h。在刀盤即將到達2號線時提前五環(huán)對2號線進行加密監(jiān)測，并時刻關注2號線隧道情況，直至刀盤開始進入2號線隧道，發(fā)現(xiàn)2號線隧道、道床及軌道變化很小，繼續(xù)保持原有倉壓進行下穿。

刀盤轉速：因隧道范圍內(nèi)含有約1/5的粉質(zhì)黏土，易發(fā)生采石箱堵塞，適當提高刀盤轉速以減少黏土結塊，堵塞采石箱。刀盤轉速易設定為1.5～1.8rpm/min。

同步注漿：同步注漿采用單液硬性漿液，漿液具有凝結時間較短、凝固快、強度尤其是早期強度較高，初凝時間為3h，1d固結強度不小于0.2MPa，28d不小于2.0MPa。依據(jù)盾構機機型，經(jīng)計算開挖理論注漿量為3.34m3，同步漿液量提高控制在6m3注入，根據(jù)監(jiān)測給出的沉降數(shù)據(jù)結合地勘報告對同步注漿的方量及質(zhì)量實時進行調(diào)整，揭示效果較好。

泥漿指標：當洞門封堵完成，盾構機能正常建立土倉壓力后，泥水參數(shù)相對穩(wěn)定。由于地層含有部分黏土層，在掘進過程中泥漿比重會有增大現(xiàn)象出現(xiàn)，需要技術人員及時進行比重檢測、調(diào)整漿液質(zhì)量。泥漿比重1.15～1.18g/cm3，黏土24～26s。

最終獲取的始發(fā)段及下穿段盾構掘進參數(shù)見表2、表3。

表2 始發(fā)段掘進參數(shù)

5 隧道補強措施

5.1 重疊隧道洞內(nèi)支撐加固

由于左線隧道距離右線隧道間距僅1.8m，在右線隧道掘進之前，需要在左線內(nèi)設置臨時支撐臺車(圖6)對其進行臨時支撐加固，以確保在右線掘進過程中，左線隧道結構受力安全，臨時支撐臺車長度采用與右線隧道盾構掘進同步移動，從而確保左線隧道施工安全，臺車加工長度為12.5m，與右線盾構機保持移動一致。從區(qū)間重疊段均采用臺車支撐架進行對左線保護。

表3 下穿段掘進參數(shù)設定

圖6 隧道支撐臺車示意

5.2 隧道壁后二次補強加固

下洞盾構下穿結束后，對成型隧道壁外范圍3m擾動土體進行全環(huán)洞內(nèi)注漿加固(圖7)，主要利用現(xiàn)有混凝土管片的16個徑向注漿孔，插入直徑32mm、3.55m長的鋼花管對管片壁后土體進行徑向注漿加固，加固范圍為隧道全環(huán)，形成加固體厚度為3m。

圖7 鋼花管注漿加固示意

注漿漿液類型采用單液漿，水灰比取0.8～1.0，注漿壓力控制在0.2～0.4MPa。上洞采用長度1.5m的鋼花管進行加固施工。注漿壓力控制在0.2～0.3MPa。

6 信息化監(jiān)控量測

監(jiān)測分為地表、鐵路博物館、北站隧道等建(構)筑物及軌道交通2號線、4號線隧道內(nèi)的監(jiān)測施工。2號線、4號線施工影響區(qū)段的地表監(jiān)測點每5m布設1個中線測點，每10m布設1排(5個點)監(jiān)測斷面點，2、4號線隧道內(nèi)部布設拱底沉降、凈空收斂、管片結構水平位移監(jiān)測點，一組布設5個點，5號線隧道軸線和2號線隧道交叉點布一個斷面，兩側5m一個斷面各布設兩個斷面，外側10m一個斷面，布設8個斷面。左、右線分別13個斷面，自動化監(jiān)測共26個斷面。并于2、4號線在下穿前建立監(jiān)測聯(lián)動機制，明確監(jiān)測項目及控制值標準，并建立微信群，每天監(jiān)測數(shù)據(jù)共享，進行對比分析，有效的指導盾構施工，監(jiān)測曲線見圖8～圖10。

圖8 隧道結構沉降曲線(4號線)

圖9 管片徑向收斂折線示意(2號線)

圖10 隧道管片豎向位移折線示意(2號線)

7 結論

(1) 通過盾構下穿過程的監(jiān)控量測實際數(shù)據(jù)分析，與模擬推算數(shù)值相比較，既有線和建(構)筑物沉降值減小近1/3，證明盾構機選型和該掘進參數(shù)是完全滿足該復雜線路和不良地質(zhì)地層施工要求的。不但對建(構)筑物起到了保護作用，也起到了指導盾構施工的作用。

(2) 小凈距重疊隧道洞內(nèi)支撐臺車及管片壁后二次補強加固的方法，能夠有效的保障下洞成型隧道質(zhì)量和既有線路的運營安全，證明該施工方法是具有可操作和實施性。

(3) 施工過程中方案的正確比選、盾構的明確選型、施工過程的嚴密監(jiān)控、企業(yè)人員制度的精細化管理及現(xiàn)場的總體應急處置均是盾構成功穿越的關鍵。