MJS工法在盾構(gòu)上跨隧道工程中的應(yīng)用研究

王懷東，袁云輝，王二麗

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300308)

隨著我國城市軌道交通建設(shè)的日益發(fā)展，新建線路與既有運(yùn)營線路不可避免存在平面交叉的情況。在建工程中采用盾構(gòu)法下穿或上跨施工，對(duì)運(yùn)營地鐵區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定不利影響[1-2]。因此，針對(duì)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)工程開展既有運(yùn)營隧道的洞外加固技術(shù)研究以及加固案例的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)顯得尤為重要。

研究土體加固對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響，相關(guān)方法以案例實(shí)測(cè)分析和理論數(shù)值模擬為主。在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究方面，張品等[3]對(duì)MJS(metro jet system)水平樁施工期間周圍地層孔壓、隧道附加應(yīng)力和豎向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，獲得MJS水平樁施工對(duì)周圍地層及運(yùn)營隧道的影響規(guī)律。陳仁朋等[4]對(duì)MJS水平樁加固在盾構(gòu)下穿既有隧道中的應(yīng)用進(jìn)行研究，通過室內(nèi)試驗(yàn)和隧道內(nèi)布點(diǎn)監(jiān)測(cè)，研究了MJS水平樁的成樁效果，以及盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)周邊地層與上覆隧道的變形響應(yīng)規(guī)律。唐志輝[5]提出基于強(qiáng)度折減系數(shù)法的地鐵盾構(gòu)隧道近接下穿既有鐵路隧道加固范圍優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證該方法的有效性。李悅等[6]研究了深基坑施工過程中既有地鐵隧道側(cè)方注漿加固對(duì)隧道水平收斂的影響。

在有限元分析方面，鐘方杰等[7]采用有限元方法分析了基坑注漿加固面對(duì)下方既有地鐵隧道隆起變形及周邊環(huán)境變形的影響。王道遠(yuǎn)等[8]采用三維有限差分軟件，對(duì)下穿過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬，獲得不同WSS(無收縮雙液)注漿加固措施下既有線和在建線的位移及變化規(guī)律。

通過采集和對(duì)比分析MJS加固既有運(yùn)營隧道施工過程中各項(xiàng)參數(shù)記錄以及對(duì)應(yīng)的隧道變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究該加固工法對(duì)盾構(gòu)隧道的影響，驗(yàn)證其可行性和可靠性，為類似加固工程提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

南京地鐵7號(hào)線在出雨潤路站約57 m后須上跨既有運(yùn)營地鐵2號(hào)線(油坊橋站至雨潤大街站區(qū)間)。2號(hào)線穿越段里程為K2+393～K2+414，穿越區(qū)段長寬各約為20 m，兩線近垂直井字交叉。新建7號(hào)線區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，從永初路站始發(fā)至雨潤路站接收。上跨段盾構(gòu)與既有2號(hào)線隧道外皮豎向凈距約為1.5 m。7號(hào)線盾構(gòu)上跨2號(hào)線節(jié)點(diǎn)剖面關(guān)系如圖1所示。

圖1 7號(hào)線盾構(gòu)上跨2號(hào)線節(jié)點(diǎn)剖面關(guān)系(單位：m)

1.2 工程地質(zhì)條件

該工程位于南京典型的長江漫灘地貌單元，7號(hào)線盾構(gòu)上跨段覆土約8.2 m，開挖上半斷面為②-2b4淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，下半斷面為②-2b3-4+d3粉質(zhì)黏土夾粉砂層。既有地鐵2號(hào)線及即將施工的7號(hào)線隧道下半斷面位于②-4d2粉細(xì)砂層中。該層為主要承壓含水層，鉆孔已探明厚度為5.0～18.5 m，層底埋深為21.6～33.0 m。承壓水水頭埋深在地面下2.4～6.6 m，水頭壓力最大可達(dá)約150 kPa，具有較高承壓性。

2 MJS加固方案

2.1 設(shè)計(jì)方案

南京地鐵2號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)外徑為6.2 m，內(nèi)徑為5.5 m，管片厚度為0.35 m，寬度為1.2 m。設(shè)計(jì)采用“1+2+3”的管片分塊方式，并按“A-B-C”模式進(jìn)行錯(cuò)縫拼裝；管片間采用性能等級(jí)為5.8級(jí)的M30螺栓進(jìn)行連接，每縱縫布置2個(gè)螺栓，共12個(gè)環(huán)向螺栓，環(huán)縫縱向螺栓共16個(gè)；管片混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C50，縱向受力鋼筋采用HRB400級(jí)鋼筋。MJS加固平面布置如圖2所示。

圖2 MJS加固平面布置(單位：m)

設(shè)計(jì)沿既有2號(hào)線縱向采用Φ2 400@1 800 mm MJS工法樁對(duì)7號(hào)線與2號(hào)線相交段隧道進(jìn)行洞外微擾動(dòng)加固。加固深度為2號(hào)線拱頂上1.5 m至仰拱下3.0 m，平面加固范圍為7號(hào)線結(jié)構(gòu)輪廓外不小于9.0 m。MJS加固立面布置如圖3所示。

圖3 MJS加固立面布置(單位：m)

2.2 加固效果分析

既有運(yùn)營隧道沿軸線縱向加固區(qū)的分布范圍對(duì)變形指標(biāo)控制有著重要影響。參考規(guī)范將既有地鐵2號(hào)線隧道豎向變形控制值設(shè)定為5 mm。

采用midas GTS巖土與隧道仿真分析軟件進(jìn)行三維數(shù)值模擬。分別以隧道正上方外擴(kuò)0.5D、1.0D、1.5D和2.0D為加固區(qū)域，對(duì)變形控制效果進(jìn)行研究，加固區(qū)域如圖4所示。

圖4 加固區(qū)域

加固體及結(jié)構(gòu)材料在數(shù)值模擬時(shí)均按彈性材料考慮。材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)

采用MJS工法加固既有2號(hào)線隧道后，7號(hào)線盾構(gòu)上跨既有隧道結(jié)構(gòu)模型如圖5所示，MJS工法門式加固2號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)模型如圖6所示。

圖5 7號(hào)線盾構(gòu)上跨既有隧道結(jié)構(gòu)模型

圖6 MJS工法門式加固2號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)模型

不同縱向加固區(qū)范圍條件下，既有地鐵隧道最終豎向變形量如表2所示。

表2 既有地鐵隧道最終豎向變形量 (mm)

以上跨7號(hào)線左右線隧道外皮為基礎(chǔ)，外延加固區(qū)長度大于1.5D范圍，可控制既有運(yùn)營隧道的最大沉降為4.86 mm(小于5 mm)，徑向最大收斂值為1.04 mm(小于5 mm)，滿足《江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)規(guī)程》(DGJ32/J 195—2015)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形控制的要求。

3 盾構(gòu)隧道MJS加固技術(shù)要求

3.1 盾構(gòu)隧道現(xiàn)狀調(diào)查

采用MJS加固的區(qū)間隧道累計(jì)有239環(huán)盾構(gòu)管片(上行線121環(huán)、下行線118環(huán))，將運(yùn)營期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)隧道(內(nèi)徑5.5 m)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)本區(qū)段上行線水平直徑收斂值與設(shè)計(jì)值的差值在19.0～67.2 mm，下行線水平直徑收斂值與設(shè)計(jì)值的差值在12.0～68.2 mm，管片均為水平直徑外擴(kuò)。盾構(gòu)管片水平收斂現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 盾構(gòu)管片水平收斂現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)

隧道收斂上、下行線局部變形較大，上、下行線收斂最大值分別為67.2 mm和68.2 mm，其中上行線有120環(huán)收斂值超過2 cm，下行線有117環(huán)收斂值超過2 cm。

同時(shí)在MJS加固前對(duì)本段隧道結(jié)構(gòu)表觀病害進(jìn)行普查，地鐵隧道表觀病害統(tǒng)計(jì)如表4所示。

表4 地鐵隧道表觀病害統(tǒng)計(jì)

為進(jìn)一步減少M(fèi)JS加固過程中對(duì)既有2號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)的擾動(dòng)，須提前對(duì)管片采取加強(qiáng)措施，增強(qiáng)整體穩(wěn)定性。

3.2 管片預(yù)加固方案

管片縱向拉結(jié)加固斷面示意如圖7所示。

圖7 管片縱向拉結(jié)加固斷面示意

利用管片的螺栓孔固定槽鋼將受影響區(qū)域管片拉結(jié)為整體。根據(jù)現(xiàn)場隧道內(nèi)管線的安裝情況，對(duì)不受管線影響的管片進(jìn)行80 mm×80 mm方鋼拉結(jié)(個(gè)別部位受空間影響，可用寬30 mm、厚5 mm扁鐵)，共拉結(jié)5道螺栓，降低不均勻沉降以減少隧道管片變形及破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 MJS加固籌劃

受油坊橋拆復(fù)建及雨潤大街交通導(dǎo)改影響，施工分2個(gè)階段進(jìn)行。第一階段施工靠近油坊橋側(cè)的加固樁(一期)，第二階段施工雨潤大街南側(cè)樁(二期)。根據(jù)相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)，每臺(tái)MJS工法鉆機(jī)每天可完成Φ2 400 mm、樁長18～20 m的全圓MJS工法樁1根；可完成Φ2 400 mm、樁長10～12 m的MJS工法樁2根，完成施工需56 d。

施工采用跳樁施工，跳樁間隔4～6 m，相鄰樁施工間隔時(shí)間不小于24 h。按照現(xiàn)場施工條件，上跨段MJS加固分兩期施工。第一期施工既有線右線樁，第二期施工既有線左線樁，為保證施工期間既有線隧道兩側(cè)平衡，跳樁樁位沿隧道兩側(cè)設(shè)置。MJS跳樁施工一期按照“先1、2后3、4”的方式跳樁施工，二期按照“先5、6后7、8”的方式跳樁施工。每個(gè)施工區(qū)域內(nèi)施工由西向東進(jìn)行，試樁完成后，先施工半樁再施工整樁。

3.4 MJS加固工藝參數(shù)

該工程的MJS工法樁設(shè)計(jì)樁徑為2 400 mm，樁長為25.2 m，單根樁實(shí)際成樁時(shí)間約210～230 min。MJS工法樁施工工藝參數(shù)如表5所示。

表5 MJS工法樁施工工藝參數(shù)

4 MJS加固地鐵隧道保護(hù)監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)方案

由于在隧道加固和盾構(gòu)穿越施工過程中，地鐵2號(hào)線仍需正常運(yùn)營，因此采用人工與自動(dòng)化相結(jié)合的方式對(duì)既有2號(hào)線地鐵隧道結(jié)構(gòu)的垂直位移、水平位移和隧道收斂進(jìn)行監(jiān)測(cè)，2號(hào)線地鐵隧道監(jiān)測(cè)布點(diǎn)如圖8所示。

圖8 2號(hào)線地鐵隧道監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

根據(jù)《江蘇省城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)規(guī)程》(DGJ32/J 195—2015)對(duì)隧道結(jié)構(gòu)變形控制的要求，MJS加固期間的結(jié)構(gòu)變形控制值如表6所示。

表6 MJS加固期間的結(jié)構(gòu)變形控制值

4.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

一期施工MJS工法樁自2020年7月13日開始，最后一根樁于2020年8月3日完成，共計(jì)施工22 d。二期施工MJS工法樁自2020年10月6日開始，最后一根樁于2020年10月21日完成，共計(jì)施工16 d。施工期間以及施工結(jié)束10 d內(nèi)對(duì)既有2號(hào)線區(qū)間影響段進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

一期MJS主要加固既有2號(hào)線上行線隧道范圍，本期加固完成后，上行線MJS施工期間隧道累計(jì)豎向位移曲線如圖9所示，上行線MJS施工期間隧道累計(jì)水平位移曲線如圖10所示，上行線MJS施工期間隧道累計(jì)徑向收斂曲線如圖11所示。

圖9 上行線MJS施工期間隧道累計(jì)豎向位移曲線

圖10 上行線MJS施工期間隧道累計(jì)水平位移曲線

圖11 上行線MJS施工期間隧道累計(jì)徑向收斂曲線

二期MJS主要加固既有2號(hào)線下行線隧道范圍，本期加固完成后，下行線MJS施工期間隧道累計(jì)豎向位移曲線如圖12所示，下行線MJS施工期間隧道累計(jì)水平位移曲線如圖13所示，下行線MJS施工期間隧道累計(jì)徑向收斂曲線如圖14所示。

圖12 下行線MJS施工期間隧道累計(jì)豎向位移曲線

圖13 下行線MJS施工期間隧道累計(jì)水平位移曲線

圖14 下行線MJS施工期間隧道累計(jì)徑向收斂曲線

由圖9和圖12可知，在既有隧道兩側(cè)跳樁施工MJS工法樁會(huì)引起加固的隧道結(jié)構(gòu)有所上浮，施工引起的上行線隧道最大上浮量為0.7 mm，下行線隧道最大上浮量為2.1 mm，為上行線上浮量的3倍；而遠(yuǎn)離加固區(qū)的另外一條隧道結(jié)構(gòu)則上浮量較小。由圖10和圖13可知， MJS加固產(chǎn)生的側(cè)向壓力可引起左右線隧道側(cè)向位移，上行線隧道加固過程中兩隧道反向水平位移最大為2.4 mm，下行線隧道加固過程中兩隧道反向水平位移最大為 3.1 mm。由圖11和圖14可知，兩期MJS加固過程中上、下行隧道徑向最大收斂值為2.0～2.5 mm，這與未加固區(qū)段隧道變形量基本一致。

二期MJS加固過程中引起的地鐵隧道位移變形量較一期更大，主要由于二期加固注漿壓力為42 MPa，大于一期注漿壓力的38 MPa；二期倒吸水壓力為15 MPa，小于一期的20 MPa。為控制MJS加固對(duì)隧道的變形影響，建議在軟土及粉細(xì)砂地層內(nèi)注漿壓力不宜大于40 MPa，倒吸水壓力至少達(dá)到注漿壓力的50%。

5 結(jié)論

針對(duì)新建地鐵線路盾構(gòu)穿越既有運(yùn)營隧道重大風(fēng)險(xiǎn)工程，開展MJS加固設(shè)計(jì)方案的理論分析并在工程運(yùn)用中進(jìn)行加固施工對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響實(shí)測(cè)研究，主要結(jié)論如下。

(1) 在盾構(gòu)上跨隧道前，采用MJS工法樁的門式加固方案可有效控制盾構(gòu)上跨引起既有隧道上??；沿既有隧道縱向加固區(qū)范圍至盾構(gòu)外皮1.5倍開挖洞徑即可滿足變形控制標(biāo)準(zhǔn)。

(2) 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，雖然MJS工法能通過強(qiáng)制排漿較好控制地內(nèi)壓力，但成樁過程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示其仍會(huì)引起樁體附近盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定上浮和水平位移，而對(duì)收斂變形影響不明顯。

(3) 由于本次MJS加固分兩期實(shí)施，結(jié)合兩次監(jiān)測(cè)變形數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)工藝參數(shù)分析，二期對(duì)下行線隧道加固引起的豎向和水平位移均顯著大于一期上行線隧道。建議在軟土及粉細(xì)砂地層MJS成樁注漿壓力不宜大于40 MPa，倒吸水壓力至少達(dá)到注漿壓力的50%。

(4) MJS加固樁施工于2020年10月21日完成，于2021年1月2日完成右線盾構(gòu)上跨既有隧道施工、于2021年4月24日完成左線盾構(gòu)上跨既有隧道施工。該工程的順利實(shí)施，可為類似盾構(gòu)超近距上跨施工提供指導(dǎo)。