超大斷面土壓-泥水盾構(gòu)隧道下穿敏感城區(qū)施工安全風(fēng)險控制研究

來瓊

（中鐵二局集團(tuán)新運(yùn)工程有限公司，四川 成都 610031）

快速鐵路隧道采用土壓-泥水雙模法超大斷面下穿敏感城區(qū)，對城市居民生活、交通、建（構(gòu)）物安全勢必造成一定影響，采取符合實際的針對性措施是風(fēng)險管理取得成功的關(guān)鍵。姚曉明等[1]對新建盾構(gòu)隧道近距離下穿既有地鐵線提出了安全控制技術(shù)，張潤峰等[2]對下穿既有建筑期間盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行了分析，本文針對首次在快速鐵路隧道采用雙模法盾構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜和敏感環(huán)境下穿越進(jìn)行風(fēng)險控制研究，以期科學(xué)指導(dǎo)類似工程施工[3]。

1 工程概況

成蒲鐵路西環(huán)線增建二線工程北起安靖站，經(jīng)成都西站、紅牌樓站，最終接入成都南站，是“鐵路城市公交化”重要的組成部分，其中紅牌樓至成都南區(qū)間涉及一座1.3 km 的紫瑞隧道，是實現(xiàn)樞紐環(huán)線全線雙向貫通的最后關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建成后將極大提高成都市鐵路樞紐疏解能力，對提升成都鐵路樞紐地位和實現(xiàn)環(huán)線公交化運(yùn)營具有重要意義。設(shè)計隧道為單洞雙線，盾構(gòu)法施工，隧道全長1 326 m，外徑12.4 m，內(nèi)徑11.3 m，最大縱坡為25.5‰。隧頂最小埋深8.6 m，最大埋深21.75 m，紫瑞隧道地理位置如圖1 所示。

圖1 紫瑞隧道地理位置示意圖

2 地質(zhì)水文條件

隧道位于成都沖積平原區(qū)，地勢開闊平坦，地面高程490～502 m，既有建筑、鐵路、公路、地鐵等市政工程密集，主要穿越地層為粗圓礫土、W3 強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖、W2 強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖。

整個隧道穿越區(qū)卵石土、粗圓礫土層較厚，且分布范圍大，其間賦存有大量的空隙潛水。地下水靜止水位埋深3.0～10.6 m，含水層厚10～25 m，主要受線路附近工程降水施工的影響，地下水的年變化幅度多在1.0～3.0 m 之間。

3 穿跨越重難點分析

本隧道始于神仙樹南路東側(cè)，止于既有紅牌樓場站內(nèi)，線路依次下穿肖家河、地鐵5 號線神仙樹站主體結(jié)構(gòu)底板、地鐵7 號線神仙樹站C 號出入口底板、神仙樹高架橋群、成雅高速橋等建構(gòu)筑物，盾構(gòu)隧道穿跨越構(gòu)筑物平面圖如圖2 所示。在如此敏感環(huán)境下，盾構(gòu)隧道穿跨越既有構(gòu)筑物時如何降低對既有構(gòu)筑物的影響是該項技術(shù)關(guān)注的重難點，同時如何確保盾構(gòu)施工過程中環(huán)境的穩(wěn)定性及安全風(fēng)險控制是該項技術(shù)實施的關(guān)鍵點。

圖2 盾構(gòu)隧道穿跨越構(gòu)筑物平面圖

4 風(fēng)險分析

隧道正穿肖家河，底處隧道埋深約8 m，下穿期間引起河床塌陷，引發(fā)透水和周邊建筑物的基礎(chǔ)沉降或主體倒塌。

隧道正穿營運(yùn)地鐵5 號線車站和7 號線C 出入口，下穿期間存在地鐵沉降超限，車站結(jié)構(gòu)變形，地鐵停運(yùn)的風(fēng)險；下穿神仙樹高架橋群和成雅高速高架橋，部分橋樁距隧道結(jié)構(gòu)水平凈距為2.67～10 m，側(cè)穿引起路基沉降、橋梁變形，造成交通中斷等風(fēng)險。

5 施工準(zhǔn)備

5.1 建（構(gòu)）筑物調(diào)查

委托檢測咨詢公司對盾構(gòu)隧道需穿跨越的建構(gòu)筑物進(jìn)行鑒定，所有相關(guān)的建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)完好，無變形、沉降、傾斜等病害，處于正常使用狀態(tài)，未見結(jié)構(gòu)性損傷，結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定。

5.2 施工影響計算與結(jié)果分析

根據(jù)現(xiàn)場實際情況，以成雅高架橋為例進(jìn)行相關(guān)計算與結(jié)果分析，下穿成雅高架橋計算模型如圖3 所示，其他建（構(gòu)）筑物比照進(jìn)行。

圖3 下穿成雅高架橋計算模型圖

采集結(jié)構(gòu)、尺寸、相關(guān)距離等相關(guān)參數(shù)輸入Midas軟件進(jìn)行三維建模。通過計算分析，成雅高速橋的樁基礎(chǔ)在穿越工況下，樁由原始的最大軸力5 465.5 kN和最大彎矩335.3 kN·m 變化為5 050 kN 和121.4 kN·m，豎向最大變形為0.06 mm，水平向最大變形為1.6 mm；同時穿越區(qū)域地表最大沉降4.06 mm，最大隆起2.25 mm。根據(jù)計算結(jié)果，盾構(gòu)隧道穿越成雅高架橋時，底層擾動引起樁基變形，變形以水平變形為主，導(dǎo)致樁基產(chǎn)生附加彎矩，樁基水平并及豎向變形均滿足5 mm 控制值的要求。

5.3 施工管理及技術(shù)準(zhǔn)備

本工程盾構(gòu)設(shè)備采用土壓-泥水雙模盾構(gòu)機(jī)，在穿跨越既有構(gòu)筑物時采用適應(yīng)性更好、穩(wěn)定性更強(qiáng)、掘進(jìn)效率更高的泥水平衡模式通過，穿越各建構(gòu)筑物前設(shè)置30～50 m 試驗段，以試驗段作為參考優(yōu)化盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)。

穿越過程中對構(gòu)筑物密切觀測，充分做好應(yīng)急預(yù)案；穿越后，持續(xù)進(jìn)行后沉降觀測，及時進(jìn)行二次注漿。在盾構(gòu)穿越前、中、后期全過程進(jìn)行風(fēng)險管控，降低施工風(fēng)險。

6 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

盾構(gòu)機(jī)在穿越各重要構(gòu)筑物前，對盾構(gòu)設(shè)備進(jìn)行檢修，確保穿越期間不停機(jī)，滿足一次性通過條件。根據(jù)同類地質(zhì)情況盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)類比分析，以及穿越期期間對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的調(diào)整及分析，總結(jié)主要關(guān)鍵盾構(gòu)掘進(jìn)合理參數(shù)如下。

6.1 下穿河流

肖家河寬約15 m，流量不大，受季節(jié)變化影響，冬季水量較小，夏季水量相對較多。河道位置兩側(cè)地下水位約7.49 m（河道范圍水位較高為4 m），土層分布如下：人工填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粗圓礫石。河道范圍內(nèi)最上層為0.24 m 厚硅酸鹽砌塊，往下依次為黏土、粉土、粗圓礫土。掘進(jìn)速度30～35 mm/min，推力70 481～72 098.8 kN（河道范圍為53 332.1 kN），扭矩34 22 3.1 ～34 99 8.3 kN·m（河道范圍為26 707.2 kN·m），刀盤鉆速1.2～1.4 r/min，土倉壓力1.43～1.49 bar。

6.2 下穿地鐵

盾構(gòu)下穿成都地鐵5 號線和7 號線，在地鐵線路范圍內(nèi)主要下伏地層為粗圓礫石，上部為人工填土，地下水位線在7.04～7.12 m 之間。掘進(jìn)速度30～35 mm/min，推力75 585.4～78 662.3 kN，扭矩36 802.6～38 350.5 kN·m，刀盤鉆速1.1～1.3 r/min，土倉壓力1.53～1.60 bar。

6.3 下穿橋梁

盾構(gòu)隧道側(cè)穿神仙樹高架橋群和成雅高速高架橋，該地段水位在7.31～8.21 m 之間，上覆土層依次為人工填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粗圓礫土。掘進(jìn)速度30～40 mm/min，推力89 472.5～100 015.7 kN，扭矩43 769.1～48 683.1 kN·m，刀盤鉆速1.2～1.4 r/min，土倉壓力2.12～2.3 bar。

7 建（構(gòu)）筑物注漿加固

盾構(gòu)隧道穿跨越建（構(gòu)）筑物地段采取的加固措施為袖閥管預(yù)注漿加固及隔離加固，本工程盾構(gòu)隧道穿越建構(gòu)筑物注漿加固方式如下。

7.1 下穿河流

盾構(gòu)穿越肖家河對河底板進(jìn)行預(yù)注漿加固，加固深度為河底6 m，寬度為隧道兩側(cè)各5 m，袖閥管注漿加固孔位間距200 mm×200 mm 梅花形布置，下穿肖家河注漿加固斷面如圖4 所示?？紤]肖家河水流量大，加固分2 次進(jìn)行，加固前先采用圍堰進(jìn)行河水分流，第一次進(jìn)行靠小里程約5.3 m 區(qū)域圍堰施工，圍堰施工完成后進(jìn)行預(yù)注漿加固及中水管探挖；第二次進(jìn)行剩余約4.2 m 區(qū)域圍堰及預(yù)注漿加固施工。

圖4 下穿肖家河注漿加固斷面圖

7.2 下穿地鐵

盾構(gòu)隧道穿越地鐵5、7 號線時，該段落內(nèi)分別設(shè)置有玻璃纖維筋抗拔樁及圍護(hù)樁，盾構(gòu)機(jī)穿越樁過程中，嚴(yán)格控制切口壓力，保持盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)穩(wěn)定；嚴(yán)格控制盾構(gòu)糾偏量，在確保盾構(gòu)正面沉降控制良好的情況下，使盾構(gòu)均衡勻速施工，減少盾構(gòu)施工對土體的擾動和地層損失。同步注漿系統(tǒng)及時充填空隙，待盾構(gòu)通過后及時二次注漿，進(jìn)一步控制滯后沉降。

7.3 下穿橋梁

主要采取施作隔離樁保護(hù)自身橋基和微型鋼管樁進(jìn)行加隔離加固。其中隔離樁直徑1 000 mm，樁長為盾構(gòu)隧道底部2 m，樁身距離隧道邊線大于1 m，主要應(yīng)用于神仙樹高架橋群，如圖5 所示。微型鋼管樁采用直徑150 mm 鋼管，樁長22 m，樁位沿是隧道掘進(jìn)方向間隔300 mm 布置，與橋梁水平凈控制在2.5～4.3 m，主要應(yīng)用于成雅高速高架橋，如圖6 所示。

圖5 神仙樹高架橋群橋墩加固斷面

圖6 鋼管樁加固剖面示意圖

8 盾構(gòu)穿越期間監(jiān)控量測

8.1 出土量及隧道注漿控制

本工程大斷面盾構(gòu)隧道每環(huán)（1.5 m 管片）出土量控制在233 m3左右，對出土量差異較大節(jié)段，從出土類型、實際出土方量結(jié)合地表沉降觀測數(shù)據(jù)等方面進(jìn)行綜合評估分析，查找原因，以采取控制措施。

同步注漿采用注漿壓力與注漿量雙控標(biāo)準(zhǔn)，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa 之間，注漿量控制在19.62～26.16 m3以內(nèi)。在該段掘進(jìn)時采用多孔加強(qiáng)型管片，根據(jù)觀測分析結(jié)果在豎向坡道及水平方向變化較大時，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用二次補(bǔ)強(qiáng)注漿，壓力控制在0.5～0.6 MPa 范圍內(nèi)。

8.2 沉降監(jiān)控

盾構(gòu)下穿河流、地鐵和橋梁時，主要監(jiān)測項目為建構(gòu)筑物豎向位移（全部接近段落）、地表豎向位移（全線）、隧道拱頂下沉及凈空收斂（下、側(cè)穿建構(gòu)筑）、區(qū)間分層豎向位移（穿越河流、路口、房屋）。監(jiān)測頻率滿足規(guī)范要求，如發(fā)現(xiàn)異常，則加密監(jiān)測頻次并及時通知相關(guān)各方，及時采取防范措施。

在盾構(gòu)隧道全部穿跨越建構(gòu)筑物后，經(jīng)施工單位監(jiān)測穩(wěn)定后，再由第三方鑒定單位對建筑物進(jìn)行鑒定，并與通過前的鑒定報告進(jìn)行對比，確定盾構(gòu)通過是否對建筑物結(jié)構(gòu)造成影響。

9 應(yīng)急管理

在盾構(gòu)隧道穿跨越既有建（構(gòu)）筑物時出現(xiàn)整體沉降或傾斜超過警戒值或出現(xiàn)明顯裂縫等情況時，立即停止現(xiàn)場該部位附近的大型機(jī)械施工和挖土作業(yè)，通知業(yè)主、監(jiān)理、設(shè)計和設(shè)備管理單位，密切觀測變形發(fā)展的情況和趨勢，同時應(yīng)立即啟動應(yīng)急預(yù)案，協(xié)助疏散交通和周圍住戶。

同時對建（構(gòu)）筑物地基加固，啟動袖閥管注漿應(yīng)急方案，進(jìn)行地面跟蹤注漿。在建筑物體周圍注漿進(jìn)行加固土體，地面注漿材料采用純水泥漿，正常注漿壓力為0.4～0.8 MPa，注漿壓力控制在1.0 MPa 以內(nèi)，并由下而上逐漸減小，同步對洞內(nèi)進(jìn)行二次注漿，多方位穩(wěn)固地面和建（構(gòu)）筑物穩(wěn)定。

10 結(jié)語

本項目大斷面盾構(gòu)隧道已順利完成，穿跨越各建構(gòu)筑物期間均安全可控，未發(fā)生任何安全生產(chǎn)事故。通過嚴(yán)格的風(fēng)險分析，制定完善的加固及穿跨越方案，調(diào)整有效的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，切實貫徹長效監(jiān)控機(jī)制，有效控制了盾構(gòu)隧道穿跨越建構(gòu)筑物作業(yè)安全風(fēng)險，得到了建設(shè)單位的高度評價，提高了企業(yè)形象，可為類似工程施工提供借鑒和參考。