既有運(yùn)營線下礦山法隧道施工風(fēng)險(xiǎn)分析與控制

翟國林

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

城市軌道交通運(yùn)營線路線網(wǎng)規(guī)模大，將有條件的新建線路站點(diǎn)設(shè)成換乘站十分必要，新線路下穿既有地鐵線路的案例較多，這不僅增加了施工風(fēng)險(xiǎn)，且給地鐵正常運(yùn)營帶來嚴(yán)重的安全隱患。在礦山法隧道下穿既有地鐵運(yùn)營線路施工技術(shù)及風(fēng)險(xiǎn)分析控制方面，相關(guān)領(lǐng)域的學(xué)者均進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，并在地鐵及相關(guān)工程中應(yīng)用。房艷艷等人提出了超長管棚應(yīng)用于礦山法隧道小近距下穿既有地鐵施工中的一種措施。

縱觀國內(nèi)外文獻(xiàn)資料與工程案例，不能全面適用于復(fù)雜環(huán)境與地質(zhì)條件下下穿既有運(yùn)營線路的施工特性，有必要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際邊界條件采取更加綜合和適用性更強(qiáng)的措施進(jìn)行深入研究。

1 工程簡(jiǎn)介

1.1 工程概況

該工程礦山法段隧道區(qū)間長278.1m，埋深約27m～43m；左線依次下穿或側(cè)穿次高壓燃?xì)夤?、某地鐵運(yùn)營線路盾構(gòu)區(qū)間隧道，右線依次下穿敏捷廣場(chǎng)地下室、某地鐵運(yùn)營線路明挖區(qū)間隧道、萬璟地下空間。

1.2 工程實(shí)施空間位置關(guān)系

該工程礦山法隧道南端距某地鐵運(yùn)營線路明挖區(qū)間的最小距離約9.6m，與盾構(gòu)區(qū)間最小距離為12m，左線礦山法區(qū)間下穿段長度為20.2m，右線礦山法區(qū)間下穿段長度為25.6m。南端礦山法隧道左線（D型斷面15.60m×13.76m）與既有線盾構(gòu)區(qū)間凈距僅為5.1m，右線（A型斷面12.0m×11.6m）與某地鐵運(yùn)營線路明挖區(qū)間凈距4.5m。新建城際礦山法隧道與某地鐵運(yùn)營線路空間關(guān)系如圖1所示。

圖1 新建城際礦山法隧道與某地鐵運(yùn)營線路空間關(guān)系圖

1.3 地質(zhì)與水文特征

該工程礦山法隧道地層（隧道地質(zhì)縱斷面如圖2所示）從上到下依次為<1>素填土、<5Z>砂質(zhì)黏性土、<6Z>全風(fēng)化混合花崗巖、<7Z>強(qiáng)風(fēng)化混合花崗巖、<8Z>中風(fēng)化混合花崗巖、<9Z>微風(fēng)化混合花崗巖，其中洞身主要位于強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化6Z、7Z地層，隧道拱頂以上主要為5Z-2花崗巖殘積土和7Z中風(fēng)化地層，且現(xiàn)場(chǎng)地層不均勻風(fēng)化，存在中、微風(fēng)化硬質(zhì)夾層及球狀風(fēng)化體（孤石）等不良地質(zhì)及特殊性巖土。地下水文埋深淺0.70m～13.00m，位于F236斷裂帶和F137斷裂帶交叉部位，主要賦存于強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化帶中，裂隙發(fā)育地段地下裂隙水豐富且有承壓性。

圖2 礦山法隧道地質(zhì)縱斷面圖

2 工程風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與分析

2.1 地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

該礦山法隧道拱頂?shù)貙右浴?Z-2〉、〈6Z〉、〈7Z〉為主，洞身范圍以〈6Z〉、〈7Z〉為主并存在差異風(fēng)化明顯的不良地質(zhì)，殘積土地層的均勻性差，在臨空面及地下水滲流情況下存在遇水易軟化、崩解的情況，施工擾動(dòng)后，土體強(qiáng)度及地基土承載力急劇降低，導(dǎo)致掌子面失穩(wěn)、滑塌、初支變形及拱頂坍塌等安全風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)化巖差異風(fēng)化明顯，局部存在孤石，主要表現(xiàn)為強(qiáng)風(fēng)化層中夾中風(fēng)化巖，中、全風(fēng)化層中含球狀風(fēng)化體（孤石）、微風(fēng)化巖面埋深差異較大，局部出現(xiàn)風(fēng)化深槽現(xiàn)象。這些在施工過程中均會(huì)對(duì)隧道開挖、支護(hù)產(chǎn)生不利影響。

2.2 水文地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)

該區(qū)域存在2條斷裂帶、破碎基巖或風(fēng)化深槽，已形成地下水富集區(qū)和導(dǎo)水通道，且車站端頭管幕試做時(shí)發(fā)生涌水現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計(jì)涌水流量最高可達(dá)50m3/h，暗挖施工存在突泥涌水、地質(zhì)突變等風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 工程自身風(fēng)險(xiǎn)

下穿段左線隧道D型斷面面積184㎡，跨度15.6m，采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法施工；下穿段右線隧道A型斷面面積118m，跨度12m，采用CRD法施工，大跨度、大斷面、多斷面施工難度和風(fēng)險(xiǎn)極大。

2.4 周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)

近距離下穿既有運(yùn)營線路盾構(gòu)區(qū)間和車站，施工易形成不均勻沉降并破壞既有線結(jié)構(gòu)，特別是接頭薄弱部位，沉降控制難度最大且施工周期長，對(duì)施工的影響較大。

該礦山法隧道上方地下管線密集，總計(jì)管線13條，埋深0.5m～3.5m，其中有1條高壓燃?xì)夤埽?500mm）上跨左線礦山法隧道長度約141.48m，涉及周邊10萬居民的供氣需求，埋深1.8m～2.4m，每13m差異沉降控制值14.74mm，沉降控制難度極大。

3 施工風(fēng)險(xiǎn)控制措施

礦山法隧道下穿既有運(yùn)營線風(fēng)險(xiǎn)控制以動(dòng)態(tài)施工為理念，三維系統(tǒng)注漿為核心，既有運(yùn)營線隧道加固和小導(dǎo)洞施工優(yōu)化等措施輔助控制風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 地面隔離注漿加固控制

為了保障車站方向礦山法的施工安全，采用地面注漿加固，主要分為地面垂直注漿與水平注漿，垂直注漿主要為既有線結(jié)構(gòu)兩側(cè)及兩線中間部分距離既有運(yùn)營線不小于2米，注漿深度進(jìn)入9Z地層或新建線路礦山法隧道底不小10m，水平注漿對(duì)既有運(yùn)營線與新建線路之間的高差段4.6m～5.1m的土體進(jìn)行水平鉆孔灌漿加固。

首先加固既有線北側(cè)地面隔離注漿，控制既有運(yùn)營線向南端新建車站基坑方向移動(dòng)，為基坑開挖、暗挖施工起到止水帷幕的作用；再加固既有線南側(cè)地面隔離注漿，控制既有運(yùn)營線向豎井方向移動(dòng)，截?cái)鄶鄬悠扑閹е袇R水通道，降低地下水對(duì)既有運(yùn)營線的影響；最后加固既有線左右線中間跟蹤注漿，主要控制既有運(yùn)營線左右線橫向相向位移及適時(shí)切斷暗挖下穿既有運(yùn)營線期間掌子面前方少量匯水，保障安全。

3.2 WSS水平注漿加固控制

考慮到礦山法隧道主要位于強(qiáng)風(fēng)化、中風(fēng)化6Z、7Z地層，隧道拱頂以上主要為5Z-2花崗巖殘積土和7Z中風(fēng)化地層?；◢弾r殘積土遇水易軟化崩解，采用了WSS雙液注漿對(duì)混合花崗巖殘積土進(jìn)行堵水加固，坑內(nèi)水平注漿加固施工措施范圍為拱頂以上3m至隧道拱底以下3m，橫向?yàn)閿嗝骈_挖寬度、兩側(cè)各3m范圍。

WSS注漿加固由車站南端向南施工，第一個(gè)加固循環(huán)在南端基坑開挖土方（第四道～第五道支撐）時(shí)分層進(jìn)行，當(dāng)?shù)谖宓理胖我韵峦练介_挖時(shí)，是否繼續(xù)進(jìn)行WSS注漿加固施工，須進(jìn)一步探明前方地質(zhì)資料再確定，該方向剩余加固循環(huán)在洞內(nèi)組織實(shí)施。由橫通道向車站方向施工時(shí)，各加固循環(huán)段也在洞內(nèi)組織實(shí)施。

開挖范圍為6Z、7Z地層，由于水平注漿加固深度較大，可能出現(xiàn)局部區(qū)域加固效果不理想的情況，因此，在隧道開挖過程中應(yīng)根據(jù)超前地質(zhì)探孔及掌子面止水效果情況，對(duì)薄弱區(qū)域采取洞內(nèi)WSS補(bǔ)注漿加固。

注漿材料為AB液（水玻璃-磷酸）、AC液（水玻璃-水泥漿）。水玻璃波美度35Be’，水泥為PO42.5普通硅酸鹽水泥。水玻璃∶磷酸體積比50∶1，水玻璃∶水泥漿體積比1∶1，每立方米水泥漿用水玻璃1350kg；水泥漿水灰比1∶1（質(zhì)量比），每立方米水泥漿水泥及水用量均為743.5kg，AC液的凝結(jié)時(shí)間控制大概在20s～45s。

鉆孔至設(shè)計(jì)深度后（現(xiàn)場(chǎng)根據(jù)設(shè)備性能、施工組織等確定每循環(huán)加固長度為15m，開挖過程中保留1m加固段做后一循環(huán)加固施工的止?jié){墻），注漿量0.8m3/m～1.6m3/m。先注AB液，注漿終孔壓力為1MPa，持續(xù)3min，待鉆桿外壁無流水溢出，即可停注AB液，再注AC液，注漿壓力控制在0.5MPa～1.5MPa，注漿終孔壓力為1.2MPa，待注漿終孔壓力持續(xù)3min后，回抽鉆孔30cm～50cm，再進(jìn)行下一段注漿孔注漿，直至鉆孔全部拔出，注漿完成，再進(jìn)行下一注漿孔位鉆孔注漿作業(yè)。

3.3 管棚支護(hù)施工

城際車站南端第四層土方（第四道支撐以下）采用分層開挖，過程中穿插完成暗挖隧道前方地層加固，在開挖至第五道砼支撐并完成砼支撐施工后，進(jìn)行管棚施工。

右線暗挖隧道下穿既有運(yùn)營線段超前支護(hù)采用?108×6mm雙層自進(jìn)式大管棚+超前小導(dǎo)管，其中大管棚外插角0°～3°，內(nèi)/外環(huán)向間距0.3m/0.315m，布置在拱頂150°范圍，內(nèi)環(huán)距拱頂開挖輪廓線距離為2.07m，外環(huán)距拱頂開挖輪廓線距離為2.47m，總共125根，內(nèi)環(huán)為54根，外環(huán)為71根，單根長度為47m，由城際車站南端施做。

左線暗挖隧道下穿既有運(yùn)營線段超前支護(hù)采用雙層?159×8mm大管棚，環(huán)向間距0.35m/0.37m，布置在拱頂130°范圍，總共103根，單根長度為47m，由新建城際車站南端施做。

管棚施工采用控向水循環(huán)鉆進(jìn)，首先采用出水控制，在完成單根管棚施工后，沉降控制通過及時(shí)填注漿來實(shí)施，現(xiàn)場(chǎng)選取既有線車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁的縫隙進(jìn)行管棚施工，降低管棚施工難度，驗(yàn)證施工過程中采取的控水措施。

右線?108×6mm管 棚 施 工 采 用?133×5mm鋼管制作孔口管，長度900mm，孔口管末端安裝DN125法蘭盤及?60mm旁 通 閥。左 線?159×8mm管 棚 施 工 采 用?194×8mm鋼管制作孔口管，長度2500mm，孔口管末端安裝DN200mm法蘭盤及?60mm旁通閥。

管棚施工需要破除掌子面圍護(hù)結(jié)構(gòu)，施工前采用水鉆取芯鉆機(jī)按設(shè)計(jì)角度開設(shè)導(dǎo)向孔，?108mm管棚開設(shè)孔徑?140mm，?159mm管棚開設(shè)孔徑?200mm，以開透結(jié)構(gòu)至原狀土為準(zhǔn)。

開孔完成后及時(shí)安裝孔口管及其密封裝置，孔口管安裝時(shí)應(yīng)伸入地連墻內(nèi)，外露長度不超過150mm，管壁與地連墻取芯孔間的孔隙采用棉絮、水不漏等填實(shí)。

保壓結(jié)構(gòu)由球閥及相應(yīng)的密封盒、壓板組成。右線管棚施工保壓結(jié)構(gòu)主體為一個(gè)DN125球閥，通過法蘭盤連接一個(gè)密封盒裝置及其配套的壓板；左線管棚施工保壓結(jié)構(gòu)主體為一個(gè)DN200球閥，通過法蘭盤連接一個(gè)密封盒裝置及其配套的壓板。

第一節(jié)管棚鋼管長度大于4m，便于安裝止水措施，在管口金剛石鉆頭后部3.8m位置安裝第一道逆止閥，下一道逆止閥安裝位置按水循環(huán)跟管鉆進(jìn)方式5m～8m進(jìn)行依次安裝。

管棚鋼管端頭安裝金剛石取芯鉆頭，采用水循環(huán)置換方式旋轉(zhuǎn)管棚鋼管至圍護(hù)結(jié)構(gòu)或孤石，通過金剛石鉆頭的旋轉(zhuǎn)切削破除鋼筋混凝土、孤石等障礙物，必要時(shí)要從管內(nèi)送入小口徑潛孔錘，破碎管內(nèi)芯樣，循環(huán)接管取芯破碎完成管棚施工，最后采用管內(nèi)填充水泥漿。連續(xù)取芯跟管鉆進(jìn)示意圖如圖3所示。

圖3 連續(xù)取芯跟管鉆進(jìn)示意圖（以右線為例）

3.4 小導(dǎo)洞臺(tái)階法開挖優(yōu)化方案措施

以雙側(cè)壁導(dǎo)坑進(jìn)行小導(dǎo)洞臺(tái)階法施工為例（圖4），按照常規(guī)施工工序應(yīng)為①-②-③-④-⑤-⑥進(jìn)行各斷面分臺(tái)階，間隔一定距離開挖施工，但為了更好地檢驗(yàn)注漿效果和檢查地質(zhì)情況，須進(jìn)行優(yōu)化施工，保持施工工序不變，①斷面拉大與后續(xù)斷面距離，保證率先貫通，這樣優(yōu)化后更有利于隧道穩(wěn)定。

圖4 雙側(cè)壁導(dǎo)坑法開挖工序圖

礦山法隧道施工期間既有運(yùn)營線沉降仍在繼續(xù)，特別是停供炸藥期間，速率較大，為了更好地控制沉降，須優(yōu)化小導(dǎo)洞施工順序，調(diào)整工序?yàn)棰?③-②-④-⑤-⑥，各斷面分臺(tái)階，間隔一定距離開挖施工直至貫通，縮短既有工期15天，確保關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)按期完成。

3.5 隧道內(nèi)注漿加固

沿暗挖隧道斷面徑向打設(shè)長度不小于4.5m的小導(dǎo)管注漿，加固填充暗挖隧道左右線中間薄弱區(qū)域，對(duì)該區(qū)域地層進(jìn)行補(bǔ)償注漿，減緩上方既有運(yùn)營線沉降趨勢(shì)，加強(qiáng)洞內(nèi)初支背后注漿，及時(shí)填充初支背后空隙，且初支背后注漿滯后開挖掌子面不能超過5m，保證沉降量不宜過大。

3.6 既有運(yùn)營線隧道加固

先對(duì)既有運(yùn)營線軌道進(jìn)行加固，設(shè)置橫、縱梁增強(qiáng)軌道的整體抗變形能力，采用軌距拉桿提高鋼軌橫向穩(wěn)定性，保持軌距的能力，并在既有運(yùn)營隧道道床下埋設(shè)5m長注漿管進(jìn)行基底加固，每根注漿管在1m、3m、5m段重復(fù)灌漿加固，補(bǔ)償?shù)貙铀翐p失，降低車站南端及洞內(nèi)水平注漿對(duì)既有運(yùn)營線的不利影響；最后再對(duì)地鐵既有運(yùn)營線左右線約24m（16環(huán)）范圍管片進(jìn)行縱向拉結(jié)固定，通過型鋼在3、9點(diǎn)位進(jìn)行拉結(jié)，增強(qiáng)盾構(gòu)區(qū)間管片整體性和抵抗沉降變形的能力。

4 風(fēng)險(xiǎn)控制效果

管棚施工階段通過控向水循環(huán)鉆進(jìn)管棚施工工藝+水平跟蹤補(bǔ)償注漿施工工法，減輕了管棚施工過程中失水流泥等對(duì)周圍土體及既有運(yùn)營線的擾動(dòng)，并在隧道開挖過程中1號(hào)點(diǎn)沉降大于2號(hào)點(diǎn)（同一方向開挖，先開挖處要大）?？傮w上左、右線暗挖隧道及它們之間區(qū)域上方的既有運(yùn)營線沉降變形較為明顯，既有運(yùn)營線明挖區(qū)間與盾構(gòu)區(qū)間相接薄弱處附近的變形最明顯，既有運(yùn)營線右線較左線變形更明顯，總體變形可控，順利下穿了既有運(yùn)營地鐵線。

5 結(jié)語

在大涌水、殘積土、斷裂帶及既有運(yùn)營線路下方設(shè)置大斷面、大跨度暗挖隧道，應(yīng)充分論證其沉降控制難度可行性等因素。

工法選擇應(yīng)充分重視水文地質(zhì)調(diào)查與分析，前期受周邊環(huán)境等客觀因素影響，復(fù)雜地質(zhì)應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)勘、鉆孔取芯，調(diào)查清楚區(qū)域特殊水文地質(zhì)情況，選擇合適的超前支護(hù)方案。

原方案暗挖隧道管棚支護(hù)只考慮保護(hù)正上方既有運(yùn)營線，未考慮左、右線暗挖隧道中間上方既有運(yùn)營線的超前支護(hù)，以致于形成了相對(duì)薄弱的區(qū)域。

WSS注漿工藝適用于〈5Z-2〉、〈6Z〉、〈7Z〉地層，其中7Z地層注漿止水效果更明顯，〈5Z-2〉、〈6Z〉地層因裂隙不發(fā)育，滲透注漿難以實(shí)現(xiàn)，為了形成劈裂注漿效果需要更大的注漿壓力，注漿止水效果總體效果明顯，掌子面干燥無明水。