盾構(gòu)始發(fā)近距下穿既有線沉降控制技術(shù)研究

李旭

中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司 湖北 武漢 430076

1 引言

進(jìn)入新世紀(jì)以來(lái)，軌道交通得到快速發(fā)展，伴隨地鐵線路數(shù)量逐步增多，新建地鐵線路將越來(lái)越多地穿越城市中心地帶，不可避免的會(huì)出現(xiàn)線路交叉等情況，因此盾構(gòu)法隧道施工所面對(duì)的環(huán)境條件越來(lái)越復(fù)雜。

針對(duì)盾構(gòu)穿越既有線安全控制的研究方法主要以：數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)工程實(shí)測(cè)法等方法開(kāi)展研究。程韜等[1]針對(duì)大粒徑富水卵石地層盾構(gòu)下穿既有線提出了有效控制地層沉降的設(shè)計(jì)與施工措施，此外地層對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)影響明顯，其中蘇州、常州等地區(qū)以粉質(zhì)黏土及其他富水軟弱地層為主的城市，已經(jīng)成為地下工程修建過(guò)程中最為常見(jiàn)的不良地質(zhì)體[2]，富水軟弱粉質(zhì)黏土地層具有天然含水率高、孔隙比大、滲透性差、壓縮性高、抗剪強(qiáng)度低等特點(diǎn)，盾構(gòu)掘進(jìn)容易面臨掌子面失穩(wěn)破壞、土體坍塌、涌水涌砂、掘進(jìn)超方、地表沉降、反力架失穩(wěn)等施工風(fēng)險(xiǎn)[3-5],因此富水軟弱地層盾構(gòu)始發(fā)近距下穿既有線施工存在建壓困難，沉降控制難度大，施工安全風(fēng)險(xiǎn)高等難題。

上述對(duì)于盾構(gòu)近距下穿既有線的研究多處于數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)階段，本文以某盾構(gòu)區(qū)間為背景，研究軟弱地層盾構(gòu)始發(fā)近距下穿既有線施工技術(shù)。

2 工程概況

蘇州某盾構(gòu)區(qū)間始發(fā)即以最小3.36m的近距離下穿既有運(yùn)營(yíng)地鐵2號(hào)線，距離既有2號(hào)線僅有15.89m，下穿沉降影響范圍達(dá)到74.4m，圍巖主要為粉質(zhì)黏土層，如圖1地質(zhì)剖面圖所示。

圖1 地鐵5號(hào)線下穿地質(zhì)剖面圖

根據(jù)鉆孔揭示，本場(chǎng)地埋深80m以內(nèi)所揭示的地基土除填土外，均為沖湖積相，海陸交互相沉積的粘土，平均厚度8.98m，地質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 粉土夾粉質(zhì)粘土主要物理力學(xué)指標(biāo)表

3 盾構(gòu)近距下穿既有線施工技術(shù)

3.1 近距下穿既有線盾構(gòu)注漿系統(tǒng)升級(jí)改造

(1)同步注漿砂漿車的改造

為了能夠在盾構(gòu)穿越既有線過(guò)程中實(shí)現(xiàn)快速的應(yīng)急注漿并保證注漿的連續(xù)性與充足性，對(duì)電瓶車砂漿罐進(jìn)行改造如圖2所示。

圖2 電瓶車砂漿罐改造示意圖

圖2設(shè)計(jì)形式簡(jiǎn)單避免了因?yàn)槌闈{泵與注漿泵的功率不一致出現(xiàn)的注漿管破裂，注漿泵損壞或注漿管堵塞等現(xiàn)象,并且其注漿效果能夠達(dá)到正常的注漿效果，此外砂漿罐可以直接與砂漿注漿泵連通；或與臺(tái)車砂漿罐的進(jìn)料口連通;或通過(guò)分支管路分別與砂漿注漿泵和臺(tái)車砂漿罐的進(jìn)料口連通，并在分支管路上設(shè)有三通控制閥，能夠?qū)崿F(xiàn)多種模式下的盾尾同步注漿作業(yè)。

(2)惰性漿液同步注漿系統(tǒng)

為避免盾體徑向孔漿液快速凝固將盾體包裹而影響掘進(jìn)，研制具備一定的自立性能，初凝時(shí)間長(zhǎng)且固結(jié)強(qiáng)度較低的惰性漿液，從而解決盾體脫困問(wèn)題。由于惰性漿液其本身的特性，需對(duì)盾構(gòu)機(jī)臺(tái)車膨潤(rùn)土灌進(jìn)行改造，將膨潤(rùn)土灌下部螺桿泵改裝成活塞注漿泵使之能夠?qū)⒍栊詽{液泵送至盾體與土體之間的空隙處，具體見(jiàn)如下圖3所示。

圖3 多類型漿液運(yùn)輸與注入一體化壁后注漿設(shè)備

如圖3所示，在掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)同步砂漿罐進(jìn)行常規(guī)的盾尾砂漿同步注漿，通過(guò)擠壓泵將惰性漿液通過(guò)盾體上部?jī)蓚€(gè)徑向孔注入，從而填充盾殼與土體間隙，通過(guò)上述注漿體系可以有效的避免因盾體外的空隙無(wú)法及時(shí)填充而造成地面沉降。

(3)長(zhǎng)距離漿液攪拌輸送裝置改造

盾構(gòu)穿越既有線過(guò)程中,由于盾尾砂漿與盾體惰性漿液兩者特性存在差異，需采用不同的材料進(jìn)行拌制，因此對(duì)兩種漿液攪拌與輸送裝置進(jìn)行改造，使之既能拌置砂漿也能拌置惰性漿液，屬于多功能拌合站，形成兩套注漿系統(tǒng)，具體如下圖4所示。

圖4 長(zhǎng)距離漿液攪拌輸送系統(tǒng)

圖4長(zhǎng)距離漿液攪拌輸送系統(tǒng),該輸送系統(tǒng)包括儲(chǔ)料罐、骨料倉(cāng)、砂漿罐、惰性漿罐、砂漿車和電瓶車惰性漿液灌;由于運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)，其砂漿罐設(shè)置有兩個(gè)，每個(gè)砂漿罐的出漿口均設(shè)有擠壓泵，一個(gè)砂漿罐置于地面，另一個(gè)砂漿罐置于車站負(fù)一層的位置,電瓶砂漿罐車和電瓶車惰性漿液灌均置于車站負(fù)二層；在惰性漿液漿車與骨料倉(cāng)連接設(shè)有地泵。依據(jù)上述設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中盾尾管片外壁與盾體徑向孔同時(shí)進(jìn)行注漿填充空隙的目標(biāo)。

3.2 近距下穿既有線盾構(gòu)掘進(jìn)控制

為確保平穩(wěn)下穿，對(duì)下穿影響范圍內(nèi)的每環(huán)管片指定特定的控制措施，始發(fā)段掘進(jìn)階段劃分及掘進(jìn)計(jì)劃如下圖5所示。

圖5 始發(fā)掘進(jìn)階段劃分

盾構(gòu)過(guò)水泥加固區(qū)域應(yīng)根據(jù)刀盤扭矩情況適當(dāng)提高土倉(cāng)壓力，當(dāng)盾尾已全部進(jìn)入鋼套筒，開(kāi)始進(jìn)行同步注漿，在-1環(huán)開(kāi)始推進(jìn)時(shí),由中盾徑向孔1.11點(diǎn)位注入惰性漿液材料，填充鋼套筒與盾殼之間的間隙進(jìn)行洞門封堵；當(dāng)+63環(huán)推拼完時(shí)，此時(shí)盾尾脫出至既有線外側(cè)30環(huán)，停止中盾徑向孔注漿。

4 盾構(gòu)近距下穿既有線監(jiān)測(cè)技術(shù)

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中在既有2號(hào)線管片上布置測(cè)點(diǎn),盾構(gòu)下穿過(guò)程中對(duì)上下行線采用靜力水準(zhǔn)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沉降,每條隧道每一環(huán)布置5個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行編號(hào)，如圖6。

圖6 既有線斷面測(cè)點(diǎn)埋設(shè)及編號(hào)

針對(duì)下穿期間的高風(fēng)險(xiǎn)，勞動(dòng)路5號(hào)線右線盾構(gòu)掘進(jìn)下穿全程對(duì)既有地鐵2號(hào)線上下行線開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)比下穿到達(dá)前和下穿后既有上下行線沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，如下圖所示。

通過(guò)采用靜力水準(zhǔn)儀對(duì)既有2號(hào)線上下行線進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，圖7既有2號(hào)線下行線JLR-11最大沉降-5.96mm，分析JLR11、16、21、26、31沉降數(shù)據(jù)表現(xiàn)為盾構(gòu)到達(dá)前沉降量逐步增大,下穿完成后沉降量減少，同樣圖8既有2號(hào)線上行線JLL-427最大沉降-4.60mm，對(duì)比JLL-437、432、427、422、417沉降量與圖7下行線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化規(guī)律保持一致，盾構(gòu)到達(dá)前沉降變化大，盾構(gòu)通過(guò)后沉降減少，下穿期間上下行線最大沉隆量均未超過(guò)控制值(±10mm)，沉降數(shù)據(jù)都在可控范圍內(nèi)，證明通過(guò)盾體徑向孔以及多層級(jí)的注漿模式，成功控制了既有線的沉降，保證了既有線的安全運(yùn)營(yíng)。

圖7 既有2號(hào)線下行線沉降數(shù)據(jù)變化圖

圖8 既有2號(hào)線上行線沉降數(shù)據(jù)變化圖

5 結(jié)論

(1)為了填充刀盤開(kāi)挖直徑較中盾大而造成的盾體與開(kāi)挖土體之間的孔隙，通過(guò)注漿系統(tǒng)升級(jí)改造，采取中盾徑向孔球閥注惰性漿液的方法對(duì)空隙進(jìn)行填充，提高盾構(gòu)下穿的安全性。

(2)盾構(gòu)采取程序性掘進(jìn)控制措施，保證掘進(jìn)可控，利用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)手段，實(shí)時(shí)對(duì)既有線，周邊建筑物及管線進(jìn)行監(jiān)控，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)波動(dòng)指導(dǎo)盾構(gòu)參數(shù)調(diào)整，保證順利掘進(jìn)。