地鐵盾構(gòu)穿越既有運(yùn)行線路采用的施工技術(shù)

李 金 檣

(中國(guó)水利水電第十工程局有限公司，四川 都江堰 611830)

1 概 述

成都軌道交通19號(hào)線二期工程土建7工區(qū)紅蓮站～天府商務(wù)區(qū)站盾構(gòu)區(qū)間設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為Y(Z)DK102+086.403，設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程為Y(Z)DK104+058.309，左線全長(zhǎng)1 979.711 m，右線全長(zhǎng)1 971.906 m，全段均為盾構(gòu)隧道。

紅～天盾構(gòu)區(qū)間隧道垂直穿越已建18號(hào)線海昌路站～福州路站區(qū)間地層的巖體主要為中等風(fēng)化砂巖。18號(hào)線盾構(gòu)隧道外徑為8.3 m，內(nèi)徑為7.5 m，隧道在此段的坡度為17‰。18號(hào)線盾構(gòu)隧道左線處的埋深為14.99 m，19號(hào)線右線處的埋深為15.45 m。左線頂部到18號(hào)線隧道的距離為8.133 m，右線頂部到隧道的距離為7.712 m。

紅～天盾構(gòu)區(qū)間隧道左線下穿已運(yùn)營(yíng)的地鐵1號(hào)線天府公園站車站結(jié)構(gòu)。該區(qū)域所處地層巖體主要由中等風(fēng)化砂巖和強(qiáng)風(fēng)化砂巖構(gòu)成。左線頂部到車站結(jié)構(gòu)底部的凈距離為14.47 m，右線頂部到車站主體結(jié)構(gòu)底部的凈距離為15.736 m。隧道埋深為32.03 m。

鑒于紅～天盾構(gòu)區(qū)間穿越既有運(yùn)行線路上下凈距小，不同于天然地基的開(kāi)挖，其掘進(jìn)過(guò)程必然會(huì)對(duì)周圍土體造成擾動(dòng)、變形，影響既有線路的運(yùn)營(yíng)，如隧道結(jié)構(gòu)出現(xiàn)縱向/水平位移、橫斷面扭轉(zhuǎn)、傾斜等，極易進(jìn)一步導(dǎo)致軌道整體沉降、差異沉降、配套設(shè)備損壞、滲漏水等，將直接威脅到出行人員的人身安全。因此，在該條線路的掘進(jìn)過(guò)程中，一定要根據(jù)隧道的埋深、地質(zhì)情況合理地設(shè)置土壓力以及掘進(jìn)參數(shù)[1]。

2 盾構(gòu)隧道穿越既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路采用的施工技術(shù)

2.1 施工前的準(zhǔn)備工作

在進(jìn)行盾構(gòu)隧道施工前，對(duì)既有運(yùn)營(yíng)地鐵線路隧道進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)踏勘，全面掌握了18號(hào)線海福區(qū)間、1號(hào)線天府公園站的運(yùn)行情況，通過(guò)對(duì)其運(yùn)營(yíng)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行分析總結(jié)，了解了該隧道的結(jié)構(gòu)變形情況。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)與觀測(cè)，及時(shí)進(jìn)行二次注漿；盾構(gòu)通過(guò)后對(duì)18號(hào)線海福區(qū)間、1號(hào)線天府公園站進(jìn)行了跟蹤監(jiān)測(cè)并及時(shí)進(jìn)行反饋，視反饋情況及洞內(nèi)超挖大小及時(shí)對(duì)地層進(jìn)行補(bǔ)充注漿。對(duì)所布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行全面檢查，收集原始記錄，確保原始數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤；加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)方案進(jìn)行細(xì)化，對(duì)掘進(jìn)有異常情況的區(qū)段監(jiān)測(cè)時(shí)間適當(dāng)延長(zhǎng)。

盾構(gòu)下穿前，按照專項(xiàng)方案對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行停機(jī)檢查，包括推進(jìn)系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、拼裝機(jī)、盾尾密封等主機(jī)設(shè)備的正常運(yùn)行及維修管理；盾構(gòu)通過(guò)前，對(duì)下穿建(構(gòu))筑物進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，通過(guò)試驗(yàn)段確定了掘進(jìn)參數(shù)：土壓傳感器的準(zhǔn)確性、類似地層出土量與同步注漿量、注漿壓力與地層沉降情況的關(guān)聯(lián)性、渣土改良的添加劑種類與添加量、特殊管片的注漿孔位以及注漿壓力[2]。

2.2 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的控制

盾構(gòu)在下穿掘進(jìn)過(guò)程主要遵循以下原則：加強(qiáng)對(duì)施工設(shè)備的管理，確保盾構(gòu)連續(xù)穿越；嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)(土壓力、掘進(jìn)速度、掘進(jìn)姿態(tài)、出土量、同步注漿等)；加強(qiáng)地面監(jiān)測(cè)分析；做好應(yīng)急措施準(zhǔn)備。

(1)控制掘進(jìn)速度。掘進(jìn)速度的快慢對(duì)周圍地層的穩(wěn)定性至關(guān)重要。速度過(guò)快，同步漿液無(wú)法及時(shí)補(bǔ)充盾體之間的間隙，容易造成土體坍塌；速度過(guò)慢，延長(zhǎng)了對(duì)周邊地層的擾動(dòng)時(shí)間，土倉(cāng)壓力容易失穩(wěn)。因此，掘進(jìn)速度應(yīng)根據(jù)土倉(cāng)壓力、出土情況、地質(zhì)條件合理設(shè)置，盡量保持速度均勻以減小對(duì)周圍巖體的擾動(dòng)。

(2)合理設(shè)置土壓力：在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，刀盤切削土體，周圍地層的地下水、渣土進(jìn)入土倉(cāng)，通過(guò)螺機(jī)進(jìn)行排土作業(yè)。因此，合理地設(shè)置土壓力有助于推進(jìn)過(guò)程中保證土倉(cāng)壓力與周圍地層的穩(wěn)定性，防止盾體上部土體坍塌和地下水突涌。

根據(jù)隧道埋深、周圍地質(zhì)情況及同類型區(qū)間隧道18號(hào)線、1號(hào)線的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，將盾構(gòu)土壓力確定為1.0～2.4 bar，并在推進(jìn)過(guò)程中根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、沉降值、周圍地質(zhì)情況做出適當(dāng)改變。

(3)推力、扭矩的控制。雙線隧道推進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)的頂推力和刀盤扭矩的大小是直接影響掘進(jìn)過(guò)程的重要參數(shù)，其直接關(guān)系到單環(huán)出土量與地表隆沉。項(xiàng)目部結(jié)合已有的線路施工經(jīng)驗(yàn)以及對(duì)推進(jìn)過(guò)程中的具體數(shù)據(jù)分析，合理地選擇了刀盤的頂推力與扭矩。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)穿越時(shí)，控制推進(jìn)油缸總推力為

1 000～1 900 t，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1.5～2.0 r/min，通過(guò)適當(dāng)減小推力和刀盤轉(zhuǎn)速，達(dá)到減小對(duì)地層擾動(dòng)的目的。

適當(dāng)調(diào)整所加入的泡沫劑參數(shù)，改良渣土特性以保持渣土的良好流動(dòng)性和一定的內(nèi)聚力。結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，一般在下穿期間將泡沫的濃度設(shè)置為1%～3%，發(fā)泡率設(shè)置為8%～12%，空氣注入率控制在300 L/min左右。掘進(jìn)時(shí)將刀盤扭矩控制在3 000～5 000 kN·m。

(4)出土量的控制。盾構(gòu)在下穿期間，單環(huán)出土量影響著周圍地層的穩(wěn)定性。根據(jù)19號(hào)線紅天區(qū)間前期出土量與地表沉降之間的比值，將出土量嚴(yán)格控制在175 m3以內(nèi)。

(5)盾構(gòu)姿態(tài)控制。盾構(gòu)機(jī)根據(jù)激光自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)開(kāi)挖土體，包括掘進(jìn)方向和掘進(jìn)角度。在盾構(gòu)隧道施工中,盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)控制至關(guān)重要,其直接關(guān)系到隧道的成型質(zhì)量。盾構(gòu)姿態(tài)保持的好,不僅有利于保護(hù)盾構(gòu)機(jī),也是確保隧道施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。

盾構(gòu)下穿期間，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)、盾尾間隙、油缸行程等做好管片的選型工作(盾尾間隙小于50 mm、油缸行程差大于50 mm時(shí)必須進(jìn)行調(diào)整)，掘進(jìn)時(shí)控制好盾構(gòu)姿態(tài)，保證盾構(gòu)平穩(wěn)推進(jìn)，穿越期間不斷測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，每10環(huán)測(cè)量一次管片姿態(tài)，如果存在姿態(tài)糾偏的情況，每環(huán)的姿態(tài)糾偏量不能超過(guò)5 mm。必須杜絕大幅度糾偏，以減少地層損失和對(duì)周圍地層的擾動(dòng)情況，降低對(duì)線路的影響[3]。

(6)同步注漿控制。盾構(gòu)機(jī)脫出盾尾后，已經(jīng)成型的管片與周圍地層之間會(huì)出現(xiàn)空隙，如果無(wú)法及時(shí)填充，將會(huì)加劇管片外側(cè)與洞壁之間的沉降、地下水涌入造成管片上浮、錯(cuò)臺(tái)等隱患，因此，及時(shí)的同步注漿可以確保管片的穩(wěn)定性和密閉性。

同步注漿漿液應(yīng)具備充填性好、流動(dòng)性好、離析少、早期強(qiáng)度均勻、注入時(shí)具備不受地下水稀釋的特性，硬化后的體積收縮和滲透系數(shù)要小。在掘進(jìn)過(guò)程中，可以加入增稠劑以保證漿液的黏稠度，使其更好地填充空隙。盾構(gòu)下穿時(shí)，將每環(huán)的同步注漿控制為150%，即12.21 m3。

同步注漿時(shí)，要求壓入口的壓力大于該點(diǎn)的靜止水壓力及土壓力之和，做到盡量填補(bǔ)而不劈裂。注漿壓力過(guò)大，管片外的土層將會(huì)被漿液擾動(dòng)而造成地面隆起，并易造成從盾尾處漏漿；注漿壓力過(guò)小，漿液填充速度過(guò)慢、填充不充足，也會(huì)使地表沉降，同時(shí)造成管片位移[4]。

為避免出現(xiàn)由同步注漿引起的劈裂現(xiàn)象，注漿作業(yè)時(shí)，宜將壓力控制在2.0～3.5 bar；在同步注漿時(shí)，同步注漿的速度應(yīng)與推進(jìn)速度保持同步，即在盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行足量注漿，同步注漿采用注漿壓力和注漿量雙控以確保管片背后填充密實(shí)。

同步注漿時(shí)，必須保證六根注漿管同時(shí)注漿，注漿速度保持與掘進(jìn)速度基本一致，盾構(gòu)操作手每向前掘進(jìn)100 mm后需關(guān)注同步注漿量，及時(shí)提醒注漿操作手控制注漿速度。防止注漿過(guò)快、過(guò)慢造成管片背后形成空隙引起的地層沉降。

(7)二次注漿(多次補(bǔ)漿)。在實(shí)際施工過(guò)程中，由于地層滲透系數(shù)太大、地下水豐富，導(dǎo)致漿液流失到周圍地層中，所注入的同步漿液在凝固時(shí)會(huì)產(chǎn)生收縮而造成管片與土體的空隙無(wú)法填充飽滿，當(dāng)管片出現(xiàn)破損、接縫滲漏水時(shí)，地面沉降加大，對(duì)盾構(gòu)機(jī)上方已運(yùn)行的線路、車站結(jié)構(gòu)造成安全隱患。

為控制后續(xù)土體繼續(xù)沉降，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)脫出盾尾的管片進(jìn)行二次注漿，注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿量為同步注漿量的10%～15%，注漿應(yīng)采用低壓、少量、多次的方式及時(shí)補(bǔ)充因原有漿液固結(jié)收縮產(chǎn)生的空隙，防止地表沉降。

對(duì)下穿18號(hào)線區(qū)間隧道和1號(hào)線車站結(jié)構(gòu)選用增設(shè)注漿孔的特殊管片，每塊管片均增設(shè)2個(gè)注漿孔，二次注漿時(shí)優(yōu)先選擇1點(diǎn)位和11點(diǎn)位，注入雙液漿時(shí)必須保證注漿管路通暢、注漿機(jī)正常運(yùn)行，當(dāng)注漿機(jī)壓力超過(guò)0.4 MPa時(shí)停止注漿，避免管片破裂。

為進(jìn)一步提高施工質(zhì)量，防止管片后方地下水突涌進(jìn)入土倉(cāng)，每隔10環(huán)進(jìn)行封水環(huán)注漿并需保證每個(gè)封水環(huán)至少注入6個(gè)點(diǎn)位。

同時(shí)，由于下穿18號(hào)線時(shí)隧道為下坡，因此，通過(guò)環(huán)箍注漿能有效封堵從管片背后流向刀盤的水，保證開(kāi)挖掌子面穩(wěn)定。

2.3 盾構(gòu)穿越后采用的注漿措施

盾構(gòu)機(jī)下穿后，由于其對(duì)地層的擾動(dòng)及少量超挖，當(dāng)?shù)貙影l(fā)生沉降變形時(shí)，隨著土體松動(dòng)范圍的擴(kuò)大將引起地面沉降。對(duì)已成型管片開(kāi)孔進(jìn)行效果檢查發(fā)現(xiàn)仍有地下水從孔內(nèi)涌出，在采取以上各項(xiàng)措施的同時(shí)，為盡量降低施工風(fēng)險(xiǎn)，項(xiàng)目部將洞內(nèi)的補(bǔ)充注漿作為盾構(gòu)下穿施工的必要補(bǔ)充措施。

洞內(nèi)補(bǔ)充注漿的作用是及時(shí)填充和固結(jié)空隙，有效地控制18號(hào)線區(qū)間、1號(hào)線車站結(jié)構(gòu)的下沉趨勢(shì)。選擇地層松散的地帶進(jìn)行后期注漿補(bǔ)強(qiáng)，根據(jù)掘進(jìn)施工記錄、地面監(jiān)測(cè)記錄、建筑物監(jiān)測(cè)記錄和注漿記錄，發(fā)現(xiàn)補(bǔ)充注漿選用雙液漿比單液漿可以更快地凝固土體，達(dá)到快速加固的效果，對(duì)可能發(fā)生沉降的地方進(jìn)行加固。

補(bǔ)充注漿系利用在區(qū)間隧道中管片上增設(shè)的注漿孔、通過(guò)注漿管對(duì)掘進(jìn)影響范圍內(nèi)的巖體進(jìn)行洞內(nèi)跟蹤注漿加固。采用二次注漿機(jī)對(duì)管片四周進(jìn)行注漿加固，洞軸線以上180°范圍內(nèi)加固1.5 m，洞軸線以下180°范圍內(nèi)加固0.5 m。由于鋼花管在土中要承受抗剪作用，為了減少注漿眼對(duì)鋼花管的損害，注漿眼呈螺旋式布置，同一截面只布置一個(gè)眼。鑒于管片已經(jīng)進(jìn)行同步注漿與二次注漿，對(duì)于所增設(shè)的注漿孔在注漿過(guò)程中應(yīng)注意控制注漿壓力，以防壓力過(guò)大破壞各建(構(gòu))筑物而失去加固的意義。

3 監(jiān)控測(cè)量措施

成都軌道交通19號(hào)線二期通過(guò)地區(qū)地質(zhì)條件及環(huán)境十分復(fù)雜，施工難度大。施工期間，對(duì)沿線周圍重要的地下、地面建(構(gòu))筑物、地面道路等實(shí)施變形等方面的監(jiān)測(cè)，及時(shí)提供準(zhǔn)確可靠的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，用以評(píng)定該工程在施工期間的安全性及施工對(duì)周邊環(huán)境的影響，并對(duì)可能發(fā)生的危及施工、周邊環(huán)境安全的隱患或事故及時(shí)、準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)，以便及時(shí)采取有效措施消除隱患，避免事故的發(fā)生[5]。

結(jié)合該工程項(xiàng)目的實(shí)際情況，最終確定了該項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)方案：18號(hào)線海福區(qū)間、1號(hào)線天府公園站車站結(jié)構(gòu)下穿段采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)及人工復(fù)核監(jiān)測(cè)組合實(shí)施。在穿越建(構(gòu))筑物前后約15 m，每5 m布設(shè)一個(gè)，共布設(shè)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況可適當(dāng)調(diào)整)。主要安全控制指標(biāo)包括：位移、變形、結(jié)構(gòu)裂縫、相對(duì)收斂、管片接縫張開(kāi)量、滲漏、軌道橫向高差、軌向高差等。

當(dāng)外部作業(yè)影響等級(jí)為特級(jí)、一級(jí)時(shí)，應(yīng)對(duì)城市軌道交通結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全評(píng)估。安全評(píng)估包括城市軌道交通結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀評(píng)估和外部作業(yè)影響預(yù)評(píng)估、外部作業(yè)施工過(guò)程評(píng)估和外部作業(yè)影響后評(píng)估。通過(guò)現(xiàn)狀調(diào)查、檢測(cè)、測(cè)量和計(jì)算分析等手段，評(píng)估當(dāng)前城市軌道交通結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)及持續(xù)抗變形能力和承載能力，并應(yīng)確定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)分析紅天盾構(gòu)區(qū)間穿越18號(hào)線海昌路站～福州路站區(qū)間、1號(hào)線天府商務(wù)區(qū)站采用的施工技術(shù)和監(jiān)測(cè)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：既有線隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)單日變形量和累計(jì)變形量均在預(yù)警值及控制值的允許值范圍內(nèi),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常,無(wú)突變。

盾構(gòu)穿過(guò)后既有線洞內(nèi)裂紋無(wú)增加，結(jié)構(gòu)無(wú)掉角，軌道扣件、接觸網(wǎng)支架等無(wú)松動(dòng)現(xiàn)象出現(xiàn)；地表變形在可控范圍內(nèi)；盾構(gòu)隧道管片無(wú)漏水、無(wú)破損，達(dá)到了安全穩(wěn)步掘進(jìn)、不影響既有線運(yùn)營(yíng)的施工目的，對(duì)類似盾構(gòu)下穿既有地鐵線施工具有一定的參考價(jià)值。

綜上所述，在地鐵穿越工程實(shí)施過(guò)程中，應(yīng)做好前期的地質(zhì)勘察工作，在明確工程地質(zhì)條件、水文情況與施工條件的基礎(chǔ)上，合理制定施工方案、明確既有運(yùn)營(yíng)地鐵線的防護(hù)范圍；施工中嚴(yán)格控制施工參數(shù)，全面落實(shí)施工監(jiān)測(cè)，用監(jiān)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)施工，切實(shí)保證盾構(gòu)作業(yè)的順利實(shí)施；積累施工經(jīng)驗(yàn)，為各類重難點(diǎn)工程做好基礎(chǔ)工作。