地铁盾构正交下穿隧道施工风险控制措施 - 保定加密多隧道材料科技有限公司

引言

　　近几年城市地铁建设发展迅猛，地铁隧道施工对已建市政隧道、既有构筑物的影响越来越大。地铁隧道穿越施工时对既有构筑物产生影响，具体表现为引起地层沉降和对已有结构产生变形。这不仅增加了地铁施工的潜在风险，而且对已有构筑物的使用周期以及健康服役产生不利影响，可能导致重大安全事故。这些风险不仅造成了工程成本增加、工期延后，而且不能满足安全施工的要求并给社会带来很大的危害。研究新建隧道下穿施工对既有运营隧道造成的影响，采取合适的防护措施保障既有运营隧道的安全，成为新建隧道施工必须解决的问题。
　　国内外在盾构隧道施工对周围环境造成影响方面的研究已有30多年的历史，并取得显著成果。对于新建隧道邻近施工对既有隧道的影响则是近年来研究的主要课题。由于本市地铁处于建设初期，相关的研究处于起步阶段，下穿施工经验相对缺乏，本文以某新建地铁隧道拟垂直下穿南一环市政隧道为例，总结施工加固措施。
1.工程概况
　　本区间线路由北向南沿马鞍山路敷设，道路宽13.5～28.7m，双向4车道，规划道路红线50m。本区间隧道为2条单洞单线圆形隧道，线路间距为11.23～19.85m，最小曲线半径为650m。线路自端头井出发以25‰的坡度下坡至K8+335（联络通道旁），然后再以8.637‰的坡度上坡至K8+580，最后以30‰和2‰的坡度上坡至接收站。该区间示意图如图1所示。区间内地铁隧道需下穿市政隧道，并且沿线长距离侧穿高架桥。
　　本区间隧道的覆土厚度为10.8～19.0m，穿越土层主要为粉土③2层、粉细砂④3层和全风化泥质砂岩⑥层、强风化泥质砂岩⑥1层、中风化砂质泥岩⑥2层等地层。隧道穿越范围内主要赋存地下水类型分别为上层滞水（一）和承压水（三），对于盾构法施工隧道基本无影响。
　　拟建场地分布的特殊岩土主要包括填土和风化岩。由于区间隧道不穿越填土层，这些特殊性岩土对拟建区间隧道影响较大的只有风化岩。本场地分布的风化岩主要为全风化泥质砂岩⑥层、强风化泥质砂岩层、中风化泥质砂岩层，上述岩层均属泥质胶结，具有遇水易软化和崩解的特性。当有外部水源或地下水下渗至该岩层，在盾构掘进扰动的条件下，容易造成风化岩呈泥状破坏，在盾构掘进时要考虑这个因素的影响。

2.下穿市政隧道的保护措施
　　市政隧道底板（含垫层）最小绝对标高为6.557mm（与区间净距约1.5m），其与盾构区间隧道的关系如图2所示。盾构穿越地层中以粉土、粉细砂为主，施工难度和风险较大。

　　前期已经与市政隧道设计单位配合，对地基采取加固措施。加固措施如图3所示。预留了下穿条件，具体措施如下。
　　1)下穿范围内隧道的围护结构采用玻璃纤维钢筋排桩围护。在进行市政隧道施工时，下穿范围内隧道的围护排桩以玻璃纤维筋代替普通钢筋，可实现盾构直接切割混凝土及筋材，为盾构预留了通道，避免了后期对支护桩的处理。在进行地铁隧道施工时，加泥式土压盾构直接切屑玻璃纤维筋桩，安全地通过南一环市政隧道围护结构。
　　2)下穿部位的土体已预先采用高压旋喷桩加固。高压旋喷桩主要是利用旋转的喷射装置，以高压将水泥浆喷入土层，改变喷射范围内土体性质，使原土体与水泥浆充分混合，固结硬化后形成连续、均匀的水泥加固体。经过旋喷加固，土体具有良好的强度、抗渗性和耐久性。
　　南一环市政隧道底部10m范围以及盾构隧道两侧各3m范围内进行高压喷射注浆全断面加固，采用Ø600@1200双排旋喷桩进行加固，旋喷桩按梅花形布置。基础底部砂性地层采用满堂高喷结合压浆加固，实现封底，加固深度达到岩面10m。
　　工程实践证明，运用旋喷桩加固技术提高了土体的抗剪强度和抗侧向的变形能力，降低破坏和沉降发生的概率。在盾构下穿南一环市政隧道时取得了安全、有效、经济、快捷的预期目标。南一环市政隧道没有出现新的异常情况，有效避免了由盾构施工引起的问题，顺利、迅速地完成了合肥地铁1号线盾构隧道下穿南一环的工程施工。
　　3）盾构下穿影响范围内隧道底板构造钢筋已有加强。南一环市政隧道底板与隧道净距约1.5m，下方盾构隧道上浮力势必通过中间土体对上方隧道结构底板产生附加作用力，引起板内受力增大；同时盾构施工的过程中，隧道底会发生一定的向上变形，如果隆起值过大，可能会造成仰拱、道床板开裂。考虑盾构下穿影响，在盾构下穿影响范围内对隧道底板构造钢筋进行加强。

3.施工监测分析
　　盾构在软土层下穿南一环市政隧道，会导致土层出现不同程度的沉降和位移。通过监控量测的实施及信息反馈，对控制周围位移量、确保临近建筑物的安全是非常必要且有效的。
　　3.1监测点的布设
　　依据监测设计方案，下穿市政隧道时实际布设27个监测点，并建立严格的隧道沉降量控制网，制定量测内容和测量频率，加强监控量测，通过期间的监测频率为3次/d，确保安全。
　　监测点的布设以1号线左右区间隧道中心线为基准，在其上30m宽的区域作为监测范围，沿既有隧道纵向按5m间距共布置3条测线，其中每条测线9个测点。监测点布设如图4所示，对1号线下穿南一环市政隧道结构变形进行监测。

3.2典型的监测结果的分析
　　以左线下穿南一环市政隧道为例，选取典型监测点JCJ-90-03、JCJ-90-03、JCJ-91-03、JCJ-92-03进行分析，图5为典型监测点的沉降历时图。对比3个测点的曲线图可知：1）南一环市政隧道的沉降开始于掘进面到达正下方前5d左右，此时盾构距离市政隧道约5m，此前沉降速率较缓，一般达到0.04～0.06mm/d；2）左线盾头进入南一环下穿隧道时，下穿隧道的沉降变形速率开始变大，当掌子面位置到达正下方时沉降增大，沉降值约为1.5mm，盾尾注浆阶段沉降速率增大，约为0.28mm/d；3）南一环隧道结构沉降主要发生于盾尾注浆阶段，要及时注浆；4)同时依据监测结果，后期沉降约为0.5mm，对于后期沉降也要重点关注，必要时进行二次注浆。各监控点沉降变化规律基本一致，但沉降量存在差异。根据隧道稳定性及建筑物安全相关规程要求，设定管理报警值为：下穿隧道沉降的报警值为±10mm，预警值取报警值的70%，最终的沉降值约为3.8mm，小于预警值，符合安全下穿南一环的要求。
　　为进一步了解不同位置监控点上的沉降规律，绘制了如图6所示的3个监测断面的最终沉降曲线图。可以看出1)盾构隧道中心线上方的监测点沉降较大，市政隧道处于受拉状态，不利于下穿隧道的安全；2)由于2条隧道开挖距离很近，南一环市政隧道最大沉降值出现在2盾构隧道中心线的位置，这些都是施工中应该关注的隐患，施工监测应该重点关注；3)对比3个监测断面，测点5沉降最大，其中92断面测点5沉降最大，为4.3mm，沉降值小于预警值。

4.盾构施工措施
　　盾构区间穿越的地层软硬不均且含有承压水，下穿市政隧道的安全控制措施如下。
　　1) 依据监测数据反应的情况，在盾构掘进下穿南一环市政隧道时合理地对盾构顶进推力、推进速度以及注浆量和注浆压力等参数进行设定和纠偏。掌握下穿时盾构推进土体沉降和位移变化规律，及时地调整施工参数和采取相应措施减少土体沉降和位移，确保市政通道的安全。
　　2) 在盾构下穿市政隧道时确定合理的推进速度，盾构的开挖速度控制在5mm/min左右，匀速施工，减少对土体的扰动；同时依据刀盘压力以及螺旋输送机出土情况，优化控制推进速度，尽量使盾构匀速、稳定推进，对周边土体的扰动小，降低了对市政隧道产生的不利影响。
　　3) 穿越主要为粉土层，土体塑性较差，排土不畅，对渣土进行改良。在下穿施工时对盾构刀盘正面注入麦斯特泡沫剂用来改善开挖面土体的和易性，提高开挖土体的输送能力，较好地控制土舱压力，此外改良后土体具有较好的塑性，减少刀盘的磨损；同时，泡沫在开挖面形成的止水帷幕，能够有效控制沉降。经过改良后，土体具有良好的塑性、渗透率小、内摩擦角小等优点，既能满足盾构出渣的要求，又可以对开挖面起到支撑的作用。
　　4) 盾构下穿过程中采用同步注浆，填充盾构管片与地层土体之间的空隙，有效减少隧道上浮的可能性和降低对地面的影响。在下穿南一环隧道盾构施工中同步注浆量的设定取值为空隙计算值的190%～220%，盾构推进一环注浆量为3.00～3.81m，注浆压力控制在0.30～0.40MPa。由于同步注浆结束后，浆液在凝固后的体积收缩和注浆过程中部分浆液发生流失，盾构管片背面仍会有一些空隙，因而对地层特定部位进行内注浆。为了控制地层后续沉降和拼装好的隧道衬砌结构及时稳定，根据深层土体变形监测情况随时调整二次注浆量。
5.结语
　　本文以隧道盾构法施工下穿南一环市政隧道工程为载体，介绍了前期市政隧道采取的结构加强措施及为后期盾构隧道穿越预留的工程措施，主要包括前期市政隧道基坑围护结构采用宜于后期盾构穿越的型式；穿越区域为粉土、细砂土层采取地基加固措施；近距离穿越时引起上方隧道结构内力增大，主体结构底板构造钢筋加强。总结施工监测数据，进一步提出施工控制措施。