砂卵石地层地铁近接下穿既有盾构区间施工控制技术

周庆国

(中国铁建昆仑投资集团有限公司, 成都 610000)

城市轨道交通迅猛发展,地下空间隧道交错纵横,地铁的近接下穿时有存在,有下穿既有地铁车站、下穿飞机场和火车站以及下穿群桩基等[1-6]；针对不同下穿工程的研究已取得诸多成果,其中研究广泛的有下穿既有隧道和下穿管线工程[7-11]。针对下穿既有隧道研究,金大龙[13]分析了盾构隧道群下穿既有隧道的变形机理,提出了一套信息化施工综合控制理念。熊志浩等[14]利用FLAC3D有限差分法分析了盾构隧道对上部既有综合管廊单洞隧道变形的影响特点。不同地层条件下,盾构施工对既有隧道的影响是不同的。万俊峰[15]通过分析盾构隧道在富水粉细砂层施工过程中不均匀沉降导致的土体变形施工风险,从施工工艺及设备选择方面进行了优化。也有众多学者[16-20]采用理论推导、数值模拟和现场监测相结合手段,设计下穿角度、净空距离、推进距离和多隧道施工等不同因素,对下穿隧道对邻近既有隧道的诱导效应展开了研究,这些案例研究的结果表明,预测值与观测值符合得很好。

同时,基于下穿既有隧道研究,众多学者结合实际工程案例对工程加固技术方案展开研究。周朋[21]、钟可等[22]依托长沙轨道交通4号线,对砂卵石复杂地层下穿既有2号区间的加固保护措施进行了研究,认为在富水砂卵石地层中盾构近接下穿既有隧道时,采用MJS工法加固措施是必要且可行的。

综上可知,地铁双洞近距离下穿的施工存在施工风险,同时也危及周边重要建筑物,以成都5号线近接下穿既有3号线为工程背景,提出适应于成都砂卵石地层的预埋注浆加固保护方案,且通过数值模拟研究了不同注浆加固范围的保护效果、注浆过程对隧道结构影响以及针对下穿过程相关规律性进行讨论,验证预埋注浆加固保护方案在双洞近距离下穿工程中的适应性,具有工程参考价值。基于讨论结果和现场监测分析,提出二次衬砌工序优化、深孔注浆加固补救措施以及节点位置格栅密排措施,可为类似工程施工提供参考依据。

1 依托工程概况

如图1所示，省骨科医院—高升桥区间为成都地铁5号线的一段地下区间,区间起于省骨科医院站,穿越既有3号线区间后进入高升桥站。成都5号线暗挖区间和3号线位置关系如图2所示。

图1 暗挖区间工程概况Fig.1 General situation of concealed excavation section project

图2 暗挖区间位置关系Fig.2 Location relation of concealed excavation section

1.1 场地周边环境

场地内,5号线距离既有3号线盾构区间最近水平距离仅为1.109 m,距离高升桥地铁车站为29.839 m,该盾构区间和高升桥车站均已施工完成。如图3所示。5号线暗挖区间及3号线邻近建筑主要为西藏农行驻成都办事处大楼。

图3 场地周边环境Fig.3 Surrounding environment of the siteto gaoshengqiao

1.2 工程地质条件

依托工程暗挖区间属岷江水系一级阶地,场区内地形平坦、地势开阔。暗挖区间场地卵石土层厚度大,暗挖区间地质条件,如图4所示,各亚层岩性特点如表1所示。

表1 卵石地层亚层分级Table 1 Sub layer classification of pebble stratum

图4 暗挖区间地质条件Fig.4 Geological conditions of underground excavation section

1.3 下穿隧道施工

成都地铁5号线下穿3号线处节点工程施工时,5号线隧道采用圆形断面,区间开挖采用台阶法施工,共分4个小导洞开挖, 每个导洞分上下台阶进行开挖,开挖时对开挖断面进行外放50 mm。每个台阶为 3 m,相邻导洞错开5～7 m,台阶的坡度为1∶0.75,每个台阶开挖完成后及时喷射混凝土进行初支和临时支撑架设。

2 预埋注浆加固设计方案

为保证后期5号线在修建工程中在该位置下穿3号线时的施工安全,地铁3号线初步设计阶段考虑在3号线与5号线交叉点进行地层加固,地层加固方案采用洞内预埋注浆管进行地层注浆加固处理,将注浆管预留至轨道结构之上,后期5号线施工过程中,3号线仍具备洞内注浆加固条件。根据工程设计图要求,在3、5号线节点位置采用洞内深孔注浆的方式进行加固处理,且管片下部锚杆应引出至轨道道床以上,为后期5号线通过时注浆预留条件。盾构隧道3、5号线节点洞内注浆孔布置如图5所示。

图5 洞内注浆孔布置示意图Fig.5 Layout of grouting holes in the tunnel

考虑5号线区间正洞开挖前需从3号线注浆,确保开挖期间对3号线影响降到最低。注浆范围为3号线节点处向大里程和小里程分别引10 m的范围内,如图6所示。具体施工流程如图7所示。经现场试验,部分注浆加固照片如图8所示。

图6 注浆范围平面图Fig.6 Plan view of grouting range

图7 注浆工艺流程图Fig.7 Flow chart of grouting process

图8 部分注浆加固照片Fig.8 Photos of partial grouting reinforcement

3 地铁近接下穿加固模拟分析

3.1 计算模型建立

依托成都地铁5号线施工方案和设计资料,基于圣维南原理,充分考虑边界效应的影响,计算模型范围(XY方向)依据交叉加固区域范围的4倍宽度,计算范围下边界(Z方向)取3倍隧道埋深深度。三维模型采用计算软件建立,如图9所示；模型基本尺寸为226 m(X方向)×254 m(Y方向)×80 m(Z方向)。模型主体包括:既有3号线盾构区间、高升桥地铁车站、西藏农行驻成都办事处大楼及1号风亭。

图9 数值模拟模型Fig.9 Numerical simulation model

其中,地面建筑物及车站采用线弹性模型,地层土体采用摩尔-库伦本构模型,根据高升桥车站详细勘察阶段岩土工程勘察设计参数建议值,计算模型结构体系和地层土体物理力学参数选取如表2、表3所示。

表2 结构体系物理力学参数Table 2 Physical and mechanical parameters of structure system

表3 土层物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of soil layer

3.2 地铁近接下穿计算分析

3.2.1 注浆加固范围比选分析

基于成都5号线近距离下穿3号线,为控制既有3号线的安全性,采用预埋钢花管注浆加固设计方案。考虑原设计的合理性,设计注浆加固范围对比工况:无加固、加固5、10、15、20 m的情况,经过计算得到的隧道竖向位移结果如图10所示。可知,5种工况下,既有和新建的地铁隧道变形均是向洞内挤压变形,在两线交叉区域盾构区间均出现位移局部增大,既有3号线变形量较新开挖隧道的小,最大竖向位移变形发生在底部新建下穿隧道。

图10 加固范围比选分析Fig.10 Comparison and analysis of reinforcement range

为比较5种情况的差异性,分别提取3号线、5号线和西藏农行竖向位移最大值，如图11所示,得到随着三号线注浆加固范围扩大,其隧道结构沉降变形呈线性减小,若实际沉降变形较大,可适当增加3号线的注浆范围；在加固10 m范围处出现折点,沉降变形减小变缓,故依托设计工程设计具有一定合理性,过分加固范围将导致经济效益显著降低。若以沉降0.8为界限绘制变化梯度较大范围,则5号线穿过3号线所产生的影响区域范围(图12),在加固范围大于5 m后,既有隧道结构沉降变形范围缩小,可见注浆加固的土体与原有的隧道衬砌形成更大厚度支护体系,使得挤压力所产生的的变形显著降低。综上,工程设计加固10 m范围,3号线沉降变形1 mm,满足设计要求。

图11 各工况竖向沉降对比Fig.11 Comparison of vertical settlement under different working conditions

图12 3号线沉降范围对比Fig.12 Comparison of settlement range of line 3

3.2.2 注浆加固过程分析

以原设计3号线预埋注浆加固10 m范围进行研究,经计算得到交叉中间断面变形规律曲线，如图13所示。由图13可知，加固过程浆液压力将导致既有隧道结构产生变形,既有隧道结构注浆加固后竖向产生沉降,水平方向向隧道中间靠拢,最终均趋于稳定,变形量较小。

图13 注浆加固分析Fig.13 Analysis of grouting reinforcement

3.2.3 地铁近接下穿规律分析

依托工程,5号线左右线并行施工,右线先行左线掘进25 m,施工过程如图14所示。通过掘进产生的规律分析对既有工程提供相应控制安全变形施工建议。

图14 部分施工模拟工序Fig.14 Simulation process of partial construction

(1)周边地面沉降分析。以竖向变形向下为表征,绘制地表沉降区域直观揭示隧道下穿施工对地表的影响,取沉降值大于0区域范围,绘制沉降槽如图15所示。由图15可知，随地铁近接下穿施工进行,地表沉降槽形式先以宽度扩展为主,当掘进一定长度后,以纵向扩展为主。

图15 地表沉降计算结果Fig.15 Calculation results of surface settlement

(2)3号线结构变形分析。基于省骨科医院—高升桥区间下穿工程监控量测项目,选取模型测点测线,如图16所示,由3号线结构变形时程曲线可知,5号线穿过3号线测点投影位置时,结构变形先是缓慢沉降变形,穿过测点投影位置后出现变形突增,最后再趋于收敛；故在3号线变形异常之前是具有一定的反应时间。计算结果发现5号线穿过3号线产生的水平方向变形极小,主要影响是竖向上的结构安全。同时,由测线直观发现,地铁近接下穿时,既有隧道将会产生明显局部沉降凹槽。

GD表示拱顶；SP表示水平收敛；CX表示测线；Y表示右线；Z表示左线图16 3号线结构变形时程曲线Fig.16 Time history curve of structural deformation of line 3

(3)5号线结构变形分析。省骨科医院～高升桥区间下穿工程亦需监测5号线结构变形,选取测点如图17所示,可知右线先行开挖将导致左线未开挖土沉降变形提前,左线掌子面前方土体受到预扰动,增加施工风险。另外,相比既有隧道沉降变形,5号线结构变形预变形阶段短,突降区的反应时间短,风险高。

注：GD表示拱顶；SP表示水平收敛；CX表示测线；Y表示右线；Z表示左线图17 5号线结构变形分析Fig.17 Time history curve of structural deformation of line 5

4 现场监测分析

4.1 监测项目简介

工程中既有3号线安全与异常情况需密切关注；通过对3号线隧道竖向位移的监测,掌握在注浆过程中3号线隧道结构的竖向位移变化情况,为信息化指导施工提供数据支持。工程采用的监测控制值和报警值如表4所示。

表4 监测项目及其控制指标Table 4 Monitoring items and control indicators

4.1.1 结构竖向位移变化监测

隧道竖向位移变化监测采取数据自动采集和无线传输的静力水准测量方式,在左右线路隧道的侧壁管片上钻孔安装静力水准传感器,提前设定数据采集频率,随时无线下载测量数据,实时监测3号线结构竖向位移变形情况,静力水准布点示意如图18所示。

图18 竖向位移变化监测Fig.18 Monitoring of vertical displacement change

4.1.2 隧道水平位移及收敛监测

选用瑞士徕卡TCA2003智能型全站仪和自动监测软件GeoMoS建立自动监测系统(图19)。自动测量地铁隧道结构在三维方向，即X、Y、Z方向(其中，X、Y为水平方向,Z为垂直位移方向)的变形变位值。

图19 水平位移监测Fig.19 Monitoring of horizontal displacement

4.2 监测数据对比分析

依据成都地铁3和5号线施工监测报告,提取数值模拟相应的监测点数据进行对比验证。

4.2.1 3号线拱顶沉降分析

5号线近距离下穿3号线过程中3号线拱顶沉降监测曲线如图20所示,结果对比如表5所示,现场监测的沉降量最大为预警值的40%,满足安全要求。可知所采用的预埋注浆加固设计方案合理,能够保证3号线的安全稳定性。

表5 3号线拱顶沉降分析Table 5 Settlement analysis of vault of line 3

图20 3号线竖向位移变化监测Fig.20 Monitoring of vertical displacement change of line 3

4.2.2 5号线拱顶沉降分析

5号线矿山法掘进过程,采用全站仪监测拱顶沉降,选取两线交叉加固区的6个监测点位的监测数据结果随时间变化曲线如图21所示。依据5号线拱顶沉降位移控制值,均满足要求。

图21 5号线竖向位移变化监测Fig.21 Monitoring of vertical displacement change of line 5

表6 5号线拱顶沉降分析Table 6 Settlement analysis of vault of line 5

5 施工风险应对措施探讨

5.1 二次衬砌工序调整

工程下穿3号线区间,为保障施工过程既有3号线受影响最小,通过二次衬砌工序优化措施进行弥补,采用先节点处衬砌,然后进行洞口处结构衬砌,然后由节点处向竖井方向进行衬砌。最后待衬砌完成后,将剩余部分进行衬砌,如图22所示。

图22 二次衬砌工序优化Fig.22 Optimization of secondary lining process

5.2 深孔注浆加固施工补救措施

若回填注浆不能控制地铁3号线隧道结构持续变形,则在5号线高升桥工区现场准备一套深孔注浆设备及材料,可通过实时监测反馈及时采取深孔注浆方式对地铁5号线拱顶土体进行加固。根据地铁3号线变形情况,以确定注浆加固的部位,可随时从地表向下对地铁3号线隧道两侧或拱部土体进行加固注浆,也可在地铁5号线已完隧道内对地铁3号线隧道下方土体进行注浆加固。如图23所示。

图23 深孔注浆加固补救措施Fig.23 Remedial measures for deep hole grouting reinforcement

5.3 节点位置格栅密排措施

开挖过程中,若地铁3号线变形沉降过大,必要时可在节点位置初支时采取格栅加密措施。格栅架立间距为40 cm每榀。如图24所示。

图24 格栅设计优化Fig.24 Optimization of grid parameters

6 结论

以成都5号线近接下穿既有3号线为工程背景,研究了注浆加固范围影响、注浆过程影响以及下穿过程规律,并通过现场监测对比分析,得出如下主要结论。

(1)既有隧道注浆加固范围扩大,其隧道结构沉降变形呈线性减小,且当加固范围延伸大于5 m后,既有隧道结构沉降槽呈线性缩小；若实际监测3号线结构沉降变形报警,可适当增加3号线的注浆范围。

(2)预埋钢花管注浆加固过程中,浆液压力和土体硬化将导致既有隧道结构产生变形,注浆加固之后主要引起结构竖向产生沉降,水平方向相向靠拢,最终均趋于稳定,变形量小。

(3)地铁下穿过程中,既有隧道结构变形先是缓慢沉降变形,当施工隧道穿过后沉降变形突增,最后再趋于收敛；3号线变形异常前期是具有一定变形量和反应阶段。其次,3号线产生的水平方向变形极小,主要影响是竖向沉降,且存在明显的局部沉降凹槽。

(4)由5号线分析可知右线先行开挖将导致左线掌子面前方未开挖土存在预变形扰动,围岩应力重分布增加了施工风险。相比既有隧道,近距离的大范围注浆加固导致土体硬化,5号线结构变形预变形阶段极大缩短,突降区的反应时间短,施工风险增大。

(5)针对3号线存在的运营风险,提出二次衬砌工序调整施工方案,优先进行节点处衬砌,后进行洞口结构衬砌；其次,针对3号线下穿过程安全,提出深孔注浆加固施工补救措施和节点位置格栅密排措施。