小间距盾构叠落隧道侧下穿立交桥群桩施工技术

白 霖，刘玥婷，贺宇豪

(1.北京市政建设集团有限责任公司，北京 100025；2.北京天岳恒房屋经营管理有限公司，北京 100025； 3.中建研科技股份有限公司，北京 100039)

0 引言

随着城市地铁线路建设的越来越密集，由于受到周边既有建(构)筑物限界以及道路条件等因素的制约，沿城市主干道敷设的地铁隧道往往采用叠落隧道的形式[1-7]。相对于常见的两条隧道并行的常规隧道，叠落区间隧道在掘进过程中的叠加效应造成地层的变形情况及结构受力等产生更加复杂的情况，当区间隧道使用盾构隧道形式，叠落区间隧道遇到平行侧下穿群桩时，受盾构掘进开挖过程中的推力作用加上盾构机自身的重量，这种叠加效应会更加明显。目前国内对叠落隧道的研究主要集中在左、右线的施工顺序、叠落段近接分区、施工引起的周边地层变形以及隧道内力及变形规律、对临近建(构)筑物安全控制技术分析研究等方面[8-13]。

北京地铁16号线万寿寺站—苏州桥站区间隧道采用盾构法施工，盾构隧道沿西三环的西侧辅路布置，由于受邻近的西三环高架桥的影响，盾构隧道采用斜向叠落或垂直叠落的布置方式，叠落段双线隧道开挖顺序为先施工左线隧道，后施工右线隧道。这种布局方式存在两个突出问题：

1)叠落双线隧道净距最小仅为1.6 m，且地层为卵石地层，此地层土质比较松散，稳定性比较差，后掘进施工的上层隧道对于已经施工完成的下层隧道的扰动影响会比较大，从而引起已经施工完成的下层隧道的管片发生变形、错台甚至管片结构开裂。2)盾构隧道一侧为城市高架桥桩基础，考虑到邻近桥桩的保护要求，要尽可能降低区间叠落隧道盾构机掘进施工对土层造成的扰动。因此需要研究施工过程中周围地层的加固措施以及对已建成的下层隧道管片结构进行加固措施。

1 工程概况

1.1 工程简述及地质条件

苏州桥站—万寿寺站区间从万寿寺站出发，沿西三环北路向北至苏州桥站，右线总长为1 383.4 m，左线总长1 384.16 m，该区间受西三环苏州桥桩和三环外高层建筑限界要求，左、右线采用叠落隧道的形式，叠落段施工从万寿寺站平行掘进472 m开始，直到苏州桥站叠落接收结束，叠落全长共920 m，其中，区间垂直叠落段长度280 m，竖向净间距为1.6 m～4.8 m，倾斜叠落段约640 m，叠落段右线在上左线在下，先左线隧道贯通，然后施工上层的右线隧道，区间叠落段隧道与苏州桥群桩位置分布见图1。

隧道右线覆土深度10.7 m～19.4 m，左线覆土深度19.4 m～23.3 m，由上而下的地层分别为：①1杂填土层、①素填土、②粉土、③1粉质黏土层、③粉土层、③3粉细砂层、③粉土层、④3粉细砂层、⑤卵石层、⑦卵石层。盾构区间左线主要穿越卵石⑦层、右线主要穿越卵石⑤层。卵石层一般粒径10 mm～30 mm，最大粒径不小于300 mm，粒径大于20 mm的含量(质量分数)大于55%，盾构穿越土层及区间地质纵剖面情况如图2所示。

1.2 苏州桥群桩概况

苏州桥站—万寿寺站区间侧穿苏州桥桩31处(苏州桥A主线桥，编号：A1～A31；苏州桥B主线桥，编号：B1～B31)，苏州桥桥梁上部结构为预应力简支梁、钢箱梁、预应力连续箱梁，下部结构为钻孔灌注桩、承台、立柱、盖梁，桥桩桩径有1.2 m和1.5 m两种，桩长有13.7 m～21 m等，桩底埋深为16.4 m～23 m，盾构隧道距桥桩最小水平净距约4.58 m，盾构叠落隧道与苏州桥A，B主线桥的位置关系如图3所示。

2 盾构选型及施工参数

2.1 盾构选型

选用加泥式土压平衡盾构机，设计刀盘开挖直径φ6 590 mm，盾体前/中/尾直径：φ6 560 mm。刀盘为辐条式刀盘，开口率为69%，刀盘上配置中心鱼尾刀、切削刀、先行刀、周边保护刀、超挖刀，设置5处添加剂注入口，2个刀盘磨损检测装置，刀盘设计图如图4所示。盾构额定推力50 000 kN，刀盘额定扭矩8 284 kN·m。

2.2 盾构施工参数

2.2.1 盾构掘进参数

盾构在穿越苏州桥范围内盾构掘进参数如下所示：

1)土压力。

为防止盾构掘进过程中的超挖现象，需要对土压力进行合理设置，土仓上部土压力需要控制在0.05 MPa～0.07 MPa范围内，中部土仓压力控制在0.15 MPa～0.18 MPa范围内。

2)推进速度。

盾构推进速度对地面的沉降变形有明显的影响，需维持推进速度的恒定、稳定，推进速度控制在50 mm/min～70 mm/min。

3)刀盘扭矩及盾构推力。

刀盘转速为1.0 rpm，推力控制额定推力的30%～50%，刀盘扭矩控制额定扭矩的40%～60%范围内。

2.2.2 盾构出土量控制

盾构掘进下穿群桩及叠落区间施工过程中影响范围内严格控制出土量，避免由于出土量大引起的地层损失，造成地面沉降，群桩变形，对于下层已建好隧道管片变形等[14-15]。盾构刀盘直径6.59 m，管片宽度1.2 m，计算理论出土量40.5 m3。实际施工过程中，松散系数根据前期施工经验为1.1～1.2，则出土量控制在45 m3～49 m3。

2.2.3 注浆控制

同步注浆液为水泥+水玻璃双液浆，双液浆初凝时间需要控制在20 s左右，盾构掘进过程中需要严格控制注浆量和注浆压力，同时及时进行二次补浆，盾构机掘进速率要与同步注浆速率相符。

1)控制注浆量和注浆压力。管片与盾壳的环形间隙理论体积为2.32 m3/环，根据穿越桥桩经验，同步注浆量不少于理论体积的1.5倍，故确定盾构掘进过程中同步注浆量需要控制在3.48 m3/环以上，实际施工过程中控制在3.5 m3/环左右，同步注浆的压力在0.2 MPa以上。

2)二次补浆。为保证盾构掘进施工后沉降的控制，当管片脱离盾构机盾尾适当的位置(6环)，需按时二次补浆(水泥+水玻璃双液浆，注浆量600 L～700 L)，二次补浆时应当隔一补一，注浆压力不应超过0.35 MPa。其作用可以对土体进行微量顶升、加固。控制盾构过后的后期沉降，恢复基础的前期沉降，减小对既有车站的影响。

2.2.4 渣土改良

1)泡沫剂的使用。

泡沫参数：泡沫溶液体积浓度5%～7%，发泡倍率10左右，泡沫注入量以掘进每环切削土体体积的20%～40%。

2)膨润土泥浆的使用。

泥浆配合比为：水∶膨润土∶添加剂=1∶0.1∶0.1，加泥量为掘进每环切削土体体积的6%～8%。

3 盾构隧道叠落段加固研究

3.1 复合锚杆桩隔离预加固

由于桥桩与左线盾构的水平净距在4.58 m～10 m之间，盾构施工前，对A16～A1-31共16处桥桩采用复合锚杆桩隔离加固，每处纵向打设范围10 m，桩中心距1.5 m，排距0.8 m，扩散半径0.75 m，第一排复合锚杆桩距离桥台的距离为1.5 m，复合锚杆桩桩长约28 mm～33 mm，使得盾构隧道与桥桩之间形成厚度为2.3 m的隔离锚杆桩，盾构施工过程中起到隔离保护桥桩的作用。盾构隧道侧穿桥桩风险保护措施见图5。

复合锚杆桩孔径φ150 mm,孔内安装锚杆(3根直径为20 mm螺纹钢)，复合锚杆桩钻孔时安装3根注浆管，实施压密注浆，浆液材料采用普通水泥浆，为保证注浆效果，分三次注浆：

1)一次注浆方式采用常压注浆，注浆压力控制在0.4 MPa～0.5 MPa，孔口出现溢浆情况时为止。浆液的水灰比(质量比)0.5∶1。

2)二次注浆方式采用中高压注浆，注浆压力控制在1.0 MPa，在第一次注浆完成后10 h～15 h进行，水泥浆水灰比(质量比)0.75∶1。

3)三次注浆压力1.5 MPa，在第二次注浆完成后5 h～10 h进行，水泥浆水灰比(质量比)0.75∶1，扩散半径不小于0.75 m。

3.2 夹土层径向注浆预加固

根据本工程注浆加固范围及掘进条件等因素，叠落区间利用移动台车平台对洞内管片进行注浆加固技术，采用煤矿用坑道钻机成孔，通过中空钻杆内注浆的方法进行后退式深孔注浆。根据叠落隧道位置关系，注浆方式有两种形式：一种为完全叠落段，一种为斜向叠落段，具体注浆加固示意图见图6。

下层隧道在吊装孔及管片拱部增设的预留注浆孔中设置一定长度的注浆管，深入地层中，注浆管布设长度结合两洞之间距离调整，避免注浆管进入上层隧道范围，影响盾构掘进。下层盾构通过后，由注浆管向上、下层隧道之间土体注水泥浆，以提高土体的强度。注浆采用水泥浆，注浆压力控制在0.5 MPa，扩散半径0.5 m，水泥与水质量比1.2∶1，无压力后停止注浆，封孔采用双液浆进行封孔。注浆加固土体时应结合监测反馈，及时调整注浆压力。

3.3 下层隧道型钢支撑加固

施工现场对下层隧道采用临时型钢支撑进行加固。叠落段下层隧道每环管片设置两榀型钢支撑，间距为800 mm。钢支撑均采用Ⅰ20b工字钢，为提高连接强度，工字钢连接处设置连接钢板。为保证环缝受力均匀，每环型钢支撑之间应可靠焊接，采用剖口焊的方式，焊缝高度12 mm,环缝间型钢支撑间距为400 mm(环缝两端型钢支撑距离环缝200 mm)。型钢支撑架设完成后应与管片内壁贴合紧密。在确保管片、管片连接螺栓和防水材料不被破坏的情况下可以适当的对型钢支撑施加一定的预应力。型钢支撑加固范围见图7，型钢支撑布置示意图见图8。

4 盾构叠落隧道引起的桥桩变形及地面沉降分析

4.1 苏州桥桩沉降监测及分析

盾构叠落隧道左右线先后通过苏州桥A主线桥的桥桩沉降如图9所示。盾构叠落隧道左右线先后通过苏州桥B主线桥的桥桩沉降如图10所示。

从图9，图10可以看出：

1)左线盾构穿越后，桥桩最大沉降值为-3.9 mm(16号桥桩)，双线穿越桥桩后，桥桩最大沉降值为-5.1 mm(15号桥桩)，均小于桥桩沉降控制值15 mm，桥梁安全可控。

2)盾构单线通过后，A16～31号桥桩沉降较均衡，平均值在2.0 mm左右，双线通过后桥桩沉降变化较小。

3)盾构单线通过后A1～15号桥桩沉降逐渐变大，从0.5 mm逐渐增加到3.0 mm左右，双线通过后桥桩沉降变化较大，平均增加了1.5 mm，特别是10号，11号，14号，15号桥桩，沉降增加了差不多2.0 mm。

4.2 地表沉降监测及分析

地表沉降如图11所示，沉降点为隧道拱顶沉降值(间隔30 m一个)，可见，地表沉降最大为-5.2 mm，多数在3 mm以内，满足规范及设计图纸要求。

5 结语

通过对苏州桥桩沉降监测及地表沉降监测的数据进行分析研究，结果表明盾构叠落区间掘进施工过程中对于卵石地层长距离小间距盾构叠落隧道穿越桥桩及叠落段上层隧道的施工会造成先建下层隧道管片结构明显的变化，这会对施工产生极为不利的影响。对施工难题的处理：采用叠落段夹层土径向注浆预加固和下层隧道设置临时型钢支撑加固的措施，配合上叠落隧道设定的盾构施工参数控制地面沉降。通过上述工程施工监测数据分析：地面沉降最大为-5.2 mm，多数在3 mm以内，满足规范及设计图纸要求。得出在叠落区间采用上下两层隧道之间夹土层进行径向注浆预加固的方式和对下层先建区间隧道内设置临时型钢支撑的加固方式的方案可以有效解决问题，使沉降控制在合理范围内并且可保证下层已建好隧道管片得到保护。