砂卵石地层新建隧道近距离上跨既有盾构隧道施工技术研究

王义春

(中铁二十三局集团有限公司 四川成都 610072)

1 引言

随着人们对城市公共交通需求日益增强，国内各大城市的地下轨道交通建设均在迅猛发展。随着城市地铁线路的增多，地铁线路相互交错的情况越来越普遍，经常面临在已运营地铁线路上方或者下方新建地铁隧道。如何尽量降低新建隧道对既有线路的影响，保障既有线路的运营安全，是新型城市轨道交通建设中需要解决的一个施工技术难题。

国内外许多学者已经对临近地铁隧道的相互影响和施工控制技术展开了分析。刘建国等[1]以深圳地铁5号线为工程依托，对新建盾构隧道上跨既有地铁隧道进行了研究。张明书等[2]以重庆地铁5号线为例，研究了区间隧道上跨高铁隧道的施工技术。何鹏等[3]以沈阳地铁10号线为工程依托，介绍了既有隧道的预加固处理、刀盘和刀具改造、盾构掘进姿态控制和参数预设等施工技术。申文明等[4]基于三维数值分析模型，提出了上跨既有地铁隧道的工程控制措施。华珊珊[5]通过多种研究方法，分析了新建盾构隧道上跨或下穿施工既有盾构隧道时，既有隧道的力学特征。江华等[6]采用数值分析和现场监测的研究方法，分析了上跨施工对既有隧道的变形影响。万飞等[7]采用三维计算模型，分析不同施工方法对既有隧道的安全影响。刘明高[8]根据外部控制因素、工程地质及既有隧道支护结构等限制条件，对比三种不同上跨方案，提出明挖法更合理。徐福田[9]以北京地铁17号线东大桥站下穿6号线区间隧道为工程依托，论证了近距离侧穿既有线路的施工方法，为类似工程提供施工经验。王联平[10]以新建深圳地铁7号线为例，介绍了暗挖隧道下穿既有地铁施工技术。

然而，目前的研究成果很少涉及砂卵石地层条件下超近距离上跨既有隧道，未对类似地层条件下的施工控制技术展开系统的分析。本文以北京新建新机场线新发地站～草桥站区间(以下简称“新草区间”)近距离上跨北京地铁10号线草桥站～纪家庙盾构区间(以下简称“草纪区间”)隧道为工程依托，对管幕法[11-15]施工技术进行研究，为后期类似工程提供施工技术参考。

2 工程概况及重难点分析

2.1 工程简介

北京新建新机场线新草区间位于马草河东侧、镇国寺北街南侧地块内，线路全长264.351 m，标段起点设盾构接收井，顺接盾构区间。区间隧道上跨既有地铁10号线草纪盾构区间、下穿镇国寺北街到达草桥站，如图1所示。

图1 新草区间线路平面图

暗挖区间隧道首先利用南侧竖井进行底部管幕施工，待管幕施工完成后，利用南侧竖井由南向北进行暗洞施工，同时进行北侧竖井施工及利用北侧竖井由北向南进行暗洞施工。

既有区间隧道覆土厚度13～14 m，隧道结构为外径6 m的圆形管片，管片厚300 mm。为降低新建地铁隧道对已运营线路的影响，下穿镇国寺北街且上跨草纪盾构区间段采取管幕暗挖法施工。管幕法断面尺寸13.4 m×9.8 m，覆土高度3.94 m，距下卧隧道最小距离仅为733 mm。

新草区间施工对10号线区间上方土体卸载后回弹变形带来风险，对区间上方镇国寺北街沉降也会带来影响；同时，管幕距既有盾构区间隧道间距过小，施工时对位移变形控制要求极高，因而需要提高管幕精度控制要求。

2.2 施工重难点

(1)由于新建地铁区与既有线路最小间距仅为733 mm，且所处地层为砂卵石地层，如何保证管幕施工精确，防止破坏既有10号线结构及管线。

(2)地铁10号线为正在运营线路，管幕法施工过程中土方开挖造成上跨区段土体卸荷，引起10号线上跨区段上浮，如何将既有隧道变形值控制在允许值之内。

(3)镇国寺北街为双向四车道城市道路，管幕法施工过程中土方开挖会造成道路沉降，如何将沉降控制在允许值之内。

3 暗挖区间施工技术

3.1 上导洞施工

(1)马头门破除

暗挖区间施工前，需要破除竖井井壁及钢格栅支护，易导致该处土体失稳，故在竖井初期支护施工至马头门处时，应对马头门处提前进行加固处理，竖井初支提前沿马头门拱部外轮廓线插打设2 m长超前小导管并注浆加固地层。

马头门开洞两侧的竖井格栅应加密纵向连接筋布置，采用22@300纵向连接筋格栅内外双排设置。下导洞破马头门施工前，在区间断面侧墙部位设置加强柱，加强柱通过设置预埋钢筋与竖井侧墙格栅、底板格栅及桩顶冠梁进行有效连接。马头门破除完后立即用格栅封闭周边，并与竖井格栅焊接成整体，并连立三榀通道格栅钢架，施作初支。通道第一榀格栅与被割断的竖井格栅及竖向连接筋焊接成一体共同受力。

(2)上导洞开挖

小导洞虽为临时支护结构，但在该阶段应努力控制工程施工对地层的扰动，以便为下阶段的作业创造条件，尤其需要采取适当措施，减小群洞效应。

暗挖区间上层导洞拱部主要位于粉土层和粉细砂层，导洞开挖前对拱部进行深孔注浆预加固，注浆孔直径为φ50，孔间距0.5 m×0.5 m，注浆孔水平钻设，浆液扩散半径取0.3 m。

各导洞均采取对向施工，先施工1号边导洞，待1号边导洞进洞8～10 m后，施工4号边导洞，待1、4号边导洞贯通并施工完成洞桩、冠梁及初支间回填后进行2号中导洞施工，待2中导洞进洞2～3 m后进行3号中导洞施工。开挖步序见图2。

图2 上导洞开挖步序

上层小导洞均采用预留核心土台阶法施工，每循环进尺0.5 m，待上台阶进洞3 m后，进行下台阶的开挖及支护，使初支护结构尽快封闭。

1、4号导洞贯通后，施作导洞内洞桩，洞桩φ1 000 mm，间距1 800 mm，挖孔桩纵向有三种桩型分布，分别为Z1、Z2、Z3，桩长分别为13.3 m、9.3 m、4.9 m，洞桩布置见图3。

洞桩施作完后，边导洞桩顶部设置冠梁，冠梁截面尺寸为1 200 mm(宽)×1 685 mm(高)，将所有的围护桩连接起来成为一个整体作为二衬扣拱支撑梁。随后进行上层导洞内二衬施工，二衬采取跳段施工，分段长度4～6 m。

图3 导洞洞内桩

2、3号导洞贯通后，在导洞内每4～6 m分段、跳段拆除1、4号导洞边墙，铺设防水层，进行二衬扣拱施工，为确保施工安全，保留2、3号导洞间型钢支撑。

上导洞施工完成后如图4所示。

图4 上导洞施工完成后

3.2 管幕施工

为减小暗洞开挖对既有10号线的影响，在南侧竖井内于暗洞底部单向打设超前管幕，主动控制既有盾构变形。管幕采用D402(壁厚t＝16 mm)无缝钢管，水平间距450 mm，单根长38.5 m，管内填充水泥砂浆，用于提高钢管整体的刚度及整体性。管幕布置如图5所示。

图5 管幕布置

根据目前19号线平安里站管幕施工经验，在粉质黏土及粉细砂地层中19 m长管幕施工精度控制在5 cm以内，本工程38.5 m长管幕施工可以控制在10 cm以内。为检验新设备的现场实际操作性能及工人操作控制水平，在左侧原位进行现场试验，过程严格控制顶进速度，使顶进速度与出土相协调，以减少顶力，顶进过程及时纠偏，保证管幕施工精度。现场施工效果如图6所示。

图6 管幕现场施工效果

3.3 下导洞施工

上层导洞二衬扣拱及底部管幕施工完成后，拆除导洞底板，进行下导洞施工。下导洞开挖高度约4.5 m，既有上方土体按台阶法单向开挖，并随做锚索及吊脚桩范围水平钢支撑，下台阶施工至锚索停止向前开挖，待锚索张拉符合设计要求后方可继续向前开挖。

如图7所示，既有线区间两侧共设置8道锚索，每道锚索横向设置3根，单根锚索长17 m(锚固段10 m，自由段7 m)，主动控制既有线隆起。根据地勘资料揭示，本工程锚索施工所处地层主要为卵石圆砾层，同时考虑钻孔及注浆对10号线影响，锚索施工拟采用“气动潜孔跟管干法钻进成孔，一次常压注浆”工艺。

图7 预应力锚索施工

下层导洞开挖完成后，纵向分段，竖向分层进行底板及侧墙施工，纵向分段同下导洞开挖部序，竖向分层为底板及侧墙两部分，按照平面部序分段拆除底层钢支撑，施工垫层、防水及底板至腋角以上30 cm，待底板达到强度后拆除第一道钢支撑，进行剩余侧墙结构施工，施工完成后如图8所示。

图8 整体结构断面图

3.4 监控量测数据分析

为了有效控制新建隧道对既有建筑物的影响，对地表沉降、地下水位、管线变形、初支拱顶沉降、初支侧壁收敛等进行监测，既有隧道监测见图9。

图9 既有隧道监测示意

通过现场监控量测数据表明，镇国寺北街地表下沉最大值为18 mm，既有线上浮最大值为1.27 mm，均满足控制要求。

4 总结

复杂城市环境条件下，上跨、下穿既有地铁线路，是城市轨道交通建设的一个施工难题。本文以北京地铁新机场线新发地站～草桥站区间隧道为工程依托，介绍了新建地铁隧道近距离上跨北京地铁10号线草桥站～纪家庙盾构区间隧道和下穿镇国寺北街的施工情况，为砂卵石地层重叠隧道施工提供了有益的工程经验。本文主要结论如下：

(1)竖井结构施工时，提前对马头门位置处结构和土体进行预加固处理，避免暗挖区间施工导致该处土体失稳。

(2)暗挖区间上导洞施工分为4个小导洞施工，需要采取适当支护措施，减小群洞效应。上导洞除拱部采用预注浆加固外，在洞内施作洞桩，并通过冠梁将洞桩连接，为二衬扣拱提供支撑。

(3)在竖井内暗挖区间隧道底部施作大管幕，下导洞开挖时提前施作预应力锚索，与管幕共同发挥作用，有效控制了既有隧道变形。

(4)监测数据表明，镇国寺北街地表下沉最大值为18 mm，既有线上浮最大值为1.27 mm，均满足控制要求。