MJS工法在盾构上跨隧道工程中的应用研究

2022-01-21王怀东袁云辉王二丽

现代交通技术 2021年6期

王怀东，袁云辉，王二丽

(中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308)

随着我国城市轨道交通建设的日益发展，新建线路与既有运营线路不可避免存在平面交叉的情况。在建工程中采用盾构法下穿或上跨施工，对运营地铁区间隧道结构会产生一定不利影响[1-2]。因此，针对相关风险工程开展既有运营隧道的洞外加固技术研究以及加固案例的经验总结显得尤为重要。

研究土体加固对既有隧道结构的影响，相关方法以案例实测分析和理论数值模拟为主。在实测数据研究方面，张品等[3]对MJS(metro jet system)水平桩施工期间周围地层孔压、隧道附加应力和竖向位移进行监测分析，获得MJS水平桩施工对周围地层及运营隧道的影响规律。陈仁朋等[4]对MJS水平桩加固在盾构下穿既有隧道中的应用进行研究，通过室内试验和隧道内布点监测，研究了MJS水平桩的成桩效果，以及盾构掘进时周边地层与上覆隧道的变形响应规律。唐志辉[5]提出基于强度折减系数法的地铁盾构隧道近接下穿既有铁路隧道加固范围优化设计方法，并通过监测数据验证该方法的有效性。李悦等[6]研究了深基坑施工过程中既有地铁隧道侧方注浆加固对隧道水平收敛的影响。

在有限元分析方面，钟方杰等[7]采用有限元方法分析了基坑注浆加固面对下方既有地铁隧道隆起变形及周边环境变形的影响。王道远等[8]采用三维有限差分软件，对下穿过程进行动态数值模拟，获得不同WSS(无收缩双液)注浆加固措施下既有线和在建线的位移及变化规律。

通过采集和对比分析MJS加固既有运营隧道施工过程中各项参数记录以及对应的隧道变形自动化监测数据，重点研究该加固工法对盾构隧道的影响，验证其可行性和可靠性，为类似加固工程提供参考。

1 工程背景

1.1 工程概况

南京地铁7号线在出雨润路站约57 m后须上跨既有运营地铁2号线(油坊桥站至雨润大街站区间)。2号线穿越段里程为K2+393～K2+414，穿越区段长宽各约为20 m，两线近垂直井字交叉。新建7号线区间采用盾构法施工，从永初路站始发至雨润路站接收。上跨段盾构与既有2号线隧道外皮竖向净距约为1.5 m。7号线盾构上跨2号线节点剖面关系如图1所示。

图1 7号线盾构上跨2号线节点剖面关系(单位：m)

1.2 工程地质条件

该工程位于南京典型的长江漫滩地貌单元，7号线盾构上跨段覆土约8.2 m，开挖上半断面为②-2b4淤泥质粉质黏土层，下半断面为②-2b3-4+d3粉质黏土夹粉砂层。既有地铁2号线及即将施工的7号线隧道下半断面位于②-4d2粉细砂层中。该层为主要承压含水层，钻孔已探明厚度为5.0～18.5 m，层底埋深为21.6～33.0 m。承压水水头埋深在地面下2.4～6.6 m，水头压力最大可达约150 kPa，具有较高承压性。

2 MJS加固方案

2.1 设计方案

南京地铁2号线区间盾构隧道结构外径为6.2 m，内径为5.5 m，管片厚度为0.35 m，宽度为1.2 m。设计采用“1+2+3”的管片分块方式，并按“A-B-C”模式进行错缝拼装；管片间采用性能等级为5.8级的M30螺栓进行连接，每纵缝布置2个螺栓，共12个环向螺栓，环缝纵向螺栓共16个；管片混凝土强度等级为 C50，纵向受力钢筋采用HRB400级钢筋。MJS加固平面布置如图2所示。

图2 MJS加固平面布置(单位：m)

设计沿既有2号线纵向采用Φ2 400@1 800 mm MJS工法桩对7号线与2号线相交段隧道进行洞外微扰动加固。加固深度为2号线拱顶上1.5 m至仰拱下3.0 m，平面加固范围为7号线结构轮廓外不小于9.0 m。MJS加固立面布置如图3所示。

图3 MJS加固立面布置(单位：m)

2.2 加固效果分析

既有运营隧道沿轴线纵向加固区的分布范围对变形指标控制有着重要影响。参考规范将既有地铁2号线隧道竖向变形控制值设定为5 mm。

采用midas GTS岩土与隧道仿真分析软件进行三维数值模拟。分别以隧道正上方外扩0.5D、1.0D、1.5D和2.0D为加固区域，对变形控制效果进行研究，加固区域如图4所示。

图4 加固区域

加固体及结构材料在数值模拟时均按弹性材料考虑。材料参数如表1所示。

表1 材料参数

采用MJS工法加固既有2号线隧道后，7号线盾构上跨既有隧道结构模型如图5所示，MJS工法门式加固2号线隧道结构模型如图6所示。

图5 7号线盾构上跨既有隧道结构模型

图6 MJS工法门式加固2号线隧道结构模型

不同纵向加固区范围条件下，既有地铁隧道最终竖向变形量如表2所示。

表2 既有地铁隧道最终竖向变形量 (mm)

以上跨7号线左右线隧道外皮为基础，外延加固区长度大于1.5D范围，可控制既有运营隧道的最大沉降为4.86 mm(小于5 mm)，径向最大收敛值为1.04 mm(小于5 mm)，满足《江苏省城市轨道交通工程监测规程》(DGJ32/J 195—2015)对隧道结构变形控制的要求。

3 盾构隧道MJS加固技术要求

3.1 盾构隧道现状调查

采用MJS加固的区间隧道累计有239环盾构管片(上行线121环、下行线118环)，将运营期监测数据与标准隧道(内径5.5 m)数据进行对比，发现本区段上行线水平直径收敛值与设计值的差值在19.0～67.2 mm，下行线水平直径收敛值与设计值的差值在12.0～68.2 mm，管片均为水平直径外扩。盾构管片水平收敛现状统计如表3所示。

表3 盾构管片水平收敛现状统计

隧道收敛上、下行线局部变形较大，上、下行线收敛最大值分别为67.2 mm和68.2 mm，其中上行线有120环收敛值超过2 cm，下行线有117环收敛值超过2 cm。

同时在MJS加固前对本段隧道结构表观病害进行普查，地铁隧道表观病害统计如表4所示。

表4 地铁隧道表观病害统计

为进一步减少MJS加固过程中对既有2号线隧道结构的扰动，须提前对管片采取加强措施，增强整体稳定性。

3.2 管片预加固方案

管片纵向拉结加固断面示意如图7所示。

图7 管片纵向拉结加固断面示意

利用管片的螺栓孔固定槽钢将受影响区域管片拉结为整体。根据现场隧道内管线的安装情况，对不受管线影响的管片进行80 mm×80 mm方钢拉结(个别部位受空间影响，可用宽30 mm、厚5 mm扁铁)，共拉结5道螺栓，降低不均匀沉降以减少隧道管片变形及破坏的风险。

3.3 MJS加固筹划

受油坊桥拆复建及雨润大街交通导改影响，施工分2个阶段进行。第一阶段施工靠近油坊桥侧的加固桩(一期)，第二阶段施工雨润大街南侧桩(二期)。根据相关施工经验，每台MJS工法钻机每天可完成Φ2 400 mm、桩长18～20 m的全圆MJS工法桩1根；可完成Φ2 400 mm、桩长10～12 m的MJS工法桩2根，完成施工需56 d。

施工采用跳桩施工，跳桩间隔4～6 m，相邻桩施工间隔时间不小于24 h。按照现场施工条件，上跨段MJS加固分两期施工。第一期施工既有线右线桩，第二期施工既有线左线桩，为保证施工期间既有线隧道两侧平衡，跳桩桩位沿隧道两侧设置。MJS跳桩施工一期按照“先1、2后3、4”的方式跳桩施工，二期按照“先5、6后7、8”的方式跳桩施工。每个施工区域内施工由西向东进行，试桩完成后，先施工半桩再施工整桩。

3.4 MJS加固工艺参数

该工程的MJS工法桩设计桩径为2 400 mm，桩长为25.2 m，单根桩实际成桩时间约210～230 min。MJS工法桩施工工艺参数如表5所示。

表5 MJS工法桩施工工艺参数

4 MJS加固地铁隧道保护监测

4.1 监测方案

由于在隧道加固和盾构穿越施工过程中，地铁2号线仍需正常运营，因此采用人工与自动化相结合的方式对既有2号线地铁隧道结构的垂直位移、水平位移和隧道收敛进行监测，2号线地铁隧道监测布点如图8所示。

图8 2号线地铁隧道监测布点

根据《江苏省城市轨道交通工程监测规程》(DGJ32/J 195—2015)对隧道结构变形控制的要求，MJS加固期间的结构变形控制值如表6所示。

表6 MJS加固期间的结构变形控制值

4.2 监测数据分析

一期施工MJS工法桩自2020年7月13日开始，最后一根桩于2020年8月3日完成，共计施工22 d。二期施工MJS工法桩自2020年10月6日开始，最后一根桩于2020年10月21日完成，共计施工16 d。施工期间以及施工结束10 d内对既有2号线区间影响段进行监测。

一期MJS主要加固既有2号线上行线隧道范围，本期加固完成后，上行线MJS施工期间隧道累计竖向位移曲线如图9所示，上行线MJS施工期间隧道累计水平位移曲线如图10所示，上行线MJS施工期间隧道累计径向收敛曲线如图11所示。

图9 上行线MJS施工期间隧道累计竖向位移曲线

图10 上行线MJS施工期间隧道累计水平位移曲线

图11 上行线MJS施工期间隧道累计径向收敛曲线

二期MJS主要加固既有2号线下行线隧道范围，本期加固完成后，下行线MJS施工期间隧道累计竖向位移曲线如图12所示，下行线MJS施工期间隧道累计水平位移曲线如图13所示，下行线MJS施工期间隧道累计径向收敛曲线如图14所示。

图12 下行线MJS施工期间隧道累计竖向位移曲线

图13 下行线MJS施工期间隧道累计水平位移曲线

图14 下行线MJS施工期间隧道累计径向收敛曲线

由图9和图12可知，在既有隧道两侧跳桩施工MJS工法桩会引起加固的隧道结构有所上浮，施工引起的上行线隧道最大上浮量为0.7 mm，下行线隧道最大上浮量为2.1 mm，为上行线上浮量的3倍；而远离加固区的另外一条隧道结构则上浮量较小。由图10和图13可知， MJS加固产生的侧向压力可引起左右线隧道侧向位移，上行线隧道加固过程中两隧道反向水平位移最大为2.4 mm，下行线隧道加固过程中两隧道反向水平位移最大为 3.1 mm。由图11和图14可知，两期MJS加固过程中上、下行隧道径向最大收敛值为2.0～2.5 mm，这与未加固区段隧道变形量基本一致。

二期MJS加固过程中引起的地铁隧道位移变形量较一期更大，主要由于二期加固注浆压力为42 MPa，大于一期注浆压力的38 MPa；二期倒吸水压力为15 MPa，小于一期的20 MPa。为控制MJS加固对隧道的变形影响，建议在软土及粉细砂地层内注浆压力不宜大于40 MPa，倒吸水压力至少达到注浆压力的50%。