盾构磨墙桩下穿运营地铁站及紧邻接收技术研究

徐正齐

(中国中铁四局集团有限公司，安徽 合肥 230023)

1 工程概况

1.1 工程位置关系

杭州地铁新建7 号线建设三路站为地下负四层结构，位于萧山区建设三路与市心北路交叉口西侧，大里程端头东侧与既有运营地铁2 号线建设三路站(地下负二层结构)紧邻，新老两站夹角85°，呈“T”型换乘。新老两站基坑围护结构地连墙间距仅0.94～1.5m。2 号线建设三路站的原基坑围护结构为地下连续墙，主体结构底板宽18.5m(沿7 号线线路方向)，距7 号线建设三路站～耕文路站区间隧道顶部4.26m。平面位置关系，见图1。

图1 新建7 号线与既有2 号线车站平面位置关系

新建地铁7 号线建设三路站～耕文路站区间隧道中间风井段的盾构掘进，自中间风井内始发，侧穿宁税路及路边厂房区后，沿建设三路站自东向西掘进，磨墙桩并近距离下穿运营地铁2 号线建设三路站下方，最终到达7 号线建设三路站大里程端盾构井内接收。期间，左线盾构需直接磨穿2号线建设三路站的0.8.m 厚C30 钢筋混凝土地连墙2 次，以及磨穿直径800mm 钢筋混凝土立柱桩1 根(其格构型钢插入位置未进入7 号线区间隧道范围内)；右线盾构需直接磨穿2 号线建设三路站玻璃纤维筋砼地连墙2 次(右线范围内无立柱桩)。纵断面位置关系，见图2、图3。

图2 左线7 号线与2 号线车站关系纵断面

图3 右线7 号线与2 号线车站关系纵断面

1.2 工程及水文地质

本段线路地面高程为+6.0m。自上而下地层为：⑴1 杂素填土，厚约3.5m；⑵4 砂质粉土，厚约9.5m；⑶5 粉砂夹砂质粉土，厚约5.3m；⑹1 淤泥质黏土夹粉土，厚约9.2m；⑻2 粉质黏土夹粉砂，厚约10.0m；⑿1 粉细砂，厚约9.0m；⑿4 及⒁4 圆砾，厚约13.7m；⒇b2 强风化砂砾岩，厚约4.8m。盾构穿越地层为⑹1 淤泥质黏土夹粉土层。

区间隧道穿越段地层中存在高水位潜水，勘测潜水水位埋深为地面以下约1.5m，自然历史条件下，潜水水位年变幅约1.5m。区间隧道下部地层存在高水头承压水，勘测承压水水头埋深5.40m，承压水水头年变幅约3.0m；承压水主要分布于区间隧道下部⑿1 层粉细砂、⑿4 及⒁4 圆砾层中，厚度约22m，顶面距区间隧道底部约10m。

2 技术难点及风险分析

2.1 技术难点

a.盾构2 次磨穿2 号线运营地铁站钢筋砼地连墙墙(左线)，2 次磨穿玻璃纤维筋砼地连墙(右线)，以及1 次磨穿钢筋砼立柱桩(左线)；b.近距离下穿2 号线运营地铁站；c.复杂地质及环境下，紧邻2 号线运营地铁站的盾构接收(地层存在高水位潜水及高水头承压水；新老车站基坑地连墙施工及开挖过程中，发生多次透水及沉陷等情况，承压水顶部隔水地层被扰动)。

2.2 风险分析

a.盾构磨穿2 号线车站墙桩施工存在钢筋卡螺旋机、磨墙处盾构超方、地表塌陷等风险；b.盾构近距离下穿2 号线运营地铁站以及紧邻接收施工，存在车站结构和运营线路沉降、变形超限等风险。

3 磨墙桩、下穿及接收技术措施

3.1 盾构刀盘刀具优化配置

本区间隧道掘进选择采用两台直径6440mm 复合土压平衡盾构机，刀盘设计为4 主梁+4 副梁结构，开口在整个盘面均匀分布，整体开口率为40%，设置6 路泡沫改良喷口，2路膨润土改良喷口(与泡沫喷口共用)。根据现场地质情况以及工况条件，为确保盾构磨墙桩切割效果，对两台复合土压平衡盾构刀具机进行了优化配置。刀具优化配置见表1。

表1 盾构刀具优化配置表

3.2 换刀区土体垂直MJS 加固

为保证盾构磨墙桩要求,在下穿前需进行换刀作业。换刀区设置在2 号线既有建设三路站东侧的市心北路中间机动车道上，此处刀盘距离2 号线建设三路站第一道地连墙1m。为保证加固质量，确保换刀作业及磨地连墙墙安全，降低对既有运营地铁站影响，经研究比选，换刀区加固措施优化调整为垂直MJS 加固。桩径2.4m，桩间距1.7m，其中左线MJS 加固长度12m，右线加固长度6m，左右线加固宽度及高度均12m，桩底深度均为29.78m。左右线有效加固高度是以区间隧道中心为直径12m 范围。

垂直MJS 加固工艺流程为：①引孔，②下放多孔喷浆管，③设定喷浆范围，④开始喷浆，⑤喷浆作业，⑥形成桩体。加固液水泥掺量40%，水灰比1:1。

3.3 新老车站地连墙间夹层土垂直MJS 加固

7 号线与2 号线建设三路站两者地连墙间夹层土体厚度0.94～1.5m。采用一排MJS 进行垂直加固。MJS 加固桩共16 根，桩径2.4m，桩心距1.7m，加固深度36m，水泥掺量40%，水灰比1:1。

3.4 接收井洞门内土体水平MJS 加固

由于7 号线盾构接收井紧邻2 号线车站结构，无法从地面进行接收端头处加固作业，只能采取洞内水平作业加固方式。为减小洞内水平加固对运营地铁站影响，研究采取了水平MJS 加固方案。

水平MJS 施工主要目的：a.防止盾构接收进洞时发生喷涌、沉陷等安全风险；b.为盾构磨穿地连墙提供反力；c.防止和规避盾构下穿地铁2 号线建设三路站期间超挖、沉降及变形等安全风险；d.为下穿直至接收期间可能发生的盾构开仓提供应急条件。

MJS 全方位超高压喷射工法，可多角度成桩。水平MJS喷射角度设定为向下180°范围，单桩成桩为半圆柱体。成桩直径2400mm，横向间距1700mm，竖向间距700mm，局部位置需避让洞门圈预埋钢环。7 号线区间隧道左线洞内(2 号线车站下部两道地连墙间)水平MJS 加固范围：洞身外圈顶部及两侧环向加固厚度1. 0 m(1 排桩)；洞身外圈底部加固厚度2.0m(2 排桩)，纵向水平加固长度18.5m；洞身范围内小里程加固段长度2m，大里程段加固长度4m，中间段12.5m不加固。右线洞内水平MJS 加固范围：洞身外圈底部加固厚度2.0m(2 排桩)，纵向水平加固长度18.5m；洞内其他范围不加固。水平MJS 加固断面，见图4、图5。

图4 左线洞内水平MJS 加固纵断面

图5 右线洞内水平MJS 加固纵断面

洞内水平MJS 加固以7 号线建设三路站盾构接收井负四层为作业场地，纵向沿2 号线车站宽度方向水平施作。水平MJS 加固施工顺序为先下后上，逐层施工，在同一层面需要跳桩施工，保证相邻两根加固桩施工间隔24 小时。工艺流程为：a.提前在7 号线接收井洞门处地连墙内预埋导向管；b.安装防喷涌装置；c.钻机水平引孔；d.多孔管钻入；e.水平喷浆作业(向下180°范围)；f.形成半圆柱加固桩体；g.封孔完成。主要工艺技术参数，见表2。

表2 水平MJS 加固主要工艺技术参数表

4 盾构磨墙桩和近距离下穿施工

根据先易后难原则，工筹组织安排右线盾构先行磨墙和下穿，取得一定技术积累及经验后，左线盾构再磨墙桩和下穿。

4.1 盾构磨墙前开仓换刀

右线盾构掘进至1028 环进入垂直MJS 加固区、左线盾构掘进至1021 环进入垂直MJS 加固区，然后进行开仓换刀作业，换刀采用常压开仓方式。为确保开仓作业的连续、快速，须提前做好充分准备工作，包括：作业工具、洞内水电及通风、气体检测仪器、压排风机料具、进仓作业人员安全及技术交底等。开仓换刀作业主要工艺流程：盾体克泥效止水注浆及盾尾封环注浆，出渣降压，仓内通风及气体检测，仓内换刀作业。

4.2 盾构磨墙桩

4.2.1 右线盾构磨墙掘进

盾构磨穿玻璃纤维筋砼地连墙时，主要采用滚刀切磨。盾构磨墙前，铰接形程调至100mm；盾体磨墙时，可通过铰接油缸调整盾体行程。磨墙过程中，采用膨润土改良，提高渣土流塑性，减小渣土于设备间的机械摩擦，保护刀盘及刀具。膨润土改良采用优质钙基膨润土，溶液粘度控制在≥40s。采用半仓推进，推进速度20mm/min。刀盘距离地连墙20cm 时，推进速度降为5mm/min；地连墙磨除10cm 后，速度提至10-20mm/min；地连墙最后剩余30cm 时，推进速度小于10mm/min。在最后30cm 地连墙磨切推进过程中逐步建立土压，待墙体磨穿时，将土压建立提升至0.6bar。刀盘转速控制在0.9～1.2rpm，扭矩控制在1000-1500kN·m。

4.2.2 左线盾构磨墙桩掘进

盾构磨切地连墙前，检查保压进仓系统及掘进关键部件，确保磨墙和下穿期间设备可靠性；磨切2 号线建设三路站东侧地连墙采用低贯入度掘进模式，以防止螺旋机喷涌；盾 构 掘 进 参 数： 推 力 8000-10000kN， 刀 盘 扭 矩1500-2000kN·m，推进速度3-5mm/min。磨切立柱桩时土压设定1.5bar，并可适当微调；推进速度控制在2～4mm/min，刀盘转速控制在1.0～1.2 rpm。磨切掘进过程中，采用优质膨润土进行渣土改良。

磨切钢筋砼地连墙和立柱桩时，为使砼块和磨切断钢筋头顺利输出，螺旋机输送过程中需添加适量泡沫和膨润土，并充分利用螺旋输送机正转和反转功能，以防止螺旋输送机卡住，必要时可通过螺旋输送机观察窗进行人工处理。设定合适的螺旋机扭矩油压，设定最大值150bar，以防止出现螺旋机扭矩突变风险。盾构磨钢筋混凝土墙桩效果照片，如下图6。

图6 盾构下穿磨钢筋混凝土墙桩效果照片(3 张)

4.3 近距离下穿运营地铁站掘进

盾构下穿2 号线运营地铁站掘进过程中，充分结合2 号线建设三路站监测数据，及时调整盾构掘进及注浆参数，以保证掘进顺利，同时严格控制出土量。掘进过程中，通过泡沫及膨润土进行渣土改良，控制渣土温度，以防止刀盘结泥饼。采用多孔超深埋管片，每环多孔少量注入双液浆进行封闭。下穿掘进过程中，通过中盾注入克泥效，防止2 号线运营地铁站沉降监测数据超限。掘进参数：推力8000-10000kN，刀盘扭矩1500-2000kN·m，推进速度10-15mm/min。

5 紧邻运营地铁站接收施工

5.1 钢筋混凝土接收箱体

综合考虑紧邻运营地铁站接收和地质环境等不利风险因素，为确保盾构接收安全，经研究分析比选，将原先钢套箱接收方案，变更优化采用了钢筋混凝土箱体接收方案。接收箱体结构设置在接收井底部，钢筋混凝土接收箱体结构外部尺寸：长11m、宽8.4m、高8.24m。周边采用钢筋与主体结构连在一起，钢筋植入结构深度不小于20d；顶部设置10cm 厚C25 混凝土盖板，与7 号线车站负三层板采用单层钢筋连一起，顶面与环框梁齐平。接收箱体内采用混凝土及砂土回填，箱内底部1.5m 回填C30混凝土，上部回填砂土。接收箱体横、纵断面，见图7、图8。

图7 左、右线钢筋混凝土盾构接收箱体横断面

图8 钢筋混凝土接收箱体纵断面

5.2 盾构接收

盾构接收参数设置 ： 推 速 ＜20-30mm/min；推力＜10000kN，视实际推力大小，上部土压0.5bar,以不超过此值为原则，刀盘转速控制在0.5 ～1.0rpm。刀盘转动前，及时与箱体外部进行沟通联系，确认人员及设备安全后，再进入接收掘进模式。

6 结论

本文结合工程实例,研究阐述了盾构磨墙桩、近距离下穿运营地铁车站，以及紧邻接收等施工关键技术措施。从实施效果看，运营地铁车站结构和线路各项沉降及变形监测数据，均在报警值以内，施工全过程安全顺利。对以后类似地铁工程建设，具有较好的参考和借鉴意义。