盾构隧道近距离下穿过街通道施工技术

白倩倩

(中铁二十局集团第四工程有限公司,山东 青岛 266061)

地铁隧道建设是缓解经济发达、人口密集城市交通压力、满足人民出行需要的重要手段,正蓬勃发展起来。盾构隧道因其施工迅速、对地面扰动小的优点,在工程中获得了广泛的应用。但是,盾构隧道在近距离下穿既有隧道或建筑物时,易造成既有隧道变形、建筑物沉降等问题[1-4]。近年来,如何保障盾构隧道安全近距离下穿既有建筑物,引起了学者们的广泛关注。

注浆加固是目前工程中广泛应用的安全保障措施,其通过改善地层的强度而达到保护盾构隧道和既有隧道或建筑物安全的目的[5-7]。张旭等[8]在盾构下穿过街通道时采取二次注浆加固,现场沉降监测数据表明该方法能有效控制变形。尚立斌[9]运用WSS注浆法改善不良地层,控制地下水流动,实现了盾构隧道安全下穿密集建筑群。

呼和浩特市城市轨道交通2号线中山路站至新华广场站段需近距离下穿(2.5 m)既有过街通道,其地质条件差、地下水丰富,施工风险非常大。为保障施工安全,提出了钢结构支撑加固、WSS注浆法以及二次补注浆结合的施工方法,同时现场监测数据可证明该方法的有效性。

1 工程概况

中山路站至新华广场站段,是呼和浩特市城市轨道交通2号线一期工程的地下双单线路段。隧道右线全长391.213 m,起止里程为DK13+074.783-DK13+465.996;左线起止里程为DK13+074.783-DK13+465.996,总长391.737 m。该段隧道全线采用盾构法地下施工。

地下通道为地下一层的箱式结构,距地面5.4 m、宽6.9 m、高4.2 m,整体呈“井”字形。地下通道分为两部分:换乘厅和通道。采用明挖法建造换乘厅,采用矩形顶管法建造通道。

中山路站至新华广场区间位于山前冲洪积扇裙组成的倾斜平原区,工点处地形平坦开阔,整体微向南西倾斜,地面标高介于1 053.5～1 054.96 m之间,相对高差约1 m。下穿地下通道范围主要以砾砂和粉砂地质为主。场地地下水埋深介于7.6～8.6 m 之间,地下水水位高程介于1 045.50～1 047.00 m 之间。盾构隧道下穿地下过街通道时,地下过街通道矩形混凝土管节底板与盾构隧道管片的最小距离仅为2.5 m。盾构隧道与过街通道的位置关系如图1所示。

图1 地下过街通道与区间隧道位置关系(单位:m)

2 下穿加固方案

2.1 钢结构支撑加固

盾构始发前,需拆除地下通道内部装修,对现状进行调查,观察结构是否存在裂缝,结构内部是否有漏水点等,做好视频、文字记录。由于该通道人流量较大,采取施工时临时封闭,通过对既有隧道内部架设型钢支撑进行加固,加固范围为隧道拱顶两侧各8 m。架设型钢支撑剖面如图2所示。

图2 既有地下通道内架设型钢支撑(单位:mm)

该型钢骨架每1.5 m设置一组,支撑位置位于每节矩形混凝土结构中部,型钢骨架与混凝土结构密贴,并在顶部、底部及两侧的中间位置纵向通长设置一根25b工字钢将每组型钢骨架连接成为整体。支撑安装完毕及时检查各节点、焊点的连接状况。

2.2 注浆加固方案

为保证盾构机在下穿地下过街通道时通道及其周边土体的稳定,采用WSS注浆工艺(无收缩双液注浆),将该部分土体进行预加固处理,使其具有良好的整体性。该注浆工艺是在保持地层成分不变时,通过挤压使土颗粒空隙中的水排出,土壤转变为由颗粒与空隙组成的两相状态,用浆液填满颗粒间的空隙并固结,达到改善土壤性质的目的。其原理是先通过AB液强行挤出土壤颗粒之间的水分,再用AC液使土层的黏结力和内摩擦角增大,使地层的粘结强度和密实度增大,起到良好的加固作用。

在既有地下过街通道每节结构两侧墙上分别布置2排2.5 m深注浆孔,孔径42 mm,孔间距1.7 m;底板上布置3排注浆孔,孔间距1.8 m。注浆管布置如图3所示。

图3 既有地下过街通道注浆管布置(单位:mm)

按图3钻孔完毕后,先注AB液,终浆压力为1.6 MPa,持续10 min,待钻杆外壁无流水溢出,即可停注AB液;再注AC液,终浆压力为2.0 MPa,待终浆压力注浆持续10 min后,该孔注浆即可完毕,可移至下一注浆孔位钻注作业。过街通道注浆加固范围如图4所示。

图4 既有地下过街通道加固断面(单位:mm)

(1)一般选用浆液配比:A液,水玻璃+水。水玻璃∶水=1∶0.8(质量比),水玻璃模数=2.6 °Bé或密度=1.218 g/cm3。B液,磷酸+水。磷酸∶水=1∶9(质量比)。C液,水泥浆液。水泥∶水(质量比)=1∶0.75,水泥采用硫铝酸盐水泥。

(2)特殊情况调整的浆液配比:根据进浆量和注浆压力的变化,及时调整浆液配比浓度。若长时间注浆压力无变化,且注浆量大,则先适当调增AC混合液中的水玻璃量,以缩短凝结时间(调整至20 s以内即可),再适当调增AC混合液中的水泥浆量,同时适当调增注浆压力值。

2.3 盾构机下穿通道掘进参数控制

根据地质条件,盾构机选型为土压平衡盾构机。盾构机在穿过既有地下通道时,应保持均匀的通过速度,以减少对地层的扰动,并严格控制出土量,降低刀盘转速,控制在1.2～1.5 r/min内,保证土仓压力在1.1～1.2 bar(1 bar=0.1 MPa)内;提高渣土改良效果,采取添加膨润土的方式以改变渣土的和易性降低刀盘扭矩;尽量小扭矩小推力掘进,尽量减少对地层的扰动。

2.4 盾构二次补注浆

盾构机在下穿地下过街通道时,当同步注浆效果不佳而出现管片渗漏水或地面沉降等现象时,需进行二次补注浆,其主要作用在于控制地面及构筑物的后续沉降变形。根据地面及构筑物沉降变形情况对隧道外侧采取双液注浆加固,以严格控制地面及构筑物沉降变形,确保构筑物的安全。

注浆施工环数、每个注浆环施工孔数、每孔注浆量、注浆次数根据监测数据及实际需求确定。从盾构尾后5～8环处上部隧道注浆孔和盾构尾后10环处下部隧道注浆孔进行双液注浆,以减少盾构尾拆除后的土体沉降。注浆施工控制原则为少量多次,每次注浆后,原则是达到一个稳定的测点并略有回弹,且单次注浆抬升量要控制在1.0～2.0 mm以内,所以要反复多次才能实现稳定的效果。二次注浆工艺流程如图5所示。

图5 二次注浆工艺流程

在下穿地下过街通道施工范围内,盾构上部进行两次注浆加固,每段设3个注浆孔,以提高盾构段的管片强度和稳定性,减少后期沉降。注浆范围:①左DK13+074.783-DK13+146.5,左DK13+178.78-DK13+208.8;②右DK13+123.5-DK13+154,右DK13+186.32-DK13+259.643。

二次加固注浆采用双液注浆,注浆时遵循“多点、低压、多次”的注浆原则,减少注浆影响,注浆扩散半径为1.5～2.0 m,形成注浆厚度大于2 m的注浆环,注浆压力为0.2～0.6 MPa,注浆压力和注浆量施行双控,可在管段盾构尾第5环后进行。

双液注浆用水泥、水玻璃双液浆, 采用P.C32.5普通硅酸盐水泥,水玻璃采用35 Be′(波美度)的浓度, 浆液水灰比为1∶1;水泥与水玻璃的配比( 体积比) 为1∶1。

3 监测方案

盾构机穿越前(50 m)、中、后(50 m)加强地面沉降及变形的监测,穿越时全天24 h监控。地下通道监测项目有地面沉降、结构上浮/沉降、水平位移、裂缝等。通过对地下通道结构的沉降和倾斜情况进行观测,确定了地下通道结构的安全性和所采取的工程防护措施的可靠性。

3.1 监测目的

对地表沉降观测点的沉降监测可以及时掌握周围土体的稳定性,也可以间接判断盾构工程的安全状况。

3.2 沉降观测点布设

地表沉降观测点采用人工开挖或电钻钻孔的方式,以窖井测点形式埋设,并穿透路面结构层(埋设形式如图6所示)。测点应有防护罩,孔径应大于或等于120 mm。道路、地表沉降观测点应与地面平顺,防止人员、车辆通行受到高低不平的影响。同时,测点应埋设牢固,标记清晰,便于保存。

图6 地表沉降观测点布置形式(单位:mm)

地表沉降监测断面上的测点按照施工图设计中监控量测要求并参照工程实际情况,在施工影响范围内布置,沿线路中线每5～10 m设置一点,每隔15 m布设一个常规沉降观测断面(7测点或11测点/每断面),地质变化较为复杂区段应作适当加密。测点布设位置如图7所示。

图7 隧道地表沉降监测断面测点布设

3.3 沉降观测数据及分析处理

采用几何水准法,使用精密水准仪进行水准监测网观测,沉降监测点按《城市轨道交通工程测量规范》(GB/T50308～2017)二等垂直位移监测网技术要求观测,沉降观测数据见表1。由表1可知,施工过程中及结束后,累计沉降量及沉降速率均在可控范围内。

表1 地表沉降观测结果

4 结束语

(1)复杂水文地质环境下盾构机超近距离下穿大型地下过街通道,且该通道为分节顶进施工完成,通过对地下过街通道的早期调查,针对性的采取稳定且可靠的内部加固措施,使得通道整体在盾构机下穿过程中具有良好的整体性和稳定性。

(2)针对富水砂砾石地层,采用通道内预注浆、盾构机通过时同步注浆、盾构机通过后二次补注浆、全天候施工监测等措施,能有效的确保盾构机在如此近距离下穿的工况下通道及地面的安全与稳定。

(3)采用WSS注浆工艺(无收缩双液注浆),提高了加固区域的地层黏结强度及密实度,改良土层性状。该工艺在提高土体整体性的同时,将储存在土壤颗粒之间的水挤压出来,用浆液填满颗粒间的空隙并固结,具有一定的阻水效果,提高了既有地下过街通道和盾构隧道的后期防水质量,具有良好的社会效益和经济效益。