粉砂地层土压平衡盾构下穿既有线路施工

1、盾构隧道施工改变了原地层的状态，必然会引起或多或少的地层位移和地表沉陷，它将影响到邻近建( 构) 筑物安全，对周围的环境造成一定的损害。 在盾构隧道施工前对临近建( 构) 筑物进行地基预加固处理是盾构隧道施工过程中常用的措施。 在地面条件不允许的情况下，譬如: 有多股道轨道群、重要建( 构) 筑物群( 间距小、密集度大) ，没有加固所需的空间，不能从地面对建( 构) 筑物进行预先加固。如何在这些不利于地面预注浆条件下，只从盾构施工本身解决地层缺失，以及减少对地层的扰动，从而最终控制地面沉降是个亟待解决的问题。 今结合杭州地铁 1 号线九堡东站下沙西站区间在无法进行预加固的情况下，下穿既有线施工

2、案例，研究盾构参数控制、径向注浆等措施，对控制既有线沉降量、位移量所起到的作用，为类似工程提供参考。 1 工程概况1 1 工程概述 杭州地铁 1 号线九堡东站下沙西站区间位于下沙区( 区间隧道起点里程为 K31 + 573 447，终点里程为 K28 +571 326，单线全长 3 002 m，隧道外径 6 200 mm，内径 5 500 mm) ，隧道从下沙西站过松华河后沿九沙大道向西，过月牙路后沿九沙大道北侧向西，避让规划运河二通道桥至东湖路，下穿临平支线盾构( 即已完成的九堡东站乔司站盾构区间) 段至九堡东站。沿线主要分布有 1 号线临平支线( 既有线路) 、九沙大道、规划运河二通道以及

3、沿线 1 4 层民居等。两段区间隧道纵坡均为“V”型坡，最大坡度为 25，隧道顶部埋深为 9 0 20 6 m，最小平面曲线半径为800 m，最大平面曲线半径为2 000 m。 重叠处九堡东站下沙区间隧道埋深约184 m，临平支线隧道埋深约 67 m，两条隧道之间最小净距为 495 m。见图 1。 九堡东站下沙西站区间左线隧道在里程 K28 +861214 5 处与临平支线左线隧道在里程 K28 +861215 处两条隧道中线重叠，九堡东站下沙西站区间左线隧道在里程 K28 + 923108 1 处与临平支线右线隧道在里程 K28 +915 955 处两条隧道中线重叠，重叠段长度为 11143

4、7 m，具体见图 2。1 2 工程地质及周边状况1 2 1 工程地质 两重叠隧道之间地层为3 粉砂夹砂质粉土层: 灰色、灰黄色，很湿，稍密，含云母碎屑。摇振反应中等，切面无光泽反应，干强度低，韧性低; 4 砂质粉土: 灰色，很湿，中密，含云母碎屑，局部夹黏性土薄层。摇振反应中等，切面无光泽反应，干强度低，韧性低，局部缺失。6 层 粉砂夹砂质粉土: 灰、青灰色，中密，饱和，含云母屑，属中等压缩性土。 区间穿越地层为4 砂质粉土、5 砂质粉土夹粉砂、6 粉砂夹砂质粉土，其中主要穿越的4层为易液化土层，盾构施工时应采用相应措施防止震动液化、流砂及坍塌变形的发生。重叠段隧道地质剖面见图 3，重叠区段土

5、土体力学指标见表 1。1 2 2 水文地质 本区域地下水主要为浅层潜水及承压水，具体如下: ( 1) 浅层潜水。浅层潜水主要赋存于上部填土层及粉土、砂土层中，补给来源主要为大气降水及地表水，其静止水位一般深08 2 m，高程412 563 m。沿线场地地下潜水对混凝土结构一般无腐蚀性; 对钢筋混凝土结构中钢筋一般不具腐蚀性，但局部钻孔揭露其潜水对钢筋混凝土结构中钢筋具中等腐蚀性; 对钢结构一般具弱腐蚀性或中等腐蚀性。 ( 2) 承压水。沿线承压含水层主要分布于重叠段隧道附近区段，赋存于地层深部的( 12) 1 中砂及( 14) 1 圆砾层中，隔水顶板为其上部的黏性土层。1 2 3 周边建筑物及

6、管线情况 重叠段为居民房屋拆迁空地，场地空旷，无其他建筑物及管线。 2 工程难点分析 本工程需进行既有线的下穿，其最大的难点是对既有线的保护，在实际的穿越过程中，穿越前由于盾构机对周边土体的挤压，可能造成既有线的偏移，穿越过程中盾构土体损失或土压力控制不合适，可能造成既有线的隆起或沉降，穿越后盾构注浆不及时以及后期的土体在固结，亦可能造成既有线的隆起或沉降过大。因此，结合现场实际情况，本工程的难点主要有如下几点:2 1 地层情况复杂，沉降控制困难 盾构穿越区域为粉砂夹砂质粉土和砂质粉土，既有隧道位于砂质粉土地层中，穿越地层地质条件差，该土体摇振反应迅速，扰动后易形成流砂，沉降大，达到稳定沉降所

7、需时间长。2 2 既有隧道变形控制要求高 ( 1) 临平支线隧道任意一点变形20 mm; ( 2) 引起的附加曲率半径应大于15 000 m，相对弯曲 1/2 500。2 3 成型隧道保护困难 与成型隧道最小净距仅 495 m，而且穿越距离长，盾构成 137°斜向穿越已成型隧道底部，穿越距离长达 11144 m，长期的受力影响对成型隧道结构松弛控制难度大。且需下穿的既有线无条件进行地基加固，更是加大了线路沉降的难度。 3 施工方案的确定3 1 盾构掘进引起地层变形的因素 盾构掘进引起的土体变形通常取决于以下因素:施工引起的地层损，地层初始应力的改变，扰动土体的固结与土体的蠕变，隧道结

8、构的变形及其他因素等。 施工引起的地层损失主要由正常的地层损失、不正常的地层损失以及灾害性的地层损失组成，盾构掘进中的施工工艺是造成地层损失的主要因素。为此，盾构施工关键在于怎样减少地层的不正常损失及灾害性的地层损失。3 2 盾构机选型 由于该区间穿越砂性土，因此针对此区间加大了盾构机的输出扭矩及总推力，并加大了刀盘的开口率，便于渣土进入仓。在沉降控制方面采用外置注浆管，并在卸土口增设保压泵碴装置。具体情况如下: ( 1) 本段区间沿线地质构造和地层，为钱塘江河口相冲海积地貌，地表以下分布有比较厚的河口相粉性土及砂性土。九堡东站下沙西站、下沙东站文泽路站盾构区间穿越的土层主要为: 3 砂质粉土

9、层;层粉土、砂土性质不一，密实度变化大，自松散中密度变化。盾构机设计最大扭矩5 147 t·m，设计最大掘进推力为37730 kN，刀盘开口率40%。 ( 2) 为了减少盾尾与开挖轮廓之间的间隙，以尽量减少地层损失由之增大的可能，采用外置式注浆管。 ( 3) 为满足本工程在不良地质条件下掘进时发生涌水、涌泥时保压掘进的需要，本盾构机采用了轴式螺旋输送器，在卸土口处配备有双开门装置和保压泵碴装置。 ( 4) 为能有效地稳定开挖面地层、减少对周围土层的扰动，实现地表沉降控制，保护地表建筑物，盾构机具选用土压平衡盾构。3 3 成型隧道结构主动控制 除对既有隧道穿越范围内的管片螺栓进行复紧外

10、，还在既有隧道内利用预先准备好的槽钢和连接件对沉降点左右 24 m 范围内管片进行 4 道纵向加固，将管片连成一体，形成整体受力。见图 4。3 4 关键施工参数的控制 ( 1) 盾构推进速度对既有隧道的隆沉变形影响较大，推进速度须综合考虑土仓压力等因素，匀速通过。推进速度控制在 20 mm/min，不间断监测盾尾间隙，不断复核盾构纠偏量，并结合监测数据及时调整施工参数，每 10 环测量一次管片姿态，杜绝大幅度纠偏，以减少地层损失和周围土体的挠动，降低对既有隧道的影响，推进过程中，既有隧道的隆起量均控制在 5 mm 以内1 2。 ( 2) 开挖面维持土压平衡模式。土压力的波动值控制在 ±

11、;0 01 MPa。 ( 3) 选取合适的同步浆液配合比及压注量，采用注浆量和注浆压力双控的模式进行浆液的压注。3 5 信息化施工 本工程采用人工与电子水准仪监测既有隧道及地面的隆沉值，收敛仪监测既有隧道的变形情况，每2 h 监测一次( 异常时加密频次) ，24 h 不间断进行，并及时与盾构操作间沟通，分析监测数据，掌控既有隧道及地面的隆沉情况，不断调整施工参数，对减少盾构施工对既有隧道的影响效果明显。监测点布置见图 5。4 施工中的问题及关键技术4 1 严格控制土仓压力 盾构掘进过程中，盾构切屑面土体受到水平支护应力与原始侧向应力关系，当水平支护应力小于原始侧向应力，切屑面土体向土仓方向移动

12、，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降; 相反，引起盾构前上方土体隆起。所以，合理控制土仓压力平衡对减少地层损失造成的地层位移效果明显。在穿越该区间推进过程中土压力设置值为静止土压力的1 008 1 085 倍( 0 26 0 28 MPa) ，实际控制值为静止土压力的0 930 1 163 倍( 0 24 0 30 MPa) 。现场监测数据表明，在掘进过程中刀盘前方隆起值在 5 mm 以内。4 2 合理选用注浆工艺，有效控制地面沉降4 2 1 同步注浆 为确保既有盾构隧道及本区间隧道累积沉降小于 5 mm，施工过程中采用同步注浆和二次注浆相结合的措施，为填充脱出盾尾的管片与土体间的间隙及浆液收

13、缩间隙，同步注浆量往往超过理论空隙体积，每环同步注浆量均控制在 4 8 5 1 m3( 设计每环注浆量34 m3) 。注浆浆液配比为:水泥粉煤灰膨润土砂水 =120400100830720( 质量比) 。4 2 2 二次注浆 因同步注浆浆液早期强度低，隧道受侧向分力影响大的问题，在管片脱出盾尾 8 10 环后，结合监测数据当沉降达到 5 mm 时，及时进行二次注浆，浆液采用单液浆，每环注浆量控制在05 m3以内。 为增强扰动后地层的稳定性，在盾构下穿及盾尾出既有隧道结构交线前、后 10 环处通过整环 6 个注浆孔位注入单液浆进行封环。4 2 3 注浆孔布置 ( 1) 盾构下穿既有隧道前对同步注

14、浆系统进行系统的检修，确保注浆管路畅通，保证同步注浆饱满。减少现施工隧道的沉降量，并有一定量的隆起。( 2) 根据监测数据从 15 点、1 点两个注浆孔隔环注入单液浆。4 2 4 注浆压力及速度控制 ( 1) 整个注浆过程中，同步注浆压力控制在 0. 45 MPa 以内，每环注浆量均控制在48 51 m3范围内( 如出现漏浆等异常情况时，根据实际情况调整注浆量) 。( 2) 二次注浆压力控制在02 MPa 以内，浆液配比采用水 水泥 =11的单液浆或水泥浆 水玻璃溶液 = 1 1 的双液浆( 水 水玻璃 =31) ，根据监测数据控制注浆量( 本区间每环注浆量约 0 5 m3) 。4 2 5 注浆效果 盾构穿越既有隧道的初期及稳定后，其监测数据显示沉降量均在 10 mm 以内。4 3 合理设置施工参数，减少地层不正常损失引起的地层位移 在盾构掘进中根据监测情况制定盾构总推力及刀盘扭矩值，加大盾尾油脂注入量至正常段的 1 5倍，并严格执行; 盾构姿态偏差不应大于 ± 30 mm，每环波动位于 10 +20 mm 范围，避免参数波动过大导致的不必要的地层位移3。 5 结 语 盾构施工产生地面隆沉是必