盾构穿越砂卵石地层既有地铁车站施工技术

近年来，我国开展大规模城市地铁工程建设，盾构法施工技术以其安全可靠、绿色环保的技术优势在地铁工程建设中取得突飞猛进的发展。区间隧道盾构下穿既有某车站施工时穿越地层为砂卵石地层，自稳性较差，沉降控制难度高，如盾构掘进遇障碍物需处理时，需要采取地层加固及降水等措施才能保证盾构开仓前方土体稳定。
　　本文从盾构下穿既有2号线地铁A车站存在的问题着手，为保障既有线结构和地铁运营安全、确保盾构区间施工安全，根据施工中存在的问题，最终提出超前导洞施工和障碍物探测及排除的处理方案。
1　工程概况
　　北京某在建地铁区间自西向东下穿既有地铁2号线A车站和人防工程。隧道结构主要位于砂卵石地层⑦层，密实、饱和，级配较好，中粗砂充填，局部穿越粉质黏土、粉细砂层。线路纵剖面为人字坡，区间隧道埋深23.9～27.5m，为单洞单线隧道。
　　区间盾构左、右线垂直下穿既有地铁A车站，既有地铁车站结构覆土4.67m，车站结构高11m，盾构区间结构顶板距车站底板最小净距3.02m。盾构下穿既有车站为本区间的特级风险源。
2　工程地质条件
　　拟建区间隧道主要穿越的土层由上而下为⑥粉质黏土层、⑦1细砂层、⑦卵石层。既有车站下方土体为⑤卵石层。
　　本段线路赋存3层地下水，地下水类型如表1所示。拟建区间地下水主要为潜水(位于隧道顶附近)和层间潜水(位于隧道底附近)。


　　区间隧道盾构下穿既有某车站施工时穿越地层为砂卵石层，自稳性较差，沉降控制难度高，如盾构掘进遇障碍物需进行处理时，需要采取地层加固及降水等措施才能保证盾构开仓前方土体稳定。
3 盾构下穿既有地铁车站存在问题分析
　　1)盾构区间下穿既有车站施工时，因为施工过程中的施工沉降等因素，有可能会对既有线结构和地铁的正常运营造成一定影响。根据以往施工经验，盾构施工造成既有车站沉降可能达到15mm，远超目前地铁运营公司要求的沉降控制在2～5mm，因此在盾构掘进施工中必须采取可靠措施控制沉降，以保障既有线结构和地铁运营安全。
　　2)根据北京地铁5号线崇文门站和地铁4号线宣武门站下穿既有2号线车站实际施工经验，分析在既有2号线车站结构底部下2～3m范围往往存在的问题，但目前尚无此方面实测资料。如果盾构下穿A车站遇到相似障碍物，有可能会造成大量废弃型钢、圆木、混凝土块，以此推测区间盾构法下穿既有地铁车站时可能存在同样盾构机在既有线下因刀盘损坏或其他故障停机，将极难处理，同时盾构开仓处理存在较大安全风险，也会对既有线A车站造成很大影响。
4 盾构区间下穿既有车站施工方案
　　为保障既有线结构和地铁运营安全、确保盾构区间施工安全，根据施工中存在的问题，经过初步调研和讨论提出一个处理方案，方案总体思路为:
　　1)在盾构下穿既有车站前，利用新建车站3号换乘通道向南、北两侧盾构隧道施工1个位于既有线下方南北走向的超前导洞，通过该导洞2号风道对A车站下方土体进行超前地质探测和障碍物探测。障碍物探测备选方案有2种，方案1为陆地声呐，方案2为CT(层析成像技术)，根据试验效果对比选定最终探测方案。在探测过程中，如发现障碍物，根据探测情况制订排障方案，首先选择在盾构内开仓排除障碍物。
　　2)盾构过后再从导洞内向既有线下方(盾构区间上方)进行侧向补偿注浆控制沉降。
4.1超前导洞施工
　　在盾构下穿既有2号线车站前，通过换乘通道提前施工超前导洞。超前导洞结构内部尺寸为3.0m×3.5m，位于既有2号线下方，采用台阶法施工，施工时采用超前注浆、设锁脚锚杆、回填注浆、基底加固注浆等辅助措施控制沉降。
　　为保证施工安全并控制沉降，在导洞施工前，必须在2号线A车站两侧进行地面降水，降水施工达到预期效果后才能进行施工。
4.2风道内障碍物探测物探手段为直流电法配合陆地声呐探测法及CT(层析成像技术)探测法。
　　1)在盾构下穿既有地铁车站前，在新建A车站2号风道提前完成初支施工，在该通道内向既有A车站结构下方穿越范围外环打设超前地质探孔进行障碍物探测。如探孔探测发现大量不明物质，制订方案由2号风道侧壁开洞采用矿山法穿越车站，并施作二衬结构，盾构在洞内接收。如未探测到不明位置，在探测完成后注浆封闭探孔。
　　2)盾构机到达既有A车站站前方约6m处，盾构机暂停掘进，用陆地声呐探测设备(或CT技术)在盾构刀盘开口处对前方土体进行探测，如发现障碍物，根据探测情况制订排障方案，首先选择在盾构内开仓排除障碍物。如盾构开仓不能排除障碍物，仍考虑由A车站2号风道开口暗挖过站。
　　3)风道内探孔施工。由A车站2号风道侧壁打设探孔施工步骤如下:①破除孔位喷射混凝土按测量放线点标识大管棚孔位，孔位混凝土隔一个破除一个。待这批大管棚完成施工后，再破除其余孔位混凝土。②移动钻机至钻孔部位，调整钻机高度，将钻具放入导向孔中，使导向孔、钻机立轴和钻杆在一条直线上，并用仪器量测这条直线的角度(一般使用地质罗盘或悬吊式量角器)，也可使用经纬仪标定角度及方位。③选用的钻机型号为XY-4型水平钻机，在确认钻孔方向和角度满足设计要求后方可开钻。钻孔过程中要始终注意钻杆角度的变化，并保证钻机不位移。每钻进10m要用仪器复核钻孔的角度是否有变化，以确保钻孔方向。④钻孔过程中出土应及时清运，减轻临时仰拱施工荷载。⑤钻孔完成后，如未发现障碍物，插入注浆管，低压注浆封闭探孔。如发现不明物，可安装大管棚并注浆，为侧壁开口暗挖过站做准备。
4.3盾构内障碍物探测和排除方案
　　区间隧道盾构为土压平衡盾构机，因考虑可能需在盾构机内开仓排障，所以盾构机刀盘选用辐条式。盾构机到达既有2号线A车站前方16m和6m处，盾构机2次主动停机检修探测障碍物。
　　在管井降水达到效果后在盾构机内开仓，在盾构机刀盘开口处对既有车站下方土体进行陆地声呐探测，必要时用洛阳铲进行辅助探测。探测一旦发现型钢、木桩、混凝土等障碍物，则考虑在盾构机内开仓进行障碍物处理工作。
4.3.1障碍物声呐探测
　　盾构机推进到既有地铁车站前方16m处作第1次探查，推进到既有地铁车站前方6m处作第2次探查。两次探查资料和结果可互相印证，以确保不遗漏;掌子面上测线布置有以下2种方案:
　　1)方案1(见图1)布置测线a(分作a1，a2，a3共3段)、b两条水平测线和c1，c2两条铅垂向测线，在盾构机刀盘处于图1a状态下测a1，a3和c1，c2，盾构机刀盘旋转30°后处于图1b状态下测a2段，探查范围为盾构机上半部1m左右高度。
　　2)方案2(见图2)布置测线a(分作a1，a2，a3共3段)、b(分作b1，b2，b3共3段)两条水平测线和c1，c2两条铅垂向测线，在盾构机刀盘处于图2a状态下测a1，a3和b2，c1，c2，盾构机刀盘逆时针旋转30°后处于图2b状态下测a2和b1段，盾构机刀盘顺时针旋转30°后测b3段。探查范围为盾构机上半部1.8m左右高度，探测宽度比方案1约宽1m。


4.3.2障碍物探测结果障碍物探测结果如下:盾构穿越砂卵石地层既有地铁车站过程中，共探测到型钢类障碍物8次、混凝土6次。
4.3.3障碍物排除


　　盾构内遇障碍物时，首先采取底层加固及降水等措施保证开仓前方土体稳定，然后可常压开仓。从盾构机刀盘开口处进入开挖面，采用人工开挖支护并采用内径1m的PVC圆管顶进到达障碍物处，然后割除障碍物。障碍物处理完成后盾构继续掘进施工，障碍物处理如图3所示。


5 盾构掘进施工技术和沉降控制技术
5.1盾构掘进施工技术
　　1)将盾构到达卵石地层前50m作为试掘进段，根据该段的监测信息，不断优化盾构掘进施工的各项参数，为盾构穿越既有车站提供有力参考。
　　2)做好理论渣土量与实际渣土量的记录，保证出渣量与掘进速度一致，避免“冒顶”突发事故发生。
　　3)通过合理组织施工，保证盾构连续快速通过该段。
　　4)严格控制掘进参数，尽量减小对地层的扰动。
　　5)加强盾构姿态的测量和地面的监控测量，及时反馈信息以指导掘进施工。
　　6)施工时在土仓和刀盘前注入泡沫，改善渣土102施工技术第43卷性能，防止涌砂、突水现象发生。
　　7)在盾构掘进过程中不断对盾尾密封注入油脂，防止地层泥水和注浆液进入盾体内。
5.2沉降控制技术措施
　　1)采取壁后注浆，采用凝结时间短的活性浆液替代惰性浆液，在1m3浆液中加入约140kg水泥。每环同步注浆控制在5m3左右。
　　2)严格控制盾构操作，拼装管片时防止盾构发生后退引起地表下沉。
　　3)利用同步注浆和二次补压浆填充盾尾与管片间的空隙，减少地层损失。
　　4)车站下方土体补偿注浆加固。为控制既有线沉降，盾构下穿车站过程中在导洞内对既有地铁车站下方土体需要多次进行补偿注浆，避免结构的累积变形或突发变形。
　　5)加强监测，仔细观测盾构通过既有车站时地表的沉降量，及时反馈信息以指导盾构掘进。
　　6)盾构通过既有地铁车站后，从导洞内向既有线下方进行侧向补偿注浆控制沉降。
6 监测结果分析
　　为保证盾构机穿越砂卵石地层过程中监测信息及时反馈指导施工，确保铁路运营安全，在施工过程中监测频率按照6次/d进行，如果发现数据异常则加大监测频率。用水准仪进行地表沉降数据监测，选用水准仪的最小精度为1mm;用水位仪进行地下水位监测，选用水位仪的最小精度为5mm。用地表沉降和地下水位监测数据来验证上述施工方案的可行性。
6.1地表沉降监测
　　右线盾构通过期间，地表沉降量最大值为3.8mm;左线盾构通过期间，地表沉降量最大值为2.5mm，远远小于10mm的极限值要求，如图4所示。


6.2地下水位监测
　　通过对所选测断面地下水位监测，在盾构接近监测断面位置时，地下水位上涨，盾构通过监测断面位置时地下水位明显回落，通过断面后，水位缓慢上涨，并维持在一定高度，如图5所示，地下水位最大变化量是450mm，能够满足施工要求。


7 结语
　　盾构机穿越砂卵石地层过程中，为保障既有线结构和地铁运营安全、确保盾构区间施工安全，提出了一个超前导洞施工和障碍物探测及排除的处理方案;盾构通过期间，地表沉降量的最大值为3.8mm，地下水位最大变化量是450mm，均小于地铁施工的极限要求，用地表沉降和地下水位监测数据验证了上述施工方案的可行性。