明挖法隧道近距离跨越既有盾构隧道技术
2009-09-17 23:46
明挖法隧道近距离跨越既有盾构隧道施工技术
摘要：通过南京龙蟠路明挖隧道近距离上跨南京地铁盾构隧道的施工实例，论述了在既有隧道上方修建明挖隧道的施工方法及措施。该技术有效控制了盾构隧道上浮等潜在危险源，确保了施工安全，为以后类似工程实施提供借鉴参考。
关键词：明挖隧道；盾构隧道；近距离施工；隆起；上浮；抽条开挖
1 工程概况
新建明挖隧道为南京火车站前龙蟠路隧道的一段区间，龙蟠路隧道全长572.08 m，隧道结构净宽10 m，最小净高4.73m，隧洞纵坡0.2%，引道最大纵坡4.75%，最大挖深约8 m。隧道设计标准[1]：为单向双车道，荷载标准为城-A级，设计车速50 km/h，抗震烈度按7度设防。
1.1 明挖隧道与盾构隧道位置关系
明挖隧道位于地铁1号线盾构隧道上方，相交角度约为70°。地铁1号线盾构双线隧道许府巷～南京站区间隧道采用盾构法施工，管片衬砌内径5 500 mm，外径6200mm，每节管片长度1.2m，管片厚度350mm。明挖隧道过既有地铁段的里程为K0+709.316～K0+747.635，明挖基坑距老隧道地连墙4.6 m左右，距玄武湖最近距离12 m。盾构隧道此段覆土厚度10 m左右，明挖隧道过地铁段开挖深度7 m左右，盾构隧道管片顶与明挖隧道开挖底面间距离2.06～2.75 m。具体位置关系见图1。
1.2 工程地质及水文地质
地质情况自上而下为：①-1杂填土、①-2素填土、①-3淤泥质填土、②-1亚砂土夹亚黏土、②-2粉 砂夹亚砂土、②-3淤泥质亚黏土、②-4亚黏土。明挖隧道开挖底与盾构隧道间土体主要为②-2粉砂夹亚砂土，该土层均质差，低强度，液化，弱透水，局部透水。
地下潜水位埋深2.1～2.6 m，地下水主要接受玄武湖水和临近污水管道的补给，水位受玄武湖水位的影响，年最高水位为10.5 m。
1.3 施工影响控制要求
许府巷～南京站区间盾构隧道现已基本竣工，根据对此段盾构隧道的设计及施工情况的调查，其保护要求很高。具体要求为：盾构隧道绝对最大沉降不超过15 mm、最大隆起不超过10 mm、隧道变形曲率半径大于15 000 m、隧道相对弯曲小于1/2 500、施工产生的振动对隧道引起的峰值速度≤2.5 cm/s。
2 施工风险分析及应对措施
由于明挖隧道所处地质条件较差，隧道开挖底标高与盾构隧道顶距离仅2.06 m，地铁顶部围护结构入土深度浅、地下水位高，施工过程中易造成围护结构整体失稳、基坑隆起与盾构隧道上浮、坑壁与坑底涌水（涌沙）等[2]。
为了确保明挖隧道基坑及盾构隧道安全，采取如下措施：
1）基坑内采用二重管高旋喷注浆进行加固，提高土体的强度和刚度，控制围护结构变形及防止基底涌水涌砂，减少土体的压缩变形。
2）合理布置降水管井，降低地下水位。将地面至设计基底以下一定深度的土层疏干并排水固结，以便开挖土方，提高围护结构被动区及基坑中土体的强度和刚度，减少土体流失变形，确保基坑稳定和控制土体变形要求。
3）增加冠梁高度，提高围护结构的整体性。
4）基坑开挖严格遵循先支撑后开挖的原则。基坑开挖支撑施工中强化施工监测信息管理，严格遵从监测信息指导施工的原则，注意基坑施工的时空效应。
5）盾构隧道两侧设置抗拔桩，基坑开挖至第2层支撑位置后，人工抽条开挖地铁顶上土方至基底设计标高，然后浇筑抗浮梁与抗拔桩相连，将应力传递至深层土体内，防止盾构隧道上浮及坑底隆起。
6）基坑开挖完成后，及时封闭基底，尽快施工主体底板结构。
7）在基坑及盾构隧道内设置监测点，及时掌握施工过程中基坑及盾构隧道变化情况，做到信息化施工。
3 施工方案
3.1 围护结构
盾构隧道两侧的基坑围护采用钻孔咬合桩，桩长16.5 m。为避免钻孔咬合桩冲抓成孔时其冲击力太大而破坏既有地铁隧道结构，盾构隧道顶部新建隧道的围护桩采用回转钻机施工。采用覫1000@1200mm钻孔灌注桩，其桩底距盾构隧道顶0.5 m，桩长8.2～16.5 m，沿盾构隧道管片弧度变化，最小入土深度1.46 m。
施工前详细计算出每根钻孔桩的桩底标高，施工时严格控制孔底标高，严防钻机破坏盾构隧道。
南、北两侧围护桩坑外设覫800@500 mm的二重管旋喷桩止水帷幕。盾构隧道顶旋喷桩施工时，严格控制桩底标高及注浆压力，确保盾构隧道安全。每两根钻孔灌注桩间设置两孔压密注浆，确保桩间防水效果。注浆工艺采用后退式分段注浆，分段长度0.4～0.6 m。
采用1 200 mm×1 100 mm钢筋混凝土冠梁，确保地铁盾构隧道顶钻孔灌注桩围护结构（柱列桩）与地铁盾构隧道两侧的钻孔咬合桩围护结构形成整体。
3.2 抗拔桩设置
为确保新建隧道过地铁段盾构隧道的稳定，沿基坑横向在开挖面以下设抗拔桩，待基坑开挖后，立即将钢筋混凝土垫层中的钢筋与抗拔桩主筋焊接，形成框架结构，防止坑底土体隆起、地铁隧道上浮。
沿盾构隧道东、西线两侧3 m位置布设4排（每排7根，共28根）覫800 mm钻孔灌注桩（抗拔桩），桩长24.4 m，C25混凝土浇筑。抗拔桩设于基坑开挖面以下，开挖面以上回填砂。抗拔桩布置见图2、3。
3.3 地基加固
基坑内采用Φ800@600 mm二重管旋喷满樘加固。二重管旋喷桩水泥掺量350 kg/m，其中基坑内满樘加固桩在开挖面以上的旋喷桩水泥掺量减半，为175 kg/m。
两盾构隧道间旋喷桩长17 m，过地铁段基坑内采用满樘二重管高压旋喷桩加固，桩径800 mm，搭接200 mm。盾构隧道管片附近土体加固深度从基坑底至管片顶500 mm范围，盾构隧道两侧土体加固深度在开挖面以下9.5 m。
施工前根据设计计算出过地铁段的旋喷桩根数并画出其桩位图，施工时用竹签或短钢筋在现场标注出各桩的桩位。止水帷幕与基坑内满樘加固同步进行施工。南、北围护结构两侧的旋喷桩桩位距围护桩边15 cm，确保旋喷满布及止水效果。
开挖面以下旋喷提速为10 cm/min，开挖面以上为20 cm/min，浆压20 MPa，气压0.7 MPa。
3.4 施工降水
基坑降水采用管井降水，且盾构隧道两侧对称降水，地下水位降至盾构隧道顶面以上1.0 m。开挖前提前3周降水，每个断面设2口降水井（即做降水井，兼做回灌井以控制地下水位）。过地铁段基坑共设6口降水井与4口水位观察井（井深均12 m左右）于3个断面，为保证降水效果控制水位保持在盾构隧道顶面以上1.0 m，在每个断面的2口降水井间各设1口水位观察井，另外根据现场条件，于南侧基坑外的两盾构隧道之间设1口水位观察井。降水井及观察井布置见图4。
3.5 开挖方法
过地铁段的基坑开挖、支撑施工是保证地铁盾构隧道安全的关键，要充分考虑到开挖卸载后坑底土方隆起及盾构隧道上浮[3]。基坑采用覫609 mm钢支撑，间距4.8 m，设上下2层钢支撑。第1层支撑以上的土方进行“分段、分层、对称”开挖，待第2层支撑抽条开槽安装后，进行人工抽条开挖，减少基坑一次暴露面积，分条封闭基底。
开挖顺序为：抽条1开挖→浇筑抽条1抗浮板梁→抽条2开挖→浇筑抽条2抗浮板梁→抽条3开挖→浇筑抽条3抗浮板梁→抽条4开挖→浇筑抽条4抗浮板梁。采用人工抽条开挖，长臂挖机出碴。具体开挖方法及步骤见图5。
3.6 施工监测
施工过程中，同时进行基坑监测及隧道内盾构管片监测。基坑监测项目有：桩体水平位移、桩体沉降、地表沉降、支撑轴力、基底隆起、水位监测。盾构隧道监测项目有：隧道竖向位移、隧道断面变形，隧道收敛及隧道内观察。
开挖过程中右线盾构隧道上方基底最大隆起3 mm，左线盾构隧道上方基底最大沉降4 mm，抽条过程中基底始终处于稳定状态。
抽条1开挖完成盾构隧道竖向位移：左线隧道最大位移0.3 mm，累计位移3.5 mm；右线隧道最大位移-0.2 mm，累计位移4.1 mm，隧道趋于稳定状态。
抽条4开挖完成盾构隧道竖向位移：左线隧道累计位移3.9 mm，右线隧道累计位移4.4 mm，隧道处于稳定状态。
4 结论
既有地铁盾构隧道刚度小，整体性差，在其上方近距离进行明挖隧道施工，由于盾构隧道上方大量卸载，易造成坑底隆起及盾构隧道上浮，导致盾构管片变形过大破坏；由于盾构隧道影响，围护结构入土深度不能满足基坑稳定、抵抗承压水的要求，易发生管涌，流沙现象，威胁基坑及盾构隧道安全。施工中必须采取可靠措施，加固地层，提高土体强度，使土体与围护结构形成整体，共同受力。
该工程采用二重管旋喷加固土体，加固后的水泥土强度5～15 MPa，在基坑内形成一个强大的支护体系，确保了围护结构安全；同时基坑内加固土体与围护结构通过粘结、摩擦及咬合等，将坑底土体隆起及盾构隧道上浮产生的应力传递至围护结构及基坑外土体。开挖过程中，充分重视基坑的时空效应，采用抽条开挖，分段施工抗浮板梁，与抗拔桩连接，保证了基坑及盾构隧道安全。
参考文献：
[1]关宝树．隧道工程施工要点集[M]．北京：人民交通出版社，2003：60－67．
[2]王梦恕．地下工程浅埋暗挖技术通论[M]．1版．合肥：安徽教育出版社，2004：5－8．
[3]陈忠汉，黄书秩，程丽萍．深基坑工程[M]．北京：机械工业出版社，2003：20－25．
