北京地区西北部地质中普遍存在砂卵石层, 其特点是厚度大、密度高、粒径大^[1], 而轨道交通发展规模和速度在全国都处于领先地位, 大量城市地下空间开发都不可避免地在砂卵石地层中进行。管幕法 (pipe-roof method) 作为地下空间开发的一种暗挖施工支护工法, 以其对周围环境扰动小、施工空间限制低、对复杂环境适应性强等特点, 广泛用于城市地下空间开挖施工和穿越支护工程中。目前, 对于地下工程管幕法施工的研究主要集中在软土地层^[3,4,5]、硬土地层^[6]、软弱地层^[7]以及淤泥质地层^[8]中的地下工程施工中, 而对于砂卵石地层中管幕施工的研究相对较少。本文依托新建区间隧道近接下穿既有运行区间隧道工程, 对砂卵石地层中管幕预支护工法施工工艺和对地层沉降的影响进行研究。

采用矿山法新建8号线木大区间正线 (木樨园桥南站—大红门站) 下穿既有10号线盾构区间 (大红门站—石榴庄站) 、既有大红门站2号出入口。下穿区间长度43m, 距离既有区间最近处不足2.5m。8号线新建区间隧道和10号线既有盾构隧道的位置关系如图1所示。根据北京地铁8号线三期工程勘察01合同段木樨园桥南站—大红门站区间岩土工程详细勘察报告, 场区地质条件复杂, 如图2所示。场区地层自上而下依次为杂填土层、粉细砂层、卵石 (3) 层、粉质黏土层、粉细砂层、卵石 (5) 层、粉土 (6) ₂层。新建隧道施工主要是在砂卵石地层中进行。该处砂卵石地层的特点是:埋深大, 砂卵石致密, 卵石含量多, 含大粒径卵石, 含水量丰富。

该工程为北京地区首例矿山法隧道近距离下穿既有运行盾构区间隧道, 属特级风险源。既有10号线处于正常运营状态, 对于隧道变形控制非常严格, 要求穿越施工引起的既有线沉降不超过3mm, 隆起不超过2mm, 且施工期间既有线不停运、不减速。

管幕法是在结构体外围预先进行钢管顶进, 并在钢管侧面利用锁扣进行连接, 在锁扣空隙内填充止水材料, 形成一个能抵御上部荷载的超前支护体系, 并起到隔断周围水土的帷幕结构作用, 从而减小对上部土体、既有建 (构) 筑物和周围环境的扰动^[9]。管幕钢管推进的施工方法一般有:钻孔法、夯管法和顶管法。各种推进工艺都有其优缺点和使用范围, 不同的推进工艺会直接影响管幕的施工精度和对环境的扰动大小。3种推进方法的优缺点和适用范围^[10]如表1所示。

鉴于工程施工环境的特殊性, 采用传统的管幕施工工艺很难满足施工和沉降控制要求, 需要选择合适的施工工艺并适当改进。考虑到管幕距离既有线净距不足2.5m, 须选用小直径管幕;地层埋深大, 砂卵石致密, 胶结差, 须采用螺旋钻孔顶管法;既有线对地层变形控制严格, 须采取一定措施控制地层位移。

最终拟定采用“锁扣管幕+全断面深孔注浆”方案进行施工, 即在隧道上导洞距离拱顶0.5m处顶进29根299钢管, 钢管之间通过锁扣进行连接, 形成一个拱状的预支护结构, 并在钢管上安装袖阀管, 依据地层监测沉降值随时注浆以补偿地层松散变形、控制地层扰动, 管幕施工完成后在管幕的支护作用下对开挖面进行全断面深孔注浆, 随后进行隧道开挖。管幕施工过程中, 钢管中间安装螺旋出土器, 管幕施工以外管顶进为主, 管内螺旋出土为辅, 顶进过程通过螺旋出土油缸与顶进油缸协调完成, 以此来控制土压平衡。管幕螺旋钻顶管结构如图3所示。

全断面深孔注浆法是近接下穿既有结构常用的一种工法, 但是全断面注浆有一定的弊端:注浆扩散范围难以精确控制, 浆脉走向具有不确定性, 砂卵石地层注浆质量不易保证。因此, 仅仅采取全断面注浆方案极有可能造成上方土层局部隆起或不均匀沉降, 严重威胁既有线的正常运行。采用“锁扣管幕+全断面深孔注浆”方案可以很好避免这些问题的发生。锁扣管幕作为一种超前预支护结构, 既可以控制土层的沉降变形、减少新建隧道开挖引起的土层扰动, 又可以很好地控制全断面注浆施工浆液的扩散范围, 减少地层不均匀变形, 可以为既有线的安全运行提供良好的保证。

为了保证管幕施工的顺利进行并对管幕施工参数进行合理优化, 设计在左线人防扩大端掌子面下半导洞左侧中部位置进行管幕施工试验, 如图4所示。管幕试验共顶进3根钢管, 按照1号→2号→3号的顺序依次顶进。其中1号和2号钢管通过锁扣进行连接, 用于验证锁扣管幕能否顺利顶进、锁扣能否顺利搭接以及管幕施工的精度能否满足设计要求。3号钢管单独施工, 在钢管上方土体内预先埋置多点位移计, 用于监测钢管顶进过程中土层位移从而探究管幕施工引起的地层沉降规律。

顶进过程中, 通过观察钻杆内光源, 在袖阀管内安装角度探测棒、经纬仪测量等多种措施进行监测, 控制管幕施工精度。试验开始前记录管幕初始参数如表2所示。

为了能够直观反映管幕施工过程对周围岩土产生的扰动影响, 在3号试验钢管正上方由地表向下打孔安装多点位移计, 布置6个测点, 测点间距0.5m, 由底向上顺序编号, 其中最底部测点距离3号试验钢管顶端0.5m。测点由下自上依次编号为A, B, C, D, E, F。设计孔位及测点如图6所示。

对试验管幕出土取样分析, 直观判断试验管幕施工穿越的土层并记录, 如表3所示。通过现场出土可以判断, 管幕施工靠近掌子面的位置土层卵石含量丰富, 卵石粒径较大, 随着管幕顶进, 远离掌子面位置的土层卵石含量逐渐减少, 卵石粒径也相对较小。

顶进1号和2号钢管时, 通过安装在袖阀管端头的探棒测量施工过程中管头的倾角和面向角, 以此来计算管头竖向位移, 通过经纬仪测量管头水平位移, 施工过程中角度和位移记录如表4所示。

由表4可知, 1号标准管和2号管施工时, 面向角、倾角和水平位移变化都较大。1号管面向角和倾角都超出设计值, 2号管面向角超出设计值。尤其是面向角已经远远超出设计限值, 即管幕钢管的转动角度过大, 这也导致管幕锁扣难以较好咬合。由于靠近掌子面土层卵石含量丰富, 卵石粒径大, 导致施工0~12m过程中, 钢管顶进施工困难, 经常出现卡钻现象, 引起钢管转动剧烈。因此, 要保证管幕施工顺利进行、施工精度得到良好的控制, 就必须采取有效的措施控制钢管的转动。

根据施工条件和现场情况, 提出改进措施: (1) 钢管尾部与顶进钻机临时焊接, 防止转动; (2) 左侧公锁扣端部添加面向角控制斜板, 管幕钢管顶进中产生向左侧锁扣施加的压力, 限制锁扣向右侧偏转, 如图7所示; (3) 在管幕顶进过程中, 管幕上袖阀管同步注入膨润土加水泥浆等低强度浆液, 以补偿地层的松散变形控制地层的扰动变形, 同时润滑管幕与土体缝隙, 减小摩阻力; (4) 在钢管前段增加管箍, 保证管头强度, 增加帽檐, 纠偏管幕上浮, 如图8所示; (5) 管幕顶进结束后及时利用管幕上袖阀管进行补偿注浆, 以补偿地层的松散变形, 减少地层的沉降变形。

采用这些措施后, 施工3号管幕, 实时记录施工过程中钢管的位移。施工完成后, 统计3根钢管施工精度, 如表5所示。对比3根钢管的施工位移数据, 3号钢管的轴线偏差明显减小, 钢管转动得到了很好的控制, 锁扣的精度提高尤为明显。

由沉降曲线分析可知 (见图9, 10) :地层沉降随钢管顶进呈增长趋势, 且在钢管施工至试验孔位置时沉降增长速度最快, 之后, 测点A和测点B沉降继续缓慢增长直至钢管顶进施工结束, 其余各测点沉降逐渐趋于平缓。主要原因可归结为:管幕顶进通过测点位置后仍然会对钢管附近土层造成扰动, 而距离钢管较远的土层对于这些扰动并不敏感。

监测点A为试验管幕引起的地层变形影响最大位置, 各监测点的位移随着测点与钢管距离的增加快速减小。距离管幕正上方高度超过2m时, 沉降已不足0.04mm。

通过现场原位试验和沉降监测点的现场数据监测, 分析砂卵石地层中管幕施工的精度和管幕上方土层沉降规律, 可得到以下结论。

1) 在砂卵石地层中, 新建隧道近接下穿既有隧道可采用小直径管幕作为预支护结构, 以此来控制注浆范围, 减小地层不均匀变形。

2) 砂卵石地层中, 管幕施工钢管可以顺利顶进, 采取临时焊接、添加面向角控制斜板、袖阀管注浆减阻、增加管箍和帽檐等措施, 可以有效提高管幕施工精度。

3) 管幕施工对管幕上方土层的扰动以沉降为主, 扰动随着土层与管幕距离的增加而减弱, 钢管正上方土层沉降最大。

4) 管幕施工对土层的扰动相对较小。单根管幕施工, 距离管幕正上方2m处的土层沉降已不足0.04mm。