本文以北京市通州区政通东路水系暗涵紧邻综合管廊上穿地铁6号线为例, 对施工过程中的风险点进行分析, 提出施工过程中的关键技术, 可对浅覆土近距离上穿地铁盾构区间施工提供一定的借鉴和指导。

政通东路拟建2座雨水暗涵, 东暗涵宽4.4m, 高5.8m, 与中间新建管廊结构的净距离为32.5cm;西暗涵宽5.4m, 高5.83m, 与中间新建管廊结构的净距离为37.5m。暗涵结构现状地面覆土为0.6m, 后期覆土厚度为1.827m。暗涵底标高14.170m。在运河东大街部位上穿正在运营的地铁6号线郝家府—东夏园地铁盾构区间。

地铁6号线郝家府—东夏园地铁盾构区间外径6m, 左、右线区间净距离9m, 盾构区间顶标高为10.200m, 覆土厚度10.4m。

雨水暗涵在地铁45°影响线的长度为40m, 暗涵底板与地铁隧道之间净距离约3.97m, 暗涵与管廊及地铁盾构区间的位置管线如图1, 2所示。经过工法对比分析, 在地铁45°影响线内的暗涵采用衡重顶进箱涵上穿地铁盾构区间。

暗涵上穿地铁区域影响本工程的土层按地层岩性及工程特征划分为5大层及亚层。均化后土层信息如下:①粉质黏土素填土～黏质粉土素填土, 标高为17.560～20.600m, 层厚约3m;②粉质黏土～重粉质黏土, 标高16.160～17.560m, 层厚约1.4m;②₁黏质粉土～砂质粉土, 标高13.960～16.160m, 层厚约2.2m;③粉砂～细砂, 标高9.160～13.960m, 层厚约4.8m;④₁细砂～粉砂, 标高6.360～9.160m, 层厚约2.8m;④细砂～中砂, 标高3.960～6.360m, 层厚2.4m;⑤中砂～细砂, 标高 -8.140～3.960m, 层厚12.1m。

本区域②₁黏质粉土～砂质粉土及③粉砂～细砂层为可液化土层, 其液化等级为中等。

场区地面下40m深度范围内分布2层地下水:第1层地下水为潜水, 水位标高在9.470m左右;第2层地下水为承压水, 埋深在32m左右。

顶涵工作坑开挖及地铁45°影响线范围注浆→顶涵后背及滑板制作→铺设滑板润滑层及隔离层→箱涵预制及养护→安装配重→顶进设备安装→坑内试顶→吃土顶进→顶进就位。

1) 暗涵基底土为可液化土, 且顶涵工艺无法实现验槽程序, 土层风险大。

2) 暗涵顶进时一侧为管廊, 一侧为原状土, 受偏压作用对箱涵顶进线位控制和管廊结构的安全影响。

3) 顶涵施工过程中存在卸载, 地铁盾构区间两侧和底部在不平衡土压力和水浮力作用下产生上浮。顶涵在顶进过程中 (尤其在地铁上方时) 由于高程和线位的过大偏差, 在调偏时对地铁区间和管廊结构产生较大作用力, 影响地铁和管廊结构安全。

暗涵基底注浆加固消除土层可液化性, 减弱了盾构区间在不平衡压力和水浮力作用下的上浮变形, 且降低箱涵顶进过程中的“扎头”风险;但存在注浆浆液进入地铁盾构区间和顶进暗涵基底因注浆结石不平的风险。为解决上述问题, 通过注浆试验段验证, 采用以下施工工艺。

采用袖阀管注浆, 注浆厚度为1.97m, 距地铁区间2m。注浆孔间距0.5m, 三角形布设。浆液采用水泥-水玻璃双液浆, 水泥浆的水灰比为1.0, 水玻璃为35°Bé, 水泥浆与水玻璃浆液用量比 1∶1。注浆压力在注浆层顶底0.2m范围内采用0.4MPa, 其他部位采用0.5MPa。注浆加固横断面如图3所示。

注浆在地铁停运期间进行, 并对既有线区间管片进行严密监测, 如有异常立即停止注浆, 查明原因后重新注浆。

注浆完成后加固土体取样的单轴无侧限抗压强度均>0.8MPa, 较好地实现注浆加固目的。

本工程西暗涵、东暗涵与管廊结构间净距分别为37.5cm和32.5cm, 顶推过程中单侧受土压力, 左、右线位控制难度大, 易产生暗涵顶到管廊结构上, 破坏管廊结构。

为了减小及平衡顶进时暗涵侧向偏压力, 暗涵外侧土体超挖20cm, 降低土体与暗涵单侧侧压力, 避免了暗涵与管廊的撞击并保证了顶涵线位。

本工程顶涵采用挖空上方土体、空顶方式。暗涵结构挖土卸载对地铁盾构区间产生较大影响, 为消除不平衡压力, 本工程采用衡重顶进, 采用“卸一补一”原则。即在内部根据挖空土体的质量进行配重, 使得在顶推过程中, 保证既有轨道线上方土体卸载和外部压载相平衡。本工程暗涵顶进段长40m, 东、西暗涵每节均为20m, 为保证顶进顺畅, 东、西暗涵分别设置中继间。对顶进箱涵结构及施工过程进行荷载计算与控制, 确保配重顶进。

单侧暗涵顶进开挖的土方总重:M₁=V₁ρ= (20.5-15.25) ×3.8×40×1.9=1 516.2t;单侧暗涵结构:M₂=V₂ρ= (3.8+3.4) ×2×0.7×40× 2.5=742t;需补充的钢锭重:M=M₁-M₂=774.2t。

采用14寸 (1寸=3.333cm) 钢锭补充差重。14寸钢锭规格:头部尺寸353mm, 尾部尺寸295mm, 长度1 430mm, 单个钢锭重1.03t, 共放置钢锭750个, 在暗涵底板上均匀布置。

传统的顶涵工艺在箱涵顶进过程中, 挖掘机在箱涵内部挖除刃角前方1m宽度范围内直至涵体底板底, 但对本工程却是不利因素。为减弱顶涵前方的卸载效应, 本工程将顶涵前方利用长臂挖掘机和人工清土方式, 土方开挖长度控制在0.4m范围, 一次顶进长度0.4m, 将开挖土方均匀堆放在开挖面前方平衡卸载并减小不平衡压力的时间和空间效应。

衡重顶进的精度控制既影响暗涵的就位线位和高程, 也对地铁区间结构存在较大影响, 尤其在顶涵从工作坑进入地铁区间上方时尤为重要。

顶进箱涵距离地铁顶部净距仅3.97m, 且穿越距离较长、影响范围较大, 所跨越土层较为松软, 因此采取以下对策。

1) 顶进前对土体进行注浆加固。

2) 顶进姿态提前调整。涵体从顶涵工作坑到进入地铁45°影响线行程中, 提前调整涵体的顶进姿态到最佳状态。进入地铁45°影响线时, 涵体姿态调整到整体高程高于设计高程5cm, 中线与设计中线吻合。

3) 箱体姿态监测。进入穿越段后, 每顶进40cm测量一次姿态, 做到勤推、勤测、勤纠;避免因为轴线出现过大偏差而进行强制纠偏。

顶进前, 在箱身的前后口两侧设置沉降观测点, 在中间设置纵向中轴线观测点, 用于沉降和位移观测。观测点布置如图4所示。

在顶进时必须进行严格测量监控, 以确保施工精度。每顶一镐必须进行方向和标高测量, 并对顶程、顶力、吃土量、接缝处宽度及错台变化等进行记录。根据测量数据通过调整千斤顶的顶力对偏位进行纠偏。在施工过程中应加强顶推监测, 以监测数据作为纠偏依据。

顶进前, 为了可以更好地控制箱涵姿态, 在箱涵顶板设置高程控制点, 分别在4个角做控制点并编号为①, ②, ③, ④, 并测量记录出初始高程值;中线控制点设置在箱涵顶进方向的南、北两端, 编号为⑤, ⑥, 并对预制箱涵原始位置的横纵向轴线做出标识记录;将预制箱涵的原始位置里程、轴线及高程原始数据做记录。

顶进中, 观测方向一般以中线基桩 (⑤, ⑥) 为原点, 用经纬仪或全站仪拨90°直角设置顶进观测站和观测基点⑦, 且为了保证顶进精度, 基点距离必须大于实际顶程, 顶进时在观测站内架设经纬仪或全站仪, 进行连续观测, 以便随时纠偏。

4) 箱体纠偏技术。顶进过程中顶铁要紧密接触, 并每顶进4m更换4m顶铁后压土50cm, 保证顶铁刚度。

涵体左、右偏差用增减一侧千斤顶顶力的方法调整, 即开或关一侧千斤顶法门, 增加或减少千斤顶的油压。如向左偏, 即关闭减少右侧千斤顶, 向右偏则反之操作。

当涵体姿态抬头时, 将箱身前开挖面挖到与箱底面平或稍作超挖。当箱体姿态为“扎头”时, 开挖面基底保持在箱身底面以上10cm, 利用船头坡将高出部分土壤压入箱底, 纠正“扎头”。

施工前对政通东路临近地铁系列工程按照施工工艺进行了评估, 评估位移量如表1所示。

政通东路地铁区间自动化监测点左、右线分别布置6个, 左线标号分别为ZZD19～ZZD25, 右线标号为YZD19～YZD25。自动化监测点平面布置如图5所示。

暗涵施工顶推前, 政通东路系列工程完成了拆改移基坑、合槽顶涵工作坑、中间管廊、南侧基坑等系列工程。为便于分析, 将暗涵顶推划分为2个阶段, 第1阶段为开始顶进至箱体通过左线盾构区间, 第2阶段为从箱涵通过左线盾构区间至箱涵顶进到位。

1) 第1阶段监测数据情况 自2017年10月15日开始顶进, 至2017年10月20日, 东、西暗涵均顶进至地铁左线上方, 此阶段累积变形值最大测点为ZZD20 (左线K41+440) , 阶段累计值为0.19mm。历史累积变形值在0.54～1.00mm, 历史累积变形最大点为ZZD19, 累积变形最大值为1.00mm (控制值1.8mm) , 所有隧道结构竖向变形数据累计值在控制范围内。根据监测数据此阶段累积变形最大值为0.19mm。此阶段地铁盾构区间自动化监测数据如图6, 7所示。

2) 第2阶段监测数据情况 2017年10月20日至25日, 东、西暗涵均顶进就位, 此阶段累积变形值最大测点为YZD20, 阶段累计值为0.26mm。历史累积变形值在0.68～1.10mm, 历史累积变形最大点为YZD20, 累积变形最大值为1.13mm (控制值1.8mm) , 所有隧道结构竖向变形数据累计值在控制范围内。

此阶段隧道累积变形值为0.26mm, 此阶段地铁盾构区间自动化监测数据如图8, 9所示。

水系暗涵上穿地铁区间自动化监测数据分析如表2所示, 本次顶涵地铁位移量与评估本阶段最大上浮量0.3mm较吻合。中间管廊顶进施工监测最大上浮量为0.43mm。因此, 历史累积最大上浮量未超过限值2mm, 极大地保障了地铁运营安全。

在暗涵顶进过程中, 为防止暗涵撞击管廊结构, 采取单侧卸压措施, 并对管廊结构进行水平位移观测。观测点布置如图10所示, 在顶进过程中对管廊的监测数据如图11所示。

在顶进过程中, 左、右2座暗涵同时顶进, 保持2座暗涵行程差在1m以内, 且暗涵涵体与管廊涵体为接触碰撞。以上措施对管廊的影响极小。

针对水系暗涵近距离上穿地铁盾构区间工程, 引入箱涵顶进工法, 袖阀管注浆、侧边超挖、衡重顶进、姿态提前调控和调整取土方式等一系列关键技术的改进, 解决了水平临近管廊、竖向临近地铁的穿越施工难题;大幅度降低对地铁结构的影响, 提升地铁运营的安全系数。