复杂环境下的既有隧道扩挖改造技术

周清福

(中铁二十二局六公司，吉林长春 130000)

随着城市现代化水平的不断提高，地下轨道交通呈现快速发展的趋势。随着目前越来越多的地下交通工程交叠设计与施工，相互影响的情况不断出现，新建线路穿越既有线路和桥梁的扰动控制分析成为了该领域工程研究的主要方向之一［1，2］。

隧道穿越施工是一项存在多项不确定因素共同作用的综合工程。以隧道穿越既有铁路和桥梁为例:隧道下穿铁路引起的铁路线路变形，加剧了轨道的不平顺，不仅加大了轮轨间的冲击力，加速轨道架构和基床的破坏，对铁路运营安全也产生严重影响［3］;在隧道下穿立交桥过程中，隧道开挖破坏了原有的平衡状态，隧道上方及周围土体必然会发生位移，桥梁桩基受土体位移的影响也会发生位移和变形，桩周土的沉降对桩基产生拖曳作用引起桩基沉降，降低其承载力。为了保证既有铁路和桥梁的安全运营，目前采取的措施主要有两个，一方面主要对地基土进行加固处理，包括径向全断面注浆及超前小导管注浆等;另一方面是对既有铁路线路加固处理，减少施工对既有线路的扰动。但是传统的隧道穿越施工主要是针对暗挖法或盾构法的新建隧道，而对于利用既有隧道扩挖改造隧道的穿越施工研究很少。本文以哈尔滨市轨道交通一号线西大桥站～教化广场区间SK8+414～SK8+451段为工程依托，该段为既有7381隧道利用段，下穿滨绥铁路及西大桥，主要介绍了针对这种复杂环境下对既有铁路线路和隧道区间的地层加固技术以及对既有隧道的单侧扩挖改造施工技术，以期为地铁建设的同类改造工程提供参考。

1 工程概况

西大桥站～教化广场站区间全长679 m。为既有7381隧道利用段，隧道采取单位边挖法施工。SK8+414～SK8+451段为下穿滨绥铁路及西大桥段，其余段为既有7381隧道改造区间。滨绥铁路为单线铁路，SK8+414～SK8+451段为碎石道床。西大桥为市政桥梁，形式为三跨简支梁结构，与滨绥铁路正交并上跨铁路，7381隧道与桥梁平行，在该桥梁桩基间穿过，7381隧道上方覆土约13 m。西大桥桩基距离既有7381结构外墙距离为一侧约为500 mm，另一侧约为1 000 mm。区间此段地质为粉质粘土、粉细砂及松散土体。地下水位标高为119．9 m，承压水头高约1 m。

2 加固方案

2．1 线路加固施工方案

加固范围总长28．5m，线路加固平面示意图见图1，其Ⅰ—Ⅰ断面图见图2，施工时行车限速40 km/h。

纵梁:线路两侧纵梁采用3根55c工字钢组合而成，见图3中的③，纵梁两端设置矩形钢筋混凝土墩台。

图1 线路加固平面示意图

图2 — 断面示意图Ⅰ Ⅰ

图3 Ⅱ— Ⅱ 断面示意图

扣轨:在既有轨道两侧分别设置3×P43轨束，见图3中的②，距离既有轨道(见图3中的①)90 mm。

横抬梁:每隔一根枕木设置一根横抬梁(见图3中的④)，横抬梁设置在既有枕木(见图3中的⑤)下，横抬梁底部设置32a槽钢;横抬梁通过U形螺栓与P43轨束及纵梁连接。

2．2 隧道加固施工方案

区间改造施工至该段时，应先根据测量结果确定桥梁桩基位置，在洞内采用径向注浆方式加固既有结构周边土体，增加桩侧阻力。区间改造施工至桥桩段落时，首先应采用洞内径向注浆措施将受影响的桥桩全部加固完成后，才实施区间改造施工，区间改造施工应以快速开挖，快速封闭、二衬紧跟的原则［4］。

1)超前注浆加固。区间改造施工至铁路中线下方两个各15 m范围内时，除采用因加固桥梁需要的洞内径向注浆措施外，需采用超前导管超前支护地层，小导管采用D=42 mm，L=4．5 m普通钢管，钢管搭接长度1．5 m，壁厚4 mm。环向间距15 cm，自开挖面起拱线打入约为12根～14根(视测量放样情况而定)，如图4所示。管头为30°的锥体，预留止浆段长1．0 m，花管部分钻有φ8 mm注浆孔，梅花形布置。2)径向注浆加固。加固范围为SK8+414～SK8+451。全段面径向打设 φ42@500×500，顶拱入射角45°～60°。梅花形布置，L=3 m。管头为30°的锥体，预留止浆段长1．0 m，花管部分钻有φ8 mm注浆孔，梅花形布置，@200 mm，如图4所示。3)注浆要求。注浆采用1∶0．8水泥、水玻璃双液浆。初衬背后为粘性土用超细水泥浆。注浆压力注浆量双重控制，单管 0．1 m3，压力大于 0．5 MPa 可结束注浆;单管 0．05 m3，压力大于1 MPa可结束注浆。

图4 径向注浆加固示意图

3 既有隧道施工技术

3．1 区间施工工序

单侧扩挖法施工顺序:第一步:凿除既有结构侧墙部位混凝土;第二步:施作侧墙部位初期支护，并架设型钢支撑;第三步:拆除型钢支撑，破除既有结构仰拱混凝土;第四步:施作仰拱初期支护，封闭成环;第五步:施作仰拱二衬及回填混凝土;第六步:模筑拱墙钢筋混凝土。

3．2 施工控制要点

1)既有隧道破除及土方开挖措施。既有隧道结构破除采用320，75c挖机配液压锤结合人工风镐破除。破除作业采用跳槽施工，单侧扩挖每个槽段宽度为3．0 m，双侧扩挖每个槽段宽度为1 m，槽段间距离定为10 m，每个区间设5个～7个工作面。每个槽段采用液压锤破除时，上下边缘各留出约30 cm～40 cm，采用人工风镐修凿，以免影响保留混凝土结构的整体性。既有隧道结构凿除后，需要对结构净空范围内的土体进行开挖作业。土方开挖主要采用人工开挖，320挖机配合并装车外运，超挖量控制在10 cm以内，严禁欠挖。既有结构凿除及土方开挖过程中，超前预报与监控量测必须紧跟作业面，及时分析反馈，指导安全施工［5］。2)初期支护。初期支护采用C25喷射混凝土、钢筋网铺设与格栅钢架施工，施工步骤与开挖步骤相同。采用风钻钻孔，钻孔直径为48 mm，深度比导管插入长度视情况而定。用人工锤击的方法将导管打入。个别不能打入时用风钻采用特制钻杆将小导管顶入，注浆泵注浆。3)隧道初期支护背后回填注浆。初期支护施作完毕后，为加固初支背后由于开挖面与填充喷射混凝土可能有的空隙，以最大限度地减少围岩松动和地表沉降及结构渗水，在初期结构封闭成环3 d后，即进行初期支护背后回填注浆。4)隧道防水层施工。隧道防水设计采用全包防水，即一层土工布+一层ECB防水板，全部采用无钉铺设，仰拱浇筑5 cm细石混凝土保护层。沿隧道纵向施工缝，防水板每隔8．9 m设一道外贴式止水带分区。5)二次衬砌施工。区间扩挖隧道，衬砌工序安排采取先拱墙后仰拱施工，仰拱混凝土采用定型钢模施工，每段施工长度定为20 m，拱墙混凝土均采用模板9 m台车施工。二衬施工方法:先施作仰拱及轨下回填，再进行拱墙衬砌。隧道衬砌采用整体模板台车模筑，暗挖风道往车站两端隧道衬砌采用简易拼装式构件台架及组合钢模板，泵送混凝土进行灌注。6)二衬砌背后回填注浆。二衬回填注浆在二衬拱墙混凝土灌注后28 d后进行。施工结构二次衬砌钢筋混凝土时，通过预留的锥形检查孔，作为二衬背后回填注浆时的注浆孔。回填注浆压力不宜过高，只要能克服管道阻力和二衬防水板之间空隙阻力即可，压力过高，易造成结构变形，所以注浆压力应控制在0．3 MPa～0．5 MPa。

4 结语

本文以哈尔滨地铁1号线利用既有隧道采用单侧扩挖下穿滨绥铁路及西大桥段(SK8+414～SK8+451)为研究背景，通过对加固方案和施工技术的深入研究，得到:1)既有铁路的沉降变形和隧道稳定性之间是相互耦合的，隧道开挖破坏了土体结构的原有平衡，引起地表的沉降变形，地表的沉降变形引起既有线路的沉降变形，线路的沉降变形加剧了轨道的不平顺，不仅加大了轮轨间的冲击力，这种冲击力作用在地层之上，对地层产生了扰动，改变了地层应力应变状态，从而对隧道的稳定性产生影响。因此线路加固和地层加固是相辅相成的，同时采用效果更显著。2)在隧道下穿立交桥过程中，隧道开挖破坏了原有的平衡状态，隧道上方及周围土体必然会发生位移，桥梁桩基受土体位移的影响也会发生位移和变形，桩周土的沉降对桩基产生拖曳作用引起桩基沉降。然而，地层加固改善了地层的物理力学性质，对地层的抗扰动能力有所提高，所以在同等扰动情况下，地层的变形会减小，且随着地层物理力学性质的提高，桩侧摩阻力会相应的增大，提高了桩基的承载力。3)施工工程中需要严格控制施工工序，先施工11 m侧墙初支，每次开挖宽度不超过1．5 m，初支完成后架设工钢支撑。初支完成后再施工仰拱初支，仰拱初支施工完成11 m后施工仰拱二衬。待11 m仰拱二衬强度到达70%后，破除下一段侧墙及仰拱，破除方法同前一段。仰拱一次破除宽度不超过3 m，仰拱全部施工完成后利用模板台车施工顶拱二次衬砌。

［1］刘招伟，王梦恕．地铁隧道盾构法施工引起的地表沉降分析［J］．岩石力学与工程学报，2003，22(8):1297-1301．

［2］陶连金，孙 斌，李晓霖，等．超近距离双孔并行盾构施工的相互影响分析［J］．岩石力学与工程学报，2009，28(9):1856-1861．

［3］徐干成，李成学．地铁盾构隧道下穿京津城际高速铁路影响分析［J］．岩土力学，2009，30(2):269-276．

［4］TZ 204-2008，铁路隧道工程施工技术指南［S］．

［5］刘招伟，赵运臣．城市地下工程施工监测与信息反馈技术［M］．北京:科学出版社，2006．