土壓平衡盾構(gòu)穿越正在運(yùn)營(yíng)的地鐵隧道的施工技術(shù)要點(diǎn)

□文/仲登堂

土壓平衡盾構(gòu)穿越正在運(yùn)營(yíng)的地鐵隧道的施工技術(shù)要點(diǎn)

□文/仲登堂

文章以上海地鐵2號(hào)線西延伸淞虹路站—4號(hào)工作井區(qū)間隧道下行線盾構(gòu)穿越北翟路出入線段為背景，研究盾構(gòu)穿越正在運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的技術(shù)措施及盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的確定。

地鐵；隧道；下穿；運(yùn)營(yíng)線路；盾構(gòu)；土壓平衡

1　工程概況

1.1淞虹路站—虹橋東站區(qū)間隧道工程概況

上行線里程為SK7+089.643～SK8+638.150，長(zhǎng)1548.50m；下行線里程為XK7+085.283～XK8+751.448，長(zhǎng)1 666.165 m。施工采用盾構(gòu)法，隧道外徑6 200 mm，內(nèi)徑5 500 mm，裝配式襯砌管片通縫拼裝。襯砌塊寬1 200 mm，厚350 mm，管片混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度C55，抗?jié)B等級(jí)≥S10；襯砌管片每環(huán)6塊，由1塊封頂塊、2塊鄰接塊、2塊標(biāo)準(zhǔn)塊、1塊拱底塊拼裝而成。下行線隧道將從XK8+205～XK8+364穿越地鐵2號(hào)線車輛出入段隧道下方，與地鐵2號(hào)線隧道呈171.22°斜交，投影重疊面較大，兩隧道間距離最小僅為3.417 m。

1.2穿越地鐵2號(hào)線情況

下行線隧道在XK8+384.094～XK8+184.725兩次下穿地鐵2號(hào)線北翟路車輛段。第一次穿越在XK8+ 245.000從出段線隧道正下方穿越，該處出段線隧道軸線中心標(biāo)高為-11.121 m，而在建下行線隧道軸線中心標(biāo)高為-20.738 m，兩條隧道結(jié)構(gòu)最小垂直凈距僅3.417 m。第二次穿越在XK8+323.819從入段線隧道正下方穿越，該處入段線隧道軸線中心標(biāo)高為-8.963m，而在建下行線隧道軸線中心標(biāo)高為-19.014m，兩條隧道結(jié)構(gòu)最小垂直凈距僅3.851m。與地鐵2號(hào)線入段線隧道交疊的投影長(zhǎng)度約80 m（XK8+346.589～XK8+266.549），出段線交疊的投影長(zhǎng)度約為80 m（XK8+267.979～XK8+ 187.939），見圖1。

圖1　在建隧道與2號(hào)線出入線段位置

1.3穿越區(qū)域的地質(zhì)情況

穿越區(qū)域土層從上至下依次為：

2　盾構(gòu)穿越重點(diǎn)難點(diǎn)分析

1）地層情況復(fù)雜，沉降控制困難。盾構(gòu)穿越區(qū)域?yàn)榉凵皩?，既有隧道位于砂質(zhì)粉土地層中，地質(zhì)條件差，該土體搖振反應(yīng)迅速，擾動(dòng)后易形成流砂，沉降大，達(dá)到穩(wěn)定沉降所需時(shí)間長(zhǎng)。

2）既有隧道變形控制要求高。必須確保地鐵列車的運(yùn)行安全，盾構(gòu)穿越施工時(shí)的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)：保護(hù)等級(jí)為一級(jí)；隧道內(nèi)兩軌道橫向高差≤2 mm；軌向偏差和高低差＜2 mm/10 m（即橫向差異沉降＜1.4‰）；隧道結(jié)構(gòu)縱向沉降與隆起≤±5 mm；隧道結(jié)構(gòu)縱向水平位移≤±5 mm；隧道收斂值＜20 mm。

3　施工技術(shù)措施及要點(diǎn)

3.1管片預(yù)留注漿孔

為有效控制盾構(gòu)穿越前后地面（出入線段）沉降和位移，在盾構(gòu)穿越區(qū)在建下行線共設(shè)置特殊管片，在管片上開設(shè)注漿孔，每環(huán)管片16個(gè)注漿孔，除封頂塊1個(gè)孔外每塊管片設(shè)3孔，見圖2。

圖2　管片增開注漿孔布置

3.2模擬推進(jìn)施工

在盾構(gòu)出洞、初掘進(jìn)階段（100 m）結(jié)束后，選擇一段土質(zhì)情況、隧道線性情況與穿越段情況基本一致的區(qū)段進(jìn)行模擬掘進(jìn)。根據(jù)計(jì)算確定模擬掘進(jìn)的初步施工參數(shù)，在已建運(yùn)行隧道同標(biāo)高位置設(shè)置3～5個(gè)深層土體沉降、位移觀測(cè)點(diǎn)，地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)適當(dāng)加密。

在模擬推進(jìn)區(qū)域，分析排出土體是否與地質(zhì)資料存在差異，同時(shí)逐步、適當(dāng)?shù)脑黾雍蜏p小土壓力、增加和減少出土量，觀察地面和深層土體的沉降情況，以此來(lái)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)，盡可能把土壓力、出土量等盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整到滿足穿越已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道區(qū)域施工的要求。

模擬段推進(jìn)還應(yīng)掌握盾構(gòu)機(jī)在慢速推進(jìn)時(shí)的性能，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)性能確定推進(jìn)時(shí)采用手動(dòng)模式還是自動(dòng)模式，以保證在慢速推進(jìn)狀態(tài)下土壓力值不發(fā)生大幅度的波動(dòng)。

模擬段推進(jìn)的要求的目標(biāo)是通過(guò)調(diào)整施工參數(shù)，將盾構(gòu)推進(jìn)完成后一周時(shí)的土體損失率控制在2‰之內(nèi)。

另外，在推進(jìn)到地表布有深層沉降點(diǎn)的位置時(shí)，可選擇性地通過(guò)吊孔注漿，同時(shí)注意地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，反復(fù)試驗(yàn)探索合理的注漿壓力和注漿量，為后期穿越時(shí)注漿積累經(jīng)驗(yàn)。

3.3盾構(gòu)穿越區(qū)分區(qū)控制

根據(jù)盾構(gòu)穿越出入線段的工況特點(diǎn)，將盾構(gòu)穿越段劃分為3個(gè)施工控制階段，即控制段一區(qū)（穿越前30 m）、穿越段二區(qū)（穿越區(qū)約160 m）和控制段三區(qū)（穿越后30 m），此3個(gè)區(qū)域是盾構(gòu)施工時(shí)重點(diǎn)控制區(qū)，見圖3。

圖3　在建隧道穿越2號(hào)線出入線段分區(qū)

3.3.1控制段一區(qū)

此段施工時(shí)主要控制推進(jìn)速度為0.5～1.5 cm/min并保持合適的土倉(cāng)壓力。此段施工時(shí)重點(diǎn)控制注漿工序，根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋的情況實(shí)時(shí)調(diào)整注漿量和注漿壓力。同時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況調(diào)整各項(xiàng)施工參數(shù)。

3.3.2穿越段二區(qū)

本區(qū)段的特點(diǎn)是盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入出入線段結(jié)構(gòu)正下方。此段施工時(shí)控制推進(jìn)速度在0.5 cm/min以內(nèi)并保持合適的土倉(cāng)壓力。推進(jìn)50 cm左右，停頓20 min，進(jìn)行應(yīng)力釋放，然后再繼續(xù)推進(jìn)。

3.3.3穿越后控制段三區(qū)

此段施工時(shí)主要控制推進(jìn)速度為0.5～1.5cm/min并保持合適的土倉(cāng)壓力。此段施工時(shí)重點(diǎn)控制注漿工序。

3.42號(hào)線出入線段的監(jiān)測(cè)技術(shù)

采用人工與電子水準(zhǔn)儀監(jiān)測(cè)既有隧道及地面的隆沉值，收斂?jī)x監(jiān)測(cè)既有隧道的變形情況，每2 h監(jiān)測(cè)一次（異常時(shí)加密頻次），24 h不間斷進(jìn)行并及時(shí)與盾構(gòu)操作間溝通，分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，掌控既有隧道及地面的隆沉情況，不斷調(diào)整施工參數(shù)，盡可能的減少盾構(gòu)施工對(duì)2號(hào)線出入線段的影響。

盾構(gòu)穿越期間，出入線隧道穿越影響區(qū)段內(nèi)布設(shè)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸?shù)奖O(jiān)控室，對(duì)出入線段進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確監(jiān)測(cè)。采用美國(guó)SLOPE INDICATOR公司的電水平尺及相應(yīng)的CR10數(shù)據(jù)采集器，在穿越范圍中心部分用電水平尺橫向布置在軌道的道床上，監(jiān)測(cè)線路的橫向位置（高差）變化。電水平尺的布設(shè)不會(huì)影響地鐵列車的安全運(yùn)營(yíng)，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)用電纜送到監(jiān)測(cè)計(jì)算機(jī)中，實(shí)時(shí)得到線路縱向和橫向位置變化數(shù)據(jù)和圖形，調(diào)整注漿參數(shù)。

3.5盾構(gòu)掘進(jìn)速度的控制

盾構(gòu)掘進(jìn)速度對(duì)既有隧道的隆沉變形影響較大，掘進(jìn)速度須綜合考慮土倉(cāng)壓力等因素，勻速通過(guò)。掘進(jìn)速度控制在0.5～1.5 cm/min，不間斷監(jiān)測(cè)盾尾間隙，不斷復(fù)核盾構(gòu)糾偏量并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整施工參數(shù)，每10環(huán)測(cè)量一次管片姿態(tài)，杜絕大幅度糾偏，以減少地層損失和周圍土體的撓動(dòng)，降低對(duì)既有隧道的影響，掘進(jìn)過(guò)程中，既有隧道的隆起量均控制在5 mm以內(nèi)。

3.6嚴(yán)格控制土倉(cāng)壓力

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)切屑面土體受到水平支護(hù)應(yīng)力與原始側(cè)向應(yīng)力關(guān)系，當(dāng)水平支護(hù)應(yīng)力小于原始側(cè)向應(yīng)力，切屑面土體向土倉(cāng)方向移動(dòng)，引起地層損失而導(dǎo)致盾構(gòu)上方地面沉降；相反引起盾構(gòu)前上方土體隆起。所以，合理控制土倉(cāng)壓力平衡對(duì)減少地層損失造成的地層位移效果明顯。在穿越該區(qū)間推進(jìn)過(guò)程中土壓力設(shè)置值為靜止土壓力的1.008～1.085倍（0.26～0.28 MPa），實(shí)際控制值為靜止土壓力的0.930～1.163倍（0.24～0.30 MPa），土壓力的波動(dòng)值控制在±0.01 MPa?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在掘進(jìn)過(guò)程中刀盤前方隆起值在5 mm以內(nèi)。合理選用注漿工藝，有效控制地面沉降。

1）同步注漿。為確保既有盾構(gòu)隧道及本區(qū)間隧道累積沉降＜5 mm，施工過(guò)程中采用同步注漿和二次注漿相結(jié)合的措施，為填充脫出盾尾的管片與土體間的間隙及漿液收縮間隙，同步注漿量往往超過(guò)理論空隙體積，每環(huán)同步注漿量均控制在2.145～2.97 m3（設(shè)計(jì)每環(huán)注漿量2.5 m3）。注漿漿液配比為水泥∶粉煤灰∶膨潤(rùn)土∶砂∶水=120∶400∶100∶830∶720（質(zhì)量比）。

2）二次注漿。因同步注漿漿液早期強(qiáng)度低，隧道受側(cè)向分力影響大的問(wèn)題，在管片脫出盾尾8～10環(huán)后，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)當(dāng)沉降達(dá)到5 mm時(shí)，及時(shí)進(jìn)行二次注漿，漿液采用單液漿，每環(huán)注漿量控制在0.5 m3以內(nèi)。為增強(qiáng)擾動(dòng)后地層的穩(wěn)定性，在盾構(gòu)下穿及盾尾出既有隧道結(jié)構(gòu)交線前、后10環(huán)處通過(guò)整環(huán)6個(gè)注漿孔位注入單液漿進(jìn)行封環(huán)。

3）注漿孔布置。盾構(gòu)下穿既有隧道前對(duì)同步注漿系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)的檢修，確保注漿管路暢通，保證同步注漿飽滿。減少現(xiàn)施工隧道的沉降量并有一定量的隆起。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)從15點(diǎn)、1點(diǎn)兩個(gè)注漿孔隔環(huán)注入單液漿。

4）注漿壓力及速度控制。整個(gè)注漿過(guò)程中，同步注漿壓力控制在0.45～0.8 MPa，每環(huán)注漿量均控制在2.145～2.97 m3范圍內(nèi)（如出現(xiàn)漏漿等異常情況時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整注漿量）。二次注漿壓力控制在0.2 MPa以內(nèi)，漿液配比采用水∶水泥=1∶1的單液漿或水泥漿∶水玻璃溶液=1∶1的雙液漿（水∶水玻璃=3∶1），根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)控制注漿量（本區(qū)間每環(huán)注漿量約0.5 m3）。

5）注漿效果。盾構(gòu)穿越既有隧道的初期及穩(wěn)定后，其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示沉降量均在5 mm以內(nèi)。

3.7管片拼裝

在盾構(gòu)進(jìn)行拼裝的狀態(tài)下，由于千斤頂?shù)氖湛s，必然會(huì)引起盾構(gòu)機(jī)的后退，因此在盾構(gòu)推進(jìn)結(jié)束之后不要立即拼裝，等待2～3 min之后，到周圍土體與盾構(gòu)機(jī)固結(jié)在一起后再進(jìn)行千斤頂?shù)幕乜s，回縮的千斤頂應(yīng)盡可能的少，以滿足管片拼裝即可。拼裝過(guò)程中，盾構(gòu)司機(jī)應(yīng)注意土壓力的控制，必要時(shí)通過(guò)反轉(zhuǎn)螺旋機(jī)維持盾構(gòu)前方土體平衡。

4　結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)施工產(chǎn)生地面隆沉是必然的，但是通過(guò)精心施工，合理設(shè)定目標(biāo)土壓力值，嚴(yán)格控制出土量，仔細(xì)調(diào)整控制盾構(gòu)姿態(tài)，均衡施工，采用同步注漿，二次注漿，加強(qiáng)變形監(jiān)測(cè)，采用信息化施工等綜合技術(shù)措施可以控制并將盾構(gòu)法施工對(duì)土體的擾動(dòng)降低到最小。

本工程在不具備對(duì)既有線預(yù)加固的情況下嚴(yán)格控制施工參數(shù)、加強(qiáng)注漿管理等，成功地穿越了既有線隧道，在穿越過(guò)程中主要通過(guò)同步注漿、二次注漿和嚴(yán)控盾構(gòu)施工參數(shù)來(lái)達(dá)到控制地表沉降的目的。

U455.43

C

1008-3197（2016）03-42-03

2016-03-03

仲登堂/男，1985年出生，助理工程師，上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司，從事工程技術(shù)管理工作。

□DOI編碼：10.3969/j.issn.1008-3197.2016.03.014