盾構空推穿越提前暗挖段對既有隧道的影響分析

李志華　陶　冶　鐘長記

(1.上海天佑工程咨詢有限公司，上海　200092; 2.華中科技大學　土木學院工程管理研究所，武漢　430074)

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盾構空推穿越提前暗挖段對既有隧道的影響分析

李志華1陶冶2鐘長記2

(1.上海天佑工程咨詢有限公司，上海200092; 2.華中科技大學土木學院工程管理研究所，武漢430074)

為解決武漢地鐵六號線某區(qū)間隧道下穿2號線既有車站的問題，對下穿2號線區(qū)段采用提前暗挖施工的方法。本文介紹了施工過程中盾構穿越提前暗挖段所存在的一系列問題對應的解決方案，并通過分析施工過程中2號線的軌面沉降和既有車站建筑物沉降情況進行分析采用盾構空推對既有隧道的影響程度。本文以武漢軌道交通六號線某地鐵隧道為依托，系統(tǒng)地分析了提前采用暗挖法穿越既有隧道，之后采用盾構空推。在此基礎上，從既有軌道的軌面沉降和車站建筑物累積沉降兩方面探討了盾構空推穿越暗挖段的效果。本工程還采用專門的降水及加固方案減小施工過程中對既有線路運營帶來的影響，同時為類似工程提供有益參考。

盾構施工； 暗挖法； 盾構空推

引言

地鐵盾構法施工由于其對周圍環(huán)境影響小、施工速度快、工程質量優(yōu)良、施工安全環(huán)保、適用范圍廣等優(yōu)勢[1]，在城市地鐵隧道中正扮演者越來越重要的角色。但隨著地鐵線路的增加，不同線路之間必然會出現(xiàn)線路交叉的問題，在修建新的地鐵線路的同時又不影響既有線路的運營這一問題逐漸凸顯。

武漢市軌道交通6號線某區(qū)間下穿2號線既有站點，為了不影響2號線的正常運營，采用提前暗挖然后盾構空推的施工方案。受隧道空間和設備的限制，空推段掘進相對土層掘進工藝更復雜，成型隧道質量更難控制[2-4]。本文將從盾構過空推段遇到的主要風險提出針對性的技術措施，用于指導采用類似工法的盾構施工。

1　工程概況

武漢市軌道交通6號線某區(qū)間隧道右線長792.1m、左線長781.6m，采用盾構法施工，區(qū)間右線由大里程段向小里程段方向掘進，左線由小里程段向大里程段方向掘進?，F(xiàn)場平面圖如圖1所示。

圖1　武漢地鐵6號線某區(qū)間平面圖

該區(qū)間下穿2號線，為了不影響2號線的正常運營，下穿2號線的區(qū)段已提前暗挖施工，以截除影響區(qū)間隧道盾構穿越的6根抗拔樁。暗挖預埋段右線長57.55m； 左線長71m。隧道拱頂埋深18m，隧道頂距2號線車站底板為6.5m。

預埋段隧道前期只施作了初支和二襯，未施做防水，盾構機空推拼裝管片通過。預埋段小里程端橫通道凈寬3米，暗挖隧道內徑6 580mm，初支采用350mm厚鋼筋格柵砼，二次襯砌采用300mm厚C30鋼筋砼，大里程預埋段端頭為上口寬3m下口寬9.58m的正梯形C20素混凝土墻。盾構機外殼直徑為6 460m，盾體與暗挖二襯間留有60mm縫隙以便盾構機空推通過。

盾構機空推穿越前，需先完成預埋段兩端頭土體的旋噴加固，并破除小里程端橫通道的初支和二襯以及大里程端的素混凝土封堵墻，破除前需進行端頭降水施工。該預埋段隧道左線兩端頭采用Φ800@500mm三重管高壓旋噴樁進行地面垂直加固； 右線兩端由于無法提供地面施工條件，采用洞內水平注漿加固。

表1　工程地質分層特征表

盾構穿過預埋段的整個施工過程中，需對已運營的2號線軌面進行監(jiān)測，以確保2號線的運營安全。某與2號線既有車站的位置關系圖見圖2、圖3。

圖2　預埋暗挖隧道與2號線既有車站平面示意圖

本區(qū)間所處地形起伏不大，地面標高20.50m左右。本工程所處地層和巖性如表1所示，自上而下為：填土層及第四系填土層、Ⅱ級階地堆積平原區(qū)、下伏基巖。預暗挖段隧道穿越地層主要為10-2粉質粘土、11粘土、11b粉質粘土。根據(jù)勘察資料顯示，擬建場地主要發(fā)育上層滯水、孔隙承壓水及基巖裂隙水三種類型地下水。預暗挖隧道穿越地層富含承壓水。

圖3　預埋暗挖隧道與2號線既有車站空間示意圖

2　施工中的困難與解決方案

本區(qū)間采用兩臺中鐵裝備生產的復合式土壓平衡盾構機CET6400先后始發(fā)掘進。首先對預埋段內的積水進行抽排，然后對預埋暗挖斷大小里程端頭進行加固，盾構到達預埋段前，進行洞門鑿除，之后洞門空推過與埋暗挖段，最后盾構進行二次始發(fā)，本區(qū)間穿越暗挖段具體施工流程如圖4所示。

圖4　盾構穿越暗挖段施工工藝流程圖

2.1施工過程中的技術難點

本工程盾構穿越預埋暗挖段時，存在以下施工難點：

(1)因既有路面情況，小里程端頭無法進行地面加固，只能進行洞內水平加固；

(2)大小里程段洞門鑿除時，容易發(fā)生樁間涌水涌泥事故；

(3)盾構始發(fā)姿態(tài)及推力控制；

(4)盾構機在預埋段隧道內空推掘進時，由于盾構機前方阻力很小，管片易錯臺、滲漏；

(5)盾構機過空推段時易產生“掉頭”等不利現(xiàn)象，線型控制困難。

2.2預埋段區(qū)間端頭加固

(1)右線端頭水平加固

本區(qū)間預埋段區(qū)間右線位于路面正下方，兩端頭無地面施工條件，因此采用Φ800@600mm三重管高壓旋噴樁進行洞內水平加固。高噴加固盲區(qū)采用水平注漿補充加固，施工孔位布置為：沿隧道邊緣一圈環(huán)向布置，間距500mm設置，共38個孔，孔位布置圖見圖4，保證隧道結構外3m范圍土體能被有效加固，小里程端加固長度為10.5m，大里程端加固長度為9m。

(2)左線端頭垂直加固

圖5　水平加固孔位布置圖

左線兩端頭采用Φ800@500mm三重管高壓旋噴樁進行地面垂直加固，第一排旋噴樁與端頭圍護結構搭接不小于300mm。土體加固范圍為隧道結構及結構四周邊緣以外3m范圍，小里程端加固長度為10.5m，大里程端加固長度為9m。

2.3洞門鑿除施工

洞門鑿除施工順序如下：

小里程端：破除初支表面砼→割除初支鋼筋格柵→破除初支剩余砼→破除二襯表面砼→割除二襯鋼筋網(wǎng)→破除二襯剩余砼→清理廢碴。

大里程端頭：破除素混凝土墻→清理廢碴。

洞門采用人工風鎬鑿除，將洞門劃分為9部分，鑿除時按編號順序先下后上、先兩側后中間(先短樁后長樁)進行作業(yè)，利于突發(fā)狀況下的人員疏散，鑿除前采用鋼管腳手架搭設工作平臺。洞門鑿除順序見圖6。

圖6　洞門鑿除順序示意圖

2.4盾構空推過預埋段隧道施工

2.4.1盾構進隧道前的準備

1)導臺施工

導臺厚度60mm，采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆，導臺弦長3230mm，導臺詳見圖7。

2)盾構掘進機姿態(tài)控制

在盾構機到達預埋段隧道前的100m、50m時應分別人工復測盾構機姿態(tài)，及時糾正偏差，確保盾構機順利進入接收段。盾構機進入預埋段隧道前的25m作為盾構機到達段，根據(jù)地質條件采用敞開模式掘進。盾構機進入到達段時，逐步減小推力、降低推進速度，并加強出土量的監(jiān)控頻次。刀盤轉速為1.65～1.85r/min，盾構機推進總推力小于800t，推進速度不大于25mm/min。盾構機進入預埋段隧道前的最后3環(huán)采掘進速度控制在15mm/min以內，總推力減少為600t以內，采用小推力、低速度進入預埋段隧道。

圖7　導臺斷面圖

2.4.2預埋段隧道內的空推

根據(jù)刀盤與導向平臺之間的關系，調整各組推進油缸的行程，使盾構姿態(tài)沿設計線路方向推進。前期施工時推進速度一般控制在15～40mm/min之間，工藝熟練后推進速度可達到60～85mm/min，下部油缸壓力略大于上部油缸壓力。同時派專人在盾構機前方檢查、監(jiān)測盾構機推進情況。

豆礫石填充采用濕噴機在刀盤前面噴射，濕噴機噴射速率應達到每小時6～9m3。噴射豆礫石時，每隔4.5m在盾構機的切口四周用袋裝砂石料圍成一個圍堰，圍堰范圍不小于2： 00～10： 00的時鐘位置，以防管片背后的豆礫石、砂漿前竄。從刀盤前方向盾構后方吹入粒徑5～10mm的豆礫石骨料，噴射壓力為0.25～0.3MPa。噴射豆礫石過程中，非操作人員不得進入工作面，以免飛石傷人。

同步注漿采用水泥砂漿。漿液初凝時間為8h，終凝時間為10.5h，施工時根據(jù)盾構機推進過程中漿液的流動情況，適當調整漿液膠凝時間。同步注漿時盾殼外圍是敞開的，壓力變化不大，不以壓力作為注漿結束的控制標準。當注漿量達到理論注漿量的80%以上時，即可結束注漿。在盾構機管片安裝10環(huán)后，每間隔6m(4環(huán)管片)在管片注漿孔處開口檢查注漿效果。

根據(jù)管片間滲漏水情況，采用二次注漿泵進行注漿堵水。漿液采用水泥-水玻璃雙夜?jié){。漿液配比水泥：水玻璃為1： 1，注漿壓力為0.2～0.3MPa，注漿流量不大于10L/min。注漿結束標準采用注漿壓力單指標控制。

3　施工監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為了確保地鐵2號線的運營安全，在盾構過預埋段工程的整個施工過程中，采用靜力水準儀對軌面進行自動化實時監(jiān)測。

3.1監(jiān)測方案

監(jiān)測的目的在于掌握施工過程中各種可能出現(xiàn)的風險，及時分析、處理監(jiān)測所反饋的信息，并根據(jù)監(jiān)測信息指導施工，調整頂進參數(shù)，確保周邊環(huán)境的安全，保證整個工程安全順利地進行。盾構穿越暗挖段期間的監(jiān)測項目理論上主要為地表沉降、建筑物沉降與傾斜，共計2個監(jiān)測項目，監(jiān)測點布置如圖8所示。

圖8　2號線軌面部分監(jiān)測點平面布置圖

盾構正在掘進過程中，應實時觀測軌面沉降變化情況，當量測結果出現(xiàn)反?；蛭ｋU信息時，應立即采取緊急處理措施，必要時停止施工，做好相關的防范工作，避免出現(xiàn)意外。

3.22號線既有車站軌面沉降影響分析

主要取盾構空推暗挖段前到推完后軌面監(jiān)測點GMC01～GMC3中0的監(jiān)測數(shù)據(jù)來說明其監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化情況，并進行統(tǒng)計分析，具體取2015年4月2號到2015年5月16日這一時間段的監(jiān)測數(shù)據(jù)來進行分析。累計沉降變化情況時序曲線如圖9所示。

圖9　第三監(jiān)測2號線軌面累計沉降時序曲線圖

此時間段的監(jiān)測頻率大致為1次/3天，通過數(shù)據(jù)反映的情況，盾構空推前后對2號線軌面沉降影響較小，最大累計值為0.9mm。

3.32號線既有車站建筑物沉降影響分析

再取2號線既有車站建筑物來進行沉降分析。仍然選取2015年4月2號到2015年5月16日這一時間段的數(shù)據(jù)來進行分析。相應的各個監(jiān)測點累計沉降變化情況如圖10所示。

圖10　2號線既有車站建筑物累計沉降時序曲線圖

此時間段的監(jiān)測頻率大致為1次/3天，通過數(shù)據(jù)反映的情況，盾構空推前后對2號線軌面沉降影響較小，最大累計值為-2.9mm。此建筑物累計沉降量遠遠沒有超過預警值，其安全狀態(tài)良好[5-7]。根據(jù)對2號線軌面和既有車站建筑物沉降進行分析發(fā)現(xiàn)盾構空推預埋暗挖段時，對暗挖段上方2號線運營軌道和車站建筑物影響較小。

4　結論

結合武漢市軌道交通6線一期工程某區(qū)間下穿2號線既有車站預埋暗挖段情況，對盾構穿越既有軌道線施工技術進行綜合的風險控制分析，有利于施工的正常有序進行，同時還可以為將來類似的工程提供施工經(jīng)驗，具有重要的指導意義，通過分析得出以下幾點結論：

(1)在施工過程中，對施工的周邊環(huán)境進行有效的保護，對施工技術方面采取符合實際水文地質概況的應對措施，這樣可以對施工風險起到一個良好的控制作用；

(2)對沉降控制要求比較嚴格的建構筑物，應采取監(jiān)測精度小，能連續(xù)進行觀測的儀器，監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)觀測對其施工過程將要出現(xiàn)的風險進行一個很好的反饋，并能讓現(xiàn)場施工人員能及時采取處理措施，可以有效的避免險情的發(fā)生；

(3)盾構穿越既有軌道線時，提前施作暗挖預埋段相對進行地基加固方案，在盾構穿越時對地層擾動較小，對既有線的影響也較小，能保證既有線運營安全；

(4)盾構穿越暗挖預埋段時，因為存在洞內接收和始發(fā)情況，相對風險較高，因而端頭加固質量，加固方式應嚴格考慮，降水方案選擇也應考慮對既有軌道線路的影響。

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Influence of Empty Shield Tunneling Segment Pushed Ahead through on the Existing Tunnel

Li Zhihua1，Tao Ye2，Zhong Changji2

(1.ShanghaiTianyouEngineeringConsultingCo.，Ltd.，Shanghai200092，China； 2.SchoolofCivilEngineering&Mechanics，HuazhongUniversityofScience&Technology，Wuhan430074，China)

Wuhan Metro Line 6 has to go under an existing station of the 2ndline by the method of in advance tunneling construction.This article describes the construction process in advance of shield tunneling segment through a series of problems existing in the corresponding solutions，and analyzes the track surface during construction on the 2ndline of settlement and the existing station building subsidence case of using shield empty push impact on the existing tunnel.Based on Wuhan metro Line 6 tunnel,this article carries out a systematic analysis on the early application of the existing tunnel excavation method and the shield push with no-load.On this basis，the article dissusses the shield tunneling segment results from the rail surface setflement of the existing track and station building cumulative settlement.The project also uses a special precipitation and strengthening programs to reduce the impact of the construction process on the existing line operator and provides a useful reference for similar engineering.

Shield Tunneling； Undercutting Method； Push Forward with No-load

國家自然科學基金“基于復雜網(wǎng)絡理論的地鐵盾構施工誘發(fā)環(huán)境風險的時空演化機理與規(guī)律研究”(編號：51408245)

李志華(1971-)，男，高級工程師。主要研究方向：地鐵工程風險控制。

U455.43

A

1674-7461(2016)01-0108-06

10.16670/j.cnki.cn11-5823/tu.2016.01.20