盾構近距離上跨既有運營隧道施工控制技術

楊志勇， 楊 星， 江玉生， 王 棟， 鄭堯夫， 丁耀文

(中國礦業(yè)大學(北京)力學與建筑工程學院， 北京 100083)

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，城市新建地鐵線路與已運營地鐵線路不可避免地會出現(xiàn)近距離施工問題，因此確保新建地鐵隧道的順利施工以及既有隧道的安全運營尤為重要。城市地鐵隧道大多采用盾構法施工，其中盾構始發(fā)和上跨是盾構法施工的關鍵環(huán)節(jié)，也是施工的重難點[1-5]。

目前，針對盾構始發(fā)和穿越既有線的施工問題，諸多相關學者對始發(fā)措施、既有隧道加固方案、既有線變形規(guī)律及監(jiān)測等方面進行了研究。在始發(fā)措施方面： 謝銀龍[2]采用洞門密封鋼套筒和端頭加固的施工方案，成功解決了盾構始發(fā)期間下穿既有運營地鐵隧道的施工問題； 伍偉林等[3]為解決無端頭加固條件下的盾構始發(fā)問題，通過仿真計算和工程試驗手段對盾構始發(fā)鋼套筒設備進行了改進。在既有隧道加固方面： 武永珍等[4]通過三維有限單元數(shù)值計算方法，得出了對既有隧道交叉節(jié)點采用洞內(nèi)注漿加固的最佳設計方案； 劉明高[5]考慮實際工況因素對比了明挖、暗挖、路基邊坡3種隧道上跨既有鐵路隧道施工方案，得出了適合該工程的明挖法最佳施工方案。在既有線變形規(guī)律及監(jiān)測方面： 劉淼[6]通過對明挖隧道分層開挖以及結構回填過程進行數(shù)值模擬，得出了加載再卸載階段對上跨既有隧道的影響規(guī)律； 黃德中等[7]將離心模型試驗與現(xiàn)場實測相結合，同時考慮地層損失和注漿等因素對盾構上穿既有隧道過程進行了研究，得出了穿越過程中縱向變形與時程曲線的變化規(guī)律； 易丹等[8]采用數(shù)值模擬的方法對頂管隧道上跨地鐵運營隧道所引起的隧道變形進行全過程分析和研究，并將模擬結果與現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比以驗證模型的合理性； 朱紅霞[9]以某工程近距離下穿既有隧道為工程背景，提出既有線內(nèi)沉降監(jiān)測與隧道結構收斂監(jiān)測技術相結合的監(jiān)測方式，完善了盾構下穿既有線的監(jiān)測技術。其他方面： 孟喬等[10]通過構建三維有限元模型并引入修正系數(shù)對Peck公式進行修正，總結出盾構上跨施工誘發(fā)的地表沉降規(guī)律。

目前對于盾構上跨既有運營隧道的研究大部分集中在既有運營隧道變形規(guī)律分析、既有運營隧道加固措施等方面，依托工程背景相對單一，單純研究盾構上跨施工環(huán)境下的既有運營隧道變形、地表沉降規(guī)律、隧道加固措施等。本文以沈陽地鐵10號線中醫(yī)藥大學站—松花江街站區(qū)間盾構隧道上跨地鐵2號線既有區(qū)間隧道為工程背景，盾構始發(fā)23 m后即開始上跨既有運營隧道，且盾構與既有隧道間距最小僅176 mm。盾構始發(fā)階段上跨既有運營隧道施工技術與單純的盾構上跨施工有較大的區(qū)別，除了考慮盾構上跨施工措施外，還需結合工程情況對始發(fā)技術尤其是盾構姿態(tài)控制措施進行研究，而且盾構與既有運營隧道間距越小，盾構施工對既有運營隧道影響越大。因此，與以往的研究相比，本文的工程背景更加復雜，研究結論對小間距盾構上跨既有運營隧道施工具有更好的參考和借鑒。

1 工程概況

沈陽地鐵10號線中醫(yī)藥大學站—松花江街站區(qū)間(以下簡稱： 中—松區(qū)間)盾構于中醫(yī)藥大學站始發(fā)，23 m后上跨既有地鐵2號線崇—岐區(qū)間。中—松區(qū)間隧道為標準單洞單線圓形斷面，線間距12～15 m，覆土厚度9.8～17.8 m，區(qū)間左線全長1 220.245 m，共計1 018環(huán)，右線全長1 234.533 m，共計1 028環(huán)，區(qū)間設2座聯(lián)絡通道，盾構穿越地鐵2號線位置距離始發(fā)站—中醫(yī)藥大學站為23 m。既有2號線崇—岐區(qū)間為標準單洞單線馬蹄形斷面，采用礦山法施工，標準段外輪廓跨度6 m，高 6.5 m，初期支護厚250 mm，二次襯砌厚350 mm； 人防段外輪廓跨度9.3 m，高9.38 m，初期支護厚 300 mm，二次襯砌厚500 mm； 初期支護采用C25早強噴混凝土+鋼筋格柵，格柵間距0.5 m，二次襯砌采用C30防水鋼筋混凝土。上跨位置如圖1所示。

圖1 上跨位置情況圖

中—松區(qū)間選用1臺日本JTSC(石川島)φ6 140 mm土壓平衡盾構，襯砌采用環(huán)寬為1.2 m的鋼筋混凝土管片，內(nèi)徑為5.4 m，外徑為6 m，混凝土強度等級C50，抗?jié)B等級P10。盾構從中醫(yī)藥大學站始發(fā)，在松花江街站調(diào)頭，最后在中醫(yī)藥大學站接收，完成該區(qū)間隧道掘進過程。

中醫(yī)藥大學站始發(fā)段加固區(qū)域為6 m×12 m，加固方式采取地面旋噴注漿及水平注漿相結合，盾構始發(fā)后在14～40環(huán)上跨既有隧道，該期間盾構埋深10.1～10.8 m，穿越的地層主要有中粗砂、礫砂、圓礫，區(qū)間地下水位埋深9.4～12 m，抗浮水位埋深6.4～9 m。由于臨近標段正在進行換乘通道施工，并且進行24 h降水，實際水位為20～25 m，位于上跨段隧道下方，故不考慮地下水影響。穿越段既有2號線基本位于礫砂層。各地層的主要特性如表1所示。始發(fā)期間盾構穿越的地質(zhì)情況如圖2所示。

表1 盾構穿越地質(zhì)情況

圖2盾構穿越地質(zhì)剖面圖

Fig. 2 Geological profile of shield-crossed section

2 上跨施工難點

1)盾構始發(fā)姿態(tài)控制困難。既有2號線距離中醫(yī)藥大學站左線始發(fā)端僅23 m左右，且盾構隧道距離既有線結構最近處僅176 mm。盾構掘進至14環(huán)時就開始上跨既有線路，因此，在始發(fā)階段盾構姿態(tài)的調(diào)整距離極短； 由于盾構以一定坡度始發(fā)，掘進中要始終保持抬頭趨勢，而盾構始發(fā)常會出現(xiàn)栽頭現(xiàn)象[1]，因此，對盾構的姿態(tài)控制將是盾構安全、順利上跨既有2號線的難點。上跨2號線的剖面位置如圖3所示。

圖3 上跨2號線位置剖面圖 (單位： mm)

Fig.3 Profile of Metro Line 10 overcrossing Metro Line 2 (unit: mm)

2)施工參數(shù)設置及控制困難。盾構掘進過程中沒有做試驗段的條件，所有施工參數(shù)需根據(jù)經(jīng)驗提前設置好，一旦出現(xiàn)參數(shù)選取不當很難及時調(diào)整，且盾構穿越段主要為礫砂層及部分中粗砂層，掘進過程中，容易出現(xiàn)轉(zhuǎn)矩高、推力大等問題。由于盾構距離既有運營隧道僅176 mm，盾構推力大小將對既有線結構穩(wěn)定帶來較大影響，因此合理控制施工參數(shù)，尤其是較小盾構推力的控制是盾構上跨階段的難點。

3)運營隧道結構變形控制困難。10號線盾構隧道與2號線運營隧道最近距離僅有176 mm，如圖3所示。盾構上跨施工不可避免地對既有運營隧道產(chǎn)生影響，如何減小盾構施工對運營隧道結構的變形，確保2號線列車安全運營，也是本次施工的難點。

3 盾構上跨關鍵技術

3.1 盾構始發(fā)姿態(tài)控制技術

1)始發(fā)基座與導軌的安裝。既有2號線運營隧道距離始發(fā)端頭僅23 m，因此為防止盾構始發(fā)栽頭，特將始發(fā)基座按照原設計坡度的27‰進行安裝。調(diào)整始發(fā)基座梁及始發(fā)基座中線以保證盾構中線與區(qū)間設計中線重合，在刀盤距車站端頭洞門鋼環(huán)800 mm后固定始發(fā)基座位置； 反力架橫梁及立柱上下端均采用φ800 mm@10 mm 的鋼管支撐，斜撐一側(cè)采用 3 道φ800 mm@10 mm鋼管支撐，并直接焊接在車站混凝土底板預埋件之上，另一側(cè)則直接采用鋼管支撐與車站側(cè)墻搭接，在反力架的焊接過程中，對焊接鋼筋和鋼管等進行嚴格的焊縫檢查。始發(fā)基座安裝如圖4所示。導軌分為2段，第1段安裝在始發(fā)基座前端至洞門密封處，長度為800 mm； 第2段在洞門鋼環(huán)內(nèi)，長度為450 mm，焊接在洞門鋼環(huán)底部。導軌的安裝如圖5所示。

圖4 始發(fā)基座安裝示意圖 (單位： mm)

圖5 導軌安裝示意圖

2)姿態(tài)實際控制情況。盾構從刀盤至盾尾的距離約為6環(huán)，既有隧道橫截面的跨越距離左線和右線各為8環(huán)，線間距為5環(huán)，盾構推進至14環(huán)時刀盤到達20環(huán)處開始進入上跨段，至41環(huán)處完全結束上跨過程(此時刀盤在47環(huán)處)，在嚴格按照上述的始發(fā)技術準備和上跨姿態(tài)控制措施后，盾構垂直姿態(tài)變化情況如圖6所示。

圖6 盾構姿態(tài)情況

盾構推進至10環(huán)時，由于盾構操作失誤導致盾構前盾姿態(tài)由向上變?yōu)橄蛳拢?5環(huán)后前盾姿態(tài)緩慢調(diào)整為向上，在上跨既有隧道前，盡管姿態(tài)略微保持在設計軸線以下，但卻有明顯的向上趨勢。為保證平穩(wěn)上跨，不再對盾構姿態(tài)進行大幅度的糾偏； 上跨既有隧道過程中，垂直姿態(tài)以小趨勢上升且一直在設計軸線-10～0 mm范圍小幅度波動； 當盾構完全跨越既有隧道后，垂直姿態(tài)保持穩(wěn)定在-5～+20 mm范圍。

3.2 上跨施工控制措施

1)施工參數(shù)控制。盾構始發(fā)后23 m就開始上跨既有線，無法做試驗段來獲得最優(yōu)化上跨施工參數(shù)，土艙壓力作為盾構施工參數(shù)控制的基礎，其取值范圍尤為重要[11]。本工程在上跨施工前根據(jù)臨近地層施工調(diào)研、沈陽地鐵施工規(guī)范、開艙報告等，選取朗肯主動土壓力的計算方法，土艙壓力

ST=Kaσv+pw+20

。

(1)

式中：Ka為盾構斷面礫砂和圓礫的主動土壓力系數(shù)，結合規(guī)范取值為0.3；σv為隧道頂部的上覆土壓力，kPa，由于盾構埋深較淺(小于2倍盾構直徑)，不考慮成拱因素，故上覆土壓力采用全覆土計算；pw為隧道頂部的靜水壓力，kPa。經(jīng)計算，土艙壓力取值0.08～0.1 MPa。

為了減小上跨過程對既有隧道的擾動，結合土艙壓力的取值，將推力減小并控制在25 000 kN以內(nèi)； 同時掘進速度限制在20～40 mm/min。推力和掘進速度是反映盾構掘進對周圍土體擾動程度的重要參數(shù)[11-13]，因此，本工程擬定盾構上跨既有隧道施工的主要掘進參數(shù)見表2。

表2 擬定盾構上跨掘進參數(shù)

2)克泥效減摩措施?？四嘈Чしㄊ侵冈诙軜嬀蜻M過程中，利用注漿設備向盾體和地層的孔隙中注入克泥效，從而起到控制地表沉降的作用[14]。盾殼和四周土體間填充了克泥效，除了能減小地表沉降外，克泥效還能起到良好的潤滑作用[14-15]，減小盾殼與土體的摩擦力，從而減小盾構掘進過程中盾殼對土體側(cè)向摩擦而產(chǎn)生的對既有結構的側(cè)向荷載，減小既有線隧道結構變形。

在盾構刀盤距離2號線既有線隧道結構1環(huán)(管片拼裝環(huán)數(shù)為13環(huán))時，開始注入克泥效，每環(huán)注入量0.4～0.5 m3，注漿壓力為0.1 MPa左右(略大于土艙壓力)，且僅在盾殼底部注入。整個過程的推力、轉(zhuǎn)矩參數(shù)情況如圖7所示。在加入克泥效后，盾構的推力有了明顯的降低，從24 000 kN降至18 000 kN左右，減小了25%，同時轉(zhuǎn)矩在該范圍開始變得平穩(wěn)； 上跨施工結束停止注入克泥效后，推力、轉(zhuǎn)矩逐漸恢復正常。

圖7 盾構參數(shù)情況

3.3 既有運營隧道加固

既有2號線隧道采用I16工字鋼制作成鋼骨架對結構進行支撐保護。鋼架由各單元構件拼裝而成，各單元間采用螺栓連接。所有單元構件在隧道外加工完成后進入人防段內(nèi)進行拼裝。鋼架的設計要求沿鋼架周邊輪廓拼裝偏差不大于±30 mm，平面翹曲小于±20 mm，螺栓孔眼中心間距公差不超過±1 mm。鋼架間距設置為1 m，凈距約0.5 m，設置范圍為沿既有隧道兩側(cè)各10 m(共20個鋼架)，鋼架的安裝由立柱開始，立柱與既有2號線道床采用膨脹螺栓連接，立柱安裝完成進行橫梁安裝，最終進行拱部構件的安裝。所有的螺栓連接節(jié)點要連接緊密無縫隙，拱部與既有結構保證密貼，無法保證的位置采取鋼楔子進行楔緊。鋼架為臨時結構，其運輸及安裝過程均為人工，且僅在列車停運時段(1:00-4:00)進行工作，待10號線盾構施工通過監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定后進行拆除，拆除的順序與安裝相反。既有2號線人防段保護措施斷面如圖8所示。

圖8 既有2號線人防段保護措施斷面(單位： mm)

Fig.8 Reinforcement of air defense section in existing tunnel (unit: mm)

4 既有隧道結構變形分析

始發(fā)上跨階段采用實時化監(jiān)測數(shù)據(jù)對既有2號線結構變形進行監(jiān)測。在安裝完鋼骨架的同時選取了既有線的13個斷面布置監(jiān)測點，在每個斷面的既有線結構上布置6個監(jiān)測點，其中，在拱頂布置2個測點(S4-1、S4-6)、在斷面中間位置兩側(cè)各布置1個(S4-2、S4-5)，4個測點可大致反映整個斷面的變形輪廓； 最后在軌道頂面再布置2個測點(S4-3、S4-4)用于精測軌頂標高的變化。既有2號線的斷面選取情況和4-4斷面的監(jiān)測點布置情況分別如圖9和圖10所示。

圖9 監(jiān)測斷面位置情況

圖10 4-4斷面監(jiān)測點布置圖 (單位： mm)

Fig.10 Layout of monitoring points on cross-section 4-4 (unit: mm)

根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，盾構在上跨階段變形量最大的截面為4-4斷面，且右線隧道的變形量明顯大于左線，因此對右線4-4斷面的6個監(jiān)測點的豎向變形量和盾構掘進方向(東側(cè))變形量進行分析。右線4-4斷面監(jiān)測點的變化情況如圖11和圖12所示(圖中向上或向盾構掘進方向變形量為正，向下或向盾構掘進反方向變形量為負)。變形控制值和預警值如表3所示。

圖11 右線4-4斷面豎向變形量-環(huán)數(shù)變化圖

Fig.11 Vertical displacement varies with number of segments at cross-section 4-4 in right line

圖12 右線4-4斷面東側(cè)變形量-環(huán)數(shù)變化圖

Fig.12 East deformation varies with number of segments at cross-section 4-4 in right line

表3變形控制值和預警值

Table 3 Deformation control and early warning values mm

監(jiān)測項目預警值控制值結構水平位移4.26結構豎向位移4.26道床水平位移2.84道床豎向位移2.84

從圖11的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以得出： 盾構刀盤在未進入上跨段前，既有線結構穩(wěn)定下沉在0.5 mm左右； 在刀盤進入至盾尾脫出階段，變形量在盾構重心(刀盤后約2環(huán)處)通過既有隧道后開始大幅度向上回彈(盾構掘進至25環(huán)時刀盤處于31環(huán)，盾構重心位于28環(huán)，重心已經(jīng)出既有隧道)，回彈量約占最終變形量的43%；隨著盾尾的逐漸脫出，既有隧道最終向上的變形量穩(wěn)定控制在2 mm范圍內(nèi)。

根據(jù)圖12的監(jiān)測數(shù)據(jù)結果可以看出： 在刀盤未進入上跨階段前，由于盾構參數(shù)的調(diào)整過程以及推力作用于土體產(chǎn)生的土壓分力作用，使既有線結構產(chǎn)生沿盾構掘進方向的位移且變形量波動性較大；在刀盤進入至盾尾脫出階段，向盾構掘進方向的變形量在刀盤位于隧道正上方時開始迅速增加； 隨著盾尾的逐漸脫出，變形量很快又趨于穩(wěn)定，最后沿盾構掘進方向的變形量控制在0.8 mm范圍內(nèi)。

通過對圖11、圖12和表3的數(shù)據(jù)分析可以看出，實際的監(jiān)測數(shù)據(jù)遠小于變形控制值，同時也未達到變形預警值，說明本工程的始發(fā)及上跨施工措施具有一定合理性。

5 結論與討論

通過采取盾構始發(fā)姿態(tài)控制、注入克泥效、隧道加固關鍵技術保證了沈陽地鐵10號線上跨既有地鐵2號線，對本工程施工控制措施總結如下：

1)通過調(diào)整始發(fā)基座與盾構隧道軸線坡度一致，并在洞門鋼環(huán)處焊接導軌，同時選取合理的掘進參數(shù)，能夠有效地對上跨階段的盾構姿態(tài)進行控制，確保盾構按照原設計坡度上坡始發(fā)，避免盾構栽頭。

2)在上跨既有運營隧道前，對盾殼底部注入克泥效可有效減小盾殼與土體間的摩擦，間接減小盾構推力，從而減小了盾構上跨過程中對既有運營隧道的擾動。

3)盾構刀盤進入上跨段前，由于刀盤推力作用于土體，且土壓力擴散并產(chǎn)生向下和向盾構掘進方向的2個分力分別作用于既有隧道，使既有隧道產(chǎn)生上述2個方向的位移變形；而隨著盾構重心通過既有隧道，豎向變形開始回彈，盾尾脫出后，向上的豎向變形逐漸趨于穩(wěn)定，盾尾完全脫出既有隧道后，盾構掘進方向變形迅速趨于穩(wěn)定。

本文僅對中—松區(qū)間左線盾構上跨既有2號線崇—岐區(qū)間右線隧道工況下(盾構與既有運營隧道間距176 mm)的既有隧道變形規(guī)律進行了分析，左線盾構上跨2號線左線隧道間距為580 mm，右線盾構上跨2號線左、右隧道間距分別為1 270 mm和1 370 mm，不同間距對既有隧道變形的影響是一個值得深入研究的問題，可為今后盾構上跨既有線的設計提供參考。