盾構(gòu)近工作井段小間距下穿已運(yùn)營地鐵施工技術(shù)

柏 林，顧洋旗，康 杰（上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司， 上海 200002）

1 工程概況

上海市地鐵 15 號(hào)線工程土建 14 標(biāo)古北路站—天山路站盾構(gòu)區(qū)間，在古北路延安西路附近距出洞約 50 m 處上、下行線隧道將先后穿越地鐵 10 號(hào)線伊犁路站—水城路站區(qū)間，穿越長度約 27.58 m，平面位置關(guān)系如圖 1 所示。穿越處新建隧道與地鐵 10 號(hào)線隧道呈 83° 斜交，最小垂直距離只有 1.8 m，給區(qū)間盾構(gòu)推進(jìn)施工及地鐵 10 號(hào)線結(jié)構(gòu)和運(yùn)營安全造成極大困難。

圖 1 新建隧道與地鐵 10 號(hào)線平面位置關(guān)系圖

2 工程難點(diǎn)

2.1 新建隧道小間距穿越運(yùn)營隧道

已運(yùn)營隧道地鐵 10 號(hào)線在穿越區(qū)域所處的地層為 ④1層淤泥質(zhì)黏土層，此地層對(duì)于盾構(gòu)推進(jìn)施工的變形極為敏感。本工程新建隧道與 10 號(hào)線運(yùn)營隧道垂直凈距僅為 1.8 m，具體如圖 2 所示。

圖 2 新建隧道與地鐵 10 號(hào)線相對(duì)位置關(guān)系剖面圖

2.2 盾構(gòu)近工作井段穿越運(yùn)行隧道

盾構(gòu)出洞推進(jìn) 30 m 便側(cè)穿延安路高架樁基、50 m 后即與運(yùn)營地鐵 10 號(hào)線隧道呈 83° 相交、下穿。為了保持開挖面穩(wěn)定，一般須通過 100 m 試推進(jìn)以確定工作面土壓力，但此工程不具備該條件，施工難度大。此外，該處 2 臺(tái)盾構(gòu)先后出洞、穿越施工，上行線隧道完成穿越施工時(shí)間為 1 個(gè)月左右，因場(chǎng)布、工期等多方面原因，下行線隧道再次出洞、穿越施工，對(duì)上行線穿越區(qū)域土層產(chǎn)生二次擾動(dòng)。

2.3 端頭井處地下管線分布較復(fù)雜

穿越區(qū)范圍上方分布有眾多地下管線，特別是古北路、虹橋路交叉口有φ2 400 雨水管埋深 2.7 m，橫穿新建的地鐵 15 號(hào)線隧道頂約 15 m，水流量大。一旦發(fā)生管道破損，水流沖刷帶走周邊土體，將造成地面塌陷、交通堵塞、隧道上浮等一系列連鎖問題。其位置關(guān)系立面圖如圖 3 所示。

圖 3 φ2 400 雨水管與擬建地鐵隧道關(guān)系立面圖

3 地鐵 10 號(hào)線隧道監(jiān)測(cè)

為保證地鐵 10 號(hào)線安全運(yùn)營并監(jiān)測(cè)施工過程中土層微擾動(dòng)變化，于盾構(gòu)穿越施工前 3 個(gè)月，在隧道穿越影響區(qū)段內(nèi)布設(shè)自動(dòng)化電子監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并建立監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息交流溝通的動(dòng)態(tài)信息傳遞網(wǎng)絡(luò)。及時(shí)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通暢地傳輸?shù)蕉軜?gòu)施工控制中心，對(duì)運(yùn)營隧道進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的監(jiān)測(cè)。

采用美國 SLOPE INDICATOR 公司旗下電子水平尺及相應(yīng)的 CR 系列數(shù)據(jù)自動(dòng)采集器組成的豎向位移自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在穿越影響區(qū) 100 m 內(nèi)，用電子水平尺縱向布置在軌道中間的道床上，監(jiān)測(cè)隧道的水平、豎向位移。為保證數(shù)據(jù)傳輸通暢，本工程接入光纖傳輸，實(shí)時(shí)獲取線路縱向和橫向位置變化數(shù)據(jù)及相應(yīng)曲線變化圖。盾構(gòu)監(jiān)控中心指揮人員隨即動(dòng)態(tài)調(diào)整土壓及注漿等施工參數(shù)。

4 穿越施工控制要點(diǎn)

4.1 土壓力控制

盾構(gòu)施工時(shí)，為了維持開挖面的穩(wěn)定和減少對(duì)土層的擾動(dòng)，正面土倉壓力管理值應(yīng)以盾構(gòu)前方地層水土壓力的實(shí)際值為基準(zhǔn)[1]。

近距離穿越過程中，近距離穿越時(shí)土壓力值的大幅度變化值被探討。從土力學(xué)的角度而言，造成穿越時(shí)土壓力值變化的原因有下面 2 點(diǎn)。一是已運(yùn)營隧道周圍土體在之前施工中被置換，致使其下方土體所受豎向土壓力減?。欢谴┰綍r(shí)上方已建隧道具有一定的剛度，對(duì)土壓力起到一個(gè)承擔(dān)分散壓力的作用[2]。

因此，此次穿越施工設(shè)定土壓力變化可以大致分為 3 個(gè)階段。

（1）模擬段：隨著切口與 10 號(hào)線之間的距離不斷接近土壓力逐漸減小。

（2）穿越段：土壓力隨盾構(gòu)機(jī)切口與已建隧道的相對(duì)位置呈凹曲線變化。

（3）穿越后：盾構(gòu)切口脫離 10 號(hào)線下行線后土壓力逐步恢復(fù)至正常。

土壓力設(shè)定的 3 個(gè)階段示意圖如圖 4 所示。

圖 4 土壓力設(shè)定的 3 個(gè)階段示意圖

以上行線盾構(gòu)機(jī)穿越地鐵 10 號(hào)線上、下行線為例，土壓力隨環(huán)號(hào)變化如圖 5 所示。

4.2 速度控制

穿越施工中，最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)即保持土壓力穩(wěn)定推進(jìn)，尤其是需要保持土壓力增減過程中的推進(jìn)速度穩(wěn)定，使得穿越過程中土壓力的變化曲線成穩(wěn)定的弧線形。盾構(gòu)穿越時(shí)應(yīng)將推進(jìn)速度控制在盾構(gòu)機(jī)性能能夠滿足速度穩(wěn)定條件下的最小推進(jìn)速度，達(dá)到勻速緩慢地掘進(jìn)效果，減少因速度不穩(wěn)定而產(chǎn)生的切削面受力不均勻，以控制地層變形。本工程穿越中最佳掘進(jìn)速度控制在 8～12 mm/min，穿越前及穿越后速度控制在 10～15 mm/min，影響區(qū)外速度逐漸調(diào)整至正常推進(jìn)時(shí)速。

圖 5 土壓力隨環(huán)號(hào)變化圖

4.3 出土量控制

就地層損失產(chǎn)生的關(guān)鍵因素而言，最重要的一個(gè)因素就是出土量的大小。出土量的控制應(yīng)與掘進(jìn)速度的控制保持一種動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，而出土量又與螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速密切相關(guān)。盾構(gòu)正常掘進(jìn)時(shí)，螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速控制一般可采用自動(dòng)控制模式，但在穿越施工時(shí)由于掘進(jìn)速度極慢，單位時(shí)間內(nèi)出土量極低，螺旋機(jī)自動(dòng)模式下難以控制掘進(jìn)速度所要求的出土量。因此，穿越區(qū)施工采用手動(dòng)模式控制出土量[3-5]。

4.4 盾構(gòu)姿態(tài)控制

在穿越地鐵 10 號(hào)線控制區(qū)，上行線盾構(gòu)以豎曲線為－2‰ 坡度凸曲線轉(zhuǎn) －20 ‰ 坡度、平曲線為右轉(zhuǎn)圓曲線R=1 500 推進(jìn)，線形較復(fù)雜。為降低盾構(gòu)姿態(tài)的大幅調(diào)整對(duì)土層的擾動(dòng)，穿越施工前必須將盾構(gòu)姿態(tài)糾正至設(shè)計(jì)軸線上。穿越施工中，盡量減小平面或高程的糾偏。因此在穿越過程中，根據(jù)地鐵 10 號(hào)線內(nèi)電子水平尺沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在沉降穩(wěn)定情況下可以適當(dāng)調(diào)整區(qū)域油壓糾偏，減少盾構(gòu)糾偏量和糾偏次數(shù)，注意不急糾、不猛糾。

在盾構(gòu)推進(jìn)過程中，應(yīng)按照“勤測(cè)勤糾、小角度糾偏”的原則進(jìn)行糾偏控制，將盾構(gòu)切口和盾尾的偏差控制在 ±10 mm 以內(nèi)，即盾構(gòu)切口偏離值控制在 －30 ～－10 mm范圍內(nèi)，盾尾偏離值控制在 ±10 mm 范圍內(nèi)。

4.5 同步注漿控制

當(dāng)前盾構(gòu)施工過程均采用同步注漿施工工藝，主要作用為均勻穩(wěn)定地充填壁厚建筑空隙。注漿量的控制應(yīng)根據(jù)模擬推進(jìn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)確定，動(dòng)態(tài)控制。為防止漏漿，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中應(yīng)加強(qiáng)盾尾密封油脂的壓注，以保證盾尾密封刷的密封性能。

為了精確控制每環(huán)注漿量，對(duì)漿液的質(zhì)量有較大的要求，特別是注漿材料本身的體積收縮，務(wù)必保證以下 3 點(diǎn)條件。

（1）保證每環(huán)注漿量能充盈盾構(gòu)機(jī)通過后形成的建筑間隙。

（2）控制注漿壓力，根據(jù)掘進(jìn)行程均勻壓注漿液。

（3）漿液的配比須符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)并滿足一定的施工要求（即同步砂漿的坍落度、膨脹率及泌水率）。

4.5.1 注漿量

考慮注漿的漿液除填充盾尾間隙外，還將滲透到四周土層中，起到土層固結(jié)作用，所以實(shí)際注漿量相較理論注漿量需考慮注漿量調(diào)整系數(shù)。對(duì)應(yīng)不同地層，此系數(shù)根據(jù)電子水平尺監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化也應(yīng)做出相應(yīng)調(diào)整。注漿量控制是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目刂七^程。

1951年夏天結(jié)束土改后，縣委決定抽調(diào)湯甲真等10多名同志到省委黨校學(xué)習(xí)。同年底學(xué)習(xí)結(jié)束后，他被調(diào)往益陽地委黨校工作。他任校黨總支宣傳委員兼班黨支部書記。

本工程采用工廠預(yù)拌的商品漿，漿液材料為厚漿，每環(huán)壓入量一般控制在“建筑空隙”理論計(jì)算值的 100 %～140%。實(shí)際注漿量還應(yīng)根據(jù)模擬段試驗(yàn)數(shù)據(jù)調(diào)整，并根據(jù)地面沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和隧道變形數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整。

值得注意的是，在管片拼裝過程中由于伸縮油缸導(dǎo)致土艙土壓力降低以及盾尾區(qū)域壓力釋放，使得隧道變形數(shù)據(jù)下沉，應(yīng)及時(shí)在管片拼裝完成后進(jìn)行土壓力摒壓以及盾尾補(bǔ)漿措施。

4.5.2 合理控制注漿壓力

推進(jìn)時(shí)記錄的每環(huán)切口土壓力值應(yīng)當(dāng)作為之后盾尾經(jīng)過時(shí)注漿壓力的參考值。為保證漿體可較好地滲入周圍土體中，注漿壓力需略 ＞ 4 個(gè)分區(qū)的土壓力值。同步注漿只需要保證充填注漿效果，避免因注漿壓力過大而產(chǎn)生劈裂效果，對(duì)土層產(chǎn)生二次擾動(dòng)。對(duì)于判定是否會(huì)造成土層劈裂效果，可在每環(huán)平均壓漿量不變的情況下，通過壓漿后盾尾處地表點(diǎn)及管線點(diǎn)是否產(chǎn)生臨時(shí)隆起在較短時(shí)間內(nèi)又持續(xù)回沉來判斷。

4.6 穿越后的土體固結(jié)注漿加固

盾構(gòu)通過后，為了減小土層因?yàn)閼?yīng)力松弛而導(dǎo)致的固結(jié)沉降，還須對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中擾動(dòng)土體進(jìn)行地層固結(jié)注漿。

4.6.1 管片增加注漿孔

每環(huán)管片上共增設(shè) 10 個(gè)注漿孔，除封頂塊外每塊管片設(shè) 3 孔，注漿孔分布示意圖如圖 6 所示。盾構(gòu)穿越后通過管片上預(yù)留的注漿孔對(duì)擾動(dòng)的土體進(jìn)行固結(jié)注漿加固，防止出現(xiàn)固結(jié)沉降。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，已運(yùn)營隧道影響區(qū)域內(nèi)的新建隧道四周均加固 1.5 m 厚度。

圖 6 注漿孔分布示意圖

4.6.2 注漿方案

注漿加固擬分 3 步進(jìn)行。

（1）盾構(gòu)機(jī)切口穿越施工后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行二次微擾動(dòng)跟蹤注漿（應(yīng)考慮臺(tái)車是否影響打設(shè)注漿孔）。具體實(shí)施方案為：在盾尾出穿越區(qū)正下方 3～5 環(huán)后從隧道上部注漿孔（L 1 塊和 L 2 塊）進(jìn)行微擾動(dòng)跟蹤注漿；在盾尾出 10 環(huán)以后進(jìn)行整環(huán)微擾動(dòng)跟蹤注漿。

（2）在二次微擾動(dòng)跟蹤注漿施工過程中，在對(duì)應(yīng)穿越影響施工區(qū)段的隧道預(yù)留注漿孔內(nèi)安裝適量預(yù)埋注漿管。為達(dá)到保護(hù)地鐵 10 號(hào)線的沉降要求，根據(jù)電子水平尺監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，利用 PDCA 工作原理，在對(duì)應(yīng)單次或累計(jì)沉降較大的點(diǎn)位進(jìn)行多次微擾動(dòng)充填注漿。施工范圍為隧道外部一圈厚度為 1.5 m 的加固殼，土體加固后應(yīng)保證其有良好的均勻性和較小的滲透系數(shù)，并且土體強(qiáng)度也要達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

（3）兩條隧道貫通后，在不影響安裝單位施工的前提下，預(yù)留上面部分注漿孔。根據(jù)人工布點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及電子水平尺監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在經(jīng)過較長時(shí)間（1 a 甚至 2 a ）沉淀后可能仍會(huì)有較大累計(jì)沉降，此時(shí)可打開預(yù)留的注漿孔，再次進(jìn)行微擾動(dòng)注漿。

5 實(shí)施效果

5.1 盾構(gòu)穿越沉降控制效果

以古北路站-天山路站區(qū)間上行線穿越地鐵 10 號(hào)線為例。上行線盾構(gòu)穿越地鐵 10 號(hào)線后，其沉降曲線如圖 7所示。

上行線穿越地鐵 10 號(hào)線后時(shí)間為 5 月 16 日，地鐵 10號(hào)線內(nèi)最大隆起 2.1 mm，最大沉降 0 mm。

5.2 微擾動(dòng)二次注漿沉降控制效果

盾構(gòu)穿越施工完成后，根據(jù)電子水平尺監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行微擾動(dòng)注漿，以控制其沉降發(fā)展。自 5 月 17 日 ～ 6 月 16日共 31 d，共進(jìn)行 15 次注漿施工，累計(jì)注漿量 38.45 m3，單孔每次注漿量 250 ～ 500 L。采取少量多次的注漿方式，在加固土體的同時(shí)，盡量減少注漿對(duì)土體的擾動(dòng)。

圖 7 地鐵 10 號(hào)線累計(jì)沉降曲線

由于地鐵 10 號(hào)線為正在運(yùn)營的隧道線，所以必須確保地鐵列車的運(yùn)行安全。根據(jù)上海市地鐵運(yùn)行有關(guān)安全規(guī)定及設(shè)計(jì)要求，盾構(gòu)穿越施工時(shí)地鐵 10 號(hào)線電子水平尺沉降要求為隧道結(jié)構(gòu)縱向沉降與隆起 ≤ ±5 mm。盾構(gòu)穿越 31 d后地鐵 10 號(hào)線累計(jì)沉降曲線如圖 8 所示。

圖 8 盾構(gòu)穿越 31 d 后地鐵 10 號(hào)線累計(jì)沉降曲線

從圖 8 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，由于進(jìn)行了微擾動(dòng)注漿，盾構(gòu)穿越 31 d 后，地鐵 10 號(hào)線上行線沉降基本穩(wěn)定，最大沉降變化量為 －0.3 mm。至 6 月 16 日 19:30，累計(jì)最大沉降為 －0.5 mm，累計(jì)最大隆起 1.37 mm。從數(shù)據(jù)可以看出，盾構(gòu)穿越 31 d 后，地鐵 10 號(hào)線上行線沉降完全滿足相關(guān)要求（右側(cè)隆起為下行線穿越擾動(dòng)影響）。

6 結(jié) 語

針對(duì)本次穿越，對(duì)盾構(gòu)近工作井段小間距下穿已運(yùn)營地鐵的關(guān)鍵因素總結(jié)如下。

（1）盾構(gòu)下穿已運(yùn)營地鐵實(shí)施動(dòng)態(tài)信息化反饋施工，采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，為調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)提供了可靠的依據(jù)。

（2）盾構(gòu)下穿過程中土壓突變，及時(shí)調(diào)整土壓，有利于確保已建隧道的安全運(yùn)營和控制地層損失率。

（3）盾構(gòu)通過后，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中擾動(dòng)土體進(jìn)行地層固結(jié)注漿，能有效減少地層的固結(jié)沉降。

（4）多點(diǎn)、少量、均勻、多次的微擾動(dòng)注漿原則能有效減少對(duì)土層的影響。