盾構(gòu)近距離上跨既有運(yùn)營地鐵隧道施工控制技術(shù)研究

藺云宏

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣州 510010）

隨著城市建設(shè)的不斷深化，城市地下空間的開發(fā)與利用越來越受到重視［1］，特別是在城市市政工程、地下綜合體、綜合管廊以及地鐵等項(xiàng)目的建設(shè)中，地下空間被充分開發(fā)利用［2］. 由于地下空間的規(guī)劃開發(fā)存在先后次序，所以在工程建設(shè)過程中不可避免地存在著待建地下構(gòu)筑物對臨近使用中構(gòu)筑物的影響問題［3-4］.在地鐵建設(shè)過程中，由于地鐵線路通常要連接并且穿越城市中心，無法避免地會下穿、側(cè)穿市政工程、鐵路、住宅等重要構(gòu)筑物. 同時(shí)，在不同地鐵線路交叉、側(cè)穿、平行等節(jié)點(diǎn)處，也存在后期施工線路會對已運(yùn)營地鐵造成變形等風(fēng)險(xiǎn)［5-6］.

國內(nèi)外科研人員針對隧道近距離垂直、交叉穿越施工的問題，在工程實(shí)例的基礎(chǔ)上做了大量的理論以及工程實(shí)踐研究，并取得了一些理論性成果以及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn).

理論方面，張治國等［7］采用簡化理論方法、三維有限元數(shù)值模擬方法以及現(xiàn)場監(jiān)測方法，揭示了軟土城區(qū)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)上下交疊穿越地鐵隧道的變形規(guī)律和上下交疊穿越地鐵隧道的盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)定規(guī)律.劉樹佳等［8］利用有限元計(jì)算分析了不同凈距、不同土倉壓力、不同注漿量下新建隧道盾構(gòu)穿越對既有隧道管片變形的影響，提出了多線疊交隧道施工影響系數(shù)的概念，并得出隧道間距在影響系數(shù)中占重要比例的結(jié)論. 邵華等［9］通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析得出盾構(gòu)穿越對已建地鐵隧道的擾動影響主要以隧道的豎向位移為主，且隨著盾構(gòu)推進(jìn)，隧道結(jié)構(gòu)縱向上呈波浪狀，其隆起峰值不斷沿推進(jìn)方向移動. 張瓊方等［10］利用明德林解，通過數(shù)值積分等方法計(jì)算出刀盤附加推力、盾殼摩擦力以及同步壓力作用下隧道周圍土體的附加應(yīng)力，并計(jì)算出盾構(gòu)穿越的不同工況下的隧道疊加變形. 盧岱岳等［11］利用數(shù)值模擬的辦法驗(yàn)證了隧道穿越各工況下隧道縱向變形解析解的正確性，為快速評估盾構(gòu)近距離施工對既有盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)安全的影響提供了新途徑.

工程實(shí)踐方面，張明書［12］針對重慶地區(qū)地質(zhì)情況，通過TBM掘進(jìn)參數(shù)控制以及高效的實(shí)時(shí)監(jiān)測手段，對重慶5號線TBM隧道上跨高鐵隧道工程進(jìn)行了研究，為TBM區(qū)間隧道上跨高鐵隧道施工的影響控制提供借鑒. 楊志勇等［13］結(jié)合沈陽10號線上跨2號線工程，分析研究了盾構(gòu)穿越過程中2號線的變形情況，并指出通過采用隧道加固以及盾構(gòu)機(jī)控制可以保證上穿2號線的安全. 胡群芳等［14］結(jié)合上海M4線張揚(yáng)路至浦電路區(qū)間隧道近距離下穿越已運(yùn)營M2線工程，分析了區(qū)間穿越過程中的土層沉降變形規(guī)律，為今后類似工程提供了借鑒. 朱紅霞［15］以武漢地鐵3號線王家墩北站—范湖站盾構(gòu)區(qū)間為背景，對在未進(jìn)行加固承壓水粉細(xì)砂層中近距離下穿既有隧道的施工和量測技術(shù)進(jìn)行了研究，提出對既有線路隧道進(jìn)行補(bǔ)充加固體系及合理調(diào)整相應(yīng)的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，能夠減小既有線路的變形，確保既有隧道的安全.

本文結(jié)合鄭州地鐵3號線順城街站—東大街站區(qū)間盾構(gòu)上跨運(yùn)營2號線紫荊山站—東大街站項(xiàng)目，對盾構(gòu)區(qū)間穿越過程中的施工風(fēng)險(xiǎn)、施工措施、盾構(gòu)機(jī)參數(shù)控制以及監(jiān)測變形進(jìn)行了分析，研究了盾構(gòu)近距離上跨運(yùn)營地鐵隧道的施工技術(shù)以及運(yùn)營隧道的變形規(guī)律，為后續(xù)相似的地鐵穿越工程提供參考.

1 工程概況及施工難點(diǎn)

1.1 工程概況

鄭州地鐵3號線順城街站—東大街站區(qū)間起點(diǎn)里程為Y（Z）DK16+744.086，終點(diǎn)里程為Y（Z）DK17+210.318，右線（短鏈3.349 m）長462.883 m，左線（短鏈3.154 m）長463.078 m. 3號線區(qū)間采用盾構(gòu)施工，管片外側(cè)直徑為6200 mm，內(nèi)側(cè)直徑為5500 mm，厚度為350 mm.

3號線區(qū)間在YDK175.193～196.389及ZDK170.290～190.810上跨2號線紫荊山站—東大街站區(qū)間，平面布置如圖1 所示. 2 號線區(qū)間此處埋深約18.2 m，采用盾構(gòu)法施工，管片外側(cè)直徑為6000 mm，內(nèi)側(cè)直徑為5400 mm，厚度為300 mm. 根據(jù)對2號線被上跨段的現(xiàn)場調(diào)查，此區(qū)域管片良好，無裂縫.

3號線區(qū)間上跨2號線區(qū)間節(jié)點(diǎn)處兩隧道最小間距約1.65 m（圖2）. 根據(jù)工籌安排，3號線區(qū)間由東大街站西端頭始發(fā)，向順城街站方向推進(jìn). 盾構(gòu)始發(fā)端距離上跨點(diǎn)位置最小距離約13.1 m.

圖1 鄭州地鐵3號線上跨2號線節(jié)點(diǎn)平面布置圖Fig.1 Layout plan of Zhengzhou Metro Line 3 crossing Line 2

圖2 鄭州地鐵3號線上跨2號線節(jié)點(diǎn)剖面布置圖Fig.2 The profile of Zhengzhou Metro Line 3 crossing Line 2

3號線區(qū)間上跨2號線區(qū)間節(jié)點(diǎn)位置處于山前沖洪積緩傾平原. 本區(qū)間地勢較為平坦，沿線為老城區(qū)，開發(fā)成熟，交通流量較大. 地層以第四紀(jì)松散沉積物為主，下伏基巖埋置較深，沿線第四紀(jì)覆蓋層厚度均大于50 m. 該處地層分布穩(wěn)定，65 m深度范圍內(nèi)地層以第四紀(jì)沉積的黏性土、粉土、砂土為主，地下水位位于3號線隧道拱底位置. 具體地質(zhì)情況如表1所示.

表1 土層參數(shù)Tab.1 Soil parameters

1.2 施工難點(diǎn)

根據(jù)鄭州地鐵3號線上跨運(yùn)營2號線節(jié)點(diǎn)位置、隧道之間間距以及實(shí)際工程地質(zhì)情況可知，該隧道上跨項(xiàng)目主要有如下施工難點(diǎn)：

1）盾構(gòu)區(qū)間上跨位置距離始發(fā)端頭最小距離僅有13.1 m，無法作為試驗(yàn)段來獲得其最優(yōu)上跨施工參數(shù).這種情況下，不但會增加盾構(gòu)始發(fā)出現(xiàn)栽頭的可能性，而且還不利于減小盾構(gòu)施工對運(yùn)營2號線的影響.

2）運(yùn)行2號線變形不易控制. 由于3號線區(qū)間上跨2號線區(qū)間節(jié)點(diǎn)位置最小豎向距離僅為1.65 m，所以盾構(gòu)上跨施工不可避免會地對既有運(yùn)營隧道產(chǎn)生影響. 如何減小盾構(gòu)施工對運(yùn)營隧道結(jié)構(gòu)的變形，確保2號線安全運(yùn)營，是本項(xiàng)目的難點(diǎn).

3）為減小運(yùn)營2號線區(qū)間變形，需適當(dāng)?shù)卣{(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)（包括推進(jìn)速度、土壓力、出渣量）.

4）上跨位置位于鄭州市中心東大街與紫荊山路交叉口，地層已受到周邊建筑物建設(shè)、市政管線建設(shè)以及2號線施工擾動，所以現(xiàn)場周邊環(huán)境較差.

2 處理措施

根據(jù)鄭州地鐵3號線上跨運(yùn)營2號線項(xiàng)目的施工難點(diǎn)以及控制因素，提出如下施工控制要求：

1）控制好盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)和姿態(tài). 盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)（包括推進(jìn)速度、土壓力、出渣量）對上跨運(yùn)營線路帶來的影響較大［12］，所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)監(jiān)測情況實(shí)時(shí)調(diào)控盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù).

2）在影響范圍內(nèi)對盾構(gòu)管片增設(shè)注漿孔（圖3），并保證及時(shí)進(jìn)行同步注漿［16］.

圖3 管片增設(shè)注漿孔布置圖Fig.3 Arrangement of additional grouting holes in segments

3）在2號線區(qū)間隧道設(shè)計(jì)時(shí)已對管片進(jìn)行配筋加強(qiáng)處理，施工時(shí)本處要及時(shí)二次注漿和補(bǔ)充注漿，3號線本處管片也進(jìn)行配筋加強(qiáng)處理.

4）建立完善的監(jiān)控量測體系，并在2號線非運(yùn)營時(shí)段上跨通過.

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)分析

根據(jù)待施工3 號線管片布管情況可知，右線在施工第10～24 環(huán)段依次上跨通過2 號線左線和右線區(qū)間. 圖4～6 顯示了盾構(gòu)在上跨2 號線過程中，盾構(gòu)土壓力、盾構(gòu)推力以及盾構(gòu)推進(jìn)速度的變化曲線. 由圖4～6 可知，3 號線盾構(gòu)在上跨2 號線區(qū)間過程中，盾構(gòu)機(jī)土壓力維持在0.8～1.0 bar 之間，盾構(gòu)機(jī)推力保持在1200～1600 t 之間，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度維持在55～77 mm/min. 同時(shí)，同步注漿量維持在6 m3/環(huán)，二次注漿壓力穩(wěn)定在2.1～2.4 bar 范圍內(nèi). 監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，盾構(gòu)穿越過程中未出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)栽頭現(xiàn)象，且2 號線變形在安全范圍內(nèi).

圖4 區(qū)間上跨過程中盾構(gòu)土壓力變化曲線Fig.4 Control curve of shield earth pressure in the process of crossing

圖5 區(qū)間上跨過程中盾構(gòu)推力變化曲線Fig.5 The curve of shield thrust in the process of crossing

圖6 區(qū)間上跨過程中盾構(gòu)推進(jìn)速度變化曲線Fig.6 The curve of shield advance speed in the process of crossing

3.2 運(yùn)營2號線沉降分析

在3號線上跨2號線區(qū)間施工過程中，對2號線區(qū)間隧道采用了自動化監(jiān)測，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測其水平及豎向位移可以及時(shí)獲取反饋信息，以便指導(dǎo)3號線盾構(gòu)區(qū)間施工.

圖7和圖8分別顯示了3號線右線盾構(gòu)區(qū)間在上跨2號線施工過程中2號線豎向沉降以及水平位移變化情況.

圖7 區(qū)間上跨過程中2號線的豎向沉降曲線Fig.7 The settlement curve of Line 2 during crossing

圖8 區(qū)間上跨過程中2號線的水平位移曲線Fig.8 The horizontal displacement curve of Line 2 during crossing

由圖7 可知，3 號線盾構(gòu)在接近上跨節(jié)點(diǎn)時(shí)，2 號線左線出現(xiàn)一定程度的沉降，并且沉降量隨著盾構(gòu)機(jī)與上跨節(jié)點(diǎn)距離的減小而不斷增加，最大沉降量約為4 mm. 在上跨2號線區(qū)間段，隨著盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)參數(shù)的逐漸穩(wěn)定，2 號線左線沉降量逐漸減小并趨于穩(wěn)定. 待盾構(gòu)機(jī)通過上跨節(jié)點(diǎn)后，2 號線隧道出現(xiàn)輕微的回彈，最終逐漸趨于穩(wěn)定. 在3 號線上跨2 號線全過程中，2 號線豎向沉降始終維持在-2.5～4 mm之間，保證2號線隧道安全.

由圖8 可知，在3 號線區(qū)間盾構(gòu)接近上跨點(diǎn)、上跨通過以及離開上跨點(diǎn)過程中，2號線隧道隨之出現(xiàn)水平向3號線推進(jìn)方向變形的趨勢. 通過對盾構(gòu)推力、土壓力等參數(shù)的調(diào)整，能夠使2號線區(qū)間水平位移變形控制在4.5 mm之內(nèi)，保證2號線隧道安全.

4 結(jié)論

本文結(jié)合鄭州地鐵3號線順城街站—東大街站區(qū)間盾構(gòu)上跨運(yùn)營2號線紫荊山站—東大街站盾構(gòu)區(qū)間項(xiàng)目，對盾構(gòu)施工過程中的施工控制措施、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)參數(shù)進(jìn)行了分析，并對既有運(yùn)營隧道的變形規(guī)律進(jìn)行了研究，主要得出如下結(jié)論：

1）通過加強(qiáng)管片配筋，合理調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)（推進(jìn)速度、土壓力、出渣量），同步注漿與二次注漿相結(jié)合的方法，能夠有效控制運(yùn)營地鐵隧道變形，保證運(yùn)營隧道安全.

2）盾構(gòu)區(qū)間近距離上跨運(yùn)營區(qū)間隧道過程中，運(yùn)營區(qū)間隧道存在豎向沉降變形以及后期回彈的現(xiàn)象.3）盾構(gòu)區(qū)間近距離上跨運(yùn)營區(qū)間隧道過程中，運(yùn)營區(qū)間隧道水平位移存在著向上跨區(qū)間推進(jìn)方向變形趨勢.