盾構(gòu)穿越既有地鐵運(yùn)營線控制措施與效果分析*

程國良，劉寶林，董 勇，陳 健

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430070；2.華中科技大學(xué)土木學(xué)院工程管理研究所，湖北 武漢 430074)

0 引言

在地鐵建設(shè)過程中，盾構(gòu)施工面臨的問題日益增多，由于城市交通計(jì)劃的多變性，地鐵又屬于后期建設(shè)工程，在施工過程當(dāng)中必然會(huì)碰到在既有建(構(gòu))筑物周圍施工的情況。特別是當(dāng)盾構(gòu)穿越既有地鐵線路時(shí)，由于地鐵安全平穩(wěn)運(yùn)營條件比較高，盾構(gòu)穿越時(shí)若引起較大變形易造成較大的風(fēng)險(xiǎn)。因而盾構(gòu)在穿越時(shí)應(yīng)采取有效的處理措施減小對(duì)既有地鐵線路的影響[1]，本文針對(duì)某城市地鐵8號(hào)線穿越既有地鐵運(yùn)營線3號(hào)線時(shí)采取的相應(yīng)控制措施進(jìn)行了解[2]，以及采取措施后的相應(yīng)變形情況進(jìn)行分析[2-3]，為類似工程提供有益參考。

1 工程概況

某城市地鐵8號(hào)線某區(qū)間隧道起訖里程為右線DK1+881.137—DK3+490.850，右線短鏈5.033m，右線長1 604.68m；左線DK1+878.871—DK3+490.850，左線短鏈1.909m，左線長1 610.07m。隧道埋深10.9～23.1m，區(qū)間線路間距為10.1～21.1m，區(qū)間線路平面最小曲線半徑為400m，線間距15.2～42.4m。區(qū)間縱斷面采用節(jié)能坡，采取盾構(gòu)法施工。

1)8號(hào)線區(qū)間與3號(hào)線區(qū)間平面關(guān)系

8號(hào)線下穿3號(hào)線左線相交里程為DK1+989.319—DK2+027.952(74～100環(huán))；右線相交里程為DK1+958.328—DK1+988.42(52～72環(huán))，兩線交角21°，3號(hào)線隧道先于8號(hào)線隧道施工,已經(jīng)開通運(yùn)營。下穿平面區(qū)段如圖1所示。

2)8號(hào)線區(qū)間與3號(hào)線區(qū)間剖面關(guān)系

8號(hào)線隧道頂部距3號(hào)線隧道底部2.65～4.16m，8號(hào)線隧道左線頂部覆土埋深為14.94m，右線頂部覆土埋深為13.79m；8號(hào)線雙線線間距為15.2～42.4m。8號(hào)線與3號(hào)線剖面位置關(guān)系如圖2所示。

圖2 8號(hào)線與3號(hào)線位置關(guān)系剖面(單位：m)

2 盾構(gòu)下穿地鐵運(yùn)營線施工方案

通過對(duì)現(xiàn)場情況了解調(diào)查、科學(xué)分析，結(jié)合類似下穿地鐵既有線施工經(jīng)驗(yàn)，本區(qū)間穿越地鐵既有線主要采取注漿加固[4]、盾構(gòu)掘進(jìn)施工控制、增強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)、施工技術(shù)保證措施等方面，以確保下穿地鐵既有線施工安全。

2.1 3號(hào)線隧道加固

2.1.13號(hào)線隧道注漿加固

3號(hào)線的地質(zhì)條件較差，基底位于 ③3淤泥層，已經(jīng)完成了地層加固工作。地層加固方法為三重φ800mm@700mm旋噴樁，其設(shè)計(jì)要求為：土體加固后應(yīng)具有較好的均質(zhì)性、自立性，且土體無側(cè)限抗壓強(qiáng)度≥1.2MPa。

平面加固范圍為盾構(gòu)相交處結(jié)構(gòu)邊線外放3m，加固深度至標(biāo)高2.025m處，深入8號(hào)線盾構(gòu)3m以上，涵蓋整個(gè) ③3淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層。地質(zhì)加固如圖3所示。

圖3 3號(hào)線地質(zhì)加固平面

2.1.23號(hào)線隧道加固效果檢測(cè)

施工單位組織人員核實(shí)3號(hào)線地層加固是否完全按圖施工，主要包括加固范圍、深度以及成樁效果，檢查完成后將檢測(cè)結(jié)果上報(bào)相關(guān)單位存檔。

2.2 8號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)下穿3號(hào)線施工措施

2.2.1盾構(gòu)方向及姿態(tài)控制措施

盾構(gòu)掘進(jìn)方向在地質(zhì)條件、隧道曲線、坡度的變化以及人為操作等多種因素的影響下會(huì)產(chǎn)生一定程度的偏差，當(dāng)這種偏差過大時(shí)會(huì)產(chǎn)生盾構(gòu)偏離預(yù)定隧道軸線現(xiàn)象，進(jìn)而影響隧道襯砌質(zhì)量和使盾尾間隙不均勻引起管片局部壓力過大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致管片受損。因此，需在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中根據(jù)實(shí)際情況實(shí)時(shí)調(diào)整每個(gè)千斤頂?shù)耐屏?，?shí)時(shí)管控鉸接千斤頂?shù)男谐蹋瑫r(shí)，要強(qiáng)化管片的正確選型，以調(diào)整盾構(gòu)機(jī)推力油缸的受力狀態(tài)，進(jìn)而達(dá)到糾偏的效果。

2.2.2盾尾密封防噴涌措施

盾尾密封在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中至關(guān)重要，一般采用以下措施來保證盾尾密封性能。

1)盾尾設(shè)3道鋼絲刷密封，為抵抗高水壓力及可能的流砂泄漏，需往密封腔內(nèi)不間斷地注入盾尾油脂。

2)組裝盾構(gòu)時(shí)，需保持盾尾刷油脂充填飽滿，提高盾尾密封油脂填充質(zhì)量。

3)始發(fā)時(shí)，盾尾油脂在同步注漿前形成壓力；施工過程中，注漿壓力不應(yīng)小于油脂壓力，以防盾尾密封效果受砂漿進(jìn)入盾尾油脂腔影響。

4)采取人工和自動(dòng)方式在漏水、滲水、漏泥漿部位處集中壓注盾尾油脂。

5)加強(qiáng)管片拼裝作業(yè)，避免因盾尾間隙過小使管片與密封刷剛性接觸而造成密封刷損壞；防止管片破損，以防密封槽處混凝土破損引起彈性密封止水條失效。

6)將海綿橡膠固定在管片外弧的縱向縫內(nèi)，避免漿液、地下水、砂沿縱縫涌入隧道。

7)在盾構(gòu)上配備注漿材料和注漿泵，當(dāng)出現(xiàn)較大漏漿情況時(shí)，迅速利用水溶性聚氨酯通過倒數(shù)第2，3環(huán)管片的二次注漿孔向地層壓注封堵。

2.2.3土方開挖出土量控制

根據(jù)每環(huán)管片掘進(jìn)進(jìn)尺和刀盤外徑、再根據(jù)掘進(jìn)土層情況，考慮擴(kuò)算系數(shù)來進(jìn)行每環(huán)出土量的計(jì)算，在下穿3號(hào)線期間嚴(yán)格控制出土量；發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時(shí)進(jìn)行檢查和原因分析，嚴(yán)格保證盾構(gòu)穿越3號(hào)線期間地鐵運(yùn)營安全。

2.2.4盾構(gòu)掘進(jìn)渣土改良措施

盾構(gòu)在穿越黏土、粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂土地層時(shí)由于改良效果不好，渣土流動(dòng)不暢，盾構(gòu)掘進(jìn)速度急劇下降，刀盤扭矩和渣土溫度上升，極大地降低掘進(jìn)效率，甚至無法掘進(jìn)。由于8號(hào)線隧道穿越地層大部分為黏性土層，在穿越過程中主要控制措施如下。

1)向刀盤面、土倉內(nèi)注入泡沫，并視情況注入相應(yīng)水量，并向刀盤面、土倉內(nèi)注入相應(yīng)的高膨化膨潤土進(jìn)行土體改良。

2)設(shè)定盾構(gòu)掘進(jìn)相關(guān)參數(shù)、設(shè)置土壓力傳感器、控制循環(huán)水溫度、快速均衡施工。

2.2.5設(shè)備保障措施

為保證盾構(gòu)順利下穿，加強(qiáng)盾構(gòu)設(shè)備管理，減少盾構(gòu)故障率，現(xiàn)根據(jù)盾構(gòu)設(shè)備維修與保養(yǎng)情況，主要措施如下：主軸承的檢查與保養(yǎng)、主驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的維護(hù)保養(yǎng)、推進(jìn)油缸、鉸接油缸的保養(yǎng)、鉸接密封的保養(yǎng)、盾尾密封的維護(hù)、管片拼裝機(jī)維護(hù)保養(yǎng)、泡沫系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)、螺旋輸送機(jī)維護(hù)保養(yǎng) 、皮帶輸送機(jī)維護(hù)保養(yǎng)、同步注漿系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)、盾尾油脂泵站的保養(yǎng)、管片吊機(jī)維護(hù)保養(yǎng)、管片輸送小車維護(hù)保養(yǎng)等。

2.2.6同步注漿保障措施

為避免地面沉降、穩(wěn)定管片結(jié)構(gòu)，管片背后需采用同步注漿工藝及時(shí)填充管片與地層間的環(huán)形間隙。其中同步注漿材料、漿液配合比、注漿參數(shù)、施工工藝等應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程地質(zhì)和環(huán)境條件試驗(yàn)確定，主要指標(biāo)如下。

1)同步注漿控制指標(biāo)

本工程采用的漿液為可硬性漿液,漿液配合比如表1所示，性能指標(biāo)如表2所示。

表1 同步注漿漿液配合比 (kg·m-3)

表2 同步注漿漿液性能指標(biāo)

拌漿材料的量視實(shí)際情況作相應(yīng)調(diào)整，拌勻后的漿液稠度為9～11cm。注漿材料由地面攪拌系統(tǒng)成漿后，經(jīng)管道溜入井內(nèi)轉(zhuǎn)駁車內(nèi)，轉(zhuǎn)駁車由電瓶車牽引至盾構(gòu)頭部泵入車架儲(chǔ)漿箱內(nèi)待用。

2)注漿參數(shù)

為確保管片結(jié)構(gòu)不因注漿產(chǎn)生變形破壞需有效填充因盾構(gòu)施工產(chǎn)生的環(huán)向空隙，漿壓最好控制在1.1～1.2倍的靜止土壓力，即0.2～0.4MPa范圍內(nèi)。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，注漿量為5.6～7.8m3/環(huán)，同步注漿要做到“掘進(jìn)、注漿同步，不注漿、不掘進(jìn)”。

2.2.7二次注漿保障措施

在區(qū)間隧道掘進(jìn)過程中因同步注漿凝固速度較慢，3號(hào)線隧道又處于運(yùn)營期間，漿液受到擾動(dòng)，導(dǎo)致8號(hào)線管片出現(xiàn)上浮，而3號(hào)線隧道底部處于掘進(jìn)狀態(tài)或管片拼裝狀態(tài)，可能導(dǎo)致3號(hào)線隧道出現(xiàn)下沉。因此，必須采取二次注漿(雙液漿)及時(shí)穩(wěn)固土層，確保3號(hào)線地鐵運(yùn)營安全，3號(hào)線和8號(hào)線管片位移、上浮、沉降、管片滲漏水、管片破損均處可控范圍內(nèi)。

3 監(jiān)測(cè)方案和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.1 監(jiān)測(cè)目的和原則

3.1.1監(jiān)測(cè)目的

1)施工期間對(duì)地表、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和監(jiān)控[5-6]，保證隧道掘進(jìn)施工安全。

2)通過對(duì)既有地鐵線路全天候、多方位的監(jiān)控，提高工程技術(shù)人員與管理人員的安全意識(shí)和安全預(yù)防手段，保證既有地鐵線路的運(yùn)營安全。在盾構(gòu)穿越既有地鐵線施工時(shí)，必須采用遠(yuǎn)距離自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)主要監(jiān)控項(xiàng)目(地層及地表位移)中一些有代表性的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控，且使用計(jì)算機(jī)以及專業(yè)量測(cè)數(shù)據(jù)處理軟件及時(shí)分析處理，并在數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中設(shè)置警戒值，超過該警戒值后系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警進(jìn)行全程全天候線路監(jiān)控，同時(shí)加以人工輔助監(jiān)測(cè)進(jìn)行不定時(shí)復(fù)核檢查。

3.1.2監(jiān)測(cè)原則

1)重點(diǎn)監(jiān)控因盾構(gòu)穿越而可能造成既有地鐵線路不安全的路段，擴(kuò)大重點(diǎn)監(jiān)控路段數(shù)據(jù)量測(cè)的頻率和點(diǎn)數(shù)。

2)對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析和處理，并及時(shí)將數(shù)據(jù)分析結(jié)果以書面形式向相關(guān)單位報(bào)告，給予施工科學(xué)合理的指導(dǎo)。

3.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及手段

1)對(duì)既有地鐵線路的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括地鐵隧道內(nèi)道床沉降、鐵路線路地層沉降等，采用全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人工監(jiān)測(cè)。

2)對(duì)隧道內(nèi)外的監(jiān)測(cè)采用全站儀和水準(zhǔn)儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.3 監(jiān)測(cè)要求

3.3.1監(jiān)測(cè)布點(diǎn)要求

在地鐵3號(hào)線區(qū)間影響范圍內(nèi)左右線均按照平均4.5m(3個(gè)盾構(gòu)管片寬度)1個(gè)斷面進(jìn)行布設(shè)，左線監(jiān)測(cè)范圍均為114.5m，需布設(shè)約25個(gè)斷面；右線監(jiān)測(cè)范圍均為91m，需布設(shè)約20個(gè)斷面，總計(jì)45個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。每個(gè)斷面取7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，其中自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)5個(gè)(道床沉降兼位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)2個(gè)、隧道結(jié)構(gòu)沉降兼位移點(diǎn)3個(gè))，人工輔助沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)2個(gè)，共計(jì)約315個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。地面監(jiān)測(cè)左右線影響范圍內(nèi)共布設(shè)5個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，共計(jì)20個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

3.3.2監(jiān)測(cè)頻率要求

穿越地鐵3號(hào)線區(qū)間隧道前，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)頻率為6次/d；在盾構(gòu)機(jī)下穿3號(hào)線期間，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)頻率為12次/d，監(jiān)測(cè)周期暫定4個(gè)月(120d)，盾構(gòu)到達(dá)前至該節(jié)點(diǎn)施工完1個(gè)月達(dá)到穩(wěn)定條件。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)同時(shí)必須保證人工每天至少1次監(jiān)測(cè)和復(fù)核。

3.4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

3.4.1地表沉降

1)為體現(xiàn)右線盾構(gòu)穿越地鐵3號(hào)線周邊地表數(shù)據(jù)的變化情況，共布設(shè)了3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行分析，匯總了穿越時(shí)間段監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表累計(jì)沉降變化情況。在此時(shí)間段內(nèi)，監(jiān)測(cè)頻率約為1次/d，數(shù)據(jù)顯示：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降隆起量超限，且越過正絕對(duì)臨界值(8mm)，說明穿越過程中對(duì)地面影響較大。

2)為體現(xiàn)左線盾構(gòu)穿越地鐵3號(hào)線周邊地表數(shù)據(jù)的變化情況，共布設(shè)了3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面進(jìn)行分析，匯總了穿越時(shí)間段監(jiān)測(cè)點(diǎn)地表累計(jì)沉降變化情況。在此時(shí)間段內(nèi)，監(jiān)測(cè)頻率約為1次/d，數(shù)據(jù)顯示：各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降隆起量在正常范圍內(nèi)，說明穿越過程中對(duì)地面影響較小。

3.4.28號(hào)線右線穿越時(shí)3號(hào)線道床沉降

1)為體現(xiàn)8號(hào)線右線盾構(gòu)穿越地鐵3號(hào)線在右線道床監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況，共布設(shè)了23個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，選取正上方Y(jié)GC04～YGC11斷面人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，匯總了穿越時(shí)間段監(jiān)測(cè)斷面累計(jì)沉降變化情況。在此時(shí)間段內(nèi)，監(jiān)測(cè)頻率大致為1次/2d，數(shù)據(jù)顯示，YGC04～YGC11監(jiān)測(cè)斷面點(diǎn)的累計(jì)沉降隆起值超警戒值(3mm)，說明穿越過程中對(duì)道床有影響。

2)為體現(xiàn)8號(hào)線右線盾構(gòu)穿越地鐵3號(hào)線在左線道床監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況，共布設(shè)了26個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，選取正上方ZGC03～ZGC11斷面人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，匯總了穿越時(shí)間段監(jiān)測(cè)斷面累計(jì)沉降變化情況。在此時(shí)間段內(nèi)，監(jiān)測(cè)頻率大致為1次/2d，數(shù)據(jù)顯示ZGC03～ZGC11監(jiān)測(cè)斷面點(diǎn)的累計(jì)沉降量較小，說明穿越過程中對(duì)道床影響較小。

3.4.38號(hào)線左線穿越時(shí)3號(hào)線道床沉降

1)為體現(xiàn)8號(hào)線左線盾構(gòu)穿越地鐵3號(hào)線在右線道床監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況，共布設(shè)了23個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，選取正上方Y(jié)GC12～YGC20斷面人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，匯總了穿越時(shí)間段監(jiān)測(cè)斷面累計(jì)沉降變化情況。在此時(shí)間段內(nèi)，監(jiān)測(cè)頻率大致為1次/2d，數(shù)據(jù)顯示，YGC12～YGC20監(jiān)測(cè)斷面點(diǎn)的累計(jì)沉降量較大，主要為隆起量超限，且越過正負(fù)絕對(duì)臨界值(8mm)，說明穿越過程中對(duì)道床影響較大。

2)為體現(xiàn)8號(hào)線右線盾構(gòu)穿越地鐵3號(hào)線在左線道床監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化情況，共布設(shè)了26個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，選取正上方ZGC14～YGC24斷面人工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，匯總了穿越時(shí)間段監(jiān)測(cè)斷面累計(jì)沉降變化情況。在此時(shí)間段內(nèi)，監(jiān)測(cè)頻率大致為1次/2d，數(shù)據(jù)顯示，ZGC14～ZGC24監(jiān)測(cè)斷面的累計(jì)沉降量較小，說明穿越過程中對(duì)道床影響較小。

4 結(jié)語

1)盾構(gòu)隧道穿越既有地鐵線路前，應(yīng)積極與相關(guān)部門協(xié)調(diào)合作，編制盡可能完善的施工組織方案和應(yīng)急預(yù)案，做好穿越既有地鐵線路前的相應(yīng)準(zhǔn)備工作。

2)加強(qiáng)施工管理，嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化作業(yè)，施工中要時(shí)刻關(guān)注土質(zhì)變化、圍巖參數(shù)變化等，遇到可疑情況及時(shí)分析處理，不能盲目前進(jìn)。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中根據(jù)地表沉降情況，及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)速度、刀盤轉(zhuǎn)速、土倉壓力、注漿壓力及注漿量等參數(shù)，加強(qiáng)地表沉降監(jiān)測(cè)以指導(dǎo)地下施工，認(rèn)真分析地質(zhì)資料，做好地下構(gòu)筑物勘探工作，防止推進(jìn)過程中意外情況發(fā)生。

3)穿越前應(yīng)對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行檢修，避免中間停機(jī)、漏漿或注漿系統(tǒng)堵管等情況發(fā)生，保證盾構(gòu)機(jī)能夠連續(xù)勻速推進(jìn)。

4)制定合理的監(jiān)測(cè)方案，保證隧道盾構(gòu)期間提供準(zhǔn)確的變形數(shù)據(jù)，信息化指導(dǎo)施工。

5)地鐵盾構(gòu)穿越既有鐵路線，雖然采取了多種控制措施，但實(shí)際施工中仍會(huì)產(chǎn)生較大變形情況，施工中風(fēng)險(xiǎn)仍較高，穿越地層時(shí)變形影響極其重要。