超大直徑盾構(gòu)穿越既有隧道的監(jiān)護(hù)技術(shù)及運(yùn)營(yíng)組織

周 群

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司工務(wù)分公司， 200070， 上?！喂こ處?

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市地下空間被不斷開發(fā)[1]，交通網(wǎng)絡(luò)化體系已逐漸形成，因此新建隧道不可避免地上下穿越既有隧道，在地下空間內(nèi)形成多線疊交的工程現(xiàn)象與日俱增。目前，眾多學(xué)者和工作者對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的施工技術(shù)[2]以及施工引起的環(huán)境影響有了大量研究[3-8]，但是對(duì)于盾構(gòu)穿越既有運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的技術(shù)和保障方案[9-11]，尤其是超大直徑盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的監(jiān)護(hù)技術(shù)和運(yùn)營(yíng)組織涉及較少。

鑒于此，本文以上海北橫通道超大直徑泥水平衡盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)軌道交通11號(hào)線區(qū)間隧道的工程為背景，充分考慮穿越準(zhǔn)備、穿越過程等重要節(jié)點(diǎn)，分析探討風(fēng)險(xiǎn)難點(diǎn)、穿越方案、控制標(biāo)準(zhǔn)、監(jiān)測(cè)方案以及應(yīng)對(duì)保障等監(jiān)護(hù)技術(shù)和運(yùn)營(yíng)組織，以控制既有運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的結(jié)構(gòu)變形，減少隧道結(jié)構(gòu)病害，確保地鐵運(yùn)營(yíng)安全，同時(shí)也希望為今后的穿越和類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

北橫通道主線穿越軌道交通11號(hào)線位于上海市長(zhǎng)寧區(qū)長(zhǎng)寧路、江蘇北路路口，項(xiàng)目臨近軌交11號(hào)線“江蘇路站—隆德路站”區(qū)間，工程主線盾構(gòu)直徑達(dá)15.56 m，于第382環(huán)～402環(huán)間先后下穿軌交11號(hào)線上、下行隧道。其中，盾構(gòu)切削斷面為⑦1、⑦2以及⑧1-1層土，中間夾有⑥層土。兩隧道最小凈距僅7.06 m，軸線夾角68°，穿越影響范圍約42 m，兩者相對(duì)位置如圖1所示，相關(guān)土層物理參數(shù)如表1所示。

2 主要風(fēng)險(xiǎn)及難點(diǎn)

分析整個(gè)監(jiān)護(hù)項(xiàng)目以及穿越特征，可以得出以下風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)和難點(diǎn)：

1) 截面比高。北橫通道盾構(gòu)直徑達(dá)15.56 m，橫截面面積大，與所穿越隧道的面積比為6.29，風(fēng)險(xiǎn)極高。

a) 工程平面圖

單位：m

表1 土層物理參數(shù)

2) 凈距小。北橫通道與軌道交通11號(hào)線豎向最小凈距僅7.06 m，施工難度大。

3) 耦合效應(yīng)。盾構(gòu)穿越對(duì)地鐵正常運(yùn)營(yíng)的不確定性無法預(yù)估，且地鐵列車振動(dòng)對(duì)盾構(gòu)開挖面的穩(wěn)定性及泥膜形成的影響情況不明。

另外，根據(jù)前期對(duì)軌交11號(hào)線影響段隧道的全面調(diào)查可知，隧道結(jié)構(gòu)存在不同程度的病害，且現(xiàn)場(chǎng)并不具備模擬穿越的條件。總體而言，盾構(gòu)穿越施工風(fēng)險(xiǎn)不確定性大，給地鐵運(yùn)營(yíng)帶來的次生風(fēng)險(xiǎn)極高。

3 監(jiān)護(hù)技術(shù)和運(yùn)營(yíng)組織

3.1 穿越方案

關(guān)于北橫通道盾構(gòu)穿越軌道交通11號(hào)線的總體指導(dǎo)性方案有兩種可選，即間斷穿越和連續(xù)穿越。針對(duì)這兩種方案進(jìn)行詳細(xì)的綜合對(duì)比和分析，如表2所示。

經(jīng)過綜合評(píng)價(jià)和論證，選擇方案二(連續(xù)穿越)作為最終穿越方案，并以“地鐵限速運(yùn)行，盾構(gòu)快速穿越”為總指導(dǎo)思想進(jìn)行施工組織設(shè)計(jì)的編制與準(zhǔn)備工作，再針對(duì)地鐵列車臨時(shí)中斷、非停電搶修以及停電搶修等多種情況，制定詳細(xì)的應(yīng)對(duì)保障方案。

同時(shí)為保證地鐵運(yùn)營(yíng)安全，降低穿越施工風(fēng)險(xiǎn)，減小地鐵運(yùn)行振動(dòng)對(duì)盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定性的影響，對(duì)于“地鐵限速運(yùn)行”組織進(jìn)行列車振動(dòng)試驗(yàn)。即：測(cè)試地鐵列車在不同車速下對(duì)軌道、道床、管片及列車車廂的振動(dòng)影響。試驗(yàn)結(jié)論為：在地鐵列車速度30 km/h之內(nèi)，隧道道床及管片的振動(dòng)與行車速度成正比，呈現(xiàn)線性增長(zhǎng)形態(tài)。最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定，穿越期間采取列車限速15 km/h通過穿越影響段。

表2 穿越方案對(duì)比分析

3.2 監(jiān)測(cè)方案

此次穿越工程難度大，風(fēng)險(xiǎn)極高，不確定性因素多。為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)軌道交通11號(hào)線隧道在穿越期間的結(jié)構(gòu)變形，以便進(jìn)行安全評(píng)估和綜合分析，實(shí)現(xiàn)信息化施工，采取了自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、人工監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控相結(jié)合的方案。其中，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)以北橫通道隧道與11號(hào)線區(qū)間隧道正投影區(qū)域?yàn)橹行?，上、下行隧道各布?2支2.4 m長(zhǎng)電水平尺，構(gòu)成總長(zhǎng)為172.8 m的監(jiān)測(cè)段，再輔以人工監(jiān)測(cè)對(duì)隧道垂直位移、管徑收斂以及水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。同時(shí)，在穿越影響范圍內(nèi)，上、下行隧道各安裝5臺(tái)高清攝像機(jī)(鏡頭可伸縮、旋轉(zhuǎn))，晝夜不間斷監(jiān)控11號(hào)線隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)，并及時(shí)傳輸至現(xiàn)場(chǎng)指揮部，為評(píng)估盾構(gòu)穿越影響及11號(hào)線隧道狀態(tài)提供依據(jù)。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)如圖1a)所示。

3.3 穿越時(shí)間

為了盡可能減小運(yùn)營(yíng)影響，經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析軌交11號(hào)線客流情況，得出雙休日期間斷面客流較工作日斷面客流下降明顯，部分區(qū)段下降約60%。而根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)度的預(yù)測(cè)，北橫通道盾構(gòu)掘進(jìn)至穿越節(jié)點(diǎn)恰逢上海召開中國(guó)國(guó)際進(jìn)口博覽會(huì)，經(jīng)過綜合考慮，確定在進(jìn)博會(huì)之后進(jìn)行盾構(gòu)穿越施工，并且充分利用雙休日客流較少的有利條件，盡可能地實(shí)現(xiàn)快速、均勻、平穩(wěn)穿越，以減小施工影響。

最終確定于2018年11月11日北橫通道盾構(gòu)恢復(fù)推進(jìn)，至11月16日周五8:28，第381環(huán)管片拼裝完成，此時(shí)切口位于第386環(huán)，處于11號(hào)線正投影區(qū)域臨界位置；于11月16日周五10點(diǎn)整，北橫通道盾構(gòu)開始掘進(jìn)第382環(huán)，此時(shí)切口位于第387環(huán)，正式進(jìn)入11號(hào)線正投影區(qū)域，穿越開始；于11月19日周一8:58，北橫通道第402環(huán)管片拼裝完成，盾尾完全離開11號(hào)線正投影區(qū)域，標(biāo)志著盾構(gòu)完成穿越。具體穿越施工節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

圖2 穿越節(jié)點(diǎn)

3.4 應(yīng)對(duì)策略及控制標(biāo)準(zhǔn)

在方案論證環(huán)節(jié)中，通過對(duì)大量類似穿越施工的工程案例進(jìn)行分析和總結(jié)，如上海西藏南路越江隧道下穿軌道交通8號(hào)線、杭州文一路地下快速路工程隧道下穿軌道交通2號(hào)線等。同時(shí)結(jié)合考慮列車振動(dòng)條件下的數(shù)值模擬分析成果，參考北橫通道盾構(gòu)在前期掘進(jìn)施工過程中的穩(wěn)定性、地表沉降以及穿越房屋建筑時(shí)的綜合表現(xiàn)，鑒于穿越位置處的地層條件相對(duì)比較有利，經(jīng)過多次專題討論，確定本次穿越的應(yīng)對(duì)策略及控制標(biāo)準(zhǔn)。

1) 穿越前對(duì)影響范圍內(nèi)軌道交通的結(jié)構(gòu)形式、當(dāng)前結(jié)構(gòu)狀態(tài)、運(yùn)營(yíng)情況等進(jìn)行全面調(diào)查，并對(duì)穿越正投影范圍內(nèi)的管片預(yù)留好注漿孔，以便應(yīng)急搶險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行隧道內(nèi)微擾動(dòng)注漿。

2) 完成停運(yùn)應(yīng)急預(yù)案、專項(xiàng)預(yù)案和現(xiàn)場(chǎng)處置方案。應(yīng)急預(yù)案應(yīng)明確指揮體系、行車組織、客運(yùn)組織及安全管理等內(nèi)容。

此外，通過對(duì)地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形數(shù)值(以沉降變形為主)、變形速率、設(shè)施設(shè)備狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，信息化指導(dǎo)施工，并決定在緊急情況下采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)策略，啟動(dòng)相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)調(diào)整預(yù)案。其中，設(shè)施設(shè)備狀況主要通過視頻監(jiān)控和夜間隧道巡檢的方式進(jìn)行檢查，若監(jiān)測(cè)范圍內(nèi)出現(xiàn)新增病害，如管片破損、滲漏水、道床脫開、滲泥沙等嚴(yán)重結(jié)構(gòu)病害或地鐵設(shè)施設(shè)備出現(xiàn)異常，則立即上報(bào)指揮部進(jìn)行決策是否停運(yùn)。結(jié)構(gòu)沉降變形、沉降速率的控制標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 變形控制標(biāo)準(zhǔn)

3.5 聯(lián)合值班制度

地鐵監(jiān)護(hù)人員牽頭監(jiān)測(cè)單位與建設(shè)單位、施工單位等共同于北橫通道指揮部進(jìn)行24 h聯(lián)合值班，全方位、多角度地保障盾構(gòu)穿越順利和地鐵運(yùn)營(yíng)安全。值班期間，主要進(jìn)行下列工作內(nèi)容：

1) 實(shí)時(shí)記錄每一環(huán)盾構(gòu)推進(jìn)過程中的參數(shù)，如推進(jìn)(拼裝)時(shí)間、推進(jìn)速度、正面泥水壓力、總推力、刀盤扭矩、同步注漿量、同步注漿壓力、地鐵監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等，同時(shí)實(shí)時(shí)查看隧道結(jié)構(gòu)狀況。

2) 盾構(gòu)穿越期間，每日定時(shí)以書面專報(bào)的形式將施工進(jìn)度、設(shè)施設(shè)備狀況、隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、隧道結(jié)構(gòu)狀況等施工情況上報(bào)，確保施工信息的連續(xù)性，如遇監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)突變等緊急情況，則立即反饋。

3) 每晚地鐵停運(yùn)后，監(jiān)護(hù)值班負(fù)責(zé)人協(xié)同建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位以及地鐵搶險(xiǎn)單位利用人工點(diǎn)下軌交11號(hào)線隧道區(qū)間進(jìn)行結(jié)構(gòu)檢查，軌道專業(yè)人員負(fù)責(zé)軌道高度的檢測(cè)和軌道狀態(tài)檢查，供電專業(yè)人員負(fù)責(zé)接觸網(wǎng)的高度檢測(cè)和工作狀態(tài)檢查，若發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)上報(bào)并采取措施治理。

4) 每晚地鐵停運(yùn)后，監(jiān)測(cè)單位利用人工點(diǎn)下隧道進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)(隧道沉降、管徑收斂、水平位移)，并與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)互校。

5) 北橫通道盾構(gòu)穿過軌交11號(hào)線隧道正投影區(qū)域后(11月19—25日)，監(jiān)護(hù)值班人員繼續(xù)觀測(cè)、記錄盾構(gòu)后續(xù)推進(jìn)情況及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3.6 運(yùn)營(yíng)調(diào)整預(yù)案

為積極、有效應(yīng)對(duì)盾構(gòu)穿越施工期間可能出現(xiàn)的各種情況，通過對(duì)列車折返、客運(yùn)調(diào)整、公交配套等方面的綜合考慮與預(yù)演，確定運(yùn)營(yíng)調(diào)整預(yù)案：

1) 運(yùn)營(yíng)期間，如結(jié)構(gòu)發(fā)生劣化，值守人員進(jìn)入隧道進(jìn)行結(jié)構(gòu)確認(rèn)，或經(jīng)夜間停運(yùn)后明確第二日運(yùn)營(yíng)穿越段停運(yùn)，若不需停電進(jìn)行搶修，行車調(diào)整按“江蘇路站可折返搶修行車方案”執(zhí)行，并啟動(dòng)公交短駁方案。

2) 運(yùn)營(yíng)期間，如結(jié)構(gòu)發(fā)生突變，經(jīng)判斷需立即采取搶修措施，且需停電進(jìn)行整治的，行車調(diào)整按“江蘇路站不可折返搶修停運(yùn)方案”執(zhí)行，并啟動(dòng)公交短駁方案。

3) 經(jīng)供電專業(yè)人員完成“隆德路站—江蘇路站”下行線非絕緣錨段關(guān)節(jié)改造為絕緣錨段關(guān)節(jié)后，恢復(fù)江蘇路站正常供電，在滿足江蘇路站停電施工的折返運(yùn)營(yíng)條件后，行車按“江蘇路站可折返搶修停運(yùn)方案”執(zhí)行。

相應(yīng)的運(yùn)營(yíng)策略如圖3所示。

圖3 運(yùn)營(yíng)組織

4 實(shí)施效果

北橫通道盾構(gòu)穿越軌交11號(hào)線的施工參數(shù)如表4所示，穿越后地鐵隧道變形情況如圖4所示。

由圖可知，北橫通道盾構(gòu)穿越施工導(dǎo)致軌交11號(hào)線出現(xiàn)以上抬為主的變形，上行隧道最大上抬4.68 mm，下行隧道最大上抬7.95 mm，均在變形控制范圍內(nèi)。且實(shí)際穿越時(shí)間比計(jì)劃提前2 d，同時(shí)過程中未發(fā)生微擾動(dòng)注漿、地鐵停運(yùn)等應(yīng)急情況，運(yùn)營(yíng)影響降到了最低。

表4 盾構(gòu)施工參數(shù)

圖4 隧道變形曲線

5 結(jié)論

1) 采取“連續(xù)快速”的穿越策略是正確的，并充分利用雙休日的節(jié)點(diǎn)，最大限度地減小了盾構(gòu)穿越施工對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)的影響；

2) 采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、人工監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控相結(jié)合的監(jiān)測(cè)方案，實(shí)現(xiàn)了信息化施工，為有效分析和評(píng)估地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全提供了重要保障；

3) 確定合理的變形控制標(biāo)準(zhǔn)，制定有針對(duì)性的應(yīng)急方案和全方位的運(yùn)營(yíng)調(diào)整預(yù)案，形成有效的聯(lián)合值班制度等一系列的監(jiān)護(hù)措施，共同保障了盾構(gòu)的成功穿越。