盾構(gòu)機長距離全斷面上下平行穿越已建地下通道施工技術(shù)

張子敏

上海市基礎(chǔ)工程集團有限公司 上海 200002

1 工程概況

上海軌道交通14號線12標(biāo)陸家嘴站—浦東南路站—浦東大道站—源深路站—昌邑路站共4個區(qū)間均涉及長距離全斷面穿越東西通道結(jié)構(gòu)工況，除陸家嘴站—浦東南路站區(qū)間外，其余3個區(qū)間與上部東西通道均呈上下平行重疊的關(guān)系，盾構(gòu)機自始發(fā)至接收均在東西通道結(jié)構(gòu)下方實施。上部東西通道圍護為SMW工法樁，隧道與通道圍護結(jié)構(gòu)最小水平凈距0.8 m，隧道與東西通道底板最小豎向凈距2.7 m。

2 難點分析

2.1 施工穿越無模擬段

由于本工程軌道交通與公路隧道合建的特殊工況，盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)機自始發(fā)至接收全斷面位于東西通道結(jié)構(gòu)下方，盾構(gòu)機自出洞開始即穿越建（構(gòu)）筑物。根據(jù)盾構(gòu)機穿越保護上部建（構(gòu)）筑物的常規(guī)工藝，盾構(gòu)機穿越前需設(shè)置模擬段，根據(jù)模擬段施工對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對盾構(gòu)機的施工參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，通過模擬段將盾構(gòu)機的相關(guān)施工參數(shù)設(shè)定調(diào)整至最優(yōu)狀態(tài)后，實施穿越施工。由于本工程的特殊工況，不具備設(shè)置模擬段的施工條件，需要在穿越期間逐步摸索施工參數(shù)，增加了施工保護的難度[1]。

2.2 已建通道結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋遲滯

東西通道結(jié)構(gòu)圍護結(jié)構(gòu)采用SMW工法樁，深度25～30 m；東西通道結(jié)構(gòu)底板厚度約1 m，雖為分塊澆筑，但單塊底板的面積仍比較大；按常規(guī)監(jiān)測點布置，沉降監(jiān)測點需布置在結(jié)構(gòu)底板及結(jié)構(gòu)側(cè)墻上，但因結(jié)構(gòu)底板為大體積混凝土且為整體結(jié)構(gòu)，側(cè)墻與圍護結(jié)構(gòu)梁墻合一，圍護結(jié)構(gòu)深度較深，布置于底板及側(cè)墻上的監(jiān)測點數(shù)據(jù)變化無法及時反映結(jié)構(gòu)下部土體的真實情況，數(shù)據(jù)反饋有遲滯性，不利于盾構(gòu)機施工參數(shù)的設(shè)置。

2.3 盾構(gòu)機穿越新舊地下通道結(jié)構(gòu)施工縫

東西通道工程在2010年上海世博會前開工，完成了部分結(jié)構(gòu)段施工后，在世博會期間，浦東大道恢復(fù)交通，世博會后重新開工進(jìn)行后續(xù)的施工建設(shè)。后續(xù)施工的結(jié)構(gòu)段與已完成的結(jié)構(gòu)段存在施工縫，由于相鄰結(jié)構(gòu)施工段間隔時間長、沉降穩(wěn)定周期不一致、老結(jié)構(gòu)的施工縫接頭完好率不可控，造成施工縫位置處質(zhì)量不可控，現(xiàn)狀結(jié)構(gòu)施工縫位置已有較大的接縫張開量。盾構(gòu)機推進(jìn)至施工縫位置，施工縫極易受到外力影響而產(chǎn)生裂縫，出現(xiàn)滲漏水通道，也會導(dǎo)致東西通道相鄰結(jié)構(gòu)段出現(xiàn)差異沉降。

3 施工技術(shù)研究

3.1 已建地下通道結(jié)構(gòu)下方的盾構(gòu)機切口土壓力控制

3.1.1 已建地下通道結(jié)構(gòu)下理論土壓力計算原則

盾構(gòu)機掘進(jìn)正面土壓力設(shè)定一般根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)的原理，土倉中的壓力須與開挖面的正面水土壓力平衡，以維持開挖面土體的穩(wěn)定，減少對土層的擾動。

由于區(qū)間隧道上方為東西通道結(jié)構(gòu)，為中空的混凝土通道，通道頂板上方為回填土。計算土壓力需先計算出區(qū)間隧道上方東西通道豎向投影下的單位截面積質(zhì)量。

根據(jù)結(jié)構(gòu)調(diào)查，東西通道圍護結(jié)構(gòu)主要存在3種結(jié)構(gòu)形式，具體可見圖1～圖3。圖中L為東西通道截面長度；H/H1為東西通道結(jié)構(gòu)高度；H2為東西通道匝道高度；L匝道為東西通道匝道寬度；h1為東西通道覆土厚度；h2為東西通道上行線凈高；h3為東西通道下行線凈高；h匝道為東西通道匝道凈高；L2為東西通道下行線凈寬；L3為東西通道上行線凈寬；D為盾構(gòu)頂部各土層覆土厚度總和，單位均為m；h4、h5為不同土層厚度。

圖1 東西通道圍護結(jié)構(gòu)形式一

圖2 東西通道圍護結(jié)構(gòu)形式二

圖3 東西通道圍護結(jié)構(gòu)形式三

根據(jù)不同圍護結(jié)構(gòu)形式計算東西通道單位截面積自重，分別選取代表段區(qū)間進(jìn)行計算。東西通道圍護結(jié)構(gòu)形式一為浦東南路站—浦東大道站區(qū)間PD2段（上行線345—365環(huán)），東西通道圍護結(jié)構(gòu)形式二選取浦東大道站—源深路站區(qū)間DY2段（上行線675—695環(huán)），東西通道圍護結(jié)構(gòu)形式三選取浦東大道站—源深路站區(qū)間DY27段（上行線170—185環(huán)）。經(jīng)計算，3種圍護結(jié)構(gòu)形式的東西通道圍護結(jié)構(gòu)單位截面積自重分別為66.1、79.8、66.7 kN/m2。

根據(jù)工程地質(zhì)情況分析，盾構(gòu)機推進(jìn)過程中刀盤切削中心主要涉及⑤1、⑥層土。⑤1層灰色黏土層內(nèi)摩擦角為13.5°，靜止側(cè)壓力系數(shù)為0.767；⑥層草黃色粉質(zhì)黏土層內(nèi)摩擦角為15.5°，靜止側(cè)壓力系數(shù)為0.733；刀盤處于⑤1與⑥層黏性土之間時，靜止側(cè)壓力系數(shù)取0.750。

考慮土體擾動后性質(zhì)變化、盾構(gòu)機推進(jìn)速度、超載狀況等因素，增加正面水土壓力的調(diào)整系數(shù)，其值一般黏性土中取1.05～1.12，砂性土中取1.13～1.15。黏性土段土壓力計算時取1.10，砂性土段土壓力計算時取1.14?？紤]東西通道單位截面積自重，再根據(jù)相應(yīng)的水土合算公式，即可計算得到盾構(gòu)機穿越段每一區(qū)段的理論土壓力。

3.1.2 施工縫位置土壓力控制研究

東西通道施工縫位置為結(jié)構(gòu)薄弱位置，若盾構(gòu)機推進(jìn)擾動過大則容易引起施工縫張開量變大，進(jìn)而產(chǎn)生結(jié)構(gòu)不均勻沉降、滲漏水等次生影響。

盾構(gòu)機推進(jìn)過程應(yīng)盡量減少對上部結(jié)構(gòu)的擾動，盾構(gòu)機推進(jìn)土壓力設(shè)定在推進(jìn)至施工縫位置時應(yīng)作適當(dāng)變化（圖4）。

圖4 東西通道結(jié)構(gòu)施工縫位置土壓力計算示意

盾構(gòu)機切口推進(jìn)至施工縫前5 m，土壓力適當(dāng)降低，土壓力計算時不考慮上部東西通道結(jié)構(gòu)質(zhì)量，僅以結(jié)構(gòu)底板以下至盾構(gòu)機中心標(biāo)高的土層種類及層厚作為計算依據(jù)，當(dāng)盾構(gòu)機切口推過施工縫5 m后，恢復(fù)正常土壓力設(shè)定值。

3.2 已建地下通道結(jié)構(gòu)下方的同步注漿控制

3.2.1 同步注漿量的確定

每環(huán)的壓漿量一般為建筑空隙的140%～180%，即每推進(jìn)一環(huán)同步注漿量為3.1～4.0 m3。泵送出口處的壓力應(yīng)控制在略大于周邊水土壓力，一般情況下同步注漿壓力控制在0.6 MPa左右，碰見松散地層時應(yīng)結(jié)合沉降情況適當(dāng)降低同步注漿壓力。若同步注漿后，土體仍發(fā)生較大沉降以及管片間有較大的滲漏，應(yīng)調(diào)整漿液配合比，加厚漿液，并調(diào)整盾尾油脂的壓注量。

3.2.2 同步注漿量檢測

盾構(gòu)機在東西通道結(jié)構(gòu)下穿越時必須保證同步注漿量恰當(dāng)，常規(guī)同步注漿量的調(diào)整通常按照監(jiān)測數(shù)據(jù)執(zhí)行，但是由于盾構(gòu)機長距離全斷面在東西通道結(jié)構(gòu)下方穿越的特殊性，東西通道底板本身具備一定的強度、剛度及抗變形能力，導(dǎo)致布置在上部通道結(jié)構(gòu)內(nèi)的監(jiān)測點數(shù)據(jù)存在一定的滯后性，無法如地面監(jiān)測點一樣快速、如實地反映盾構(gòu)機推進(jìn)帶來的影響，也就無法完全按照常規(guī)做法，即通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整盾構(gòu)機推進(jìn)同步注漿量，故通過探地雷達(dá)對隧道壁后注漿效果進(jìn)行檢測。

探地雷達(dá)的探測區(qū)域大約為壁后的4 m范圍內(nèi)。探地雷達(dá)緊貼混凝土管片沿隧道縱向進(jìn)行探測。

盾構(gòu)機外徑6 760 mm，管片外徑6 600 mm，管片內(nèi)徑5 900 mm，管片混凝土厚350 mm，盾構(gòu)機穿越后土體與管片外弧面間距為430 mm，同步注漿殼體高100 mm，因此在盾構(gòu)機同步注漿且注漿厚度經(jīng)探地雷達(dá)檢測后，最小注漿范圍需滿足530 mm、注漿厚度需滿足180 mm的要求。

通過管片壁后注漿探測成果分析注漿薄弱位置，根據(jù)所接收到的反饋消息，及時同步注漿量、注漿點位等信息，以此作為有效的施工依據(jù)，保證盾構(gòu)機施工的安全，可大幅度降低盾構(gòu)機施工的潛在風(fēng)險。

3.2.3 同步注漿壓注方式

隧道推進(jìn)過程中，注漿量應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況和地表隆陷監(jiān)測情況進(jìn)行調(diào)整和動態(tài)管理。一般情況下以滿足控制地表隆陷為原則，同時為保證注漿均勻性，并防止盾尾漏漿等情況的出現(xiàn)，將1.2 m管片劃分為十等分，均勻分次注漿。為保證漿體較好地滲入周圍土體中，注漿壓力須大于隧道底處的土壓力值，而且必須控制在較好的范圍之內(nèi)，保證只是填充而不是劈裂。

根據(jù)經(jīng)驗可取1.1～1.2倍的靜止土壓力。注漿壓力應(yīng)略大于各注漿點位置的靜止水土壓力；由于是從盾尾圓周上的幾個點同時注漿，上部每孔的壓力應(yīng)比下部每孔的壓力略小0.05～0.10 MPa。

3.3 已建地下通道下方的二次注漿控制

根據(jù)探地雷達(dá)的探測結(jié)果及監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋信息，分析同步注漿的薄弱點，通過管片預(yù)留的注漿孔進(jìn)行二次注漿，遏制沉降趨勢。二次注漿應(yīng)采取多點、少量、均勻、多次的方式進(jìn)行，注漿壓力略大于注漿口水土壓力，保證漿液能夠注入即可。本課題研究時，在盾構(gòu)機始發(fā)段1—50環(huán)掘進(jìn)過程中，因土壓設(shè)置過高，盾構(gòu)機穿越期間東西通道隆起達(dá)到4 mm，穿越后沉降速率較快，最大值達(dá)5 mm，隨即對該部位進(jìn)行二次注漿。連續(xù)進(jìn)行多次注漿后沉降趨勢得到遏制，后期雖然根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)又進(jìn)行了多次注漿，但該部位土體經(jīng)過沉降和二次注漿擾動后，土體結(jié)構(gòu)已被破壞，最終沉降量在2 mm左右。

盾構(gòu)機穿越后東西通道若一直呈現(xiàn)沉降趨勢，則對該區(qū)段隧道土體進(jìn)行分層注漿加固，同時考慮先后2次穿越疊加效應(yīng)。施工對象為隧道周圍360°范圍內(nèi)的預(yù)留注漿孔，每環(huán)15個注漿孔，加固后的土體應(yīng)有良好的均勻性和較小的滲透系數(shù)，注漿加固后土體強度要求≥1.0 MPa。隧道推進(jìn)結(jié)束后，根據(jù)監(jiān)測資料或探地雷達(dá)探測資料，可對變形較大的部分、注漿厚度不達(dá)標(biāo)及壁后存在空洞的管片，打開預(yù)留的注漿孔，進(jìn)行再次注漿，以控制變形。

在第一節(jié)臺車作業(yè)平臺上加設(shè)二次注漿作業(yè)平臺，在管片脫出盾尾后根據(jù)注漿指令對隧道上方管片進(jìn)行二次注漿，初步遏制沉降趨勢。同時制作可移動式注漿平臺，可以在不影響推進(jìn)的情況下進(jìn)行二次注漿。

盾構(gòu)機穿越后，由于受應(yīng)力松弛影響，土體還會發(fā)生固結(jié)沉降，為此在盾構(gòu)機掘進(jìn)過程中對擾動土體進(jìn)行地層固結(jié)注漿是非常重要的。通過后期的微擾動注漿，穩(wěn)定土體，對東西通道結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護。

3.4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與施工參數(shù)調(diào)整

為確保東西通道沉降風(fēng)險可控，保證東西通道的結(jié)構(gòu)安全，對始發(fā)段東西通道結(jié)構(gòu)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為后續(xù)盾構(gòu)機推進(jìn)土壓力及同步注漿量提供依據(jù)。對盾構(gòu)機始發(fā)段監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)：始發(fā)后東西通道結(jié)構(gòu)沉降數(shù)據(jù)未有明顯變化，穿越段處東西通道沉降監(jiān)測點略有抬升，盾構(gòu)機推進(jìn)穿越監(jiān)測區(qū)域后，監(jiān)測點位有明顯抬升，可以看出東西通道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)有一定的延遲性，始發(fā)段東西通道結(jié)構(gòu)監(jiān)測點在該時間段最大累計沉降值為4.87 mm，最小累計沉降值為－3.70 mm，累計變化量在－3.70～4.87 mm；根據(jù)數(shù)據(jù)分析情況可知，東西通道監(jiān)測數(shù)據(jù)具有一定的延時，無法即時反映出推進(jìn)時的監(jiān)測數(shù)據(jù)情況，但總體沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)線形符合盾構(gòu)機推進(jìn)基本情況：盾構(gòu)機穿越段東西通道略有抬升，后期沉降略大。同時針對沉降較大的沉降監(jiān)測點進(jìn)行局部二次注漿，注漿后東西通道的監(jiān)測數(shù)據(jù)有明顯抬升，截至目前，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化已趨于穩(wěn)定。經(jīng)過對盾構(gòu)機推進(jìn)參數(shù)及東西通道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知：對我方盾構(gòu)機推進(jìn)土壓力及注漿量等參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，土壓力在原有的基礎(chǔ)上降低0.01 MPa，同步注漿量在原有的基礎(chǔ)之上增注0.2 m3。盡量控制穿越期間東西通道隆起的監(jiān)測數(shù)據(jù)在3 mm左右，經(jīng)后期沉降后穩(wěn)定在1 mm左右。

在始發(fā)段東西通道監(jiān)測數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，對盾構(gòu)機推進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整。土壓力在設(shè)定土壓的基礎(chǔ)上降低0.01 MPa，在同步注漿量增加0.2 m3后，東西通道整體監(jiān)測數(shù)據(jù)變化平緩，穿越段略有抬升，待增加同步注漿量后，有效抑制了東西通道的沉降趨勢。截至目前，東西通道沉降數(shù)據(jù)總體變化趨勢穩(wěn)定，其中陸家嘴站—浦東南路站區(qū)間東西通道結(jié)構(gòu)監(jiān)測點最大累計沉降值為4.31 mm，累計變化量在－1.10～4.31 mm；浦東南路站—浦東大道站區(qū)間東西通道結(jié)構(gòu)監(jiān)測點最大累計沉降值為4.37 mm，累計變化量在－1.90～4.37 mm；浦東大道站—源深路站區(qū)間東西通道結(jié)構(gòu)監(jiān)測點最大累計沉降值為3.99 mm，累計變化量在－1.52～3.99 mm；源深路站—昌邑路站區(qū)間東西通道結(jié)構(gòu)監(jiān)測點最大累計沉降值為3.37 mm，累計變化量在－1.28～3.37 mm，盾構(gòu)機推進(jìn)期間東西通道結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)累計值均未超過報警值。從巡視結(jié)果看，未發(fā)現(xiàn)通道內(nèi)有新增裂縫和大量滲漏水等情況，東西通道結(jié)構(gòu)狀態(tài)良好。

4 結(jié)語

對于盾構(gòu)機長距離全斷面上下平行穿越已建地下通道這種特殊工況，針對地下通道結(jié)構(gòu)監(jiān)測數(shù)據(jù)遲滯且無法及時有效反饋地層變形情況的問題，通過前期的結(jié)構(gòu)調(diào)查，對盾構(gòu)機在已建地下通道下方的土壓力計算設(shè)定、盾構(gòu)機在已建地下通道下方的同步注漿技術(shù)及同步注漿量判定、盾構(gòu)機穿越地下通道結(jié)構(gòu)施工縫的施工參數(shù)設(shè)定、已建地下通道受盾構(gòu)機穿越影響的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，最終形成完整的施工工藝，使穿越東西通道結(jié)構(gòu)平穩(wěn)，后期沉降可控，東西通道整體結(jié)構(gòu)良好，可為后續(xù)類似工程提供寶貴經(jīng)驗和理論依據(jù)。

[1] 王旋東.盾構(gòu)機穿越機場捷運通道的風(fēng)險分析及保護措施[J].隧道與軌道交通,2020(1):32-34.