盾構(gòu)近距離小角度上跨運營隧道施工控制研究

夏 鋒

(中鐵七局集團鄭州工程有限公司，河南 鄭州 450000)

1 工程概況

1.1 7號線龍門路站—張家村站

龍門路站—張家村站區(qū)間盾構(gòu)段起止里程為左DK4+662.016～左DK6+313.586，右DK4+662.016～右DK6+313.236，左線長度為1 651.570單線延米，右線長度為1 651.220單線延米，全長3 302.790單線延米。

龍門路站—張家村站區(qū)間盾構(gòu)段采用2臺盾構(gòu)從龍門路站南端頭井先右線后左線間隔1個月始發(fā)，向南掘進到達張家村站明挖段端頭井解體、吊出。

盾構(gòu)隧道采用預(yù)制鋼筋混凝土管片襯砌，襯砌環(huán)外徑6 200 mm，內(nèi)徑5 500 mm，襯砌環(huán)厚度350 mm，襯砌環(huán)寬度1 500 mm，上跨段采用Ⅱ型加強管片。

1.2 4號線工程豐慶路站—文化路站

區(qū)間左、右線共設(shè)置2組平面曲線，曲線半徑均為410 m，線間距為14 m～37.5 m。4號線左線隧道盾構(gòu)管片已加強配筋并增設(shè)徑向注漿孔，管片為Ⅲ型管片，盾構(gòu)隧道襯砌尺寸同7號線。左線隧道頂部180°范圍內(nèi)已通過注漿孔對地層進行注漿加固。

1.3 7號線與4號線隧道位置關(guān)系

軌道交通7號線區(qū)間隧道上跨4號線隧道[1]，4號線隧道先于7號線隧道施工，7號線隧道施工時4號線已開通運營?？缭教幾缶€曲線半徑1 800 m，右線曲線半徑1 500 m。

7號線龍門路站—張家村站區(qū)間隧道與4號線豐慶路站—文化路站區(qū)間左線隧道的平面關(guān)系為并行-逐漸接近-上跨-逐漸遠離。

隧道上跨4號線豐慶路站—文化路站區(qū)間左線(4號線區(qū)間交叉點里程為左DK4+269.580、左DK4+320.066，交角約14°～19°)，上跨段4號線區(qū)間左線隧道埋深約14.76 m～15.81 m(所在土層為②42粉砂、②51細砂)，7號線隧道埋深6.32 m～8.27 m(所在土層為②32黏質(zhì)粉土、②33黏質(zhì)粉土、②22粉質(zhì)黏土)。上跨段正上方7號線隧道右線隧道與4號線左線隧道豎向距離1.66 m，如圖1所示。

2 上跨4號線區(qū)間結(jié)構(gòu)工前評價

1)豎向變形。

4號線區(qū)間左線節(jié)點里程為DK4+269.580，最大變形為1.24 mm(上浮)，確定區(qū)間范圍內(nèi)豎向變形情況良好。

2)水平收斂。

三維激光掃描檢測上跨段內(nèi)最大橫向收斂最大值為22 mm,位于251環(huán)，里程為左DK4+288.991，確定區(qū)間范圍內(nèi)水平收斂、橢圓度情況良好。

3)錯臺及病害結(jié)果分析。

根據(jù)現(xiàn)場排查數(shù)據(jù)結(jié)果統(tǒng)計分析，左右均無管片錯臺超過±20 mm,左右線均無滲漏水病害，該區(qū)間管片情況良好。

4)4號線管片背后注漿效果檢測。

采用地質(zhì)雷達方法進行隧道洞內(nèi)空洞檢測，文化路站至豐慶路站盾構(gòu)區(qū)間右線管片背后未見明顯空洞異常反映。

3 上跨4號線前風(fēng)險影響分析

采用MIDAS-GTS有限元計算軟件對7號線盾構(gòu)通過4號線區(qū)間進行了實際施工工況的三維模擬，分析7號線右線盾構(gòu)貫通、雙線盾構(gòu)貫通分別對4號線左線隧道最大橫向位移、縱向位移、隆超的影響值(見表1)。

表1 7號線盾構(gòu)上跨4號線前風(fēng)險影響分析值

4 上跨4號線前技術(shù)準備措施

1)以左右線盾構(gòu)機通過4號線區(qū)間影響區(qū)(穿越4號線區(qū)間 隧道及前后9 m范圍內(nèi))之前的100 m區(qū)段作為盾構(gòu)施工試驗段。

2)試掘進參數(shù)如表2所示。設(shè)置：試掘進階段選定7個施工管理的指標：①土倉壓力；②推進速度；③總推力；④排土量；⑤刀盤轉(zhuǎn)速；⑥刀盤扭矩;⑦注漿量。

表2 試掘進段參數(shù)控制指標

3)在到達4號線區(qū)間前選擇開挖面自穩(wěn)性較好的地段對盾構(gòu)機進行全面檢修和維護。

4)對整套監(jiān)測系統(tǒng)進行調(diào)整，保證所采集數(shù)據(jù)的正確性。

5)盾構(gòu)機上跨4號線前，由現(xiàn)場技術(shù)人員對下穿過程所需相應(yīng)材料進行清點，避免因材料供應(yīng)不及時造成上跨過程中停機。

6)建立以監(jiān)控中心為聯(lián)絡(luò)中心的信息傳遞系統(tǒng)，保證井下與井上、4號線隧道內(nèi)及地面信息暢通。

5 盾構(gòu)上跨過程中的控制保護措施

5.1 掘進參數(shù)土壓力值設(shè)置

施工段位于地下水位以上，土倉上土壓計算值為：隧道上方土體的平均重度×側(cè)壓力系數(shù)+預(yù)備壓力。

目標土壓力計算：P=P2+P3=K0×∑γihi+15(預(yù)備壓力)。

上跨4號線區(qū)段土倉壓力值P計算值為0.7 bar～0.9 bar。

5.2 開挖土量的管理

根據(jù)油缸行程進行分析比對，總結(jié)出一套盾構(gòu)油缸行程與出土量相匹配的參數(shù)控制表(見表3)，讓盾構(gòu)司機參照參數(shù)嚴格控制出土量，在相對應(yīng)的油缸行程的情況下出土量嚴禁超過規(guī)定限值，監(jiān)控室值班人員進行監(jiān)督。

表3 盾構(gòu)出土量與油缸行程相匹配的參數(shù)控制表

5.3 勻速連續(xù)推進

1)盾構(gòu)機在上跨4號線時速度一般控制在40 mm/min～50 mm/min，勻速推進。

2)盡量縮短管片拼裝時間，保證垂直及水平運輸連續(xù)。

5.4 降低千斤頂總推力，減少土層擾動

在掘進過程中，通過中盾、前盾注入膨潤土，每環(huán)注入0.5 m3～0.8 m3，降低盾殼與土體間摩擦力，減少推進時總推力，進而減小對地層擾動。

5.5 調(diào)整好盾構(gòu)姿態(tài)，減少糾偏次數(shù)及糾偏量

穿越前調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)至-20 mm～20 mm之間，俯仰角與設(shè)計軸線趨勢小于4 mm/m，在穿越推進過程中，盡可能減少糾偏，杜絕大量值糾偏，糾偏采用調(diào)整油缸行程，并保證行程差小于30 mm，控制每環(huán)糾偏量不大于5 mm。

5.6 優(yōu)化漿液配比，合理設(shè)定注漿量及注漿壓力

1)優(yōu)化配比。a.膠凝時間：膠凝時間選擇6 h。b.稠度：100 mm～130 mm。c.固結(jié)體強度：R7≥2 MPa，R28≥2.5 MPa。d.砂漿配比及性能(見表4，表5)。

表4 配合比 kg/m3

表5 漿液性能

2)注漿壓力與注漿量?？缭蕉巫{壓力取值為：0.2 MPa～0.3 MPa，注漿量Q=5.8 m3～7.6 m3，注漿量根據(jù)砂漿罐內(nèi)漿液高度計算量復(fù)核根據(jù)流量控制顯示數(shù)量。同步注漿速度應(yīng)與掘進速度相匹配，根據(jù)掘進速度動態(tài)調(diào)整注漿速度，保證注漿壓力穩(wěn)定。

6 穿越后施工措施

1)盾構(gòu)隧道穿越城4號線區(qū)間隧道段管片進行特殊設(shè)計，每環(huán)管片16個注漿孔，盾構(gòu)施工過程中，可通過這些注漿孔及時二次注漿，確保盾構(gòu)背后間隙填充密實。

2)在盾構(gòu)掘進過后，對隧道進行二次或多次注漿，注漿從盾尾后第5環(huán)開始，壓力根據(jù)現(xiàn)場地層損失、隧道結(jié)構(gòu)變形、軌道結(jié)構(gòu)變形等確定。

3)漿液配比。雙液漿采用水灰比(質(zhì)量比)為1∶1的水泥漿，水玻璃波美度40°，水玻璃用水1∶3稀釋，水泥漿與水玻璃體積比為1∶1，雙液漿的凝固時間為34 s。

4)注漿壓力及注漿量。注漿壓力為0.3 MPa～0.4 MPa，注漿量控制在1.6 m3～2.0 m3范圍內(nèi)，以注漿壓力為主控。注漿分次進行，若漿液由管片中滲出，應(yīng)立即停止注漿。

5)安排專人在4號線地鐵運營天窗期對4號線影響區(qū)域進行現(xiàn)場檢查，確保區(qū)間無漏水、漏漿情況。

7 運營線自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

7.1 4號線隧道內(nèi)監(jiān)測點布設(shè)

4號線隧道內(nèi)監(jiān)測點布設(shè)見圖2。

7.2 4號線隧道變形分析

1)道床變形。

盾構(gòu)上跨后對道床水平位移影響較小，最大水平位移發(fā)生在雙線貫通后：左DM22-5，最大左位移值為-1.01 mm，左DM2-5；最大右位移值為1.11 mm。左右線交叉影響段，右線通過后整體向左位移，左線通過后，向右位移，整體趨于0。總體呈現(xiàn)既有運營隧道道床位移沿遠離新建隧道方向，主要受盾構(gòu)推進時擠壓土體造成向遠離盾構(gòu)方向位移。

盾構(gòu)上跨后引起道床上浮，最大沉上浮發(fā)生在雙線貫通后，左DM14-5，為左右線盾構(gòu)上跨位置中間，受左右線盾構(gòu)疊加影響，最大值為2.27 mm(如圖3，圖4所示)。

2)沉降變形。

盾構(gòu)上跨后造成既有4號線上浮，且上浮量隧道盾構(gòu)機與上跨點距離的減小而增大，最大沉上浮發(fā)生雙線貫通后在DM07，距離上跨點1.66 m，最大上浮量為2.73 mm(見圖5,圖6)。

3)水平位移。

盾構(gòu)上跨后對隧道水平位移影響較小，最大水平位移發(fā)生在雙向貫通后左DM18-3，最大值為-1.62 mm(見圖7，圖8)，總體呈現(xiàn)管片水平位移沿遠離新建隧道方向，主要受盾構(gòu)推進時擠壓造成向既有運營隧道管片整體遠離盾構(gòu)方向位移。

4)收斂。

盾構(gòu)上跨后引起既有4號線收斂變形，最大收斂發(fā)生在雙線貫通后左DM14，2-3最大值為1.40 mm(見圖9，圖10)，為左右線盾構(gòu)上跨位置中間上部，受左右線盾構(gòu)疊加影響?？傮w呈現(xiàn)上跨段管片收斂，接近及遠離段管片外張，主要受盾構(gòu)通過后卸載造成向新建隧道方向發(fā)生管片橫向變形。

8 結(jié)論

本文介紹鄭州軌道7號線龍門路站—張家村站區(qū)間盾構(gòu)上跨4號線豐慶路站—文化路站區(qū)間項目，對盾構(gòu)上跨前、上跨中及上跨后施工控制措施與盾構(gòu)施工參數(shù)進行分析，并結(jié)合4號線隧道自動化監(jiān)測及7號線地面監(jiān)測綜合分析研究，主要得出以下結(jié)論：1)通過上跨前評估及三維模擬，上跨中掘進參數(shù)及同步注漿，上跨后二次注漿，能夠有效控制運營地鐵隧道變形。2)盾構(gòu)接近及上跨運營區(qū)間隧道過程中，運營區(qū)間隧道變形呈遠離新盾構(gòu)方向變形，盾構(gòu)遠離運營區(qū)間過程中，運營區(qū)間隧道呈向新建隧道方向變形。3)區(qū)間雙線貫通后，運營區(qū)間隧道道床及管片水平位移為遠離新建隧道方向，道床豎向位移及管片沉降變形為向新建隧道方向，收斂變形為向新建隧道方向外張。