盾構(gòu)近距離穿越運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的施工

陸 正

1. 上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開(kāi)挖建造工程技術(shù)研究中心 上海 200002

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程進(jìn)一步加快，軌道交通作為破解城市交通擁堵的重要對(duì)策，得到了大力發(fā)展。但隨著城市地下空間的逐步開(kāi)發(fā)，新建隧道常需近距離穿越既有運(yùn)營(yíng)隧道，使得工程的建設(shè)周期、成本及風(fēng)險(xiǎn)都大為增加[1-3]。本文以上海軌道交通14號(hào)線(xiàn)大世界站—豫園站區(qū)間隧道工程為背景，通過(guò)合理設(shè)置施工段，嚴(yán)格控制盾構(gòu)土壓力、同步注漿等關(guān)鍵施工參數(shù)及后期微擾動(dòng)注漿等措施，對(duì)盾構(gòu)近距離先后穿越既有軌道交通10號(hào)線(xiàn)隧道的施工技術(shù)方案進(jìn)行研究。

1 工程概況

上海市軌交14號(hào)線(xiàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“14號(hào)線(xiàn)”）大世界站—豫園站區(qū)間隧道工程，盾構(gòu)始發(fā)后先穿越14號(hào)線(xiàn)新建換乘通道，其中上行線(xiàn)隧道為全斷面下穿，下行線(xiàn)隧道為局部下穿，隨后于人民路與河南南路交叉口位置正交下穿既有軌交10號(hào)線(xiàn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“10號(hào)線(xiàn)”）隧道，穿越既有隧道段長(zhǎng)度約24 m，新建14號(hào)線(xiàn)隧道與既有10號(hào)線(xiàn)隧道最小垂直凈距為1.4 m（圖1、圖2）。

圖1 14號(hào)線(xiàn)隧道與10號(hào)線(xiàn)隧道相對(duì)位置關(guān)系平面示意

圖2 14號(hào)線(xiàn)隧道與10號(hào)線(xiàn)隧道相對(duì)位置關(guān)系剖面示意

根據(jù)地勘報(bào)告， 穿越區(qū)域隧道中心埋深為28.5～28.7 m（標(biāo)高為－25～－24.78 m），盾構(gòu)掘進(jìn)土層為⑤12灰色粉質(zhì)黏土、⑤31灰色粉質(zhì)黏土；10號(hào)線(xiàn)隧道所處的土層為⑤11灰色黏土、⑤12粉質(zhì)黏土。

盾構(gòu)穿越段隧道線(xiàn)形比較復(fù)雜，平曲線(xiàn)以半徑350 m右轉(zhuǎn)彎圓曲線(xiàn)及緩和曲線(xiàn)為主，豎曲線(xiàn)以半截入土3 000 m凹曲線(xiàn)變坡段為主。

2 難點(diǎn)分析

1）運(yùn)營(yíng)中的軌交隧道保護(hù)要求高。隧道結(jié)構(gòu)縱向沉降與隆起≤±5 mm，隧道收斂值≤±5 mm。

2）盾構(gòu)近距離穿越運(yùn)營(yíng)隧道。14號(hào)線(xiàn)隧道與10號(hào)線(xiàn)運(yùn)營(yíng)隧道最小垂直凈距僅為1.4 m，且穿越區(qū)域分布有一定厚度的⑤1-2、⑤3-1層，該土層具有較高的靈敏度與觸變特性，在動(dòng)力作用下極易破壞土體結(jié)構(gòu)，因此，已建10號(hào)線(xiàn)隧道對(duì)盾構(gòu)穿越過(guò)程中引起的地層擾動(dòng)極為敏感。

3）模擬段工況與穿越段存在較大差異。上行線(xiàn)盾構(gòu)始發(fā)后全斷面處于換乘通道下方，出換乘通道13.2 m后盾構(gòu)即穿越10號(hào)線(xiàn)隧道，難以通過(guò)常規(guī)的模擬段收集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，合理調(diào)整施工參數(shù)。

4）14號(hào)線(xiàn)穿越段隧道線(xiàn)形復(fù)雜。14號(hào)線(xiàn)隧道在穿越段平曲線(xiàn)為小半徑圓曲線(xiàn)（半徑350 m），豎曲線(xiàn)為凹曲線(xiàn)（半徑3 000 m）變坡段，盾構(gòu)施工過(guò)程中的糾偏易引起附加的地層損失，對(duì)10號(hào)線(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)變形控制很不利。

3 施工控制措施

3.1 劃分施工控制段

根據(jù)盾構(gòu)穿越10號(hào)線(xiàn)施工的工況特點(diǎn)，將盾構(gòu)穿越區(qū)域前后劃分為3個(gè)施工控制階段（圖3、表1），即穿越前模擬段（Ⅰ區(qū)）、穿越段（Ⅱ區(qū)）和穿越后控制段（Ⅲ區(qū)）。通過(guò)分階段采取相應(yīng)措施，保證運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的安全。

圖3 盾構(gòu)穿越施工區(qū)域劃分

表1 盾構(gòu)穿越10號(hào)線(xiàn)分段概況

3.1.1 穿越前模擬段特點(diǎn)及控制措施

此段施工時(shí)推進(jìn)速度控制在20 mm/min以?xún)?nèi)，使新建換乘通道保持隆起0～1 mm。控制注漿工序，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映出的沉降變化情況調(diào)整同步注漿壓力及注漿量，保持新建換乘通道微量隆起。

3.1.2 穿越段特點(diǎn)及控制措施

此段施工時(shí)推進(jìn)速度控制在5～10 mm/min，盾構(gòu)刀盤(pán)進(jìn)入10號(hào)線(xiàn)隧道前，土壓力設(shè)定值需根據(jù)10號(hào)線(xiàn)隧道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整并保持土壓力平穩(wěn)，使地鐵隧道保持隆起1～2 mm。盾構(gòu)繼續(xù)向前掘進(jìn)，待盾尾影響區(qū)進(jìn)入10號(hào)線(xiàn)隧道后，通過(guò)合理控制注漿參數(shù)，根據(jù)10號(hào)線(xiàn)隧道的沉降變化情況調(diào)整同步注漿壓力及注漿量，保持10號(hào)線(xiàn)隧道隆起2～3 mm。

3.1.3 穿越后控制段特點(diǎn)及控制措施

此段推進(jìn)速度控制在20 mm/min，根據(jù)地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整土壓力、注漿量等關(guān)鍵參數(shù)，使切口前沉降量保持隆起1～2 mm，盾尾后部地表沉降量保持隆起2～5 mm。

3.2 關(guān)鍵施工參數(shù)控制

3.2.1 土壓力控制

根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)的原理，盾構(gòu)機(jī)土艙中的壓力須與開(kāi)挖面的正面水土壓力平衡，以維持開(kāi)挖面土體的穩(wěn)定，并在此基礎(chǔ)上減少對(duì)周邊土體的擾動(dòng)。在計(jì)算理論土壓力時(shí)，需考慮既有隧道結(jié)構(gòu)替換了土層，致使既有隧道下方土體所受豎向土壓力減小，那么盾構(gòu)在穿越時(shí)土壓力設(shè)定值也應(yīng)適當(dāng)減小。根據(jù)理論計(jì)算，穿越前模擬段土壓力控制值為0.26～0.27 MPa，穿越段土壓力控制值為0.22～0.26 MPa，穿越后控制土壓力控制值為0.25～0.26 MPa。

3.2.2 推進(jìn)速度控制

盾構(gòu)穿越時(shí)應(yīng)控制合理的推進(jìn)速度，使盾構(gòu)勻速、慢速推進(jìn)，盡量減少盾構(gòu)對(duì)土體的擾動(dòng)，以控制地層變形，將對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的影響降至最小。穿越前模擬段及穿越后控制段盾構(gòu)推進(jìn)速度控制在20 mm/min以?xún)?nèi)，穿越段盾構(gòu)推進(jìn)速度控制在5～10 mm/min以?xún)?nèi)，保持均衡、勻速掘進(jìn)，以減少對(duì)既有隧道結(jié)構(gòu)的不利影響。

3.2.3 同步注漿控制

同步注漿采用了預(yù)拌混凝土漿，每環(huán)壓注量一般控制在“建筑空隙”理論值的110%～140%，即2.21～2.81 m3/環(huán)。

為保證漿體較好地滲入周?chē)馏w中，注漿壓力須大于隧道底處的土壓力，取1.1～1.2倍的靜止土壓力。

3.3 盾構(gòu)姿態(tài)控制

盾構(gòu)在穿越前模擬段掘進(jìn)時(shí)應(yīng)勤測(cè)勤糾，調(diào)整盾構(gòu)和管片的姿態(tài)，確保盾構(gòu)進(jìn)入穿越段之前，盾構(gòu)切口和盾尾軸線(xiàn)水平和高程偏差均控制在±20 mm以?xún)?nèi)。在穿越過(guò)程中，在確保盾構(gòu)正面沉降控制良好的情況下，盡可能使盾構(gòu)勻速通過(guò)，每環(huán)糾偏量保持穩(wěn)定，杜絕推進(jìn)過(guò)程中急糾、猛糾動(dòng)作。

3.4 微擾動(dòng)注漿

盾構(gòu)穿越完成后，由于應(yīng)力松弛等影響，地層會(huì)發(fā)生固結(jié)沉降，使既有10號(hào)線(xiàn)隧道產(chǎn)生較大后期沉降。因此在穿越區(qū)域上、下行線(xiàn)均采用全斷面增設(shè)注漿孔管片。穿越后，可及時(shí)、適量打開(kāi)管片內(nèi)預(yù)留注漿孔，對(duì)隧道周?chē)馏w進(jìn)行注漿加固，以達(dá)到保護(hù)既有地鐵隧道的目的。

微擾動(dòng)注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比為0.6，水玻璃為35 °Bé，水泥漿與水玻璃配比通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)配使其初凝時(shí)間控制在30 s左右。注漿壓力宜控制在0.3 MPa以下，注漿流量控制在10～15 L/min，單次注漿量不大于100 L。

3.5 監(jiān)測(cè)措施

盾構(gòu)穿越時(shí)，施工參數(shù)的調(diào)整主要根據(jù)布設(shè)在既有10號(hào)線(xiàn)隧道內(nèi)的電子水平尺自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整，自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)范圍為既有10號(hào)線(xiàn)隧道與新建隧道共線(xiàn)長(zhǎng)度20 m及以既有隧道共線(xiàn)方向向兩側(cè)各延伸42 m，共計(jì)104 m范圍。電水平尺單根長(zhǎng)度2 m，單條線(xiàn)布設(shè)52把電水平尺。上、下行線(xiàn)布設(shè)方式一致。

4 實(shí)施過(guò)程中設(shè)定土壓力的調(diào)整

4.1 上行線(xiàn)設(shè)定土壓力調(diào)整

先進(jìn)行穿越施工的上行線(xiàn)盾構(gòu)，在始發(fā)后需全斷面下穿新建換乘通道，上行線(xiàn)穿越前模擬段正處于新建換乘通道下方，由于換乘通道自身結(jié)構(gòu)剛度大，盾構(gòu)施工參數(shù)的調(diào)整對(duì)其沉降變化影響極其有限，該模擬段僅能起到施工工藝上的模擬，難以完成常規(guī)意義上的模擬施工工況，摸索合理施工參數(shù)的目的。

從監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，穿越前模擬段上行線(xiàn)盾構(gòu)土壓力設(shè)定值采用理論最大值0.27 MPa。在盾構(gòu)切口進(jìn)入穿越段范圍后，根據(jù)首先被穿越的10號(hào)線(xiàn)上行線(xiàn)隧道的電水平尺自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)既有10號(hào)線(xiàn)上行線(xiàn)隧道隆起未達(dá)預(yù)期，并且隨著盾構(gòu)向前掘進(jìn)還出現(xiàn)一定的下沉趨勢(shì)，由此判斷盾構(gòu)在穿越前模擬段的土壓力設(shè)定值過(guò)低，存在超挖現(xiàn)象，通過(guò)逐步提高土壓力設(shè)定值，嚴(yán)控出土量，逐步使既有隧道隆起達(dá)到1～2 mm。

在盾構(gòu)穿越10號(hào)線(xiàn)隧道階段，土壓力設(shè)定值為0.42～0.50 MPa，土壓力設(shè)定值根據(jù)電水平尺自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整，呈現(xiàn)出W形波動(dòng)，這與10號(hào)線(xiàn)隧道替換了上部土體有直接關(guān)系。穿越后控制段土壓力設(shè)定值根據(jù)地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)控制在0.56～0.58 MPa。

4.2 下行線(xiàn)設(shè)定土壓力調(diào)整

下行線(xiàn)盾構(gòu)始發(fā)后，半斷面穿越新建換乘通道，根據(jù)地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及上行線(xiàn)的穿越經(jīng)驗(yàn)，下行線(xiàn)盾構(gòu)在穿越前模擬段土壓力設(shè)定值直接調(diào)整為0.52 MPa。進(jìn)入穿越段后同樣根據(jù)電水平尺自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整，在盾構(gòu)穿越10號(hào)線(xiàn)隧道時(shí)土壓力設(shè)定值為0.42～0.56 MPa。穿越后控制段土壓力設(shè)定值根據(jù)地表監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)控制在0.56～0.60 MPa。

4.3 設(shè)定土壓力規(guī)律總結(jié)

通常情況下，理論計(jì)算土壓力是以靜止土壓力為基準(zhǔn)，采用在此基礎(chǔ)上乘以經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的方式作為土壓力設(shè)定的參考值。在盾構(gòu)實(shí)際施工過(guò)程中，土壓力的實(shí)際設(shè)定值是介于靜止土壓力與被動(dòng)土壓力之間，且由于土層性質(zhì)和盾構(gòu)設(shè)備的差異，在實(shí)際土壓力設(shè)定過(guò)程中，其取值與理論計(jì)算值通常都存在著較大的差異。因此，理論計(jì)算的土壓力通常只作為參考，涉及施工過(guò)程中的具體設(shè)定還需要嚴(yán)密結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化情況及時(shí)進(jìn)行調(diào)整。本次穿越施工過(guò)程中，雖然理論土壓力值與設(shè)定土壓力值的絕對(duì)數(shù)值差距很大，但是在穿越過(guò)程中，其調(diào)整方向如預(yù)期判斷，且調(diào)整幅度也比較一致。在穿越段，土壓力均比穿越前有20%左右的降幅。

5 既有10號(hào)線(xiàn)隧道沉降情況

5.1 上行線(xiàn)穿越后的既有隧道沉降情況

在上行線(xiàn)盾構(gòu)完成穿越既有10號(hào)線(xiàn)隧道后，既有隧道電子水平尺自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，新建隧道上行線(xiàn)對(duì)應(yīng)的既有隧道上行線(xiàn)軸線(xiàn)點(diǎn)SU20隆起0.68 mm，新建隧道下行線(xiàn)對(duì)應(yīng)的既有隧道上行線(xiàn)軸線(xiàn)點(diǎn)SU25隆起1.26 mm，既有隧道上行線(xiàn)最大隆起點(diǎn)SU18為2.57 mm；新建隧道上行線(xiàn)對(duì)應(yīng)的既有隧道下行線(xiàn)軸線(xiàn)點(diǎn)XU20隆起2.21 mm，新建隧道下行線(xiàn)對(duì)應(yīng)的既有隧道下行線(xiàn)軸線(xiàn)點(diǎn)XU25隆起1.73 mm，既有隧道下行線(xiàn)隧道最大隆起點(diǎn)XU18為2.88 mm。

通過(guò)既有隧道沉降數(shù)據(jù)可見(jiàn)，新建隧道上行線(xiàn)盾構(gòu)的穿越使既有隧道對(duì)應(yīng)位置出現(xiàn)相應(yīng)的隆起，符合預(yù)計(jì)的控制目標(biāo)，說(shuō)明穿越過(guò)程中的土壓力、同步注漿調(diào)整對(duì)既有10號(hào)線(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)的沉降控制作用比較明顯。其中既有10號(hào)線(xiàn)上行線(xiàn)隧道已出現(xiàn)后期沉降情況，通過(guò)微擾動(dòng)注漿來(lái)進(jìn)一步控制。

5.2 下行線(xiàn)穿越后的既有隧道沉降情況

在下行線(xiàn)盾構(gòu)完成穿越既有10號(hào)線(xiàn)隧道后，既有隧道電子水平尺自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，新建上行線(xiàn)對(duì)應(yīng)的既有隧道上行線(xiàn)軸線(xiàn)點(diǎn)SU20隆起1.86 mm，新建隧道下行線(xiàn)對(duì)應(yīng)的既有隧道上行線(xiàn)軸線(xiàn)點(diǎn)SU25隆起0.70 mm，既有隧道上行線(xiàn)最大隆起點(diǎn)SU18為2.63 mm；新建隧道上行線(xiàn)對(duì)應(yīng)的既有隧道下行線(xiàn)軸線(xiàn)點(diǎn)XU20隆起1.34 mm，新建隧道下行線(xiàn)對(duì)應(yīng)的既有隧道下行線(xiàn)軸線(xiàn)點(diǎn)XU25隆起2.47 mm，既有隧道下行線(xiàn)最大隆起點(diǎn)XU29為2.86 mm。下行線(xiàn)盾構(gòu)完成穿越10號(hào)線(xiàn)隧道后，10號(hào)線(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)沉降變形趨勢(shì)基本同上行線(xiàn)穿越完成后一致。新建隧道上行線(xiàn)對(duì)應(yīng)位置經(jīng)過(guò)微擾動(dòng)注漿后，其后期沉降已得到有效控制。由上面的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，在實(shí)際施工過(guò)程中，先施工隧道在施工過(guò)程中采取的積極調(diào)整措施作用非常明顯，并在后施工隧道的施工過(guò)程中得到了充分驗(yàn)證，整個(gè)既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降得到了更好的控制。由此可見(jiàn)，本工程施工中所采取的一系列沉降控制措施非常有效。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)盾構(gòu)近距離穿越既有地鐵隧道存在的風(fēng)險(xiǎn)，通過(guò)合理調(diào)整施工參數(shù)，采用穩(wěn)定可靠的監(jiān)測(cè)措施，可有效控制既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)沉降，其后期沉降可通過(guò)微擾動(dòng)注漿進(jìn)一步控制直至穩(wěn)定。

1）通過(guò)理論計(jì)算，合理劃分施工控制段，初步擬定穿越施工控制。

2）通過(guò)高精度、高頻率的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方式，為盾構(gòu)穿越施工提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

3）對(duì)于難以通過(guò)模擬段施工摸索合理施工參數(shù)的工況，需要嚴(yán)格根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，及時(shí)、合理地調(diào)整土壓力、同步注漿等關(guān)鍵施工參數(shù)，從而有效減少地層擾動(dòng)，提高沉降控制效果。

4）對(duì)于先后穿越施工，合理參考先施工隧道的參數(shù)設(shè)置規(guī)律十分重要。

5）盾構(gòu)法隧道的后期沉降是難以避免的，對(duì)于此類(lèi)近距離穿越既有地鐵隧道，采用微擾動(dòng)注漿可有效控制其后期沉降，并將最終沉降控制在允許范圍以?xún)?nèi)。