盾構(gòu)穿越軟土運營地鐵雙圓隧道的施工技術(shù)

吳哲元

上海建浩工程顧問有限公司 上海 200030

伴隨著城市軌道交通的不斷發(fā)展，北京、上海、成都等大城市的軌道交通已經(jīng)從單線運營、骨架網(wǎng)絡(luò)逐步發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)化狀態(tài)，盾構(gòu)近距離交叉穿越現(xiàn)象已越來越普遍。在這一情況下進(jìn)行施工，施工風(fēng)險大、復(fù)雜程度高、控制要求嚴(yán)，若施工不當(dāng)，不僅會影響新建隧道結(jié)構(gòu)，更會影響運營隧道的安全，特別是在軟土地層中，如何保證盾構(gòu)穿越過程中運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)和運營安全，已越來越成為建設(shè)者們需要思考的一個重要問題[1-2]。上海軟土地區(qū)某在建軌道交通盾構(gòu)連續(xù)穿越已建地下共同溝、地鐵隧道，并在仍處于其影響范圍內(nèi)時便進(jìn)入進(jìn)洞段，以此為例，總結(jié)、探討其施工過程中的技術(shù)保護(hù)措施，以期為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

上海某區(qū)間隧道采用盾構(gòu)法施工，其外徑6 600 mm，內(nèi)徑5 900 mm，上下行線均為888環(huán)，其中在833～880環(huán)之間，需連續(xù)穿越南側(cè)共同溝、已運營的地鐵雙圓盾構(gòu)隧道、北側(cè)共同溝，并在未完全脫離穿越影響區(qū)域前即進(jìn)入進(jìn)洞段（圖1）。

圖1 盾構(gòu)區(qū)間與已運營地鐵隧道及共同溝的相對位置關(guān)系

該盾構(gòu)穿越區(qū)域土層多為黏土，主要分布為：第④層灰色淤泥質(zhì)黏土，約占5%，第⑤1-1層灰色黏土，約占45%，第⑤1-2層灰色粉質(zhì)黏土，約占50%。同時，場地內(nèi)第⑦層為承壓水層，勘察資料顯示，進(jìn)洞段隧道底部距透水層約4.634 m。

2 工程難點分析

2.1 工程地質(zhì)及周邊環(huán)境復(fù)雜

該段隧道區(qū)間位于第④、⑤1-1、⑤1-2層中，該土層為高壓縮性和中等壓縮性土，受擾動后沉降大、上浮影響大、穩(wěn)定時間長。盾構(gòu)進(jìn)洞區(qū)域需考慮承壓水的影響。

周邊管線和建筑較多，接收井距最近的φ200 mm燃?xì)夤?0.4 m、最遠(yuǎn)的φ500 mm給水管線38.0 m，距最近的建筑36 m；此外，盾構(gòu)進(jìn)洞段上方為道路，交通較為繁忙，重型車輛較多，容易加大地面沉降。

2.2 運營地鐵保護(hù)要求極高

根據(jù)《上海市地鐵沿線建筑施工保護(hù)地鐵技術(shù)管理暫行規(guī)定》，該線路保護(hù)等級為特級監(jiān)控等級。需要滿足以下技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：地鐵結(jié)構(gòu)最終沉降量及水平位移量≤20 mm；地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形曲線的曲率半徑≥15 000 mm，相對曲率≤1/2 500；地鐵隧道橫向、豎向管徑收斂變形須控制隧道管徑伸長或縮短量的最大值≤20 mm；在地鐵隧道上方因為工程活動而產(chǎn)生的對地鐵隧道的附加荷載量必須要≤20 kN/m2；打樁、爆炸產(chǎn)生振動時對地鐵隧道引起的峰值速度應(yīng)≤2.5 cm/s。根據(jù)運營單位要求，本工程采用變形控制標(biāo)準(zhǔn)的50%作為報警值。

2.3 穿越距離較近，而且小曲線近距離進(jìn)洞

新建區(qū)間隧道上下行線先后近距離（5.05 m）下穿運營地鐵隧道。盾構(gòu)推進(jìn)過程中會對周圍土體產(chǎn)生一定的擾動，同時穿越運營地鐵隧道時正處于盾構(gòu)進(jìn)洞階段，處于緩和曲線變坡段，盾構(gòu)變坡過程中必不可少地會增加土體的擾動。

2.4 雙圓盾構(gòu)結(jié)構(gòu)特殊，可供參考的經(jīng)驗較少

工程下穿的已運營地鐵隧道采用雙圓盾構(gòu)工藝施工。雙圓盾構(gòu)采用輻條式刀盤，對土體切削攪拌擾動較大，地層對于土艙壓力的設(shè)定較單圓盾構(gòu)的面板式刀盤也更為敏感。同時由于雙圓盾構(gòu)凹槽的存在，盾殼上部常出現(xiàn)背土效應(yīng)，深層土體先隆后沉現(xiàn)象也較常規(guī)的圓形隧道明顯，近距離穿越勢必進(jìn)一步增加周邊土體的擾動以及對雙圓隧道的影響，此外可供參考的成功經(jīng)驗相對較少。

3 穿越過程中主要施工技術(shù)及保護(hù)措施

3.1 設(shè)置試驗推進(jìn)段，獲取施工參數(shù)

為保證盾構(gòu)推進(jìn)過程中運營地鐵隧道的結(jié)構(gòu)和運營安全，應(yīng)在一定的地層損失率和施工參數(shù)的條件下，對盾構(gòu)施工引起的周圍建（構(gòu)）筑物變形進(jìn)行預(yù)判。為此，本工程穿越前設(shè)置100 m的試推段，嚴(yán)格控制推進(jìn)速度（10 mm/min），并重點控制盾構(gòu)方向、姿態(tài)變化，盡量減少糾偏，避免更換管片。

通過理論計算，盾構(gòu)正面平衡壓力為0.19 MPa，鑒于已運營地鐵隧道已經(jīng)置換了原有土層，因此穿越段適當(dāng)降低土壓力，將土壓力設(shè)置為0.13 MPa。同時，由于在穿越階段掘進(jìn)速度較慢，螺旋機(jī)在自動控制模式下，出土量會大于理論出土量，所以在穿越階段采用手動模式控制。

3.2 采用自動化監(jiān)測，實時獲取運營隧道變形數(shù)據(jù)

盾構(gòu)近距離穿越運營地鐵隧道，對環(huán)境安全監(jiān)控提出了極高的要求，為確保穿越過程中運營地鐵隧道的安全，穿越前參建各方共同對已運營地鐵隧道的沉降、變形、隧道斷面收斂、軌道結(jié)構(gòu)高差等參數(shù)進(jìn)行復(fù)核。為避免地鐵運營期間，人工無法實時監(jiān)測隧道變形情況，在已運營地鐵隧道穿越影響區(qū)段內(nèi)布設(shè)可連續(xù)監(jiān)測的電子水平尺，每5 min采集1次變形數(shù)據(jù)，并實時傳輸?shù)街醒肟刂剖液投軜?gòu)機(jī)操作室，適時調(diào)整正面壓力、注漿流量和壓力等施工參數(shù)，確保運營地鐵變形量控制在警戒值內(nèi)。

3.3 布設(shè)深層土體位移監(jiān)測點，動態(tài)指導(dǎo)現(xiàn)場施工

在盾構(gòu)試驗段和穿越段分別設(shè)置多個深層土體位移監(jiān)測桿（智慧桿），對地層位移、分層沉降進(jìn)行自動化實時監(jiān)測，分析盾構(gòu)施工對地層的擾動規(guī)律，優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)，以指導(dǎo)盾構(gòu)穿越已運營地鐵隧道。

3.4 嚴(yán)控同步注漿及二次注漿效果，穿越后降低運營隧道變形量

盾構(gòu)推進(jìn)過程中嚴(yán)格控制同步注漿效果，力求充滿盾尾后空隙并平衡地層壓力，使注漿管出口壓力基本等于隧道底部靜止土壓力，本次穿越過程中采用大密度單液漿進(jìn)行同步注漿，每環(huán)注漿量約為理論空隙的125%，根據(jù)穿越后地面沉降及結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，效果良好。補(bǔ)漿加固長度為已運營地鐵隧道兩側(cè)各11環(huán)，范圍為本項目上半圓3 m范圍的土層。注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，采用注漿壓力和已運營地鐵隧道沉降變形雙控標(biāo)準(zhǔn)，即注漿壓力不大于0.5 MPa，沉降變形不超過2 mm。

4 盾構(gòu)進(jìn)洞施工技術(shù)措施

鑒于本工程新建隧道穿越運營地鐵隧道時正處于盾構(gòu)進(jìn)洞階段，處于緩和曲線變坡段，盾構(gòu)在變坡過程中必不可少地會增加土體的擾動。為安全起見，盾構(gòu)進(jìn)洞采用水平凍結(jié)＋泡沫混凝土工藝，具體施工技術(shù)措施如下。

4.1 水平輔助凍結(jié)

根據(jù)工程設(shè)計方案，在接收井外側(cè)分別采用TRD和旋噴樁加固（圖2），旋噴樁加固深度至隧道底以下3 m，而TRD加固深度為60 m，已打穿承壓水層，故還需考慮TRD墻體及地下連續(xù)墻與高壓旋噴樁之間的縫隙滲漏水。為防止TRD墻體及地下連續(xù)墻與高壓旋噴樁之間的縫隙滲漏水，進(jìn)洞區(qū)域采用盾構(gòu)進(jìn)洞水平輔助凍結(jié)工藝。單個盾構(gòu)接收井共布置64個水平凍結(jié)孔，以洞口中心向外布置3圈，圈徑分別為2.9、3.2、5.9 m。凍結(jié)孔采用孔內(nèi)串聯(lián)、組內(nèi)并聯(lián)，設(shè)計積極凍結(jié)期最低鹽水溫度－30～－28 ℃，要求凍結(jié)7 d達(dá)到－18 ℃以下。根據(jù)凍結(jié)需冷量和快速凍結(jié)的要求，選用YSLG16F型冷凍機(jī)2套（1套備用）。

為減少凍結(jié)區(qū)融沉量，在洞口處10環(huán)范圍內(nèi)采用融沉補(bǔ)償注漿。注漿時機(jī)為停凍后1個月，注漿時間約3個月。注漿順序是先下部后上部，注漿遵循多次、少量、均勻原則。當(dāng)1 d地層沉降大于0.5 mm，或累計地層沉降大于3 mm時應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償注漿；當(dāng)?shù)貙勇∑疬_(dá)到3 mm時暫停注漿。

圖2 接收井外側(cè)土體加固示意

4.2 輕質(zhì)泡沫混凝土

為防止盾構(gòu)洞門封閉時地下水的溢出，在接收井內(nèi)設(shè)置1個13.90 m×8.77 m的箱體，箱體內(nèi)部澆筑滿泡沫混凝土（采用發(fā)泡劑及專用穩(wěn)泡劑產(chǎn)生穩(wěn)定的泡沫，并將之加入水泥和水組成的料漿中，再加入一定比例的混凝土外加劑制成的含有大量微孔輕質(zhì)材料。其密度≤600 kg/m3，3 d抗壓強(qiáng)度≥1.0 MPa，14 d抗壓強(qiáng)度≥1.5 MPa，28 d抗壓強(qiáng)度≤2.0 MPa，標(biāo)準(zhǔn)沉降率＜3%），端部與內(nèi)襯墻結(jié)構(gòu)連接，使盾構(gòu)在進(jìn)洞后直接進(jìn)入泡沫混凝土內(nèi)。泡沫混凝土強(qiáng)度過高會對盾構(gòu)的推進(jìn)造成影響甚至損壞刀盤，強(qiáng)度過低將造成盾構(gòu)在推進(jìn)過程中姿態(tài)的改變。如何按設(shè)計要求控制強(qiáng)度極為關(guān)鍵，經(jīng)現(xiàn)場試驗，本次泡沫混凝土采用如下質(zhì)量配合比：水泥（P·O 42.5）∶水∶專用外加劑∶泡沫劑∶穩(wěn)泡劑＝500∶270∶3∶1∶1。

4.3 盾構(gòu)機(jī)防凍措施

為防止盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入凍結(jié)區(qū)出現(xiàn)機(jī)頭“凍死”現(xiàn)象：進(jìn)入凍結(jié)區(qū)之前，刀盤前齒輪油采用抗凍性專用齒輪油；在盾尾穿越冷凍體時，掘進(jìn)過程和管片拼裝中，均不間斷地打入進(jìn)口油脂；解除刀盤的連鎖系統(tǒng)，使刀盤的運轉(zhuǎn)獨立于整體系統(tǒng)之外，確保刀盤時刻保持轉(zhuǎn)動，不卡死；確保有一路緊急備用供電系統(tǒng)；鉸接活動強(qiáng)制脫離；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)卡死時，流轉(zhuǎn)熱鹽水，對凍結(jié)壁進(jìn)行強(qiáng)制解凍。

4.4 凍結(jié)區(qū)及泡沫混凝土段推進(jìn)參數(shù)控制

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)切口進(jìn)入凍結(jié)加固區(qū)后，土壓控制為中心土壓控制，并根據(jù)出土量及地面監(jiān)測情況緩慢調(diào)低至0.10～0.13 MPa，同步注漿量為3.2 m3/環(huán)，同步注漿壓力控制在0.4～0.5 MPa。由于正面土體土質(zhì)較硬，應(yīng)耐心磨削，控制刀盤油壓和轉(zhuǎn)速，盾構(gòu)推進(jìn)速度控制在1 cm/min以內(nèi)為宜，刀盤轉(zhuǎn)速控制在1 r/min，推力≤20 000 kN，刀盤扭矩≤3 000 kN·m。在掘進(jìn)至TRD墻體時，應(yīng)添加膨潤土、改良泡沫劑等土體改良劑，以方便出土，同時提前打開仿形刀，確保盾構(gòu)殼體注漿管外殼能夠順利通過。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)刀盤中心靠上泡沫混凝土后，采用空艙掘進(jìn)的方式，推進(jìn)速度在1 cm/min以內(nèi)，以控制總推力為主，控制盾構(gòu)機(jī)推力≤10 000 kN，刀盤轉(zhuǎn)速為1 r/min，刀盤扭矩≤2 000 kN·m。同時，添加改良劑，確保出土正常。

5 穿越過程中運營地鐵變形分析

穿越過程中，通過在運營地鐵隧道中布設(shè)電子水平尺，實時監(jiān)控運營隧道變形狀況。圖3分別選擇運營地鐵高峰、平峰及列車停止運營3個階段的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

圖3 盾構(gòu)穿越運營隧道典型特征點變化曲線

當(dāng)?shù)侗P切入已運營地鐵隧道投影面時，顯示已運營地鐵隧道開始產(chǎn)生0～1.0 mm隆起，此時盾構(gòu)機(jī)土壓力設(shè)置為0.15 MPa。后根據(jù)現(xiàn)場實際，將土壓力回調(diào)至0.13 MPa，至切口完全脫離投影區(qū)時，已運營地鐵隧道累計最大產(chǎn)生3.0 mm隆起，當(dāng)盾尾經(jīng)過并進(jìn)行同步注漿后，隆起區(qū)域產(chǎn)生0.5～1.0 mm的少許回落。當(dāng)盾尾完全脫離已運營地鐵隧道投影區(qū)后，顯示已運營地鐵隧道產(chǎn)生明顯的回落，在穿越后1周，已運營地鐵隧道已產(chǎn)生1.0～2.0 mm沉降。在脫離已運營地鐵隧道投影區(qū)后，盾構(gòu)機(jī)土壓力回調(diào)至0.15 MPa，確保地面的沉降處于安全范圍。根據(jù)穿越期間的運營地鐵隧道的變形數(shù)據(jù)分析，始終未出現(xiàn)運營地鐵結(jié)構(gòu)變形報警現(xiàn)象。

6 結(jié)語

1）盾構(gòu)施工參數(shù)的選取是穿越成功與否的關(guān)鍵，事前通過理論計算確定地層損失率的控制指標(biāo)，同時結(jié)合試驗段的實測數(shù)據(jù)優(yōu)化調(diào)整土艙壓力、推進(jìn)速度、出土量等參數(shù)，對于合理指導(dǎo)盾構(gòu)推進(jìn)施工意義重大。

2）運營地鐵隧道周邊土體在其施工階段已進(jìn)行過不同程度的加固和處理，與試推階段的土體性質(zhì)仍有不同程度的差異。因此，在穿越過程中，應(yīng)及時分析運營地鐵隧道變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)反饋，隨時調(diào)整施工參數(shù)。

3）穿越后土體固結(jié)時間較長，必須長期觀測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，選擇合理的注漿參數(shù)進(jìn)行二次補(bǔ)償注漿。