盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿既有市政隧道施工案例簡(jiǎn)介

佰明虎

摘 要：隨著城市軌道交通建設(shè)的日益完善，規(guī)模逐漸的增大，盾構(gòu)施工遇到的困難種類也越來(lái)越多，在南京地區(qū)盾構(gòu)施工過(guò)程中已經(jīng)出現(xiàn)了下穿古城墻、下穿秦淮河、下穿既有高鐵運(yùn)營(yíng)線以及下穿市政隧道。本文就盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿既有市政隧道施工做一案例簡(jiǎn)介。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工;下穿;市政隧道

一、工程概況

（一）工程簡(jiǎn)介

邁皋橋站～曉莊站盾構(gòu)區(qū)間下穿現(xiàn)有市政緯一路隧道MW-13段，MW-13段長(zhǎng)43m，寬度約28.7m，高度約8m，兩端設(shè)變形縫，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為工法樁且型鋼已拔出，隧道底板下布置工程排樁，與區(qū)間西側(cè)6根基底樁的凈距為0.76～1.88m，與區(qū)間東側(cè)6根基底樁的凈距為0.75～0.94m。緯一路隧道底板與盾構(gòu)頂板凈距8m～8.5m，緯一路隧道下方盾構(gòu)穿越范圍內(nèi)預(yù)留既有坑底加固，加固寬度為23.7m，加固深度為緯一路隧道底板下8m左右。

（二）工程地質(zhì)、水文地質(zhì)

1、工程地質(zhì)

盾構(gòu)區(qū)間下穿緯一路隧道段為復(fù)合地層，區(qū)間中部及以上至緯一路隧道底板主要為④層可塑～硬塑粉質(zhì)黏土層，下部穿越地層為侏羅系象山群J1-2xn泥質(zhì)砂巖，巖面起伏較大。

2、水文地質(zhì)

區(qū)間地下水類型主要為松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水。潛水含水層為淺部填土層及②層粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土層中，主要受大氣降水及居民生活用水排放補(bǔ)給，水位動(dòng)態(tài)變化較大，水量較小，以蒸發(fā)的形式排泄?；鶐r裂隙水主要賦存在泥質(zhì)砂巖中，受周圍裂隙水補(bǔ)給，埋藏較深，逕流一般較滯緩，因受制于基巖節(jié)理裂隙的發(fā)育狀況，富水性差異較大。

二、設(shè)計(jì)方案及控制措施

（一）緯一路隧道保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)

考慮緯一路隧道運(yùn)營(yíng)期的變形，其沉降控制值采用9mm，隧道結(jié)構(gòu)上浮控制值為5mm;隧道差異沉降控制值為0.04%L。非加固區(qū)段地層損失率為0.8%，加固區(qū)段地層損失為0.5%。

（二）盾構(gòu)區(qū)間下穿緯一路隧道影響計(jì)算分析

1、 緯一路隧道抗浮驗(yàn)算

盾構(gòu)下穿緯一路隧道MW-13區(qū)段，該區(qū)段長(zhǎng)43m，寬28.7m，總共布置28根Φ800抗拔樁，樁長(zhǎng)17m。通過(guò)計(jì)算，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，緯一路隧道抗浮系數(shù)1.35>1.15滿足要求。

2、 Peck公式計(jì)算分析

依據(jù)派克（Peck）地層損失的概念和估算方法，當(dāng)?shù)貙訐p失率為0.8%時(shí)，單線貫通后地表最大沉降為0.24mm，雙線貫通后地表最大沉降為0.42mm;當(dāng)?shù)貙訐p失率為0.5%時(shí)，單線貫通后地表最大沉降為0.15mm，雙線貫通后地表最大沉降為0.26mm。兩種地層損失率，地表最大沉降均小于0.5mm，緯一路隧道的變形則更小，滿足沉降控制9mm的要求。

3、數(shù)值計(jì)算分析

利用巖土有限元軟件PLAXIS 3D建立三維有限元模型，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)工況進(jìn)行計(jì)算分析。取MW-13區(qū)段盾構(gòu)正上方的緯一路隧道底板變形值，計(jì)算得盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中盾構(gòu)正上方的底板隆起量最大達(dá)到0.26mm，最小隆起量為0.16mm，不超過(guò)5mm。底板豎向變形差異值為0.1mm，差異變形為0.005‰，不超過(guò)0.04%，變形較小。盾構(gòu)掘進(jìn)完成后，緯一路隧道底板沉降值最大為-1.07mm，沉降值最小為-1.0mm，底板豎向變形差異值為0.07mm，差異變形不超過(guò)0.005‰。并從模型中提取緯一路隧道斷面的彎矩值，根據(jù)隧道頂?shù)装宓呐浣?，反算出緯一路隧道頂?shù)装宓牧芽p均未超過(guò)0.2mm，滿足緯一路隧道工程裂縫寬度的要求。

（三）下穿緯一路隧道技術(shù)措施及建議

1、盾構(gòu)施工地層損失率控制

根據(jù)計(jì)算及類似工程經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)區(qū)間穿越緯一路隧道地層損失率需控制在0.5%以內(nèi)，以有效控制軌道交通施工對(duì)隧道的影響。

2、穿越段管片預(yù)留注漿孔

盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)合理調(diào)整施工參數(shù)，做好同步注漿和二次注漿，減小施工對(duì)隧道的影響。根據(jù)監(jiān)測(cè)必要時(shí)可進(jìn)行二次補(bǔ)充注漿，通過(guò)預(yù)留注漿孔對(duì)周邊土體進(jìn)行注漿加固以控制沉降與變形進(jìn)一步發(fā)展。

3、穿越段管片加強(qiáng)配筋

線路下方及兩側(cè)各20m范圍內(nèi)的鋼筋混凝土管片采用加強(qiáng)型配筋，穿越段管片采用8.8級(jí)螺栓進(jìn)行加強(qiáng)。

（四）盾構(gòu)施工參數(shù)控制要求及建議

1、為便于加強(qiáng)盾構(gòu)施工過(guò)程的風(fēng)險(xiǎn)安全管理，本區(qū)間盾構(gòu)穿越緯一路隧道段縱向控制區(qū)劃分為A、B區(qū)，A、B區(qū)之外為一般控制區(qū)。A區(qū)定義為盾構(gòu)穿越隧道前10環(huán)、盾構(gòu)穿越隧道后管片脫出盾尾10環(huán)和隧道本身寬度之和。B區(qū)定義為盾構(gòu)穿越隧道前10環(huán)到前20環(huán)間的范圍（12m）。盾構(gòu)進(jìn)入控制區(qū)B區(qū)前10環(huán)之前應(yīng)進(jìn)行盾構(gòu)檢查驗(yàn)收，而后方可進(jìn)行穿越控制區(qū)施工，穿越過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)應(yīng)避免停機(jī)。

2、為達(dá)到盾構(gòu)穿越隧道變形控制的要求，盾構(gòu)推進(jìn)施工過(guò)程控制是最重要的環(huán)節(jié)，應(yīng)在盾構(gòu)距離隧道20～100環(huán)范圍內(nèi)做試驗(yàn)段，采集相關(guān)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，作為穿越隧道段施工參數(shù)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

3、嚴(yán)格同步注漿及二次注漿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

4、盾構(gòu)設(shè)備要求

應(yīng)選用與工程地質(zhì)匹配的盾構(gòu)機(jī)型，盾構(gòu)機(jī)的性能應(yīng)滿足區(qū)間推進(jìn)施工長(zhǎng)度和線性要求，選擇對(duì)周圍環(huán)境影響小的機(jī)型，具體要求如下：

（1）盾構(gòu)機(jī)額定扭矩大于4000KN·m，額定推力大于3200t;（2）盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)為面板式或復(fù)合式。開(kāi)口率在28～43%;（3）具備超前注漿的功能（刀盤(pán)上布置有超前探測(cè)孔）;（4）螺旋輸送機(jī)有2道防水閘門(mén);（5）土艙內(nèi)有3個(gè)及以上的土壓計(jì);（6）刀盤(pán)上有4個(gè)及以上添加劑注入口;（7）盾尾密封3道及以上，密封刷質(zhì)量高（盾構(gòu)始發(fā)時(shí)全部更換為的密封刷）;（8）盾構(gòu)切削外徑與管片外徑之間的距離不宜過(guò)大;（9）如采用鉸接式盾構(gòu)，在鉸接處必須具有1MPa及以上防水能力;（10）各區(qū)域推進(jìn)千斤頂最大伸長(zhǎng)量相等。

5、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的控制技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

為達(dá)到盾構(gòu)穿越隧道變形控制的要求，盾構(gòu)推進(jìn)施工過(guò)程控制是最重要環(huán)節(jié)。土壓平衡盾構(gòu)施工的主要影響因素包括正面土體壓力、刀盤(pán)和土倉(cāng)壓力、排土量和掘進(jìn)速度、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速、千斤頂總推力、盾構(gòu)姿態(tài)等，過(guò)程控制是否合理的直接反映就是盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的緯一路隧道沉降和隆起，具體要求如下：

（1）盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)：盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)入穿越建筑物段前需對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行檢修，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前必須更換3道新的高質(zhì)量盾尾刷。（2）掘進(jìn)速度：盾構(gòu)應(yīng)勻速掘進(jìn)，2cm/min≤掘進(jìn)速度≤3 cm/min。（3）盾構(gòu)姿態(tài)控制：盾構(gòu)姿態(tài)應(yīng)控制盾首或盾尾的垂直及水平偏差絕對(duì)值在一定范圍之內(nèi)，同時(shí)需控制盾首和盾尾偏差絕對(duì)值之和。（4）盾尾油脂：盾尾油脂應(yīng)采用高質(zhì)量產(chǎn)品，用量為≥35kg/環(huán)。（5）渣土改良：采用泡沫劑對(duì)渣土進(jìn)行改良，并向土倉(cāng)及掌子面加適量水調(diào)整渣土的流動(dòng)性。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，泡沫劑原液與水的用量之比為1：35，發(fā)泡率為12～15，每環(huán)泡沫使用量一般為35L～40L，渣土改良效果較好。

（五）盾構(gòu)下穿緯一路廣場(chǎng)隧道監(jiān)測(cè)控制

1、 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

2、下穿緯一路廣場(chǎng)隧監(jiān)測(cè)報(bào)警值及監(jiān)測(cè)頻率

三、盾構(gòu)機(jī)選型

綜合考慮區(qū)間地層情況及穿越建筑物的安全性和可靠性，結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，本工程采用鉸接型土壓平衡盾構(gòu)——德國(guó)海瑞克。盾構(gòu)機(jī)總長(zhǎng)約80米，盾體總重量約520t，車架重量約145t，總配置功率1200kW;刀盤(pán)最大扭矩5215kN·m，刀盤(pán)轉(zhuǎn)速2.5轉(zhuǎn)/分鐘;最大推進(jìn)力為35180kN，最大掘進(jìn)速度可達(dá)80mm/分鐘，最小水平轉(zhuǎn)彎半徑300m。其具有以下特點(diǎn)：

（1）滿足以粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土層為主的土壓式平衡盾構(gòu)。（2）刀盤(pán)配備為復(fù)合刀盤(pán)，開(kāi)口率大（36%），強(qiáng)度高、剛性好，能適應(yīng)軟土地層中土壓平衡掘進(jìn)時(shí)扭矩、推力切削排土要求工況，同時(shí)配備6把周邊滾刀，滿足穿越巖層要求。（3）推進(jìn)油缸和鉸接油缸布置具備良好的糾偏和爬坡能力，保證在大坡度掘進(jìn)中的軸線控制。（4）具備高精度的盾構(gòu)機(jī)導(dǎo)向測(cè)量系統(tǒng)——VMT SLS-T APD自動(dòng)定位隧道導(dǎo)向系統(tǒng)，以保證線路方向的準(zhǔn)確。（5）具有良好的泡沫和添加劑注入系統(tǒng)，用于開(kāi)挖面、土倉(cāng)及螺旋機(jī)中土體的改良。（6）具備人員和材料進(jìn)出用的氣壓人行閘，并且配有土倉(cāng)自動(dòng)調(diào)壓裝置，以適應(yīng)軟弱圍巖掘進(jìn)的要求。（7）盾構(gòu)機(jī)主機(jī)的密封裝置在壓力狀態(tài)下具有良好的防水功能。（8）盾構(gòu)機(jī)有防噴涌措施的設(shè)計(jì)。（9）由于盾構(gòu)施工是在盾體內(nèi)及土壓平衡的力學(xué)穩(wěn)定條件下施工，盾體的剛度必須有足夠的土壓及水壓承載能力。

四、盾構(gòu)下穿緯一路緯一路廣場(chǎng)隧道施工控制與管理

（一） 試驗(yàn)段選取及目的

根據(jù)穿越段地層情況，選取地層相似的前20環(huán)～100環(huán)作為本次下穿緯一路緯一路隧道廣場(chǎng)試驗(yàn)段，以便收集數(shù)據(jù)，調(diào)整盾構(gòu)機(jī)參數(shù)。

試驗(yàn)段施工過(guò)程中，主要以控制地面及建筑物沉降變形為目標(biāo)，從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了試驗(yàn)研究：

（1）研究粉質(zhì)黏土層、強(qiáng)風(fēng)化泥巖地層盾構(gòu)正常掘進(jìn)引起的隆起和沉降變形特征;（2）研究掘進(jìn)參數(shù)對(duì)地表隆起和沉降變形的影響;（3）摸索盾構(gòu)機(jī)在該地質(zhì)條件盾構(gòu)姿態(tài)和管片拼裝變化規(guī)律;（4）摸索適合于該地質(zhì)條件的同步注漿（砂漿）配合比;（5）研究砂漿的注入?yún)?shù)對(duì)隆起和沉降的影響;（6）研究二次注漿對(duì)地表隆起和沉降變形的影響;（7）研究盾構(gòu)機(jī)穿越已有隧道的技術(shù)控制措施;（8）統(tǒng)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)與地表沉降相應(yīng)關(guān)系，控制地層損失率在0.5%以內(nèi)。

通過(guò)試驗(yàn)段內(nèi)地表沉降及地表建（構(gòu)）物監(jiān)測(cè)情況，及時(shí)優(yōu)化施工參數(shù)，為正式下穿提供可靠依據(jù)。

（二）盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)定與調(diào)整

參考試驗(yàn)段掘進(jìn)參數(shù)，根據(jù)以往施工經(jīng)驗(yàn)擬定出盾構(gòu)下穿緯一路緯一路廣場(chǎng)隧道段施工參數(shù)控制，如下：

1、掘進(jìn)控制

（1）推進(jìn)速度：勻速推進(jìn)，推進(jìn)速度控制在20～30mm/min。每班平均推進(jìn)3環(huán)，日進(jìn)度控制在6環(huán)，保持平穩(wěn)推進(jìn)。（2）土倉(cāng)壓力：1#：1.0～1.2bar，2#、3#：1.4～1.6bar，4#、5#：1.8～2.0bar。（3）推力、扭矩：推力控制在13000～15000KN即1300T～1500T，扭矩控制在2000KN·m以下。（4）刀盤(pán)轉(zhuǎn)速：控制在1.0～1.2rpm。（5）盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)：穿越段處于直線上，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)水平姿態(tài)-5～+5，水平趨向控制在0～+1，垂直姿態(tài)-10～-20，垂直趨向控制在0～+2。（6）管片拼裝：根據(jù)管片排環(huán)表，注意沿線管片分布情況，選擇管片型號(hào)。（7）同步注漿：穿越段采用硬性漿，注漿壓力控制在3～4bar，注漿量保證每環(huán)實(shí)際不少于5.0m3?？筛鶕?jù)盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行情況和地表監(jiān)測(cè)情況，對(duì)注漿參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。（8）盾尾油脂：盾尾油脂注漿泵壓力控制在20～22bar左右，每環(huán)均勻注入，每環(huán)注入量保證不小于40kg（每桶油脂注入5～6環(huán)）。（9）渣土改良：根據(jù)掘進(jìn)情況，采用泡沫劑改良：泡沫劑原液與水的用量之比為1：35，發(fā)泡率為12～15，每環(huán)泡沫使用量一般為35L～40L。（10）出土量控制，推進(jìn)單環(huán)理論出土量控制在4～6m3。（11）加強(qiáng)盾構(gòu)司機(jī)、技術(shù)員、拼裝手交流和配合，能更好控制盾構(gòu)姿態(tài)，確保盾尾間隙和管片拼裝質(zhì)量。

2、二次補(bǔ)漿

根據(jù)地表沉降及管片姿態(tài)情況，在進(jìn)穿越段前十環(huán)和出穿越段后十環(huán)的位置注雙液漿環(huán)箍，每處注漿量4～5m3，注漿壓力控制在5～6bar，以注漿壓力為主要控制條件，以隔斷管片外壁過(guò)水通道，減少穿越段漿液流失。

在下穿段內(nèi)，根據(jù)地表及建筑物監(jiān)測(cè)情況，針對(duì)性注入單液漿，注漿壓力控制在2～3bar，主要在管片上部180°范圍內(nèi)開(kāi)孔。

下穿段參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)段掘進(jìn)監(jiān)測(cè)情況，適當(dāng)優(yōu)化。

（三）盾構(gòu)穿越緯一路緯一路廣場(chǎng)隧道施工管理

（1）盾構(gòu)工程師跟班作業(yè)，緊盯現(xiàn)場(chǎng)。對(duì)各班組進(jìn)行嚴(yán)格管理，對(duì)施工各工序進(jìn)行質(zhì)監(jiān)督。（2）每日由盾構(gòu)工程師下達(dá)技術(shù)指令，班組嚴(yán)格按照技術(shù)指令設(shè)定的參數(shù)和要求進(jìn)行施工。（3）由盾構(gòu)工程師牽頭，利用交班時(shí)間與掘進(jìn)班長(zhǎng)、拼裝班長(zhǎng)就前一班施工中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行討論并得出解決方案，確保思想統(tǒng)一，推進(jìn)、拼裝方法協(xié)調(diào)一致。（4）盾構(gòu)工程師每環(huán)對(duì)推進(jìn)千斤頂油缸、盾尾間隙、超前量進(jìn)行量測(cè)，根據(jù)量測(cè)結(jié)果與盾構(gòu)姿態(tài)結(jié)合分析和比對(duì)，指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)司機(jī)推進(jìn)。（5）盾構(gòu)工程師要根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，確保推進(jìn)系統(tǒng)的合理性。（6）測(cè)量人員定期對(duì)已成型隧道軸線進(jìn)行復(fù)測(cè)，同時(shí)對(duì)盾構(gòu)機(jī)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行校核，確保盾構(gòu)測(cè)量系統(tǒng)工作正常。

五、結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)下穿市政既有隧道，施工難度大，影響因素多，在嚴(yán)格控制施工管理的同時(shí)，也要制定并完善施工時(shí)的安全保證措施，盡最大的努力，保證施工順暢、人員安全，既有隧道受影響程度最小。

作者簡(jiǎn)介：柏明虎，男，漢族，江蘇南京人，南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師。