已建地下通道結(jié)構(gòu)下方小間距十字疊交穿越大直徑原水管施工技術(shù)

王傳富

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

1 工程概況

上海軌交14號(hào)線浦東大道站—源深路站區(qū)間自源深路站西端頭井盾構(gòu)始發(fā)后約100 m，涉及小間距施工，上、下行線結(jié)構(gòu)間凈距僅為2.6～3.3 m。

在小間距施工的同時(shí)，上、下行線還需穿越DN3 000原水鋼管（圖1）。該原水鋼管為黃浦江上游引水管，主要供應(yīng)楊樹浦水廠的長(zhǎng)江上游原水，于1985年埋設(shè)。

圖1 原水管平面位置

該原水管位于東西通道下方，管道沿源深路南北走向，在位于浦東大道與源深路路口，與區(qū)間隧道相交。管頂標(biāo)高－6.5 m，距東西通道底部約2.6 m，管底標(biāo)高－9.5 m，距本區(qū)間隧道頂部?jī)艟嗉s3.1 m（圖2）。

圖2 原水管豎向位置

考慮到地鐵盾構(gòu)施工的影響，在東西通道建設(shè)施工時(shí)，對(duì)該原水管四周土體進(jìn)行MJS加固，原水管頂部MJS加固至－5.5 m，原水管兩側(cè)MJS加固加深到盾構(gòu)區(qū)間下方3 m，至－22.251 m。

2 難點(diǎn)分析

1）在東西通道建設(shè)施工時(shí)，對(duì)穿越段原水管區(qū)域進(jìn)行MJS加固，已造成擾動(dòng)，區(qū)間隧道上、下行線掘進(jìn)將對(duì)DN3 000原水鋼管進(jìn)行二次擾動(dòng)，增加了穿越的風(fēng)險(xiǎn)。

2）在東西通道建設(shè)施工時(shí)，對(duì)原水管四周土體進(jìn)行MJS加固，至盾構(gòu)推進(jìn)，原水管MJS加固時(shí)間達(dá)到2 a之久?；炷翉?qiáng)度較大，刀盤長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)切削加固土，存在盾構(gòu)機(jī)刀盤卡死、刀具損壞以及設(shè)備故障等情況，嚴(yán)重時(shí)可能造成盾構(gòu)機(jī)中心回轉(zhuǎn)系統(tǒng)故障，給盾構(gòu)推進(jìn)帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。

3）區(qū)間隧道穿越涉及土層為④淤泥質(zhì)黏土、⑤1黏土，在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)土體結(jié)構(gòu)極易破壞，同時(shí)會(huì)有一定的回彈變形，易造成隧道掘進(jìn)開挖面失穩(wěn)，引起地面沉降，施工時(shí)應(yīng)控制推進(jìn)速度，避免較大擾動(dòng)。

4）本工程隧道施工時(shí)，原水管應(yīng)正常供水，不能中斷，施工對(duì)原水管不能產(chǎn)生影響。雖然先期施工的隧道與后期施工的隧道有一定的間隔時(shí)間，土體有所穩(wěn)定，但由于施工時(shí)先后擾動(dòng)土體，特別是后期施工的隧道對(duì)先期完成的隧道會(huì)產(chǎn)生一定的影響，本隧道平行于東西通道施工，影響范圍較大，所以穿越難度相當(dāng)大。

5）已建東西通道及原水管下方盾構(gòu)小間距施工。本工程浦東大道站—源深路站區(qū)間源深路站西端頭井盾構(gòu)始發(fā)后約100 m涉及盾構(gòu)小間距施工，上、下行線的最小凈距僅為0.3倍的盾構(gòu)直徑，后施工隧道會(huì)引起先行隧道附加沉降，或隆起量過(guò)大，造成東西通道結(jié)構(gòu)發(fā)生變形。同時(shí)后施工盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程對(duì)先施工隧道的擠壓會(huì)影響先施工隧道的軸線，造成先施工隧道管片碎裂或滲漏，嚴(yán)重時(shí)將直接造成先施工隧道的變形。

3 東西通道下小間距施工技術(shù)研究

3.1 預(yù)隔離措施

浦東大道站—源深路站區(qū)間源深路站西端頭井盾構(gòu)始發(fā)后約100 m涉及盾構(gòu)小間距施工，在東西通道圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，于上、下行線隧道中間打設(shè)1排隔離樁，隔離樁采用φ600 mm@800 mm鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)13 m，與區(qū)間隧道最小凈距1 m，并采用φ600 mm@400 mm的高壓旋噴樁于鉆孔灌注樁間進(jìn)行補(bǔ)充。

3.2 施工技術(shù)措施

1）區(qū)間下行線先始發(fā)，下行線隧道推進(jìn)時(shí)盾構(gòu)軸線向上行線隧道方向適當(dāng)偏移，以避免因上行線隧道施工對(duì)下行線隧道的軸線擠壓效應(yīng)而產(chǎn)生的軸線偏差。

2）上行線隧道盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，對(duì)下行線隧道進(jìn)行全天候監(jiān)測(cè)，做好結(jié)構(gòu)變形、沉降的監(jiān)測(cè)、保護(hù)工作，并做好結(jié)構(gòu)異常情況下的補(bǔ)注漿、預(yù)應(yīng)力支撐等應(yīng)急預(yù)案。

3）上行線隧道盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)需降低推進(jìn)速度，嚴(yán)格控制盾構(gòu)方向，減少糾偏，特別是杜絕大幅度糾偏，保證盾構(gòu)機(jī)的平穩(wěn)穿越。

4）下行線隧道掘進(jìn)完成后，在涉及小間距段，于靠近上行線隧道管片半環(huán)范圍內(nèi)進(jìn)行壁后注漿，形成阻隔。

5）在上行線隧道掘進(jìn)前，對(duì)下行線隧道進(jìn)行定期的管片復(fù)緊。

6）待上行隧道盾構(gòu)開始掘進(jìn)后，對(duì)下行線隧道進(jìn)行定期的收斂及沉降監(jiān)測(cè)。

4 東西通道下方十字疊交穿越原水管分階段控制

4.1 分階段控制劃分

將盾構(gòu)穿越前后劃分為5個(gè)施工控制階段，即8～48 m范圍模擬段（Ⅰ區(qū)）、8 m影響范圍穿越段（Ⅱ區(qū)）、重疊段（Ⅲ區(qū)）、8 m影響范圍穿越段（Ⅳ區(qū)）和8～48 m范圍控制段（Ⅴ區(qū)），如圖3所示。

圖3 區(qū)間盾構(gòu)穿越原水管施工控制階段劃分

4.2 土壓力分階段控制技術(shù)

盾構(gòu)掘進(jìn)正面土壓力的設(shè)定，一般根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)的原理，土倉(cāng)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(duì)土層的擾動(dòng)。本區(qū)間穿越段主要位于黏土中，故理論土壓力按水土合算計(jì)算。各層土質(zhì)參數(shù)選取如表1所示。

表1 土壓力設(shè)定

4.3 推進(jìn)速度控制

結(jié)合盾構(gòu)機(jī)推力、區(qū)域壓力及刀盤扭矩等盾構(gòu)各項(xiàng)參數(shù)控制合理的推進(jìn)速度，使盾構(gòu)勻速、慢速施工，減少盾構(gòu)對(duì)土體的擾動(dòng)，達(dá)到控制地面變形的目的。

根據(jù)分階段控制區(qū)的劃分，嚴(yán)格控制合理的推進(jìn)速度，具體如下：

1）模擬段盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在20 mm/min以內(nèi)。

2）8 m影響范圍穿越段的盾構(gòu)掘進(jìn)施工速度控制在15 mm/min以內(nèi)。

3）重疊段的盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在10 mm/min以內(nèi)。

4）穿越后控制段的盾構(gòu)掘進(jìn)施工速度控制在20 mm/min以內(nèi)。

在穿越區(qū)施工過(guò)程中，盡量保持盾構(gòu)掘進(jìn)速度穩(wěn)定，確保盾構(gòu)均衡、勻速地穿越，減少對(duì)周邊土體的擾動(dòng)，以免對(duì)原水管結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響。

4.4 刀盤扭矩控制

因原水管MJS加固時(shí)間較長(zhǎng)，混凝土強(qiáng)度較大，盾構(gòu)機(jī)刀盤長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)切削加固土存在卡死風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重時(shí)可能造成盾構(gòu)機(jī)中心回轉(zhuǎn)系統(tǒng)故障，給盾構(gòu)機(jī)造成不可逆轉(zhuǎn)的損壞。因此，在推進(jìn)過(guò)程中，刀盤扭矩控制在最大扭矩的40%以內(nèi)，超過(guò)設(shè)定值時(shí)停止推進(jìn)，僅保持刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)繼續(xù)切削，待扭矩降低后再恢復(fù)推進(jìn)。

4.5 同步注漿控制

盾構(gòu)注漿采用盾尾同步注漿，隨著盾構(gòu)推進(jìn)，脫出盾尾的管片與土體間出現(xiàn)“建筑空隙”（理論建筑空隙為2.014 m3/環(huán)），用漿液通過(guò)設(shè)在盾尾的壓漿管予以充填。壓入襯砌背面的漿液會(huì)發(fā)生收縮，因此實(shí)際注漿量要超過(guò)理論建筑空隙體積。但過(guò)量壓注也會(huì)引起地表局部隆起和跑漿。因此除控制壓漿量外，還需控制注漿壓力。在壓注時(shí)要根據(jù)施工情況、地質(zhì)情況兼顧壓漿數(shù)量和壓漿壓力。壓漿速度和掘進(jìn)保持同步，即在盾構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí)進(jìn)行注漿，掘進(jìn)停止后，注漿也相應(yīng)停止。

1）同步注漿量。同步注漿每環(huán)壓入量一般控制在“建筑空隙”的130%，即2.62 m3/環(huán)。注漿量應(yīng)根據(jù)地面沉降及房屋監(jiān)測(cè)情況即時(shí)調(diào)整，并將漿液坍落度控制在

12～16 cm。

2）注漿壓力。為保證漿體較好地滲入周圍土體，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(yàn)可取為1.1～1.2倍的靜止土壓力，注漿壓力為0.3 MPa左右。注漿壓力應(yīng)略大于各注漿點(diǎn)位置的靜止水土壓力。由于注漿是從盾尾圓周上的幾個(gè)點(diǎn)同時(shí)進(jìn)行的，故上部每孔的壓力應(yīng)比下部每孔的壓力略小0.05～0.10 MPa。

4.6 分階段穿越各區(qū)控制要點(diǎn)

由4.1節(jié)可知，根據(jù)盾構(gòu)在東西通道下十字疊交穿越原水管的工況特點(diǎn)，將盾構(gòu)穿越前后劃分為5個(gè)區(qū)，分階段制定控制措施，盡可能減少對(duì)原水管的擾動(dòng)，確保原水管的安全。

4.6.1 Ⅰ區(qū)（8～48 m范圍模擬段）

此處斷面位于第⑤1灰色黏土層，推進(jìn)過(guò)程中，要精確控制同步注漿以及盾尾油脂，同時(shí)盾構(gòu)開始推進(jìn)后，采用進(jìn)口盾尾油脂壓住，確保盾尾不漏漿。推進(jìn)過(guò)程中理論土壓力設(shè)定為0.24 MPa，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況，控制盾構(gòu)機(jī)切口土體微量隆起。推進(jìn)時(shí)加強(qiáng)注漿工序的管理，根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋的情況實(shí)時(shí)調(diào)整注漿量和注漿壓力，注漿應(yīng)充填充足，使盾尾后部地表微微隆起1 mm。此段掘進(jìn)時(shí)，平曲線為緩和曲線、豎曲線為半徑3 m的圓曲線，提前進(jìn)行盾構(gòu)糾偏，控制管片及盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，使盾構(gòu)機(jī)以最佳的姿態(tài)進(jìn)入原水管8 m影響范圍穿越段。此階段重點(diǎn)控制土壓力設(shè)定值及其波動(dòng)，根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋的情況實(shí)時(shí)調(diào)整土壓力，為之后進(jìn)入原水管8 m影響范圍穿越段提供參數(shù)指導(dǎo)。

4.6.2 Ⅱ區(qū)（8 m影響范圍穿越段）

此處斷面仍位于第⑤1灰色黏土層，理論土壓力仍設(shè)定為0.24 MPa，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況適時(shí)調(diào)整土壓力，使原水管保持隆起2 mm。推進(jìn)40～60 cm，停頓10～20 min，進(jìn)行應(yīng)力釋放，然后再繼續(xù)推進(jìn)。

4.6.3 Ⅲ區(qū)（重疊段）

此處斷面仍位于第⑤1灰色黏土層，因原東西通道結(jié)構(gòu)施工時(shí)，曾對(duì)原水管四周土體進(jìn)行MJS加固，故應(yīng)結(jié)合盾構(gòu)進(jìn)出洞施工工況進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)。進(jìn)入MJS加固區(qū)時(shí)，逐步降低土壓力，至原水管正下方時(shí)設(shè)定理論土壓力為0.20 MPa，并及時(shí)根據(jù)監(jiān)測(cè)情況適時(shí)調(diào)整土壓力。使原水管保持隆起2～3 mm。推進(jìn)40～60 cm，停頓10～20 min，進(jìn)行應(yīng)力釋放，然后再繼續(xù)推進(jìn)。

4.6.4 Ⅳ區(qū)（8 m影響范圍穿越段）

此處斷面仍位于第⑤1灰色黏土層，施工設(shè)定理論土壓力為0.25 MPa，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況適時(shí)調(diào)整土壓力。控制原水管保持隆起2 mm。推進(jìn)40～60 cm，停頓10～20 min，進(jìn)行應(yīng)力釋放，然后再繼續(xù)推進(jìn)。推進(jìn)過(guò)程中嚴(yán)格保持開挖面的土壓平衡，減少對(duì)土體的擾動(dòng)。不得超挖或欠挖，防止過(guò)大的糾偏。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)，調(diào)整同步注漿壓力、土壓力及出土量，確保盾構(gòu)機(jī)能平穩(wěn)穿越相應(yīng)區(qū)段。

4.6.5 Ⅴ區(qū)（8～48 m范圍控制段）

此處斷面仍位于第⑤1灰色黏土層，施工設(shè)定理論土壓力為0.25 MPa，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況適時(shí)調(diào)整土壓力。此段施工時(shí)重點(diǎn)控制注漿工序，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況調(diào)整同步注漿壓力及注漿量。

5 施工監(jiān)測(cè)

進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和信息化施工，保證土體沉降能在第一時(shí)間內(nèi)得到控制。為此，在盾構(gòu)出洞、穿越及進(jìn)洞期間，應(yīng)立即將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)報(bào)告給盾構(gòu)總控制臺(tái)，以便于施工技術(shù)人員及時(shí)了解施工現(xiàn)狀和相應(yīng)區(qū)域土體變形情況，確定新的施工參數(shù)和注漿量等信息和指令，并將其傳遞給盾構(gòu)推進(jìn)面，使推進(jìn)施工面及時(shí)做好相應(yīng)調(diào)整，最后通過(guò)監(jiān)測(cè)確定效果，從而反復(fù)循環(huán)、驗(yàn)證、完善，確保隧道施工質(zhì)量。

5.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

原水管垂直位移、原水管外側(cè)土體分層沉降、原水管外側(cè)深層土體側(cè)向位移、潛水水位、東西通道結(jié)構(gòu)沉降。

5.2 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

1）原水管垂直位移監(jiān)測(cè)。東西通道結(jié)構(gòu)外部沿原水管走向布設(shè)，測(cè)點(diǎn)間距10 m，共計(jì)設(shè)置8個(gè)點(diǎn)（圖4）。

圖4 原水管垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

2）土體分層沉降監(jiān)測(cè)。在源深路站始發(fā)井與原水管之間，靠近原水管2 m位置布設(shè)1排監(jiān)測(cè)孔，布點(diǎn)間距約為10 m，東西通道結(jié)構(gòu)內(nèi)區(qū)域布設(shè)4個(gè)孔，在通道結(jié)構(gòu)外布設(shè)2個(gè)孔，共計(jì)設(shè)置6個(gè)分層沉降孔，每個(gè)分層沉降孔安裝3個(gè)沉降標(biāo)（圖5）。

圖5 土體分層沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

3）土體深層側(cè)向位移（測(cè)斜）布設(shè)。在源深路站始發(fā)井與原水管之間，東西通道結(jié)構(gòu)區(qū)域設(shè)置2個(gè)孔，通道結(jié)構(gòu)外側(cè)設(shè)置2個(gè)孔，共計(jì)4個(gè)孔（圖6）。

圖6 土體測(cè)斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

4）潛水水位監(jiān)測(cè)。在東西通道基坑外南北側(cè)各設(shè)置1個(gè)潛水水位監(jiān)測(cè)孔，測(cè)點(diǎn)與原水管的水平距離為2～3 m（圖7）。

圖7 坑外水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

5）監(jiān)測(cè)報(bào)警值。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，盾構(gòu)穿越東西通道結(jié)構(gòu)沉降需要滿足變化速率小于3 mm/d，累計(jì)值小于5 mm的要求，原水管土體測(cè)斜、分層沉降、原水管豎向位移累計(jì)值應(yīng)小于10 mm。

6 施工效果分析

本工程通過(guò)浦東大道站—源深路站區(qū)間盾構(gòu)在東西通道結(jié)構(gòu)下方小間距十字疊交穿越大口徑市政管線的特殊工況，結(jié)合東西通道結(jié)構(gòu)與原水管對(duì)盾構(gòu)機(jī)的影響、盾構(gòu)小間距推進(jìn)對(duì)原水管及東西通道二次擾動(dòng)的影響，通過(guò)預(yù)隔離加固及同步盾構(gòu)推進(jìn)施工技術(shù)措施將小間距施工對(duì)上方穿越構(gòu)建筑物的影響降到最低。同時(shí)通過(guò)分階段控制技術(shù)，對(duì)土壓力、推進(jìn)速度、刀盤扭矩、同步注漿等施工流程細(xì)化，形成完整的施工工藝。

經(jīng)實(shí)施，本工程最終的小間距段軸線偏差控制在設(shè)計(jì)要求范圍內(nèi)，東西通道累計(jì)沉降控制在5 mm內(nèi)，原水管土體測(cè)斜、分層沉降、豎向位移等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)控制在5.5 mm內(nèi)，各監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均符合設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，穿越取得了圓滿成功，為后續(xù)類似工程提供了經(jīng)驗(yàn)和理論依據(jù)。