复合式TBM重叠隧道施工控制技术研究

熊海涛

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉　430063)



复合式TBM重叠隧道施工控制技术研究

熊海涛

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉430063)

摘要：以重庆轨道交通5号线冉家坝站—大龙山站区间及大龙山站—大石坝站区间为背景，针对2条重叠小净距隧道的特点，重点阐述注浆加固、下层隧道同步支撑台车、上层隧道复合式TBM重叠段掘进控制等施工技术在隧道施工中的应用，对城市轨道交通类似工程提供参考。

关键词：轨道交通；复合式TBM；重叠隧道；支撑台车

重叠隧道指一条地铁线路在另一条地铁线路的上方或水平距离很近，隧道上下之间的净距2 m左右，这在地铁建设中普遍存在，如深圳地铁一期罗—国—老—大区间[1-6]，广州地铁5号线沙—凤区间[7]、上海明珠线近距离重叠隧道[8]，武汉地铁2号线洪中区间[6]等。重叠隧道施工中容易造成地面沉降超限，引起地面建构筑物破坏、地面交通中断等，如何在顺利修建新的隧道的同时确保既有隧道结构的稳定和安全，成为需要解决的技术问题。根据实践经验，我国重叠隧道盾构法施工多采用下层隧道先掘进、上层隧道后掘进的施工顺序。重庆轨道交通5号线冉家坝站—大龙山站区间、大龙山站—大石坝站区间为复合式TBM[10-12，15]掘进区间，部分区间为重叠隧道，也采用该施工顺序。

1工程概况

(1)冉家坝站—大龙山站区间

区间呈南北方向布置，从冉家坝大里程端向南行进，沿龙山大道地下敷设，横穿旗龙路后接入大龙山车站。区间左线长486.66 m，右线长度486.954 m，区间隧道在YDK21+606.002～YDK21+785.175(ZDK21+605.615～ZDK21+785.175)左右线水平距离为0～3 m，竖向距离为0.6～1.5 m，结构距离较小。如图1、图2所示。

图1　左、右线隧道水平净距3 m时剖面(单位：m)

图2　左、右线隧道重叠时剖面(单位：m)

(2)大龙山站—大石坝站区间

区间线路从大龙山出站后，沿着龙山大道、下穿松石路、龙脊小区、芳草地自由港小区，至盘溪河，隧道起点和隧道出口段位于直线上，区间隧道在YDK22+022.224～YDK22+922.05左右线水平距离为0～3 m，竖向距离为0.6～1.5 m，结构距离较小。

(3)隧道衬砌采用预制钢筋混凝土管片，管片内径5.9 m、外径6.6 m，管片厚度0.35 m，环宽1.5 m，采用错缝拼装，每环管片由3块标准块+2块邻接块+1块封顶块组成，每环采用10根纵向、12根环向M27螺栓连接。隧道防水采用混凝土自防水(C50P12)+三元乙丙橡胶橡胶止水带防水。

2重叠段复合式TBM掘进总体施工方案

重叠隧道施工是本工程施工控制的重难点，主要分为重叠段下层隧道管片背部二次注浆、重叠段复合式TBM掘进、同步支撑作业3个方面。

由于复合式TBM区间上下层隧道净间距小，复合式TBM推进过程中因地层被扰动、荷载增加等原因对下层隧道有一定的影响，另外因下层隧道掘进过程中同步注浆回填不密实，为了避免上层隧道复合式TBM施工出现安全风险，需对重叠段下层隧道管片背部进行二次注浆回填。重叠隧道复合式TBM掘进及管片背部二次注浆按照如下步骤进行。

图3　支撑台架系统(单位：mm)

第一步：注浆设备以及注浆材料的准备

下层隧道重叠段管片背后回填注浆(拱顶浆液固结收缩不密实段)，下层隧道管片背部二次注浆投入1台注浆机，采用电瓶车辅助移动，注浆采用普通注浆机，注浆过程中对其管片结构进行监测，为保证先行掘进的下行隧道注浆质量，管片每5环利用管片吊装孔在管片背部压注环氧树脂，使隧道掘进形成节段。

第二步：支撑台车、支撑台架加工及现场组装

投入1台支撑台车，共22.7 m，支撑台车对下行隧道进行全范围支撑，支撑台架按照1 500 mm/榀对管片与管片连接处进行支撑，支撑设备超前复合式TBM刀盘直径不小于6 m。复合式TBM掘进前须将第一段支撑系统安装完成。

第三步：重叠隧道复合式TBM掘进

复合式TBM掘进施工参数及控制措施根据试掘进阶段的施工数据，并及时通过监测数据反馈来制定TBM施工参数，特别是复合式TBM的平衡压力，严格控制好土体沉降、隧道轴线和成环质量等。

3下层隧道重叠段复合式TBM掘进施工技术

重叠隧道采用先下后上的施工顺序，上层隧道复合式TBM掘进施工过程中，受复合式TBM机自重及振动等的作用下，下层隧道结构受力复杂，为有效降低上层施工对下层已建成隧道结构的影响，在上洞复合式TBM机工作面前后一定范围内对应的下洞隧道结构内架设临时内支撑系统(同步支撑台车)。

根据施工情况，支撑台车支撑范围为22.7 m，台车自身配置电机、液压系统、穿行轨道等可实现自行移动，移动速度6.7 m/min，移动期间可持续提供支撑力。

(1)下层隧道支撑施工技术

下层隧道支撑台车是对管片结构进行辅助受力，降低上层隧道施工对下行已经成型隧道管片结构的影响。而管片受力容易变形位置主要为螺栓连接处，针对连接位置，本工程采用同步支撑台车实现，同步支撑台车是全范围支撑，并通过支撑模板、支撑伸缩系统、支撑控制系统实现自身行走而向前持续提供支撑力。

(2)同步支撑台车支撑施工

支撑台架系统主要由主架、支撑模板、液压系统、行走系统、下部模板吊装系统等部分组成，如图3所示。

(3)支撑台车组装

第一步：按照台架轨距2 400 mm在隧道既有轨两侧纵向间距1 500 mm布置枕木，并安装43 kg/m钢轨，用丝杆将枕木支撑好。

第二步：同步支撑台架主架安装就绪，在利用升降油缸、边模油缸、底模油缸将第一组模板安装就位，然后利用丝杆对支撑模板进行局部调整，让支撑模板和混凝土管片尽量贴合，并预加一定外力，保证该组5环支撑模板，每环支撑模板(5块)与底部枕木(2块)自身形成一个封闭的整环，从而对混凝土管片进行保护。组装完成后的正视图如图4所示。

图4 　组装正视(单位：mm)

第三步：上部隧道复合式TBM掘进至第二组模板上方位置时，操作液压系统，将主架和第三组支撑模板分离，由主架行走系统驱动，主架向隧道后端移动至第一组模板支撑位置，拆除第一组支撑模板上丝杆，利用主架在升降油缸、边模油缸、电动葫芦等作用下将第一组模板脱模，向隧道中心线方向收回至最小状态。如图5所示。

图5　模板收回状态(单位：mm)

第四步：第一组模板收模完成后，在第三组模板前端提前铺设好枕木和钢轨，操作主架行走系统，驱动主架和第一组模板穿过第二、三组模板，主架移动至第四组模板位置，利用升降油缸、边模油缸、底模油缸将第一组模板安装就位让支撑模板和混凝土管片尽量贴合，并预加一定外力，保证该组5环支撑模板，每环支撑模板(5块)与底部枕木(2块)自身形成一个封闭的整环。

第五步：待复合式TBM继续掘进至下一支撑循环时，重复第二、三、四步，让支撑模板交替向前。

4上层隧道重叠段复合式TBM掘进施工技术

4.1掘进施工准备

(1)施工前对区间重叠段里程进行复核，确保起始里程与设计要求里程一致。

(2)建立动态信息传递系统，提前在下层隧道管片布设监控量测点。

(3)掘进施工前重叠段下层隧道管片背部二次注浆施工完成。

(4)掘进施工前同步支撑台车进场并安装、加固到位。

(5)作业班组人员、设备操作手必须进行相关培训，维修保养人员到位。

(6)其他影响复合式TBM掘进施工材料、下层隧道支撑施工材料报审。

4.2掘进施工关键措施

(1)小净距隧道施工的相互影响[11]

①后续TBM的推进对先行隧道的挤压和松动效应；

②后续TBM的盾尾通过对先行隧道的松动效应；

③后续TBM的壁厚注浆对先行隧道的挤压效应；

④先行TBM引起的地层松弛而引起后续TBM的偏移等，伴随以上效应会发生管片变形、接头螺栓变形、断裂、漏水、地表下沉等现象，因此掘进施工的控制尤其关键。根据试掘进经验总结，摸索出一套完整的掘进参数控制。详见表1。

表1　复合式TBM砂质泥岩掘进参数

(2)复合式TBM掘进姿态控制

由于在砂质泥岩地层和坡度变化以及操作等因素的影响，复合式TBM推进不可能完全按照设计的隧洞轴线前进，而会产生一定的偏差。当这种偏差超过一定限界时就会使隧洞衬砌侵限、盾尾间隙变小使管片局部受力恶化，因此复合式TBM施工中必须采取有效技术措施控制掘进方向，及时有效纠正掘进偏差[10]。

①复合式TBM掘进方向控制

采用全自动导向系统和人工测量辅助进行复合式TBM姿态监测。该系统配置了导向、自动定位、掘进程序软件和显示器等，能够全天候在复合式TBM机主控室动态显示复合式TBM机当前位置与隧道设计轴线的偏差以及趋势。据此调整控制复合式TBM机掘进方向，使其始终保持在允许的偏差范围内。

随着复合式TBM推进导向系统后视基准点需要前移，必须通过人工测量来进行精确定位。为保证推进方向的准确可靠，进行人工测量(直线段不大于100 m/次，曲线段不大于50 m/次)，以校核自动导向系统的测量数据并复核复合式TBM机的位置、姿态，确保复合式TBM掘进方向的正确。

②复合式TBM掘进姿态调整与纠偏

复合式TBM机在每环推进的过程中，尽量将复合式TBM机姿态变化控制在±10 mm以内；掘进过程中复合式TBM机的方向偏差应控制在±20 mm以内；在缓和曲线段及圆曲线段，复合式TBM机的方向偏差控制在±30 mm以内，一般情况下，复合式TBM机应在曲线内侧。

(3)注浆量控制

由于掘进过程对土体的扰动的增加，在推进时必须严格控制同步注浆量。适当提高注浆量，保证注浆饱满，每环推进时根据施工中的变形监测情况，随时调整注浆量及参数，及时进行二次注浆，稳定管片拖出盾尾后的上浮。在注浆过程中，必须严格控制浆液的质量及注浆量和注浆压力。

同步注浆量采用注浆压力与注浆量双向控制，每环注浆量控制在5.0～5.5 m3，确保管片与地层间的空隙填充密实。同步注浆采用水泥砂浆。同步浆液基准配合比见表2。

表2　同步注浆材料配比　kg

4.3掘进通过后措施

由于复合式TBM掘进、同步注浆等施工，对地层造成一定程度破坏而产生沉降。复合式TBM掘进完成后利用二次注浆机，采用管片上预留的注浆孔进行加固；复合式TBM机主机通过后立即对渗漏水、同步注浆量不足部位进行二次补注浆。

5结语

该区间已顺利贯通，区间横向及高程贯通测量及管片成型环径向偏差控制均在允许偏差范围内，施工线路地表隆沉、沿线建(构)筑物和管线变形测量等均在设计允许范围内，随着各大城市轨道交通网络密度的进一步加强，周边环境条件的限制及规划选线的经济性要求，必然会面临越来越多的重叠隧道施工难题。重庆轨道交通5号线冉—大及大—大区间通过加强复合式TBM姿态控制，洞内注浆加固，支撑台车同步作业隧道加固等措施，以“先下后上”的方式成功克服了小间距、长距离重叠段的施工难题。

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[15]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50911—2013城市轨道交通工程监测技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.

收稿日期：2015-12-15； 修回日期：2015-12-30

作者简介：熊海涛(1981—)，男，工程师，2005年毕业于西南交通大学土木工程专业，工学学士，E-mail：22444165@qq.com。

文章编号：1004-2954(2016)07-0112-04

中图分类号：U455

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.026

Study on Control of Overlapping Tunneling with Composite TBM

XIONG Hai-tao

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063, China)

Abstract：The segments from Ranjiaba Station to Dalongshan Station and from Dalongshan Station to Dashiba Station of Chongqing Metro Line 5 are referenced to explain the application of such technologies as grouting reinforcement， synchronous supporting trolley in the lower tunnel and the excavation control of the composite TBM excavation in the upper tunnel of overlapping section based on the characteristics of two overlapping small-spacing tunnels. The results may provide reference for similar works of urban rail transit construction．

Key words：Rail transit; Composite TBM; Overlapping tunnel; Supporting trolley