土压平衡盾构穿越正在运营的地铁隧道的施工技术要点

2016-10-20仲登堂

天津建设科技 2016年3期

关键词：监测数据管片号线

□文/仲登堂

□文/仲登堂

文章以上海地铁2号线西延伸淞虹路站—4号工作井区间隧道下行线盾构穿越北翟路出入线段为背景，研究盾构穿越正在运营地铁隧道的技术措施及盾构掘进参数的确定。

地铁；隧道；下穿；运营线路；盾构；土压平衡

1　工程概况

1.1淞虹路站—虹桥东站区间隧道工程概况

上行线里程为SK7+089.643～SK8+638.150，长1548.50m；下行线里程为XK7+085.283～XK8+751.448，长1 666.165 m。施工采用盾构法，隧道外径6 200 mm，内径5 500 mm，装配式衬砌管片通缝拼装。衬砌块宽1 200 mm，厚350 mm，管片混凝土设计强度C55，抗渗等级≥S10；衬砌管片每环6块，由1块封顶块、2块邻接块、2块标准块、1块拱底块拼装而成。下行线隧道将从XK8+205～XK8+364穿越地铁2号线车辆出入段隧道下方，与地铁2号线隧道呈171.22°斜交，投影重叠面较大，两隧道间距离最小仅为3.417 m。

1.2穿越地铁2号线情况

下行线隧道在XK8+384.094～XK8+184.725两次下穿地铁2号线北翟路车辆段。第一次穿越在XK8+ 245.000从出段线隧道正下方穿越，该处出段线隧道轴线中心标高为-11.121 m，而在建下行线隧道轴线中心标高为-20.738 m，两条隧道结构最小垂直净距仅3.417 m。第二次穿越在XK8+323.819从入段线隧道正下方穿越，该处入段线隧道轴线中心标高为-8.963m，而在建下行线隧道轴线中心标高为-19.014m，两条隧道结构最小垂直净距仅3.851m。与地铁2号线入段线隧道交叠的投影长度约80 m（XK8+346.589～XK8+266.549），出段线交叠的投影长度约为80 m（XK8+267.979～XK8+ 187.939），见图1。

图1　在建隧道与2号线出入线段位置

1.3穿越区域的地质情况

穿越区域土层从上至下依次为：

2　盾构穿越重点难点分析

1）地层情况复杂，沉降控制困难。盾构穿越区域为粉砂层，既有隧道位于砂质粉土地层中，地质条件差，该土体摇振反应迅速，扰动后易形成流砂，沉降大，达到稳定沉降所需时间长。

2）既有隧道变形控制要求高。必须确保地铁列车的运行安全，盾构穿越施工时的保护标准：保护等级为一级；隧道内两轨道横向高差≤2 mm；轨向偏差和高低差＜2 mm/10 m（即横向差异沉降＜1.4‰）；隧道结构纵向沉降与隆起≤±5 mm；隧道结构纵向水平位移≤±5 mm；隧道收敛值＜20 mm。

3　施工技术措施及要点

3.1管片预留注浆孔

为有效控制盾构穿越前后地面（出入线段）沉降和位移，在盾构穿越区在建下行线共设置特殊管片，在管片上开设注浆孔，每环管片16个注浆孔，除封顶块1个孔外每块管片设3孔，见图2。

图2　管片增开注浆孔布置

3.2模拟推进施工

在盾构出洞、初掘进阶段（100 m）结束后，选择一段土质情况、隧道线性情况与穿越段情况基本一致的区段进行模拟掘进。根据计算确定模拟掘进的初步施工参数，在已建运行隧道同标高位置设置3～5个深层土体沉降、位移观测点，地面沉降监测点适当加密。

在模拟推进区域，分析排出土体是否与地质资料存在差异，同时逐步、适当的增加和减小土压力、增加和减少出土量，观察地面和深层土体的沉降情况，以此来调整盾构掘进参数，经过反复的试验，尽可能把土压力、出土量等盾构掘进参数调整到满足穿越已运营地铁隧道区域施工的要求。

模拟段推进还应掌握盾构机在慢速推进时的性能，根据盾构机性能确定推进时采用手动模式还是自动模式，以保证在慢速推进状态下土压力值不发生大幅度的波动。

模拟段推进的要求的目标是通过调整施工参数，将盾构推进完成后一周时的土体损失率控制在2‰之内。

另外，在推进到地表布有深层沉降点的位置时，可选择性地通过吊孔注浆，同时注意地面沉降监测数据，反复试验探索合理的注浆压力和注浆量，为后期穿越时注浆积累经验。

3.3盾构穿越区分区控制

根据盾构穿越出入线段的工况特点，将盾构穿越段划分为3个施工控制阶段，即控制段一区（穿越前30 m）、穿越段二区（穿越区约160 m）和控制段三区（穿越后30 m），此3个区域是盾构施工时重点控制区，见图3。

图3　在建隧道穿越2号线出入线段分区

3.3.1控制段一区

此段施工时主要控制推进速度为0.5～1.5 cm/min并保持合适的土仓压力。此段施工时重点控制注浆工序，根据监测反馈的情况实时调整注浆量和注浆压力。同时根据监测情况调整各项施工参数。

3.3.2穿越段二区

本区段的特点是盾构机进入出入线段结构正下方。此段施工时控制推进速度在0.5 cm/min以内并保持合适的土仓压力。推进50 cm左右，停顿20 min，进行应力释放，然后再继续推进。

3.3.3穿越后控制段三区

此段施工时主要控制推进速度为0.5～1.5cm/min并保持合适的土仓压力。此段施工时重点控制注浆工序。

3.42号线出入线段的监测技术

采用人工与电子水准仪监测既有隧道及地面的隆沉值，收敛仪监测既有隧道的变形情况，每2 h监测一次（异常时加密频次），24 h不间断进行并及时与盾构操作间沟通，分析监测数据，掌控既有隧道及地面的隆沉情况，不断调整施工参数，尽可能的减少盾构施工对2号线出入线段的影响。

盾构穿越期间，出入线隧道穿越影响区段内布设自动化监测系统，将监测数据及时传输到监控室，对出入线段进行实时、精确监测。采用美国SLOPE INDICATOR公司的电水平尺及相应的CR10数据采集器，在穿越范围中心部分用电水平尺横向布置在轨道的道床上，监测线路的横向位置（高差）变化。电水平尺的布设不会影响地铁列车的安全运营，其监测数据用电缆送到监测计算机中，实时得到线路纵向和横向位置变化数据和图形，调整注浆参数。

3.5盾构掘进速度的控制

盾构掘进速度对既有隧道的隆沉变形影响较大，掘进速度须综合考虑土仓压力等因素，匀速通过。掘进速度控制在0.5～1.5 cm/min，不间断监测盾尾间隙，不断复核盾构纠偏量并结合监测数据及时调整施工参数，每10环测量一次管片姿态，杜绝大幅度纠偏，以减少地层损失和周围土体的挠动，降低对既有隧道的影响，掘进过程中，既有隧道的隆起量均控制在5 mm以内。

3.6严格控制土仓压力

盾构掘进过程中，盾构切屑面土体受到水平支护应力与原始侧向应力关系，当水平支护应力小于原始侧向应力，切屑面土体向土仓方向移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降；相反引起盾构前上方土体隆起。所以，合理控制土仓压力平衡对减少地层损失造成的地层位移效果明显。在穿越该区间推进过程中土压力设置值为静止土压力的1.008～1.085倍（0.26～0.28 MPa），实际控制值为静止土压力的0.930～1.163倍（0.24～0.30 MPa），土压力的波动值控制在±0.01 MPa。现场监测数据表明，在掘进过程中刀盘前方隆起值在5 mm以内。合理选用注浆工艺，有效控制地面沉降。

1）同步注浆。为确保既有盾构隧道及本区间隧道累积沉降＜5 mm，施工过程中采用同步注浆和二次注浆相结合的措施，为填充脱出盾尾的管片与土体间的间隙及浆液收缩间隙，同步注浆量往往超过理论空隙体积，每环同步注浆量均控制在2.145～2.97 m3（设计每环注浆量2.5 m3）。注浆浆液配比为水泥∶粉煤灰∶膨润土∶砂∶水=120∶400∶100∶830∶720（质量比）。

2）二次注浆。因同步注浆浆液早期强度低，隧道受侧向分力影响大的问题，在管片脱出盾尾8～10环后，结合监测数据当沉降达到5 mm时，及时进行二次注浆，浆液采用单液浆，每环注浆量控制在0.5 m3以内。为增强扰动后地层的稳定性，在盾构下穿及盾尾出既有隧道结构交线前、后10环处通过整环6个注浆孔位注入单液浆进行封环。

3）注浆孔布置。盾构下穿既有隧道前对同步注浆系统进行系统的检修，确保注浆管路畅通，保证同步注浆饱满。减少现施工隧道的沉降量并有一定量的隆起。根据监测数据从15点、1点两个注浆孔隔环注入单液浆。

4）注浆压力及速度控制。整个注浆过程中，同步注浆压力控制在0.45～0.8 MPa，每环注浆量均控制在2.145～2.97 m3范围内（如出现漏浆等异常情况时，根据实际情况调整注浆量）。二次注浆压力控制在0.2 MPa以内，浆液配比采用水∶水泥=1∶1的单液浆或水泥浆∶水玻璃溶液=1∶1的双液浆（水∶水玻璃=3∶1），根据监测数据控制注浆量（本区间每环注浆量约0.5 m3）。

5）注浆效果。盾构穿越既有隧道的初期及稳定后，其监测数据显示沉降量均在5 mm以内。

3.7管片拼装

在盾构进行拼装的状态下，由于千斤顶的收缩，必然会引起盾构机的后退，因此在盾构推进结束之后不要立即拼装，等待2～3 min之后，到周围土体与盾构机固结在一起后再进行千斤顶的回缩，回缩的千斤顶应尽可能的少，以满足管片拼装即可。拼装过程中，盾构司机应注意土压力的控制，必要时通过反转螺旋机维持盾构前方土体平衡。