地铁盾构近距离穿越马家浜施工技术

2017-09-15王褘

城市道桥与防洪 2017年8期

关键词：轴线防汛盾构

王褘

（上海隧道工程有限公司，上海市200232）

地铁盾构近距离穿越马家浜施工技术

王褘

（上海隧道工程有限公司，上海市200232）

介绍上海轨道交通9号线（东延伸）工程9标碧云路站—平度路站区间隧道施工时，为减少马家浜、防汛墙等重要建构筑物的沉降，施工前即进行了针对性的盾构机改制，穿越施工过程中进行精细化管理，均衡施工，穿越后进行二次注浆加固的技术措施，保证了建构筑物的安全，顺利完成了区间隧道的施工，可为今后类似工程提供借鉴。

地铁盾构；穿越；施工技术；同步注浆

1 工程概况

1.1 工程简介

上海轨道交通9号线碧云路站—平度路站区间上行线长1 987.485 m（1 658环），下行线长1 985.264 m（1 656环），最小平面曲线半径800 m，区间隧道最大纵坡15.088‰，顶覆土埋深8.6～16.7 m。本区间隧道采用两台6 760土压平衡盾构机从平度路站站西端头井始发，先后穿越马家浜、薛家浜后，推进至碧云路站进洞。

区间上行线在280～309环，下行线在280～309环处，盾构机将先后下穿马家浜。马家浜河道宽约30.6 m，水流较为平缓，河底标高为-1.0 m，隧道顶标高-8.6 m，河底距隧道7.6 m。马家浜穿越段两侧为马家浜老驳岸和新建中的防汛墙。马家浜老驳岸采用250 mm×250 mm预制方桩和600钻孔灌注桩，桩长分别为7.0 m、8.0 m，桩底标高分别为-5.5 m、-6.5 m。新建中的防汛墙采用220 mm×280 mm方桩，桩长8 m，桩底标高-6.2 m。穿越时区间隧道位于④灰色淤泥质黏土和⑤1-1灰色黏土层中，区间隧道中心标高-11.9～-12.1 m，防汛墙方桩桩底与隧道最小竖向距离为2.1 m。图1为区间隧道与马家浜桥、防汛墙及匝道承台桩基位置关系图。盾构穿越马家浜掘进轴线情况见表1。

图1 区间隧道与马家浜桥、防汛墙及匝道承台桩基位置关系图

1.2 工程地质

盾构穿越马家浜覆土区，最浅覆土约为7.6 m，盾构断面处于④层灰色淤泥质黏土、⑤1-1层灰色黏土中，穿越的土层由上至下分别为③层灰色淤泥质粉质黏土夹粉性土、④层灰色淤泥质黏土、⑤1-1层灰色黏土、⑤1-2层灰色粉质黏土。③、④、⑤1-1、⑤1-2层含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高、渗透性弱，且具有明显的触变、流变特性，在动力作用下土体结构易破坏，造成土层流动以致开挖面失稳。表2为地层物理性质表。

表1 盾构穿越马家浜掘进轴线情况统计表

2 准备工作

2.1 穿越前准备工作

（1）在盾构机穿越马家浜前，对其及周边环境进行详细调查，重点摸清河岸防汛墙结构情况，并对河道宽度、河床标高、水位标高进行实测标定。

（2）在穿越前办理相关手续，以便接受监督。（3）在施工前，对施工人员进行交底。

（4）对机械设备，特别是盾构机进行维修保养，确保在穿越施工中机械设备情况良好，尤其要确保盾尾密封装置和螺旋机闸门等能够随时有效发挥作用。

（5）为了更好地减小盾构机穿越的影响，建立试推阶段，摸索相应数据，更好地控制施工。除了按常规布置沉降观测点外，在河岸及其附近的盾构轴线外侧布置深层测点，在盾构机穿越前、穿越中和穿越后对土体的变形进行监测，并根据监测数据对施工参数进行合理调整。

2.2 控制段划分

根据土体应力影响角扩散原理，离防汛墙前20 m，盾尾穿出离防汛墙10 m设置为穿越段。上行线盾构推进267～315环时穿越马家浜及防汛墙，穿越段共48环；下行线盾构推进266～312环时穿越马家浜及防汛墙，穿越段共46环。

表2 地层物理性质表

3 施工技术措施

3.1 盾构推进和地层变形的控制

该工程采用土压平衡式盾构掘进机，其利用压力仓内的土压力来平衡开挖面的土体，从而达到对盾构正前方开挖面支护的目的。平衡压力的设定是土压平衡式盾构施工的关键，维持和调整设定的压力值又是盾构推进操作中的重要环节。这里面包含着推力、推进速度和出土量的三者相互关系[1]，对盾构施工轴线和防汛墙变形量的控制起主导作用。所以在盾构施工中要根据不同土质、覆土厚度及水位高度，配合监测信息分析，及时调整平衡压力值的设定。同时，要求推进中盾构姿态保持相对平稳，控制每次纠偏量不过大，减少对土体的扰动，并为管片拼装创造良好的条件[2]。根据推进速度、出土量和地层变形的监测数据，及时调整注浆量，从而将轴线、防汛墙及马家浜河床变形控制在允许的范围内。

盾构轴线控制偏离设计轴线不得大于±50 mm，地面沉降量控制在+10～-30 mm。

3.2 主要参数设定

3.2.1 平衡压力值的设定原则

盾构在穿越马家浜前后存在覆土的突变，因此在盾构掘进前根据覆土深度的变化，必须对平衡压力设定的差值有一个理论上的认识，在盾构穿越马家浜前后，及时对设定平衡压力进行调整。根据地质情况及隧道埋深等情况，进行理论计算切口平衡压力（正面平衡压力）：

式中：P为平衡压力（包括地下水）；γ为土体的加权平均重度，取17.7 kN/m3；h为隧道中心埋深，取17.5 m，河中隧道埋深取11.0 m；k0为土的侧向静止平衡压力系数，取0.75；P0为河水及桥梁附加荷载，取0.03 MPa。

地面段：P1=k0γh=0.75×17.7×17.5×0.001= 0.232 MPa

河底段：P2=k0γh=0.75×（17.7×11.0×0.001+ 0.03）＝0.169 MPa

在盾构切口距离防汛墙投影面约17.5 m时，土压力设定值应逐渐降低至计算值。由原先的0.232 MPa逐步降低至0.169 MPa，当盾构到达陆地前土压力再逐步提高至0.232 MPa。施工过程中应根据防汛墙监测数据及时对土压力设定值进行调整，确保地面环境及防汛墙的安全和稳定。

3.2.2 推进出土量控制

每环理论出土量：

π/4×D×L=π/4×6.762×1.2=43.07 m3/环式中：D为盾构机刀盘直径；L为管片环宽。

盾构推进出土量控制在98%～100%之间，即42.21～43.07 m3/环。

推进过程中应观察螺旋机出土口的土质变化情况及出土箱数。

3.2.3 推进速度

盾构推进速度不宜过快，以1～1.5 cm/min为宜，避免由于推进速度过快造成对土体的过分挤压，从而导致盾构切口与河底贯穿。盾构推进过程速度保持稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越，减少盾构推进对前方土体造成的扰动，减少对河床及防汛墙的影响。

3.3 盾构姿态控制

盾构进行平面或高程纠偏的过程中，会增加对土体的扰动[3]。在穿越过程中，尽可能使盾构匀速、直线通过，尽量避免大幅纠偏，以免造成过大的地层损失。根据自动测量系统反馈数据实时纠偏，单次平面纠偏量控制在5 mm/环内，单次高程坡度纠偏量不超过1‰。

3.4 盾构推进自动化测量的应用

为了确保盾构顺利穿越马家浜，区间隧道两台盾构机采用实时测量系统，利用先进的测量、电子传感器和计算机技术，计算盾构机的位置、姿态和趋势信息（见图2），并与设计隧道轴线进行比较，以直观的方式图文并茂地给盾构机操控人员实时地提供信息，实时纠偏，减少盾构纠偏带来的土体扰动。

图2 自动化测量示意图

3.5 同步注浆

（1）同步注浆设备优化

减小盾构掘进过后土体的后期沉降量，对盾构同步注浆系统进行优化[4]，增配一台施维英注浆泵（见图3），可实现4点同时压注大比重单液浆，即时有效地进行同步注浆充填管片与土体间的建筑空隙，减少土体扰动，可有效控制土体后期沉降量。

图3 配备施维英泵

（2）同步注浆浆液控制

同步注浆浆液采用大比重单液浆。通过同步注浆及时充填建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。同步注浆量一般为建筑空隙的150%～200%，即每推进一环同步注浆量约为3.02～4.02 m3。盾构同步注浆系统可满足盾构掘进时4点（上部两点、下部两点）同时注浆，即时填补建筑空隙，能够有效覆盖整个圆周，不易产生注浆盲点。浆液采用最新研制的大比重单液浆，上、下压浆量分配比视压浆时的压力值和地层变形监测数据而相应调整。

严格控制每环的压浆量，并确保同步注浆浆液的质量。防止注浆不足或者超量引起土体沉降，对防汛墙结构、桥台结构造成破坏。

注浆时，必须严格控制注浆压力，避免由于注浆压力过高而击穿上层覆土[5]。上层覆土被顶破后会造成如下两方面的危害：

（1）上覆土层顶破后，河水与正在施工的隧道之间形成一个通道，河水可能通过盾尾、管片接缝进入隧道，给隧道施工带来危险；

（2）浆液通过这个通道进入河道，会对河水造成污染。

本区域内的二次注浆浆液选定为双液浆，注浆量根据沉降监测数据的情况，及时进行调整。

同步注浆和二次注浆的浆液初定配比见表3和表4。

表3 1 m3同步注浆浆液配比(重量比)

表4 二次注浆浆液配比(重量比)

3.6 管片拼装

在盾构进行拼装的状态下，由于千斤顶的收缩，易引起盾构机的后退，因此回缩的千斤顶应尽可能少，并应逐一伸缩千斤顶，以满足管片拼装即可，保持开挖面的平衡压力，同时尽量熟练拼装工艺，确保优质快速拼装管片。在恢复推进时，应先恢复盾构的平衡压力，适当可以先推进略微的距离，防止平衡压力下降；拼装完成后及时管片螺栓复紧，确保隧道管片稳定。

4 实施效果

4.1 监测点布设

（1）地表监测点布设：沿轴线每4环布设一个监测点，横向监测断面以隧道轴线为中心[6]，距离轴线3、6、10、15、L（L为一倍覆土埋深，单位：m）各设置一点，共11点（包括隧道轴线上一点）。每一监测断面及断面间轴线点保证至少有一地表深层沉降监测点[7]。同时，上、下行线在东西防汛墙两侧周围保证有一地表深层沉降监测点。

（2）防汛墙监测点布设：以隧道轴线为中心，沿防汛墙距离轴线3 m、6 m、10 m、15 m、20 m、30 m布设监测测点。测点布设采用电锤成孔，安装监测标志。

图4为盾构穿越马家浜沉降监测点设置示意图。

图4 盾构穿越马家浜沉降监测点设置示意图

4.2 沉降控制

马家浜桥和防汛墙的沉降控制要求为±10 mm。9号线区间隧道下行线于2015年9月11日出洞，截止2015年11月4日，马家浜桥的监测数据比较正常，并且和施工工况相匹配，周围环境处于可控状态，施工单位采取的施工工艺、方法、流程合理。马家浜桥累计沉降量控制在-0.05～-7.89 mm，防汛墙累计沉降量控制在-3.47～3.28 mm，具体数据见图5、图6。