盾构近距离上跨既有运营隧道施工控制技术

杨志勇， 杨 星， 江玉生， 王 栋， 郑尧夫， 丁耀文

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院， 北京 100083)

0 引言

随着城市轨道交通的快速发展，城市新建地铁线路与已运营地铁线路不可避免地会出现近距离施工问题，因此确保新建地铁隧道的顺利施工以及既有隧道的安全运营尤为重要。城市地铁隧道大多采用盾构法施工，其中盾构始发和上跨是盾构法施工的关键环节，也是施工的重难点[1-5]。

目前，针对盾构始发和穿越既有线的施工问题，诸多相关学者对始发措施、既有隧道加固方案、既有线变形规律及监测等方面进行了研究。在始发措施方面： 谢银龙[2]采用洞门密封钢套筒和端头加固的施工方案，成功解决了盾构始发期间下穿既有运营地铁隧道的施工问题； 伍伟林等[3]为解决无端头加固条件下的盾构始发问题，通过仿真计算和工程试验手段对盾构始发钢套筒设备进行了改进。在既有隧道加固方面： 武永珍等[4]通过三维有限单元数值计算方法，得出了对既有隧道交叉节点采用洞内注浆加固的最佳设计方案； 刘明高[5]考虑实际工况因素对比了明挖、暗挖、路基边坡3种隧道上跨既有铁路隧道施工方案，得出了适合该工程的明挖法最佳施工方案。在既有线变形规律及监测方面： 刘淼[6]通过对明挖隧道分层开挖以及结构回填过程进行数值模拟，得出了加载再卸载阶段对上跨既有隧道的影响规律； 黄德中等[7]将离心模型试验与现场实测相结合，同时考虑地层损失和注浆等因素对盾构上穿既有隧道过程进行了研究，得出了穿越过程中纵向变形与时程曲线的变化规律； 易丹等[8]采用数值模拟的方法对顶管隧道上跨地铁运营隧道所引起的隧道变形进行全过程分析和研究，并将模拟结果与现场监测数据进行对比以验证模型的合理性； 朱红霞[9]以某工程近距离下穿既有隧道为工程背景，提出既有线内沉降监测与隧道结构收敛监测技术相结合的监测方式，完善了盾构下穿既有线的监测技术。其他方面： 孟乔等[10]通过构建三维有限元模型并引入修正系数对Peck公式进行修正，总结出盾构上跨施工诱发的地表沉降规律。

目前对于盾构上跨既有运营隧道的研究大部分集中在既有运营隧道变形规律分析、既有运营隧道加固措施等方面，依托工程背景相对单一，单纯研究盾构上跨施工环境下的既有运营隧道变形、地表沉降规律、隧道加固措施等。本文以沈阳地铁10号线中医药大学站—松花江街站区间盾构隧道上跨地铁2号线既有区间隧道为工程背景，盾构始发23 m后即开始上跨既有运营隧道，且盾构与既有隧道间距最小仅176 mm。盾构始发阶段上跨既有运营隧道施工技术与单纯的盾构上跨施工有较大的区别，除了考虑盾构上跨施工措施外，还需结合工程情况对始发技术尤其是盾构姿态控制措施进行研究，而且盾构与既有运营隧道间距越小，盾构施工对既有运营隧道影响越大。因此，与以往的研究相比，本文的工程背景更加复杂，研究结论对小间距盾构上跨既有运营隧道施工具有更好的参考和借鉴。

1 工程概况

沈阳地铁10号线中医药大学站—松花江街站区间(以下简称： 中—松区间)盾构于中医药大学站始发，23 m后上跨既有地铁2号线崇—岐区间。中—松区间隧道为标准单洞单线圆形断面，线间距12～15 m，覆土厚度9.8～17.8 m，区间左线全长1 220.245 m，共计1 018环，右线全长1 234.533 m，共计1 028环，区间设2座联络通道，盾构穿越地铁2号线位置距离始发站—中医药大学站为23 m。既有2号线崇—岐区间为标准单洞单线马蹄形断面，采用矿山法施工，标准段外轮廓跨度6 m，高 6.5 m，初期支护厚250 mm，二次衬砌厚350 mm； 人防段外轮廓跨度9.3 m，高9.38 m，初期支护厚 300 mm，二次衬砌厚500 mm； 初期支护采用C25早强喷混凝土+钢筋格栅，格栅间距0.5 m，二次衬砌采用C30防水钢筋混凝土。上跨位置如图1所示。

图1 上跨位置情况图

中—松区间选用1台日本JTSC(石川岛)φ6 140 mm土压平衡盾构，衬砌采用环宽为1.2 m的钢筋混凝土管片，内径为5.4 m，外径为6 m，混凝土强度等级C50，抗渗等级P10。盾构从中医药大学站始发，在松花江街站调头，最后在中医药大学站接收，完成该区间隧道掘进过程。

中医药大学站始发段加固区域为6 m×12 m，加固方式采取地面旋喷注浆及水平注浆相结合，盾构始发后在14～40环上跨既有隧道，该期间盾构埋深10.1～10.8 m，穿越的地层主要有中粗砂、砾砂、圆砾，区间地下水位埋深9.4～12 m，抗浮水位埋深6.4～9 m。由于临近标段正在进行换乘通道施工，并且进行24 h降水，实际水位为20～25 m，位于上跨段隧道下方，故不考虑地下水影响。穿越段既有2号线基本位于砾砂层。各地层的主要特性如表1所示。始发期间盾构穿越的地质情况如图2所示。

表1 盾构穿越地质情况

图2盾构穿越地质剖面图

Fig. 2 Geological profile of shield-crossed section

2 上跨施工难点

1)盾构始发姿态控制困难。既有2号线距离中医药大学站左线始发端仅23 m左右，且盾构隧道距离既有线结构最近处仅176 mm。盾构掘进至14环时就开始上跨既有线路，因此，在始发阶段盾构姿态的调整距离极短； 由于盾构以一定坡度始发，掘进中要始终保持抬头趋势，而盾构始发常会出现栽头现象[1]，因此，对盾构的姿态控制将是盾构安全、顺利上跨既有2号线的难点。上跨2号线的剖面位置如图3所示。

图3 上跨2号线位置剖面图 (单位： mm)

Fig.3 Profile of Metro Line 10 overcrossing Metro Line 2 (unit: mm)

2)施工参数设置及控制困难。盾构掘进过程中没有做试验段的条件，所有施工参数需根据经验提前设置好，一旦出现参数选取不当很难及时调整，且盾构穿越段主要为砾砂层及部分中粗砂层，掘进过程中，容易出现转矩高、推力大等问题。由于盾构距离既有运营隧道仅176 mm，盾构推力大小将对既有线结构稳定带来较大影响，因此合理控制施工参数，尤其是较小盾构推力的控制是盾构上跨阶段的难点。

3)运营隧道结构变形控制困难。10号线盾构隧道与2号线运营隧道最近距离仅有176 mm，如图3所示。盾构上跨施工不可避免地对既有运营隧道产生影响，如何减小盾构施工对运营隧道结构的变形，确保2号线列车安全运营，也是本次施工的难点。

3 盾构上跨关键技术

3.1 盾构始发姿态控制技术

1)始发基座与导轨的安装。既有2号线运营隧道距离始发端头仅23 m，因此为防止盾构始发栽头，特将始发基座按照原设计坡度的27‰进行安装。调整始发基座梁及始发基座中线以保证盾构中线与区间设计中线重合，在刀盘距车站端头洞门钢环800 mm后固定始发基座位置； 反力架横梁及立柱上下端均采用φ800 mm@10 mm 的钢管支撑，斜撑一侧采用 3 道φ800 mm@10 mm钢管支撑，并直接焊接在车站混凝土底板预埋件之上，另一侧则直接采用钢管支撑与车站侧墙搭接，在反力架的焊接过程中，对焊接钢筋和钢管等进行严格的焊缝检查。始发基座安装如图4所示。导轨分为2段，第1段安装在始发基座前端至洞门密封处，长度为800 mm； 第2段在洞门钢环内，长度为450 mm，焊接在洞门钢环底部。导轨的安装如图5所示。

图4 始发基座安装示意图 (单位： mm)

图5 导轨安装示意图

2)姿态实际控制情况。盾构从刀盘至盾尾的距离约为6环，既有隧道横截面的跨越距离左线和右线各为8环，线间距为5环，盾构推进至14环时刀盘到达20环处开始进入上跨段，至41环处完全结束上跨过程(此时刀盘在47环处)，在严格按照上述的始发技术准备和上跨姿态控制措施后，盾构垂直姿态变化情况如图6所示。

图6 盾构姿态情况

盾构推进至10环时，由于盾构操作失误导致盾构前盾姿态由向上变为向下，15环后前盾姿态缓慢调整为向上，在上跨既有隧道前，尽管姿态略微保持在设计轴线以下，但却有明显的向上趋势。为保证平稳上跨，不再对盾构姿态进行大幅度的纠偏； 上跨既有隧道过程中，垂直姿态以小趋势上升且一直在设计轴线-10～0 mm范围小幅度波动； 当盾构完全跨越既有隧道后，垂直姿态保持稳定在-5～+20 mm范围。

3.2 上跨施工控制措施

1)施工参数控制。盾构始发后23 m就开始上跨既有线，无法做试验段来获得最优化上跨施工参数，土舱压力作为盾构施工参数控制的基础，其取值范围尤为重要[11]。本工程在上跨施工前根据临近地层施工调研、沈阳地铁施工规范、开舱报告等，选取朗肯主动土压力的计算方法，土舱压力

ST=Kaσv+pw+20

。

(1)

式中：Ka为盾构断面砾砂和圆砾的主动土压力系数，结合规范取值为0.3；σv为隧道顶部的上覆土压力，kPa，由于盾构埋深较浅(小于2倍盾构直径)，不考虑成拱因素，故上覆土压力采用全覆土计算；pw为隧道顶部的静水压力，kPa。经计算，土舱压力取值0.08～0.1 MPa。

为了减小上跨过程对既有隧道的扰动，结合土舱压力的取值，将推力减小并控制在25 000 kN以内； 同时掘进速度限制在20～40 mm/min。推力和掘进速度是反映盾构掘进对周围土体扰动程度的重要参数[11-13]，因此，本工程拟定盾构上跨既有隧道施工的主要掘进参数见表2。

表2 拟定盾构上跨掘进参数

2)克泥效减摩措施。克泥效工法是指在盾构掘进过程中，利用注浆设备向盾体和地层的孔隙中注入克泥效，从而起到控制地表沉降的作用[14]。盾壳和四周土体间填充了克泥效，除了能减小地表沉降外，克泥效还能起到良好的润滑作用[14-15]，减小盾壳与土体的摩擦力，从而减小盾构掘进过程中盾壳对土体侧向摩擦而产生的对既有结构的侧向荷载，减小既有线隧道结构变形。

在盾构刀盘距离2号线既有线隧道结构1环(管片拼装环数为13环)时，开始注入克泥效，每环注入量0.4～0.5 m3，注浆压力为0.1 MPa左右(略大于土舱压力)，且仅在盾壳底部注入。整个过程的推力、转矩参数情况如图7所示。在加入克泥效后，盾构的推力有了明显的降低，从24 000 kN降至18 000 kN左右，减小了25%，同时转矩在该范围开始变得平稳； 上跨施工结束停止注入克泥效后，推力、转矩逐渐恢复正常。

图7 盾构参数情况

3.3 既有运营隧道加固

既有2号线隧道采用I16工字钢制作成钢骨架对结构进行支撑保护。钢架由各单元构件拼装而成，各单元间采用螺栓连接。所有单元构件在隧道外加工完成后进入人防段内进行拼装。钢架的设计要求沿钢架周边轮廓拼装偏差不大于±30 mm，平面翘曲小于±20 mm，螺栓孔眼中心间距公差不超过±1 mm。钢架间距设置为1 m，净距约0.5 m，设置范围为沿既有隧道两侧各10 m(共20个钢架)，钢架的安装由立柱开始，立柱与既有2号线道床采用膨胀螺栓连接，立柱安装完成进行横梁安装，最终进行拱部构件的安装。所有的螺栓连接节点要连接紧密无缝隙，拱部与既有结构保证密贴，无法保证的位置采取钢楔子进行楔紧。钢架为临时结构，其运输及安装过程均为人工，且仅在列车停运时段(1:00-4:00)进行工作，待10号线盾构施工通过监测数据稳定后进行拆除，拆除的顺序与安装相反。既有2号线人防段保护措施断面如图8所示。

图8 既有2号线人防段保护措施断面(单位： mm)

Fig.8 Reinforcement of air defense section in existing tunnel (unit: mm)

4 既有隧道结构变形分析

始发上跨阶段采用实时化监测数据对既有2号线结构变形进行监测。在安装完钢骨架的同时选取了既有线的13个断面布置监测点，在每个断面的既有线结构上布置6个监测点，其中，在拱顶布置2个测点(S4-1、S4-6)、在断面中间位置两侧各布置1个(S4-2、S4-5)，4个测点可大致反映整个断面的变形轮廓； 最后在轨道顶面再布置2个测点(S4-3、S4-4)用于精测轨顶标高的变化。既有2号线的断面选取情况和4-4断面的监测点布置情况分别如图9和图10所示。

图9 监测断面位置情况

图10 4-4断面监测点布置图 (单位： mm)

Fig.10 Layout of monitoring points on cross-section 4-4 (unit: mm)

根据实时监测数据，盾构在上跨阶段变形量最大的截面为4-4断面，且右线隧道的变形量明显大于左线，因此对右线4-4断面的6个监测点的竖向变形量和盾构掘进方向(东侧)变形量进行分析。右线4-4断面监测点的变化情况如图11和图12所示(图中向上或向盾构掘进方向变形量为正，向下或向盾构掘进反方向变形量为负)。变形控制值和预警值如表3所示。

图11 右线4-4断面竖向变形量-环数变化图

Fig.11 Vertical displacement varies with number of segments at cross-section 4-4 in right line

图12 右线4-4断面东侧变形量-环数变化图

Fig.12 East deformation varies with number of segments at cross-section 4-4 in right line

表3变形控制值和预警值

Table 3 Deformation control and early warning values mm

监测项目预警值控制值结构水平位移4.26结构竖向位移4.26道床水平位移2.84道床竖向位移2.84

从图11的监测数据可以得出： 盾构刀盘在未进入上跨段前，既有线结构稳定下沉在0.5 mm左右； 在刀盘进入至盾尾脱出阶段，变形量在盾构重心(刀盘后约2环处)通过既有隧道后开始大幅度向上回弹(盾构掘进至25环时刀盘处于31环，盾构重心位于28环，重心已经出既有隧道)，回弹量约占最终变形量的43%；随着盾尾的逐渐脱出，既有隧道最终向上的变形量稳定控制在2 mm范围内。

根据图12的监测数据结果可以看出： 在刀盘未进入上跨阶段前，由于盾构参数的调整过程以及推力作用于土体产生的土压分力作用，使既有线结构产生沿盾构掘进方向的位移且变形量波动性较大；在刀盘进入至盾尾脱出阶段，向盾构掘进方向的变形量在刀盘位于隧道正上方时开始迅速增加； 随着盾尾的逐渐脱出，变形量很快又趋于稳定，最后沿盾构掘进方向的变形量控制在0.8 mm范围内。

通过对图11、图12和表3的数据分析可以看出，实际的监测数据远小于变形控制值，同时也未达到变形预警值，说明本工程的始发及上跨施工措施具有一定合理性。

5 结论与讨论

通过采取盾构始发姿态控制、注入克泥效、隧道加固关键技术保证了沈阳地铁10号线上跨既有地铁2号线，对本工程施工控制措施总结如下：

1)通过调整始发基座与盾构隧道轴线坡度一致，并在洞门钢环处焊接导轨，同时选取合理的掘进参数，能够有效地对上跨阶段的盾构姿态进行控制，确保盾构按照原设计坡度上坡始发，避免盾构栽头。

2)在上跨既有运营隧道前，对盾壳底部注入克泥效可有效减小盾壳与土体间的摩擦，间接减小盾构推力，从而减小了盾构上跨过程中对既有运营隧道的扰动。

3)盾构刀盘进入上跨段前，由于刀盘推力作用于土体，且土压力扩散并产生向下和向盾构掘进方向的2个分力分别作用于既有隧道，使既有隧道产生上述2个方向的位移变形；而随着盾构重心通过既有隧道，竖向变形开始回弹，盾尾脱出后，向上的竖向变形逐渐趋于稳定，盾尾完全脱出既有隧道后，盾构掘进方向变形迅速趋于稳定。

本文仅对中—松区间左线盾构上跨既有2号线崇—岐区间右线隧道工况下(盾构与既有运营隧道间距176 mm)的既有隧道变形规律进行了分析，左线盾构上跨2号线左线隧道间距为580 mm，右线盾构上跨2号线左、右隧道间距分别为1 270 mm和1 370 mm，不同间距对既有隧道变形的影响是一个值得深入研究的问题，可为今后盾构上跨既有线的设计提供参考。