盾构近工作井段小间距下穿已运营地铁施工技术

2020-07-15顾洋旗上海市基础工程集团有限公司上海200002

绿色建筑 2020年1期

柏林，顾洋旗，康杰（上海市基础工程集团有限公司，上海 200002）

1 工程概况

上海市地铁 15 号线工程土建 14 标古北路站—天山路站盾构区间，在古北路延安西路附近距出洞约 50 m 处上、下行线隧道将先后穿越地铁 10 号线伊犁路站—水城路站区间，穿越长度约 27.58 m，平面位置关系如图 1 所示。穿越处新建隧道与地铁 10 号线隧道呈 83° 斜交，最小垂直距离只有 1.8 m，给区间盾构推进施工及地铁 10 号线结构和运营安全造成极大困难。

图 1 新建隧道与地铁 10 号线平面位置关系图

2 工程难点

2.1 新建隧道小间距穿越运营隧道

已运营隧道地铁 10 号线在穿越区域所处的地层为 ④1层淤泥质黏土层，此地层对于盾构推进施工的变形极为敏感。本工程新建隧道与 10 号线运营隧道垂直净距仅为 1.8 m，具体如图 2 所示。

图 2 新建隧道与地铁 10 号线相对位置关系剖面图

2.2 盾构近工作井段穿越运行隧道

盾构出洞推进 30 m 便侧穿延安路高架桩基、50 m 后即与运营地铁 10 号线隧道呈 83° 相交、下穿。为了保持开挖面稳定，一般须通过 100 m 试推进以确定工作面土压力，但此工程不具备该条件，施工难度大。此外，该处 2 台盾构先后出洞、穿越施工，上行线隧道完成穿越施工时间为 1 个月左右，因场布、工期等多方面原因，下行线隧道再次出洞、穿越施工，对上行线穿越区域土层产生二次扰动。

2.3 端头井处地下管线分布较复杂

穿越区范围上方分布有众多地下管线，特别是古北路、虹桥路交叉口有φ2 400 雨水管埋深 2.7 m，横穿新建的地铁 15 号线隧道顶约 15 m，水流量大。一旦发生管道破损，水流冲刷带走周边土体，将造成地面塌陷、交通堵塞、隧道上浮等一系列连锁问题。其位置关系立面图如图 3 所示。

图 3 φ2 400 雨水管与拟建地铁隧道关系立面图

3 地铁 10 号线隧道监测

为保证地铁 10 号线安全运营并监测施工过程中土层微扰动变化，于盾构穿越施工前 3 个月，在隧道穿越影响区段内布设自动化电子监测系统，并建立监测数据信息交流沟通的动态信息传递网络。及时将监测数据通畅地传输到盾构施工控制中心，对运营隧道进行实时、精确的监测。

采用美国 SLOPE INDICATOR 公司旗下电子水平尺及相应的 CR 系列数据自动采集器组成的竖向位移自动监测系统。在穿越影响区 100 m 内，用电子水平尺纵向布置在轨道中间的道床上，监测隧道的水平、竖向位移。为保证数据传输通畅，本工程接入光纤传输，实时获取线路纵向和横向位置变化数据及相应曲线变化图。盾构监控中心指挥人员随即动态调整土压及注浆等施工参数。

4 穿越施工控制要点

4.1 土压力控制

盾构施工时，为了维持开挖面的稳定和减少对土层的扰动，正面土仓压力管理值应以盾构前方地层水土压力的实际值为基准[1]。

近距离穿越过程中，近距离穿越时土压力值的大幅度变化值被探讨。从土力学的角度而言，造成穿越时土压力值变化的原因有下面 2 点。一是已运营隧道周围土体在之前施工中被置换，致使其下方土体所受竖向土压力减小；二是穿越时上方已建隧道具有一定的刚度，对土压力起到一个承担分散压力的作用[2]。

因此，此次穿越施工设定土压力变化可以大致分为 3 个阶段。

（1）模拟段：随着切口与 10 号线之间的距离不断接近土压力逐渐减小。

（2）穿越段：土压力随盾构机切口与已建隧道的相对位置呈凹曲线变化。

（3）穿越后：盾构切口脱离 10 号线下行线后土压力逐步恢复至正常。

土压力设定的 3 个阶段示意图如图 4 所示。

图 4 土压力设定的 3 个阶段示意图

以上行线盾构机穿越地铁 10 号线上、下行线为例，土压力随环号变化如图 5 所示。

4.2 速度控制

穿越施工中，最重要的一个环节即保持土压力稳定推进，尤其是需要保持土压力增减过程中的推进速度稳定，使得穿越过程中土压力的变化曲线成稳定的弧线形。盾构穿越时应将推进速度控制在盾构机性能能够满足速度稳定条件下的最小推进速度，达到匀速缓慢地掘进效果，减少因速度不稳定而产生的切削面受力不均匀，以控制地层变形。本工程穿越中最佳掘进速度控制在 8～12 mm/min，穿越前及穿越后速度控制在 10～15 mm/min，影响区外速度逐渐调整至正常推进时速。

图 5 土压力随环号变化图

4.3 出土量控制

就地层损失产生的关键因素而言，最重要的一个因素就是出土量的大小。出土量的控制应与掘进速度的控制保持一种动态平衡状态，而出土量又与螺旋机转速密切相关。盾构正常掘进时，螺旋机转速控制一般可采用自动控制模式，但在穿越施工时由于掘进速度极慢，单位时间内出土量极低，螺旋机自动模式下难以控制掘进速度所要求的出土量。因此，穿越区施工采用手动模式控制出土量[3-5]。

4.4 盾构姿态控制

在穿越地铁 10 号线控制区，上行线盾构以竖曲线为－2‰ 坡度凸曲线转－20 ‰ 坡度、平曲线为右转圆曲线R=1 500 推进，线形较复杂。为降低盾构姿态的大幅调整对土层的扰动，穿越施工前必须将盾构姿态纠正至设计轴线上。穿越施工中，尽量减小平面或高程的纠偏。因此在穿越过程中，根据地铁 10 号线内电子水平尺沉降监测数据，在沉降稳定情况下可以适当调整区域油压纠偏，减少盾构纠偏量和纠偏次数，注意不急纠、不猛纠。

在盾构推进过程中，应按照“勤测勤纠、小角度纠偏”的原则进行纠偏控制，将盾构切口和盾尾的偏差控制在 ±10 mm 以内，即盾构切口偏离值控制在－30 ～－10 mm范围内，盾尾偏离值控制在 ±10 mm 范围内。

4.5 同步注浆控制

当前盾构施工过程均采用同步注浆施工工艺，主要作用为均匀稳定地充填壁厚建筑空隙。注浆量的控制应根据模拟推进的监测数据确定，动态控制。为防止漏浆，盾构掘进过程中应加强盾尾密封油脂的压注，以保证盾尾密封刷的密封性能。

为了精确控制每环注浆量，对浆液的质量有较大的要求，特别是注浆材料本身的体积收缩，务必保证以下 3 点条件。

（1）保证每环注浆量能充盈盾构机通过后形成的建筑间隙。

（2）控制注浆压力，根据掘进行程均匀压注浆液。

（3）浆液的配比须符合质量标准并满足一定的施工要求（即同步砂浆的坍落度、膨胀率及泌水率）。

4.5.1 注浆量

考虑注浆的浆液除填充盾尾间隙外，还将渗透到四周土层中，起到土层固结作用，所以实际注浆量相较理论注浆量需考虑注浆量调整系数。对应不同地层，此系数根据电子水平尺监测数据变化也应做出相应调整。注浆量控制是一个动态的、严谨的控制过程。

1951年夏天结束土改后，县委决定抽调汤甲真等10多名同志到省委党校学习。同年底学习结束后，他被调往益阳地委党校工作。他任校党总支宣传委员兼班党支部书记。

本工程采用工厂预拌的商品浆，浆液材料为厚浆，每环压入量一般控制在“建筑空隙”理论计算值的 100 %～140%。实际注浆量还应根据模拟段试验数据调整，并根据地面沉降监测数据和隧道变形数据动态调整。

值得注意的是，在管片拼装过程中由于伸缩油缸导致土舱土压力降低以及盾尾区域压力释放，使得隧道变形数据下沉，应及时在管片拼装完成后进行土压力摒压以及盾尾补浆措施。

4.5.2 合理控制注浆压力

推进时记录的每环切口土压力值应当作为之后盾尾经过时注浆压力的参考值。为保证浆体可较好地渗入周围土体中，注浆压力需略＞ 4 个分区的土压力值。同步注浆只需要保证充填注浆效果，避免因注浆压力过大而产生劈裂效果，对土层产生二次扰动。对于判定是否会造成土层劈裂效果，可在每环平均压浆量不变的情况下，通过压浆后盾尾处地表点及管线点是否产生临时隆起在较短时间内又持续回沉来判断。

4.6 穿越后的土体固结注浆加固

盾构通过后，为了减小土层因为应力松弛而导致的固结沉降，还须对盾构掘进过程中扰动土体进行地层固结注浆。

4.6.1 管片增加注浆孔

每环管片上共增设 10 个注浆孔，除封顶块外每块管片设 3 孔，注浆孔分布示意图如图 6 所示。盾构穿越后通过管片上预留的注浆孔对扰动的土体进行固结注浆加固，防止出现固结沉降。根据设计要求，已运营隧道影响区域内的新建隧道四周均加固 1.5 m 厚度。

图 6 注浆孔分布示意图

4.6.2 注浆方案

注浆加固拟分 3 步进行。

（1）盾构机切口穿越施工后，应及时进行二次微扰动跟踪注浆（应考虑台车是否影响打设注浆孔）。具体实施方案为：在盾尾出穿越区正下方 3～5 环后从隧道上部注浆孔（L 1 块和 L 2 块）进行微扰动跟踪注浆；在盾尾出 10 环以后进行整环微扰动跟踪注浆。

（2）在二次微扰动跟踪注浆施工过程中，在对应穿越影响施工区段的隧道预留注浆孔内安装适量预埋注浆管。为达到保护地铁 10 号线的沉降要求，根据电子水平尺监测数据，利用 PDCA 工作原理，在对应单次或累计沉降较大的点位进行多次微扰动充填注浆。施工范围为隧道外部一圈厚度为 1.5 m 的加固壳，土体加固后应保证其有良好的均匀性和较小的渗透系数，并且土体强度也要达到设计要求。

（3）两条隧道贯通后，在不影响安装单位施工的前提下，预留上面部分注浆孔。根据人工布点监测数据及电子水平尺监测数据，在经过较长时间（1 a 甚至 2 a ）沉淀后可能仍会有较大累计沉降，此时可打开预留的注浆孔，再次进行微扰动注浆。

5 实施效果

5.1 盾构穿越沉降控制效果

以古北路站-天山路站区间上行线穿越地铁 10 号线为例。上行线盾构穿越地铁 10 号线后，其沉降曲线如图 7所示。

上行线穿越地铁 10 号线后时间为 5 月 16 日，地铁 10号线内最大隆起 2.1 mm，最大沉降 0 mm。

5.2 微扰动二次注浆沉降控制效果

盾构穿越施工完成后，根据电子水平尺监测数据及时进行微扰动注浆，以控制其沉降发展。自 5 月 17 日～ 6 月 16日共 31 d，共进行 15 次注浆施工，累计注浆量 38.45 m³，单孔每次注浆量 250 ～ 500 L。采取少量多次的注浆方式，在加固土体的同时，尽量减少注浆对土体的扰动。

图 7 地铁 10 号线累计沉降曲线

由于地铁 10 号线为正在运营的隧道线，所以必须确保地铁列车的运行安全。根据上海市地铁运行有关安全规定及设计要求，盾构穿越施工时地铁 10 号线电子水平尺沉降要求为隧道结构纵向沉降与隆起 ≤ ±5 mm。盾构穿越 31 d后地铁 10 号线累计沉降曲线如图 8 所示。

图 8 盾构穿越 31 d 后地铁 10 号线累计沉降曲线

从图 8 监测数据可以看出，由于进行了微扰动注浆，盾构穿越 31 d 后，地铁 10 号线上行线沉降基本稳定，最大沉降变化量为－0.3 mm。至 6 月 16 日 19:30，累计最大沉降为－0.5 mm，累计最大隆起 1.37 mm。从数据可以看出，盾构穿越 31 d 后，地铁 10 号线上行线沉降完全满足相关要求（右侧隆起为下行线穿越扰动影响）。