已建地下通道结构下方小间距十字叠交穿越大直径原水管施工技术

王传富

1. 上海市基础工程集团有限公司 上海 200002；2. 上海城市非开挖建造工程技术研究中心 上海 200002

1 工程概况

上海轨交14号线浦东大道站—源深路站区间自源深路站西端头井盾构始发后约100 m，涉及小间距施工，上、下行线结构间净距仅为2.6～3.3 m。

在小间距施工的同时，上、下行线还需穿越DN3 000原水钢管（图1）。该原水钢管为黄浦江上游引水管，主要供应杨树浦水厂的长江上游原水，于1985年埋设。

图1 原水管平面位置

该原水管位于东西通道下方，管道沿源深路南北走向，在位于浦东大道与源深路路口，与区间隧道相交。管顶标高－6.5 m，距东西通道底部约2.6 m，管底标高－9.5 m，距本区间隧道顶部净距约3.1 m（图2）。

图2 原水管竖向位置

考虑到地铁盾构施工的影响，在东西通道建设施工时，对该原水管四周土体进行MJS加固，原水管顶部MJS加固至－5.5 m，原水管两侧MJS加固加深到盾构区间下方3 m，至－22.251 m。

2 难点分析

1）在东西通道建设施工时，对穿越段原水管区域进行MJS加固，已造成扰动，区间隧道上、下行线掘进将对DN3 000原水钢管进行二次扰动，增加了穿越的风险。

2）在东西通道建设施工时，对原水管四周土体进行MJS加固，至盾构推进，原水管MJS加固时间达到2 a之久。混凝土强度较大，刀盘长时间连续切削加固土，存在盾构机刀盘卡死、刀具损坏以及设备故障等情况，严重时可能造成盾构机中心回转系统故障，给盾构推进带来了极大挑战。

3）区间隧道穿越涉及土层为④淤泥质黏土、⑤1黏土，在盾构掘进时土体结构极易破坏，同时会有一定的回弹变形，易造成隧道掘进开挖面失稳，引起地面沉降，施工时应控制推进速度，避免较大扰动。

4）本工程隧道施工时，原水管应正常供水，不能中断，施工对原水管不能产生影响。虽然先期施工的隧道与后期施工的隧道有一定的间隔时间，土体有所稳定，但由于施工时先后扰动土体，特别是后期施工的隧道对先期完成的隧道会产生一定的影响，本隧道平行于东西通道施工，影响范围较大，所以穿越难度相当大。

5）已建东西通道及原水管下方盾构小间距施工。本工程浦东大道站—源深路站区间源深路站西端头井盾构始发后约100 m涉及盾构小间距施工，上、下行线的最小净距仅为0.3倍的盾构直径，后施工隧道会引起先行隧道附加沉降，或隆起量过大，造成东西通道结构发生变形。同时后施工盾构推进过程对先施工隧道的挤压会影响先施工隧道的轴线，造成先施工隧道管片碎裂或渗漏，严重时将直接造成先施工隧道的变形。

3 东西通道下小间距施工技术研究

3.1 预隔离措施

浦东大道站—源深路站区间源深路站西端头井盾构始发后约100 m涉及盾构小间距施工，在东西通道围护结构施工时，于上、下行线隧道中间打设1排隔离桩，隔离桩采用φ600 mm@800 mm钻孔灌注桩，桩长13 m，与区间隧道最小净距1 m，并采用φ600 mm@400 mm的高压旋喷桩于钻孔灌注桩间进行补充。

3.2 施工技术措施

1）区间下行线先始发，下行线隧道推进时盾构轴线向上行线隧道方向适当偏移，以避免因上行线隧道施工对下行线隧道的轴线挤压效应而产生的轴线偏差。

2）上行线隧道盾构推进时，对下行线隧道进行全天候监测，做好结构变形、沉降的监测、保护工作，并做好结构异常情况下的补注浆、预应力支撑等应急预案。

3）上行线隧道盾构推进时需降低推进速度，严格控制盾构方向，减少纠偏，特别是杜绝大幅度纠偏，保证盾构机的平稳穿越。

4）下行线隧道掘进完成后，在涉及小间距段，于靠近上行线隧道管片半环范围内进行壁后注浆，形成阻隔。

5）在上行线隧道掘进前，对下行线隧道进行定期的管片复紧。

6）待上行隧道盾构开始掘进后，对下行线隧道进行定期的收敛及沉降监测。

4 东西通道下方十字叠交穿越原水管分阶段控制

4.1 分阶段控制划分

将盾构穿越前后划分为5个施工控制阶段，即8～48 m范围模拟段（Ⅰ区）、8 m影响范围穿越段（Ⅱ区）、重叠段（Ⅲ区）、8 m影响范围穿越段（Ⅳ区）和8～48 m范围控制段（Ⅴ区），如图3所示。

图3 区间盾构穿越原水管施工控制阶段划分

4.2 土压力分阶段控制技术

盾构掘进正面土压力的设定，一般根据土压平衡盾构的原理，土仓中的压力须与开挖面的正面水土压力平衡，以维持开挖面土体的稳定，减少对土层的扰动。本区间穿越段主要位于黏土中，故理论土压力按水土合算计算。各层土质参数选取如表1所示。

表1 土压力设定

4.3 推进速度控制

结合盾构机推力、区域压力及刀盘扭矩等盾构各项参数控制合理的推进速度，使盾构匀速、慢速施工，减少盾构对土体的扰动，达到控制地面变形的目的。

根据分阶段控制区的划分，严格控制合理的推进速度，具体如下：

1）模拟段盾构掘进速度控制在20 mm/min以内。

2）8 m影响范围穿越段的盾构掘进施工速度控制在15 mm/min以内。

3）重叠段的盾构掘进速度控制在10 mm/min以内。

4）穿越后控制段的盾构掘进施工速度控制在20 mm/min以内。

在穿越区施工过程中，尽量保持盾构掘进速度稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越，减少对周边土体的扰动，以免对原水管结构产生不利影响。

4.4 刀盘扭矩控制

因原水管MJS加固时间较长，混凝土强度较大，盾构机刀盘长时间连续切削加固土存在卡死风险，严重时可能造成盾构机中心回转系统故障，给盾构机造成不可逆转的损坏。因此，在推进过程中，刀盘扭矩控制在最大扭矩的40%以内，超过设定值时停止推进，仅保持刀盘转动继续切削，待扭矩降低后再恢复推进。

4.5 同步注浆控制

盾构注浆采用盾尾同步注浆，随着盾构推进，脱出盾尾的管片与土体间出现“建筑空隙”（理论建筑空隙为2.014 m3/环），用浆液通过设在盾尾的压浆管予以充填。压入衬砌背面的浆液会发生收缩，因此实际注浆量要超过理论建筑空隙体积。但过量压注也会引起地表局部隆起和跑浆。因此除控制压浆量外，还需控制注浆压力。在压注时要根据施工情况、地质情况兼顾压浆数量和压浆压力。压浆速度和掘进保持同步，即在盾构掘进的同时进行注浆，掘进停止后，注浆也相应停止。

1）同步注浆量。同步注浆每环压入量一般控制在“建筑空隙”的130%，即2.62 m3/环。注浆量应根据地面沉降及房屋监测情况即时调整，并将浆液坍落度控制在

12～16 cm。

2）注浆压力。为保证浆体较好地渗入周围土体，注浆压力须大于隧道底处的土压力值，而且必须控制在较好的范围之内，保证只是填充而不是劈裂。根据经验可取为1.1～1.2倍的静止土压力，注浆压力为0.3 MPa左右。注浆压力应略大于各注浆点位置的静止水土压力。由于注浆是从盾尾圆周上的几个点同时进行的，故上部每孔的压力应比下部每孔的压力略小0.05～0.10 MPa。

4.6 分阶段穿越各区控制要点

由4.1节可知，根据盾构在东西通道下十字叠交穿越原水管的工况特点，将盾构穿越前后划分为5个区，分阶段制定控制措施，尽可能减少对原水管的扰动，确保原水管的安全。

4.6.1 Ⅰ区（8～48 m范围模拟段）

此处断面位于第⑤1灰色黏土层，推进过程中，要精确控制同步注浆以及盾尾油脂，同时盾构开始推进后，采用进口盾尾油脂压住，确保盾尾不漏浆。推进过程中理论土压力设定为0.24 MPa，根据监测数据情况，控制盾构机切口土体微量隆起。推进时加强注浆工序的管理，根据监测反馈的情况实时调整注浆量和注浆压力，注浆应充填充足，使盾尾后部地表微微隆起1 mm。此段掘进时，平曲线为缓和曲线、竖曲线为半径3 m的圆曲线，提前进行盾构纠偏，控制管片及盾构机姿态，使盾构机以最佳的姿态进入原水管8 m影响范围穿越段。此阶段重点控制土压力设定值及其波动，根据监测反馈的情况实时调整土压力，为之后进入原水管8 m影响范围穿越段提供参数指导。

4.6.2 Ⅱ区（8 m影响范围穿越段）

此处断面仍位于第⑤1灰色黏土层，理论土压力仍设定为0.24 MPa，根据监测情况适时调整土压力，使原水管保持隆起2 mm。推进40～60 cm，停顿10～20 min，进行应力释放，然后再继续推进。

4.6.3 Ⅲ区（重叠段）

此处断面仍位于第⑤1灰色黏土层，因原东西通道结构施工时，曾对原水管四周土体进行MJS加固，故应结合盾构进出洞施工工况进行盾构掘进。进入MJS加固区时，逐步降低土压力，至原水管正下方时设定理论土压力为0.20 MPa，并及时根据监测情况适时调整土压力。使原水管保持隆起2～3 mm。推进40～60 cm，停顿10～20 min，进行应力释放，然后再继续推进。

4.6.4 Ⅳ区（8 m影响范围穿越段）

此处断面仍位于第⑤1灰色黏土层，施工设定理论土压力为0.25 MPa，根据监测情况适时调整土压力。控制原水管保持隆起2 mm。推进40～60 cm，停顿10～20 min，进行应力释放，然后再继续推进。推进过程中严格保持开挖面的土压平衡，减少对土体的扰动。不得超挖或欠挖，防止过大的纠偏。根据监测数据及时调整盾构推进参数，调整同步注浆压力、土压力及出土量，确保盾构机能平稳穿越相应区段。

4.6.5 Ⅴ区（8～48 m范围控制段）

此处断面仍位于第⑤1灰色黏土层，施工设定理论土压力为0.25 MPa，根据监测情况适时调整土压力。此段施工时重点控制注浆工序，根据监测情况调整同步注浆压力及注浆量。

5 施工监测

进行实时监测和信息化施工，保证土体沉降能在第一时间内得到控制。为此，在盾构出洞、穿越及进洞期间，应立即将实时监测的数据报告给盾构总控制台，以便于施工技术人员及时了解施工现状和相应区域土体变形情况，确定新的施工参数和注浆量等信息和指令，并将其传递给盾构推进面，使推进施工面及时做好相应调整，最后通过监测确定效果，从而反复循环、验证、完善，确保隧道施工质量。

5.1 监测项目

原水管垂直位移、原水管外侧土体分层沉降、原水管外侧深层土体侧向位移、潜水水位、东西通道结构沉降。

5.2 监测布点

1）原水管垂直位移监测。东西通道结构外部沿原水管走向布设，测点间距10 m，共计设置8个点（图4）。

图4 原水管垂直位移监测点布设

2）土体分层沉降监测。在源深路站始发井与原水管之间，靠近原水管2 m位置布设1排监测孔，布点间距约为10 m，东西通道结构内区域布设4个孔，在通道结构外布设2个孔，共计设置6个分层沉降孔，每个分层沉降孔安装3个沉降标（图5）。

图5 土体分层沉降监测点布设

3）土体深层侧向位移（测斜）布设。在源深路站始发井与原水管之间，东西通道结构区域设置2个孔，通道结构外侧设置2个孔，共计4个孔（图6）。

图6 土体测斜监测点布设

4）潜水水位监测。在东西通道基坑外南北侧各设置1个潜水水位监测孔，测点与原水管的水平距离为2～3 m（图7）。

图7 坑外水位监测点布设

5）监测报警值。根据设计要求，盾构穿越东西通道结构沉降需要满足变化速率小于3 mm/d，累计值小于5 mm的要求，原水管土体测斜、分层沉降、原水管竖向位移累计值应小于10 mm。

6 施工效果分析

本工程通过浦东大道站—源深路站区间盾构在东西通道结构下方小间距十字叠交穿越大口径市政管线的特殊工况，结合东西通道结构与原水管对盾构机的影响、盾构小间距推进对原水管及东西通道二次扰动的影响，通过预隔离加固及同步盾构推进施工技术措施将小间距施工对上方穿越构建筑物的影响降到最低。同时通过分阶段控制技术，对土压力、推进速度、刀盘扭矩、同步注浆等施工流程细化，形成完整的施工工艺。

经实施，本工程最终的小间距段轴线偏差控制在设计要求范围内，东西通道累计沉降控制在5 mm内，原水管土体测斜、分层沉降、竖向位移等监测数据控制在5.5 mm内，各监测数据均符合设计及规范要求，穿越取得了圆满成功，为后续类似工程提供了经验和理论依据。