盾构机长距离全断面上下平行穿越已建地下通道施工技术

张子敏

上海市基础工程集团有限公司 上海 200002

1 工程概况

上海轨道交通14号线12标陆家嘴站—浦东南路站—浦东大道站—源深路站—昌邑路站共4个区间均涉及长距离全断面穿越东西通道结构工况，除陆家嘴站—浦东南路站区间外，其余3个区间与上部东西通道均呈上下平行重叠的关系，盾构机自始发至接收均在东西通道结构下方实施。上部东西通道围护为SMW工法桩，隧道与通道围护结构最小水平净距0.8 m，隧道与东西通道底板最小竖向净距2.7 m。

2 难点分析

2.1 施工穿越无模拟段

由于本工程轨道交通与公路隧道合建的特殊工况，盾构区间盾构机自始发至接收全断面位于东西通道结构下方，盾构机自出洞开始即穿越建（构）筑物。根据盾构机穿越保护上部建（构）筑物的常规工艺，盾构机穿越前需设置模拟段，根据模拟段施工对监测数据进行分析，对盾构机的施工参数进行统计，通过模拟段将盾构机的相关施工参数设定调整至最优状态后，实施穿越施工。由于本工程的特殊工况，不具备设置模拟段的施工条件，需要在穿越期间逐步摸索施工参数，增加了施工保护的难度[1]。

2.2 已建通道结构监测数据反馈迟滞

东西通道结构围护结构采用SMW工法桩，深度25～30 m；东西通道结构底板厚度约1 m，虽为分块浇筑，但单块底板的面积仍比较大；按常规监测点布置，沉降监测点需布置在结构底板及结构侧墙上，但因结构底板为大体积混凝土且为整体结构，侧墙与围护结构梁墙合一，围护结构深度较深，布置于底板及侧墙上的监测点数据变化无法及时反映结构下部土体的真实情况，数据反馈有迟滞性，不利于盾构机施工参数的设置。

2.3 盾构机穿越新旧地下通道结构施工缝

东西通道工程在2010年上海世博会前开工，完成了部分结构段施工后，在世博会期间，浦东大道恢复交通，世博会后重新开工进行后续的施工建设。后续施工的结构段与已完成的结构段存在施工缝，由于相邻结构施工段间隔时间长、沉降稳定周期不一致、老结构的施工缝接头完好率不可控，造成施工缝位置处质量不可控，现状结构施工缝位置已有较大的接缝张开量。盾构机推进至施工缝位置，施工缝极易受到外力影响而产生裂缝，出现渗漏水通道，也会导致东西通道相邻结构段出现差异沉降。

3 施工技术研究

3.1 已建地下通道结构下方的盾构机切口土压力控制

3.1.1 已建地下通道结构下理论土压力计算原则

盾构机掘进正面土压力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。

由于区间隧道上方为东西通道结构，为中空的混凝土通道，通道顶板上方为回填土。计算土压力需先计算出区间隧道上方东西通道竖向投影下的单位截面积质量。

根据结构调查，东西通道围护结构主要存在3种结构形式，具体可见图1～图3。图中L为东西通道截面长度；H/H1为东西通道结构高度；H2为东西通道匝道高度；L匝道为东西通道匝道宽度；h1为东西通道覆土厚度；h2为东西通道上行线净高；h3为东西通道下行线净高；h匝道为东西通道匝道净高；L2为东西通道下行线净宽；L3为东西通道上行线净宽；D为盾构顶部各土层覆土厚度总和，单位均为m；h4、h5为不同土层厚度。

图1 东西通道围护结构形式一

图2 东西通道围护结构形式二

图3 东西通道围护结构形式三

根据不同围护结构形式计算东西通道单位截面积自重，分别选取代表段区间进行计算。东西通道围护结构形式一为浦东南路站—浦东大道站区间PD2段（上行线345—365环），东西通道围护结构形式二选取浦东大道站—源深路站区间DY2段（上行线675—695环），东西通道围护结构形式三选取浦东大道站—源深路站区间DY27段（上行线170—185环）。经计算，3种围护结构形式的东西通道围护结构单位截面积自重分别为66.1、79.8、66.7 kN/m2。

根据工程地质情况分析，盾构机推进过程中刀盘切削中心主要涉及⑤1、⑥层土。⑤1层灰色黏土层内摩擦角为13.5°，静止侧压力系数为0.767；⑥层草黄色粉质黏土层内摩擦角为15.5°，静止侧压力系数为0.733；刀盘处于⑤1与⑥层黏性土之间时，静止侧压力系数取0.750。

考虑土体扰动后性质变化、盾构机推进速度、超载状况等因素，增加正面水土压力的调整系数，其值一般黏性土中取1.05～1.12，砂性土中取1.13～1.15。黏性土段土压力计算时取1.10，砂性土段土压力计算时取1.14。考虑东西通道单位截面积自重，再根据相应的水土合算公式，即可计算得到盾构机穿越段每一区段的理论土压力。

3.1.2 施工缝位置土压力控制研究

东西通道施工缝位置为结构薄弱位置，若盾构机推进扰动过大则容易引起施工缝张开量变大，进而产生结构不均匀沉降、渗漏水等次生影响。

盾构机推进过程应尽量减少对上部结构的扰动，盾构机推进土压力设定在推进至施工缝位置时应作适当变化（图4）。

图4 东西通道结构施工缝位置土压力计算示意

盾构机切口推进至施工缝前5 m，土压力适当降低，土压力计算时不考虑上部东西通道结构质量，仅以结构底板以下至盾构机中心标高的土层种类及层厚作为计算依据，当盾构机切口推过施工缝5 m后，恢复正常土压力设定值。

3.2 已建地下通道结构下方的同步注浆控制

3.2.1 同步注浆量的确定

每环的压浆量一般为建筑空隙的140%～180%，即每推进一环同步注浆量为3.1～4.0 m3。泵送出口处的压力应控制在略大于周边水土压力，一般情况下同步注浆压力控制在0.6 MPa左右，碰见松散地层时应结合沉降情况适当降低同步注浆压力。若同步注浆后，土体仍发生较大沉降以及管片间有较大的渗漏，应调整浆液配合比，加厚浆液，并调整盾尾油脂的压注量。

3.2.2 同步注浆量检测

盾构机在东西通道结构下穿越时必须保证同步注浆量恰当，常规同步注浆量的调整通常按照监测数据执行，但是由于盾构机长距离全断面在东西通道结构下方穿越的特殊性，东西通道底板本身具备一定的强度、刚度及抗变形能力，导致布置在上部通道结构内的监测点数据存在一定的滞后性，无法如地面监测点一样快速、如实地反映盾构机推进带来的影响，也就无法完全按照常规做法，即通过分析监测数据调整盾构机推进同步注浆量，故通过探地雷达对隧道壁后注浆效果进行检测。

探地雷达的探测区域大约为壁后的4 m范围内。探地雷达紧贴混凝土管片沿隧道纵向进行探测。

盾构机外径6 760 mm，管片外径6 600 mm，管片内径5 900 mm，管片混凝土厚350 mm，盾构机穿越后土体与管片外弧面间距为430 mm，同步注浆壳体高100 mm，因此在盾构机同步注浆且注浆厚度经探地雷达检测后，最小注浆范围需满足530 mm、注浆厚度需满足180 mm的要求。

通过管片壁后注浆探测成果分析注浆薄弱位置，根据所接收到的反馈消息，及时同步注浆量、注浆点位等信息，以此作为有效的施工依据，保证盾构机施工的安全，可大幅度降低盾构机施工的潜在风险。

3.2.3 同步注浆压注方式

隧道推进过程中，注浆量应根据不同的地质情况和地表隆陷监测情况进行调整和动态管理。一般情况下以满足控制地表隆陷为原则，同时为保证注浆均匀性，并防止盾尾漏浆等情况的出现，将1.2 m管片划分为十等分，均匀分次注浆。为保证浆体较好地渗入周围土体中，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1.1～1.2倍的静止土压力。注浆压力应略大于各注浆点位置的静止水土压力；由于是从盾尾圆周上的几个点同时注浆，上部每孔的压力应比下部每孔的压力略小0.05～0.10 MPa。

3.3 已建地下通道下方的二次注浆控制

根据探地雷达的探测结果及监测数据反馈信息，分析同步注浆的薄弱点，通过管片预留的注浆孔进行二次注浆，遏制沉降趋势。二次注浆应采取多点、少量、均匀、多次的方式进行，注浆压力略大于注浆口水土压力，保证浆液能够注入即可。本课题研究时，在盾构机始发段1—50环掘进过程中，因土压设置过高，盾构机穿越期间东西通道隆起达到4 mm，穿越后沉降速率较快，最大值达5 mm，随即对该部位进行二次注浆。连续进行多次注浆后沉降趋势得到遏制，后期虽然根据监测数据又进行了多次注浆，但该部位土体经过沉降和二次注浆扰动后，土体结构已被破坏，最终沉降量在2 mm左右。

盾构机穿越后东西通道若一直呈现沉降趋势，则对该区段隧道土体进行分层注浆加固，同时考虑先后2次穿越叠加效应。施工对象为隧道周围360°范围内的预留注浆孔，每环15个注浆孔，加固后的土体应有良好的均匀性和较小的渗透系数，注浆加固后土体强度要求≥1.0 MPa。隧道推进结束后，根据监测资料或探地雷达探测资料，可对变形较大的部分、注浆厚度不达标及壁后存在空洞的管片，打开预留的注浆孔，进行再次注浆，以控制变形。

在第一节台车作业平台上加设二次注浆作业平台，在管片脱出盾尾后根据注浆指令对隧道上方管片进行二次注浆，初步遏制沉降趋势。同时制作可移动式注浆平台，可以在不影响推进的情况下进行二次注浆。

盾构机穿越后，由于受应力松弛影响，土体还会发生固结沉降，为此在盾构机掘进过程中对扰动土体进行地层固结注浆是非常重要的。通过后期的微扰动注浆，稳定土体，对东西通道结构进行保护。

3.4 监测数据分析与施工参数调整

为确保东西通道沉降风险可控，保证东西通道的结构安全，对始发段东西通道结构沉降数据进行分析，为后续盾构机推进土压力及同步注浆量提供依据。对盾构机始发段监测数据进行分析后发现：始发后东西通道结构沉降数据未有明显变化，穿越段处东西通道沉降监测点略有抬升，盾构机推进穿越监测区域后，监测点位有明显抬升，可以看出东西通道结构沉降监测数据有一定的延迟性，始发段东西通道结构监测点在该时间段最大累计沉降值为4.87 mm，最小累计沉降值为－3.70 mm，累计变化量在－3.70～4.87 mm；根据数据分析情况可知，东西通道监测数据具有一定的延时，无法即时反映出推进时的监测数据情况，但总体沉降监测数据线形符合盾构机推进基本情况：盾构机穿越段东西通道略有抬升，后期沉降略大。同时针对沉降较大的沉降监测点进行局部二次注浆，注浆后东西通道的监测数据有明显抬升，截至目前，监测数据变化已趋于稳定。经过对盾构机推进参数及东西通道结构沉降监测数据进行分析可知：对我方盾构机推进土压力及注浆量等参数进行调整，土压力在原有的基础上降低0.01 MPa，同步注浆量在原有的基础之上增注0.2 m3。尽量控制穿越期间东西通道隆起的监测数据在3 mm左右，经后期沉降后稳定在1 mm左右。

在始发段东西通道监测数据的基础上，对盾构机推进数据进行调整。土压力在设定土压的基础上降低0.01 MPa，在同步注浆量增加0.2 m3后，东西通道整体监测数据变化平缓，穿越段略有抬升，待增加同步注浆量后，有效抑制了东西通道的沉降趋势。截至目前，东西通道沉降数据总体变化趋势稳定，其中陆家嘴站—浦东南路站区间东西通道结构监测点最大累计沉降值为4.31 mm，累计变化量在－1.10～4.31 mm；浦东南路站—浦东大道站区间东西通道结构监测点最大累计沉降值为4.37 mm，累计变化量在－1.90～4.37 mm；浦东大道站—源深路站区间东西通道结构监测点最大累计沉降值为3.99 mm，累计变化量在－1.52～3.99 mm；源深路站—昌邑路站区间东西通道结构监测点最大累计沉降值为3.37 mm，累计变化量在－1.28～3.37 mm，盾构机推进期间东西通道结构监测数据累计值均未超过报警值。从巡视结果看，未发现通道内有新增裂缝和大量渗漏水等情况，东西通道结构状态良好。

4 结语

对于盾构机长距离全断面上下平行穿越已建地下通道这种特殊工况，针对地下通道结构监测数据迟滞且无法及时有效反馈地层变形情况的问题，通过前期的结构调查，对盾构机在已建地下通道下方的土压力计算设定、盾构机在已建地下通道下方的同步注浆技术及同步注浆量判定、盾构机穿越地下通道结构施工缝的施工参数设定、已建地下通道受盾构机穿越影响的监测数据进行分析研究，最终形成完整的施工工艺，使穿越东西通道结构平稳，后期沉降可控，东西通道整体结构良好，可为后续类似工程提供宝贵经验和理论依据。

[1] 王旋东.盾构机穿越机场捷运通道的风险分析及保护措施[J].隧道与轨道交通,2020(1):32-34.