多孔疊交隧道盾構施工關鍵技術研究

陳 凱

(浙江交通職業技術學院， 浙江 杭州 311112)

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多孔疊交隧道盾構施工關鍵技術研究

陳 凱

(浙江交通職業技術學院， 浙江 杭州 311112)

為確保多孔疊交隧道能安全快速地施工，以南寧軌道交通1號線和2號線疊交段為例，分析了疊交隧道“先下后上”施工的優勢。結合現場施工情況，對疊交隧道施工的二次固結、注漿加固、下部隧道支撐加固和掘進參數控制等關鍵技術進行分析，給出疊交段的加固范圍，分析鉆注一體和臺車+風鉆2種施工方法以及穿行式同步移動支撐臺車和可拆卸環形鋼支架2種支撐方法的適用條件。對于疊交隧道盾構掘進參數控制技術，從掘進參數、盾構姿態和同步注漿3方面提出了建議。

盾構施工；多孔疊交隧道；二次固結；注漿加固；下部隧道支撐加固；掘進參數控制

0 引言

現階段城市軌道交通的規劃往往由多條線路組成，某2條或某幾條線路重疊交錯在所難免，而施工過程中各條線路往往單獨施工，導致疊交段地層受到多次擾動、地表建筑物及已建成隧道多次變形，從時間和空間上均增加了地表及地下建(構)筑物的安全風險。多孔疊交隧道盾構同步施工，可以從時間上縮短疊交段盾構施工對已建隧道和周圍建筑物的影響，且若控制措施得當，可大大減少和降低對周圍居民的影響；另外，多孔疊交隧道多臺盾構共同始發或接收，可以有效減少地表施工場地的占地面積，減少地表拆遷，節約工期。

I.Yamaguchi等[1]針對日本京都市4線近距離平行隧道的特殊工況進行了設計和施工研究；S.Suwansawat等[2]對泰國曼谷MRTA項目中2孔隧道盾構施工監測得到的多組地表沉降曲線進行了分析和探討；白廷輝等[3]分析研究了上海地鐵1號線和2號線交叉段的地層移動，提出了隧道超近距離穿越既有隧道時的一些保護措施；劉樹佳等[4]、李磊等[5]和張治國等[6]針對上海地鐵11號線夾穿地鐵4號線的復雜工況，研究了盾構穿越引起既有隧道變形的規律；朱蕾等[7]通過對上海地鐵13號線上穿地鐵4號線的隧道變形數據進行分析，得出了穿越施工可以引起隧道滯后隆起的結論；陶連金等[8]通過對北京地鐵盾構近接工程的現場監測結果進行分析，探討了盾構隧道施工對既有盾構隧道縱橫向變位、附加彎矩及軸力的影響變化規律；肖瀟等[9]和周建軍等[10]采用有限元方法模擬了多線疊交盾構隧道的施工過程；張曉清等[11]通過模型試驗分析了疊交盾構隧道引起的地表沉降和既有隧道縱向變形規律；王有成等[12]以某實際隧道疊交段為例，探討了不同穿越形式下既有隧道的變形規律，提出了不同穿越形式下控制既有隧道變形的合理措施；廖少明等[13]對隧道穿越施工進行了研究，得出“先下后上”施工有利于控制既有隧道變形的結論。

綜上所述，國內外學者對疊交隧道的施工開展了大量的研究，但以2線交叉疊交居多，2線平行疊交較少，且一般2條線的施工時間間隔較長，對于2線4洞相互疊交且施工時間間隔較短的情況研究較少。因此，在國內外研究成果的基礎上，開展了多孔疊交隧道加固、下部隧道支撐加固和掘進參數控制等方面的研究，以期為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

南寧軌道交通某標段的4個盾構區間包含1號線火車站到朝陽廣場區間(簡稱火朝區間)、新明路到朝陽廣場區間(簡稱新朝區間)和2號線朝陽廣場到火車站區間(簡稱朝火區間)、體育館到朝陽廣場區間(簡稱體朝區間)。1號線火朝區間單線長度約為1 397.839 m、新朝區間單線長度約為1 202.298 m，2號線朝火區間單線長度約為1 293.38 m、體朝區間單線長度約為2 985.72 m。4個區間長度共計 6 879.237 m。盾構穿越的地層主要為粉砂質泥巖、圓礫以及圓礫與泥巖復合地層，體朝區間下穿邕江。地下穩定水位埋深為9.2～11.2 m，隧道埋深為15～39 m。

為實現火車站和朝陽廣場站同臺換乘，區間線路火朝區間呈4線交疊，新朝區間、體朝區間為2線交疊，疊交最小間距為2.0 m。其中：火朝區間近距離斜交疊交段長656 m，占區間長度的46.93%；朝火區間近距離斜交疊交段長928 m，占區間長度的71.75%；新朝區間近距離斜交疊交段長656 m，占區間長度的54.56%；體朝區間近距離疊交段長509 m，占區間長度的17.05%。區間沿線近距離疊交段總長度約占區間長度的40%。新朝區間和體朝區間近距離疊交段位于轉彎半徑為350 m的區域，其余2個區間位處直線段。體朝區間下穿邕江，采用2臺泥水盾構施工，其余3個區間采用3臺土壓盾構施工。盾構施工示意圖如圖1所示。

2 疊交隧道施工順序的選擇

疊交隧道盾構施工順序的選擇應主要考慮盾構施工對地面周邊環境及地下構筑物安全使用功能的影響，施工順序包括“先上后下”和“先下后上”2種。若采用“先下后上”的施工順序，上部隧道開挖時，易引起土體的回彈效應，大大減緩土體的沉降趨勢；若采用“先上后下”的施工順序，下部隧道開挖時可能會加劇整個土體的沉降趨勢。針對本工程疊交段施工時間間隔短(小于6個月)、圓礫層富水、地表及周邊環境復雜等條件，采用了“先下后上”的施工順序。

圖1 盾構施工示意圖Fig.1 Sketch of shield tunneling

3 疊交隧道施工關鍵技術

3.1 疊交隧道土體二次固結技術

由于盾構區間上下部隧道凈距小，上部隧道盾構施工推進過程中地層擾動、荷載增加等因素會對地層的密實度及下部隧道造成一定的影響。為了確保盾構施工期間隧道結構和周邊環境以及隧道成型后的運營安全，對地層采取了二次固結措施；為了降低盾構施工及后期運營風險，通過注漿加固來處理二次固結。具體操作方法為：1)下部隧道掘進完成后，對上部隧道經過的重疊段、斜交段夾層土體進行加固(加固范圍為202.5°，厚度為隧道外3.5 m)；2)上部隧道掘進完成后，對重疊隧道段土體進行加固(加固范圍為360°，厚度為隧道外3.5 m)。二次固結施工情況如圖2所示。

3.2 疊交隧道注漿加固設備與施工工藝

疊交段地層主要為富水圓礫層、粉砂質泥巖，為避免富水圓礫層噴水、卡鉆等狀況影響注漿加固效果，采取全方位無死角(可360°旋轉)的鉆注一體機、傳統臺車配備風鉆2種方式進行注漿加固。

3.2.1 全方位無死角(可360°旋轉)鉆注一體機

鉆注一體機施工的原理是鉆機完成鉆孔后不需要拔鉆桿即可實現分段退桿注漿的工藝，分段退桿的步距(每次退桿的長度)為50～80 cm，其可有效降低施工風險，縮短作業時間。

鉆注一體機由推進系統、鉆機、補償調整油缸、鉆注桿、注漿旋轉接頭和孔口旋轉密封裝置等組成。鉆孔直徑為38～45 mm(根據需要可改造)，最大鉆孔深度為 3 500 mm(根據需要可改造)，鉆進速度為0～2 m/min，液壓轉釬扭矩為700 N·m，鉆機總長度為4 800 mm(含鉆桿)，質量約為1 500 kg。針對富水圓礫層，鉆機采用單向防水密封裝置，除鉆孔旋轉外，還可以實現避車、定位、鉆孔注漿作業、鉆機前后伸縮補償調整等。

圖2 二次固結施工示意圖(單位：mm)Fig.2 Sketch of secondary consolidation (mm)

鉆注一體機采用獨立拖車臺架安裝，根據注漿加固的需要在臺架上設置相關輔助設施，如水箱、泵站、驅動電機(行走)等。注漿臺車可通過電機驅動行走，也可采用電瓶機車拖動行走。鉆注一體機及鉆桿示意圖如圖3所示。

3.2.2 傳統臺車+風鉆鉆孔注漿施工工藝

該注漿加固設備采用2層注漿臺車(焊接在電瓶車管片平板車上)和風鉆進行施工。針對全斷面富水圓礫層，為避免鉆桿撥出時發生噴水、涌砂風險，在預埋注漿孔部位增設防噴裝置。防噴裝置由球閥、注漿頭及止水盤根組成。

施工步驟為：安裝防噴裝置—鉆孔—拔鉆桿—安裝注漿管—注漿—封孔。注漿管采用外徑32 mm、壁厚3.5 mm、長3.5 m的熱軋無縫鋼管，鋼管前端呈尖錐狀，在鋼管前端設計活套管節，在活套內管管壁四周鉆10 mm的壓漿孔，鋼管后退時將活套管拉開，并通過注漿孔注漿，直到注漿管被拔出為止，孔口采用球閥，防止漏漿。注漿漿液采用雙液漿—單液漿—雙液漿交替的注漿方式，采用雙液漿控制漿液的擴散范圍及漿液的流失，采用單液漿保證填充密實度和加固分層。單液漿水灰質量比為0.6∶1～1∶1，注漿壓力控制為0.5～0.8 MPa，并根據地層情況靈活調整。

(a) 鉆注一體機

(b) 鉆桿

注漿量采用量壓結合的方式進行控制。即：圓礫層注漿量按照加固土體的20%～30%控制，泥巖層及其他地層按照加固土體的5%～10%控制；注漿壓力為0.5～0.8 MPa時，現場控制以注漿泵油壓控制，油壓一般為2～3 MPa。注漿效果檢查以地層滲水性(鉆進70 cm不滲漏泥砂)和注漿密實度(地質雷達掃描)為主要檢查手段。

通過現場操作對比，鉆注一體機鉆進速度較風鉆快，較普通二次注漿機慢。綜合施工工期、施工數量等因素，若施工距離較長、地層不穩定、鉆孔難度大，建議采用鉆注一體機，例如富水粉細砂、圓礫等地層；其余工況建議采用臺車+風鉆，施工期間必須配備足夠的防噴裝置。

3.3 下部隧道支撐加固設備及關鍵技術

為有效降低上部隧道施工對下部已建成隧道的影響，避免因盾構掘進時土體被擾動卸載及盾構擾動加載等影響結構安全，在上部隧道盾構主機區域前后各10環管片范圍內，對下部隧道結構安裝臨時內支撐系統，以提供持續的支撐力。內支撐系統包括穿行式同步移動支撐臺車和可拆卸環形鋼支架2種方式。

3.3.1 穿行式同步移動支撐臺車

同步移動支撐臺車主要由主梁架、支撐板、液壓系統、行走系統和下部支撐板吊裝系統等組成。主梁架為支撐板提供支撐點及行走梁，液壓系統為模板定位和脫模提供動力，電動行走系統提供行走動力，下部模板提供支撐及行走軌道，各系統可以獨立工作，也可以聯動工作。臺車通過穿行式移動，可實現對上部隧道掘進施工的持續支撐。穿行式支撐臺車現場施工如圖4所示。

圖4 穿行式支撐臺車現場施工Fig.4 Site construction drawing of walking support trolley

3.3.2 可拆卸環形鋼支架

可拆卸環行鋼支架包含弧形工字鋼、環向連接板、連接螺栓和縱向連接拉桿。在下部隧道距離上部隧道盾尾10環管片的位置處通過人工拆除鋼支架，并倒運至上部隧道刀盤前方位置，使安裝支撐與盾構施工同步。為保證掘進施工順利進行，上部隧道刀盤前面正下方至少需15榀環形鋼支架?？刹鹦董h形鋼支架如圖5所示。

圖5 可拆卸環形鋼支架Fig.5 Removable ring steel bracket

新朝區間和火朝區間采用穿行式同步支撐臺車，朝火區間及4線疊交、斜交區域采用可拆卸環形鋼支架?，F場通過2種支撐方式的對比，重疊距離較短(<80 m)、鋼支架倒運距離較短(1臺班可倒運安裝3～5榀)時，建議采用可拆卸環形鋼支架；重疊或者疊交距離較長時建議采用穿行式同步移動臺車，1臺班移動10～15 m，可滿足掘進要求。

3.3.3 下部隧道同步支撐行走關鍵技術

上部隧道盾構掘進時，下部隧道的支撐范圍為盾構刀盤前后30 m。

穿行式移動支撐臺車支撐長度為30 m，臺車自身配置電機、液壓系統、穿行軌道等，可實現自行移動，便捷快速，移動速度為6.7 m/min，移動期間可持續提供支撐力。

可拆卸環形鋼支架采用人工拼裝，上部隧道通過鋼支架支撐到結構的1/3處后，對后部進行拆除，然后使用平板車倒運送至隧道前端進行二次組裝，每次拆除支架時必須預留上部隧道盾構刀盤后方15 m(10環)的長度。為提高工作效率，環形鋼支架前后各配置1臺作業臺車，前方作業臺車主要負責支架拼裝，后方作業臺車主要負責支架拆卸。

3.3.4 下部隧道監測及周邊環境監測技術

地面值班室設置盾構施工監控系統，值班人員與盾構司機、下部隧道支撐臺車人員保持24 h信息互通，同時建立信息化交流平臺，監測人員每2 h發布1次監測數據，以便施工、監理、第三方和業主進行數據分析交流，并指導現場施工。

在近接疊交段施工前對盾構姿態及管片里程進行復核。盾構進入近接疊交段后，對盾構姿態進行1次測量，確保滿足設計線路的建議偏差值(水平向為±15 mm，豎直向為±20 mm)，并對偏差進行修正。

掘進過程中穿行式臺車及鋼支架位移變化最大值為0.8 mm；下部隧道結構拱頂隆起最大值為2.57 mm、下沉最大值為-0.84 mm，收斂變化最大值為0.65 mm、最小值為-0.95 mm。

3.4 疊交隧道盾構掘進參數控制關鍵技術

對于疊交段先行施工的下部隧道，盾構掘進參數按照常規的掘進參數設定即可。為減少上部隧道對下部隧道或者相鄰建筑物的影響，上部隧道的掘進施工按照“快速掘進，注漿同步，支撐同步，監測同步”的原則實施。盾構姿態調整按照“多次小調”的原則實施。

3.4.1 盾構掘進參數控制

體朝區間穿越邕江且2線疊交，疊交段泥水盾構的參數需要嚴格控制。盾構掘進參數的設定見表1。

3.4.2 盾構姿態控制

在實際施工中由于地質突變，盾構推進方向可能會偏離設計軸線，需及時調整盾構姿態、糾正偏差。在每環推進過程中，控制盾構姿態變化的偏差為±3 mm；掘進過程中控制盾構的方向偏差為±20 mm；在緩和曲線段及圓曲線段，控制盾構的方向偏差為±40 mm。

表1 疊交段盾構掘進參數Table 1 Driving parameters for overlapped section

3.4.3 同步注漿控制

同步注漿采用注漿壓力與注漿量雙向控制的方法，每環注漿量控制為空隙量的140%～185%，確保管片與地層間的空隙填充密實，同時應及時了解地面的沉降監測情況，若沉降較大則應加大注漿量或者進行二次注漿。上部隧道注漿漿液的初凝時間比下部隧道短，凝結時間為5～7 h。

4 疊交隧道的施工效果

通過對工作裝置進行改進創新，施工進度得到了大幅度提高，重疊段施工進度與正常段施工進度基本一致，在盾構場地提供較晚的條件下完成了施工的節點目標。

疊交隧道盾構施工過程中對周邊建筑物影響較小，4線疊交下穿的淺覆土老舊橋梁(1951年修建重力式橋臺，1965年、1982年和1993年分別進行了擴建)沉降控制較好，最大沉降為15 mm。

5 結論與討論

以南寧軌道交通1號線和2號線疊交段為例，對盾構施工多孔疊交隧道的關鍵技術進行了分析總結，主要包括：

1)為確保盾構施工期間隧道結構、周邊環境安全及隧道成型后的運營要求，需對地層采取二次固結措施；

2)疊交隧道注漿加固建議采用全方位無死角鉆注一體機及傳統臺車+風鉆2種方式聯合進行注漿加固；

3)為有效降低上部隧道施工對下部已建成隧道的影響，在上部隧道盾構主機區域前后各10環管片范圍內，對下部隧道結構安裝臨時內支撐系統(包括穿行式同步移動支撐臺車和可拆卸環形鋼支架2種方式)，以提供持續的支撐力，避免因盾構掘進時土體被擾動卸載及盾構擾動加載等影響結構安全；

4)采用“先下后上”的順序施工時，先施工的下部隧道，其盾構掘進參數按常規掘進參數設定即可；為減少上部隧道對下部隧道或者相鄰建筑物的影響，上部隧道在掘進施工過程中需嚴格控制盾構姿態，并控制好同步注漿。

針對多孔疊交隧道盾構施工問題，主要針對2孔疊交隧道之間的相互影響展開了研究。對于近交多孔隧道之間的相互影響，尚未能開展深入的理論研究，施工過程中對于多孔隧道之間的影響也未能完全考慮，下一步應對多孔隧道之間的影響規律開展研究。

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Study of Key Technologies for Shield Tunneling of Overlapping Tunnels

CHEN Kai

(ZhejiangInstituteofCommunication,Hangzhou311112,Zhejiang,China)

Taking the overlapped section between Nanning Metro Line No.1 and Line No.2 for example,the advantages of the construction scheme of “upper tunnel after lower tunnel” are analyzed so as to ensure the rapid and safe construction of overlapping tunnels.And then the key technologies,i.e.secondary consolidation,grouting reinforcement,support reinforcement of lower tunnel and driving parameter control,are studied based on site construction conditions; the reinforcement range of the overlapped section is given; and then the applicable conditions of two kinds of construction methods,such as integration of drilling and grouting and trolley + pneumatic drill,and two kinds of supporting methods,such as walking synchronous mobile support trolley and removable ring steel bracket,are analyzed.Finally,some suggestions on the control technology of driving parameter of shield tunneling are proposed in terms of driving parameters,shield altitude and synchronous grouting.

shield tunneling; overlapping tunnels; secondary consolidation; grouting reinforcement; support reinforcement of lower tunnel; driving parameter control

2016-10-11;

2016-12-18

浙江省交通運輸廳科技計劃項目(2013H26)

陳凱(1975—)，男，山西孝義人，2004年畢業于中南大學，地圖學與地理信息系統專業，碩士，副教授，主要從事橋梁、隧道工程測量與施工的研究工作。E-mail:chen_kai00@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.014

U 455.4

B

1672-741X(2017)06-0742-06