盾構近工作井段小間距下穿已運營地鐵施工技術

柏 林，顧洋旗，康 杰（上海市基礎工程集團有限公司， 上海 200002）

1 工程概況

上海市地鐵 15 號線工程土建 14 標古北路站—天山路站盾構區間，在古北路延安西路附近距出洞約 50 m 處上、下行線隧道將先后穿越地鐵 10 號線伊犁路站—水城路站區間，穿越長度約 27.58 m，平面位置關系如圖 1 所示。穿越處新建隧道與地鐵 10 號線隧道呈 83° 斜交，最小垂直距離只有 1.8 m，給區間盾構推進施工及地鐵 10 號線結構和運營安全造成極大困難。

圖 1 新建隧道與地鐵 10 號線平面位置關系圖

2 工程難點

2.1 新建隧道小間距穿越運營隧道

已運營隧道地鐵 10 號線在穿越區域所處的地層為 ④1層淤泥質黏土層，此地層對于盾構推進施工的變形極為敏感。本工程新建隧道與 10 號線運營隧道垂直凈距僅為 1.8 m，具體如圖 2 所示。

圖 2 新建隧道與地鐵 10 號線相對位置關系剖面圖

2.2 盾構近工作井段穿越運行隧道

盾構出洞推進 30 m 便側穿延安路高架樁基、50 m 后即與運營地鐵 10 號線隧道呈 83° 相交、下穿。為了保持開挖面穩定，一般須通過 100 m 試推進以確定工作面土壓力，但此工程不具備該條件，施工難度大。此外，該處 2 臺盾構先后出洞、穿越施工，上行線隧道完成穿越施工時間為 1 個月左右，因場布、工期等多方面原因，下行線隧道再次出洞、穿越施工，對上行線穿越區域土層產生二次擾動。

2.3 端頭井處地下管線分布較復雜

穿越區范圍上方分布有眾多地下管線，特別是古北路、虹橋路交叉口有φ2 400 雨水管埋深 2.7 m，橫穿新建的地鐵 15 號線隧道頂約 15 m，水流量大。一旦發生管道破損，水流沖刷帶走周邊土體，將造成地面塌陷、交通堵塞、隧道上浮等一系列連鎖問題。其位置關系立面圖如圖 3 所示。

圖 3 φ2 400 雨水管與擬建地鐵隧道關系立面圖

3 地鐵 10 號線隧道監測

為保證地鐵 10 號線安全運營并監測施工過程中土層微擾動變化，于盾構穿越施工前 3 個月，在隧道穿越影響區段內布設自動化電子監測系統，并建立監測數據信息交流溝通的動態信息傳遞網絡。及時將監測數據通暢地傳輸到盾構施工控制中心，對運營隧道進行實時、精確的監測。

采用美國 SLOPE INDICATOR 公司旗下電子水平尺及相應的 CR 系列數據自動采集器組成的豎向位移自動監測系統。在穿越影響區 100 m 內，用電子水平尺縱向布置在軌道中間的道床上，監測隧道的水平、豎向位移。為保證數據傳輸通暢，本工程接入光纖傳輸，實時獲取線路縱向和橫向位置變化數據及相應曲線變化圖。盾構監控中心指揮人員隨即動態調整土壓及注漿等施工參數。

4 穿越施工控制要點

4.1 土壓力控制

盾構施工時，為了維持開挖面的穩定和減少對土層的擾動，正面土倉壓力管理值應以盾構前方地層水土壓力的實際值為基準[1]。

近距離穿越過程中，近距離穿越時土壓力值的大幅度變化值被探討。從土力學的角度而言，造成穿越時土壓力值變化的原因有下面 2 點。一是已運營隧道周圍土體在之前施工中被置換，致使其下方土體所受豎向土壓力減小；二是穿越時上方已建隧道具有一定的剛度，對土壓力起到一個承擔分散壓力的作用[2]。

因此，此次穿越施工設定土壓力變化可以大致分為 3 個階段。

（1）模擬段：隨著切口與 10 號線之間的距離不斷接近土壓力逐漸減小。

（2）穿越段：土壓力隨盾構機切口與已建隧道的相對位置呈凹曲線變化。

（3）穿越后：盾構切口脫離 10 號線下行線后土壓力逐步恢復至正常。

土壓力設定的 3 個階段示意圖如圖 4 所示。

圖 4 土壓力設定的 3 個階段示意圖

以上行線盾構機穿越地鐵 10 號線上、下行線為例，土壓力隨環號變化如圖 5 所示。

4.2 速度控制

穿越施工中，最重要的一個環節即保持土壓力穩定推進，尤其是需要保持土壓力增減過程中的推進速度穩定，使得穿越過程中土壓力的變化曲線成穩定的弧線形。盾構穿越時應將推進速度控制在盾構機性能能夠滿足速度穩定條件下的最小推進速度，達到勻速緩慢地掘進效果，減少因速度不穩定而產生的切削面受力不均勻，以控制地層變形。本工程穿越中最佳掘進速度控制在 8～12 mm/min，穿越前及穿越后速度控制在 10～15 mm/min，影響區外速度逐漸調整至正常推進時速。

圖 5 土壓力隨環號變化圖

4.3 出土量控制

就地層損失產生的關鍵因素而言，最重要的一個因素就是出土量的大小。出土量的控制應與掘進速度的控制保持一種動態平衡狀態，而出土量又與螺旋機轉速密切相關。盾構正常掘進時，螺旋機轉速控制一般可采用自動控制模式，但在穿越施工時由于掘進速度極慢，單位時間內出土量極低，螺旋機自動模式下難以控制掘進速度所要求的出土量。因此，穿越區施工采用手動模式控制出土量[3-5]。

4.4 盾構姿態控制

在穿越地鐵 10 號線控制區，上行線盾構以豎曲線為－2‰ 坡度凸曲線轉 －20 ‰ 坡度、平曲線為右轉圓曲線R=1 500 推進，線形較復雜。為降低盾構姿態的大幅調整對土層的擾動，穿越施工前必須將盾構姿態糾正至設計軸線上。穿越施工中，盡量減小平面或高程的糾偏。因此在穿越過程中，根據地鐵 10 號線內電子水平尺沉降監測數據，在沉降穩定情況下可以適當調整區域油壓糾偏，減少盾構糾偏量和糾偏次數，注意不急糾、不猛糾。

在盾構推進過程中，應按照“勤測勤糾、小角度糾偏”的原則進行糾偏控制，將盾構切口和盾尾的偏差控制在 ±10 mm 以內，即盾構切口偏離值控制在 －30 ～－10 mm范圍內，盾尾偏離值控制在 ±10 mm 范圍內。

4.5 同步注漿控制

當前盾構施工過程均采用同步注漿施工工藝，主要作用為均勻穩定地充填壁厚建筑空隙。注漿量的控制應根據模擬推進的監測數據確定，動態控制。為防止漏漿，盾構掘進過程中應加強盾尾密封油脂的壓注，以保證盾尾密封刷的密封性能。

為了精確控制每環注漿量，對漿液的質量有較大的要求，特別是注漿材料本身的體積收縮，務必保證以下 3 點條件。

（1）保證每環注漿量能充盈盾構機通過后形成的建筑間隙。

（2）控制注漿壓力，根據掘進行程均勻壓注漿液。

（3）漿液的配比須符合質量標準并滿足一定的施工要求（即同步砂漿的坍落度、膨脹率及泌水率）。

4.5.1 注漿量

考慮注漿的漿液除填充盾尾間隙外，還將滲透到四周土層中，起到土層固結作用，所以實際注漿量相較理論注漿量需考慮注漿量調整系數。對應不同地層，此系數根據電子水平尺監測數據變化也應做出相應調整。注漿量控制是一個動態的、嚴謹的控制過程。

1951年夏天結束土改后，縣委決定抽調湯甲真等10多名同志到省委黨校學習。同年底學習結束后，他被調往益陽地委黨校工作。他任校黨總支宣傳委員兼班黨支部書記。

本工程采用工廠預拌的商品漿，漿液材料為厚漿，每環壓入量一般控制在“建筑空隙”理論計算值的 100 %～140%。實際注漿量還應根據模擬段試驗數據調整，并根據地面沉降監測數據和隧道變形數據動態調整。

值得注意的是，在管片拼裝過程中由于伸縮油缸導致土艙土壓力降低以及盾尾區域壓力釋放，使得隧道變形數據下沉，應及時在管片拼裝完成后進行土壓力摒壓以及盾尾補漿措施。

4.5.2 合理控制注漿壓力

推進時記錄的每環切口土壓力值應當作為之后盾尾經過時注漿壓力的參考值。為保證漿體可較好地滲入周圍土體中，注漿壓力需略 ＞ 4 個分區的土壓力值。同步注漿只需要保證充填注漿效果，避免因注漿壓力過大而產生劈裂效果，對土層產生二次擾動。對于判定是否會造成土層劈裂效果，可在每環平均壓漿量不變的情況下，通過壓漿后盾尾處地表點及管線點是否產生臨時隆起在較短時間內又持續回沉來判斷。

4.6 穿越后的土體固結注漿加固

盾構通過后，為了減小土層因為應力松弛而導致的固結沉降，還須對盾構掘進過程中擾動土體進行地層固結注漿。

4.6.1 管片增加注漿孔

每環管片上共增設 10 個注漿孔，除封頂塊外每塊管片設 3 孔，注漿孔分布示意圖如圖 6 所示。盾構穿越后通過管片上預留的注漿孔對擾動的土體進行固結注漿加固，防止出現固結沉降。根據設計要求，已運營隧道影響區域內的新建隧道四周均加固 1.5 m 厚度。

圖 6 注漿孔分布示意圖

4.6.2 注漿方案

注漿加固擬分 3 步進行。

（1）盾構機切口穿越施工后，應及時進行二次微擾動跟蹤注漿（應考慮臺車是否影響打設注漿孔）。具體實施方案為：在盾尾出穿越區正下方 3～5 環后從隧道上部注漿孔（L 1 塊和 L 2 塊）進行微擾動跟蹤注漿；在盾尾出 10 環以后進行整環微擾動跟蹤注漿。

（2）在二次微擾動跟蹤注漿施工過程中，在對應穿越影響施工區段的隧道預留注漿孔內安裝適量預埋注漿管。為達到保護地鐵 10 號線的沉降要求，根據電子水平尺監測數據，利用 PDCA 工作原理，在對應單次或累計沉降較大的點位進行多次微擾動充填注漿。施工范圍為隧道外部一圈厚度為 1.5 m 的加固殼，土體加固后應保證其有良好的均勻性和較小的滲透系數，并且土體強度也要達到設計要求。

（3）兩條隧道貫通后，在不影響安裝單位施工的前提下，預留上面部分注漿孔。根據人工布點監測數據及電子水平尺監測數據，在經過較長時間（1 a 甚至 2 a ）沉淀后可能仍會有較大累計沉降，此時可打開預留的注漿孔，再次進行微擾動注漿。

5 實施效果

5.1 盾構穿越沉降控制效果

以古北路站-天山路站區間上行線穿越地鐵 10 號線為例。上行線盾構穿越地鐵 10 號線后，其沉降曲線如圖 7所示。

上行線穿越地鐵 10 號線后時間為 5 月 16 日，地鐵 10號線內最大隆起 2.1 mm，最大沉降 0 mm。

5.2 微擾動二次注漿沉降控制效果

盾構穿越施工完成后，根據電子水平尺監測數據及時進行微擾動注漿，以控制其沉降發展。自 5 月 17 日 ～ 6 月 16日共 31 d，共進行 15 次注漿施工，累計注漿量 38.45 m3，單孔每次注漿量 250 ～ 500 L。采取少量多次的注漿方式，在加固土體的同時，盡量減少注漿對土體的擾動。

圖 7 地鐵 10 號線累計沉降曲線

由于地鐵 10 號線為正在運營的隧道線，所以必須確保地鐵列車的運行安全。根據上海市地鐵運行有關安全規定及設計要求，盾構穿越施工時地鐵 10 號線電子水平尺沉降要求為隧道結構縱向沉降與隆起 ≤ ±5 mm。盾構穿越 31 d后地鐵 10 號線累計沉降曲線如圖 8 所示。

圖 8 盾構穿越 31 d 后地鐵 10 號線累計沉降曲線

從圖 8 監測數據可以看出，由于進行了微擾動注漿，盾構穿越 31 d 后，地鐵 10 號線上行線沉降基本穩定，最大沉降變化量為 －0.3 mm。至 6 月 16 日 19:30，累計最大沉降為 －0.5 mm，累計最大隆起 1.37 mm。從數據可以看出，盾構穿越 31 d 后，地鐵 10 號線上行線沉降完全滿足相關要求（右側隆起為下行線穿越擾動影響）。

6 結 語

針對本次穿越，對盾構近工作井段小間距下穿已運營地鐵的關鍵因素總結如下。

（1）盾構下穿已運營地鐵實施動態信息化反饋施工，采用自動化監測，為調整盾構施工參數提供了可靠的依據。

（2）盾構下穿過程中土壓突變，及時調整土壓，有利于確保已建隧道的安全運營和控制地層損失率。

（3）盾構通過后，對盾構掘進過程中擾動土體進行地層固結注漿，能有效減少地層的固結沉降。

（4）多點、少量、均勻、多次的微擾動注漿原則能有效減少對土層的影響。