超大直徑盾構穿越既有隧道的監護技術及運營組織

周 群

(上海地鐵維護保障有限公司工務分公司， 200070， 上海∥工程師)

隨著經濟的發展，城市地下空間被不斷開發[1]，交通網絡化體系已逐漸形成，因此新建隧道不可避免地上下穿越既有隧道，在地下空間內形成多線疊交的工程現象與日俱增。目前，眾多學者和工作者對盾構掘進的施工技術[2]以及施工引起的環境影響有了大量研究[3-8]，但是對于盾構穿越既有運營地鐵隧道的技術和保障方案[9-11]，尤其是超大直徑盾構下穿運營地鐵隧道的監護技術和運營組織涉及較少。

鑒于此，本文以上海北橫通道超大直徑泥水平衡盾構下穿運營軌道交通11號線區間隧道的工程為背景，充分考慮穿越準備、穿越過程等重要節點，分析探討風險難點、穿越方案、控制標準、監測方案以及應對保障等監護技術和運營組織，以控制既有運營地鐵隧道的結構變形，減少隧道結構病害，確保地鐵運營安全，同時也希望為今后的穿越和類似工程提供參考和借鑒。

1 工程概況

北橫通道主線穿越軌道交通11號線位于上海市長寧區長寧路、江蘇北路路口，項目臨近軌交11號線“江蘇路站—隆德路站”區間，工程主線盾構直徑達15.56 m，于第382環～402環間先后下穿軌交11號線上、下行隧道。其中，盾構切削斷面為⑦1、⑦2以及⑧1-1層土，中間夾有⑥層土。兩隧道最小凈距僅7.06 m，軸線夾角68°，穿越影響范圍約42 m，兩者相對位置如圖1所示，相關土層物理參數如表1所示。

2 主要風險及難點

分析整個監護項目以及穿越特征，可以得出以下風險點和難點：

1) 截面比高。北橫通道盾構直徑達15.56 m，橫截面面積大，與所穿越隧道的面積比為6.29，風險極高。

a) 工程平面圖

單位：m

表1 土層物理參數

2) 凈距小。北橫通道與軌道交通11號線豎向最小凈距僅7.06 m，施工難度大。

3) 耦合效應。盾構穿越對地鐵正常運營的不確定性無法預估，且地鐵列車振動對盾構開挖面的穩定性及泥膜形成的影響情況不明。

另外，根據前期對軌交11號線影響段隧道的全面調查可知，隧道結構存在不同程度的病害，且現場并不具備模擬穿越的條件。總體而言，盾構穿越施工風險不確定性大，給地鐵運營帶來的次生風險極高。

3 監護技術和運營組織

3.1 穿越方案

關于北橫通道盾構穿越軌道交通11號線的總體指導性方案有兩種可選，即間斷穿越和連續穿越。針對這兩種方案進行詳細的綜合對比和分析，如表2所示。

經過綜合評價和論證，選擇方案二(連續穿越)作為最終穿越方案，并以“地鐵限速運行，盾構快速穿越”為總指導思想進行施工組織設計的編制與準備工作，再針對地鐵列車臨時中斷、非停電搶修以及停電搶修等多種情況，制定詳細的應對保障方案。

同時為保證地鐵運營安全，降低穿越施工風險，減小地鐵運行振動對盾構開挖面穩定性的影響，對于“地鐵限速運行”組織進行列車振動試驗。即：測試地鐵列車在不同車速下對軌道、道床、管片及列車車廂的振動影響。試驗結論為：在地鐵列車速度30 km/h之內，隧道道床及管片的振動與行車速度成正比，呈現線性增長形態。最后根據試驗結果確定，穿越期間采取列車限速15 km/h通過穿越影響段。

表2 穿越方案對比分析

3.2 監測方案

此次穿越工程難度大，風險極高，不確定性因素多。為實時監測軌道交通11號線隧道在穿越期間的結構變形，以便進行安全評估和綜合分析，實現信息化施工，采取了自動化監測、人工監測、視頻監控相結合的方案。其中，自動化監測以北橫通道隧道與11號線區間隧道正投影區域為中心，上、下行隧道各布置72支2.4 m長電水平尺，構成總長為172.8 m的監測段，再輔以人工監測對隧道垂直位移、管徑收斂以及水平位移進行監測。同時，在穿越影響范圍內，上、下行隧道各安裝5臺高清攝像機(鏡頭可伸縮、旋轉)，晝夜不間斷監控11號線隧道結構狀態，并及時傳輸至現場指揮部，為評估盾構穿越影響及11號線隧道狀態提供依據。自動化監測點如圖1a)所示。

3.3 穿越時間

為了盡可能減小運營影響，經統計分析軌交11號線客流情況，得出雙休日期間斷面客流較工作日斷面客流下降明顯，部分區段下降約60%。而根據實際施工進度的預測，北橫通道盾構掘進至穿越節點恰逢上海召開中國國際進口博覽會，經過綜合考慮，確定在進博會之后進行盾構穿越施工，并且充分利用雙休日客流較少的有利條件，盡可能地實現快速、均勻、平穩穿越，以減小施工影響。

最終確定于2018年11月11日北橫通道盾構恢復推進，至11月16日周五8:28，第381環管片拼裝完成，此時切口位于第386環，處于11號線正投影區域臨界位置；于11月16日周五10點整，北橫通道盾構開始掘進第382環，此時切口位于第387環，正式進入11號線正投影區域，穿越開始；于11月19日周一8:58，北橫通道第402環管片拼裝完成，盾尾完全離開11號線正投影區域，標志著盾構完成穿越。具體穿越施工節點如圖2所示。

圖2 穿越節點

3.4 應對策略及控制標準

在方案論證環節中，通過對大量類似穿越施工的工程案例進行分析和總結，如上海西藏南路越江隧道下穿軌道交通8號線、杭州文一路地下快速路工程隧道下穿軌道交通2號線等。同時結合考慮列車振動條件下的數值模擬分析成果，參考北橫通道盾構在前期掘進施工過程中的穩定性、地表沉降以及穿越房屋建筑時的綜合表現，鑒于穿越位置處的地層條件相對比較有利，經過多次專題討論，確定本次穿越的應對策略及控制標準。

1) 穿越前對影響范圍內軌道交通的結構形式、當前結構狀態、運營情況等進行全面調查，并對穿越正投影范圍內的管片預留好注漿孔，以便應急搶險時進行隧道內微擾動注漿。

2) 完成停運應急預案、專項預案和現場處置方案。應急預案應明確指揮體系、行車組織、客運組織及安全管理等內容。

此外，通過對地鐵隧道結構變形數值(以沉降變形為主)、變形速率、設施設備狀況進行實時監測和分析，信息化指導施工，并決定在緊急情況下采取相應的應對策略，啟動相應的運營調整預案。其中，設施設備狀況主要通過視頻監控和夜間隧道巡檢的方式進行檢查，若監測范圍內出現新增病害，如管片破損、滲漏水、道床脫開、滲泥沙等嚴重結構病害或地鐵設施設備出現異常，則立即上報指揮部進行決策是否停運。結構沉降變形、沉降速率的控制標準如表3所示。

表3 變形控制標準

3.5 聯合值班制度

地鐵監護人員牽頭監測單位與建設單位、施工單位等共同于北橫通道指揮部進行24 h聯合值班，全方位、多角度地保障盾構穿越順利和地鐵運營安全。值班期間，主要進行下列工作內容：

1) 實時記錄每一環盾構推進過程中的參數，如推進(拼裝)時間、推進速度、正面泥水壓力、總推力、刀盤扭矩、同步注漿量、同步注漿壓力、地鐵監測數據等，同時實時查看隧道結構狀況。

2) 盾構穿越期間，每日定時以書面專報的形式將施工進度、設施設備狀況、隧道監測數據、隧道結構狀況等施工情況上報，確保施工信息的連續性，如遇監測數據突變等緊急情況，則立即反饋。

3) 每晚地鐵停運后，監護值班負責人協同建設單位、施工單位、監理單位以及地鐵搶險單位利用人工點下軌交11號線隧道區間進行結構檢查，軌道專業人員負責軌道高度的檢測和軌道狀態檢查，供電專業人員負責接觸網的高度檢測和工作狀態檢查，若發現問題及時上報并采取措施治理。

4) 每晚地鐵停運后，監測單位利用人工點下隧道進行人工監測(隧道沉降、管徑收斂、水平位移)，并與自動化監測數據互校。

5) 北橫通道盾構穿過軌交11號線隧道正投影區域后(11月19—25日)，監護值班人員繼續觀測、記錄盾構后續推進情況及監測數據。

3.6 運營調整預案

為積極、有效應對盾構穿越施工期間可能出現的各種情況，通過對列車折返、客運調整、公交配套等方面的綜合考慮與預演，確定運營調整預案：

1) 運營期間，如結構發生劣化，值守人員進入隧道進行結構確認，或經夜間停運后明確第二日運營穿越段停運，若不需停電進行搶修，行車調整按“江蘇路站可折返搶修行車方案”執行，并啟動公交短駁方案。

2) 運營期間，如結構發生突變，經判斷需立即采取搶修措施，且需停電進行整治的，行車調整按“江蘇路站不可折返搶修停運方案”執行，并啟動公交短駁方案。

3) 經供電專業人員完成“隆德路站—江蘇路站”下行線非絕緣錨段關節改造為絕緣錨段關節后，恢復江蘇路站正常供電，在滿足江蘇路站停電施工的折返運營條件后，行車按“江蘇路站可折返搶修停運方案”執行。

相應的運營策略如圖3所示。

圖3 運營組織

4 實施效果

北橫通道盾構穿越軌交11號線的施工參數如表4所示，穿越后地鐵隧道變形情況如圖4所示。

由圖可知，北橫通道盾構穿越施工導致軌交11號線出現以上抬為主的變形，上行隧道最大上抬4.68 mm，下行隧道最大上抬7.95 mm，均在變形控制范圍內。且實際穿越時間比計劃提前2 d，同時過程中未發生微擾動注漿、地鐵停運等應急情況，運營影響降到了最低。

表4 盾構施工參數

圖4 隧道變形曲線

5 結論

1) 采取“連續快速”的穿越策略是正確的，并充分利用雙休日的節點，最大限度地減小了盾構穿越施工對地鐵運營的影響；

2) 采用自動化監測、人工監測、視頻監控相結合的監測方案，實現了信息化施工，為有效分析和評估地鐵隧道結構安全提供了重要保障；

3) 確定合理的變形控制標準，制定有針對性的應急方案和全方位的運營調整預案，形成有效的聯合值班制度等一系列的監護措施，共同保障了盾構的成功穿越。