盾構近距離小角度上跨運營隧道施工控制研究

夏 鋒

(中鐵七局集團鄭州工程有限公司，河南 鄭州 450000)

1 工程概況

1.1 7號線龍門路站—張家村站

龍門路站—張家村站區間盾構段起止里程為左DK4+662.016～左DK6+313.586，右DK4+662.016～右DK6+313.236，左線長度為1 651.570單線延米，右線長度為1 651.220單線延米，全長3 302.790單線延米。

龍門路站—張家村站區間盾構段采用2臺盾構從龍門路站南端頭井先右線后左線間隔1個月始發，向南掘進到達張家村站明挖段端頭井解體、吊出。

盾構隧道采用預制鋼筋混凝土管片襯砌，襯砌環外徑6 200 mm，內徑5 500 mm，襯砌環厚度350 mm，襯砌環寬度1 500 mm，上跨段采用Ⅱ型加強管片。

1.2 4號線工程豐慶路站—文化路站

區間左、右線共設置2組平面曲線，曲線半徑均為410 m，線間距為14 m～37.5 m。4號線左線隧道盾構管片已加強配筋并增設徑向注漿孔，管片為Ⅲ型管片，盾構隧道襯砌尺寸同7號線。左線隧道頂部180°范圍內已通過注漿孔對地層進行注漿加固。

1.3 7號線與4號線隧道位置關系

軌道交通7號線區間隧道上跨4號線隧道[1]，4號線隧道先于7號線隧道施工，7號線隧道施工時4號線已開通運營。跨越處左線曲線半徑1 800 m，右線曲線半徑1 500 m。

7號線龍門路站—張家村站區間隧道與4號線豐慶路站—文化路站區間左線隧道的平面關系為并行-逐漸接近-上跨-逐漸遠離。

隧道上跨4號線豐慶路站—文化路站區間左線(4號線區間交叉點里程為左DK4+269.580、左DK4+320.066，交角約14°～19°)，上跨段4號線區間左線隧道埋深約14.76 m～15.81 m(所在土層為②42粉砂、②51細砂)，7號線隧道埋深6.32 m～8.27 m(所在土層為②32黏質粉土、②33黏質粉土、②22粉質黏土)。上跨段正上方7號線隧道右線隧道與4號線左線隧道豎向距離1.66 m，如圖1所示。

2 上跨4號線區間結構工前評價

1)豎向變形。

4號線區間左線節點里程為DK4+269.580，最大變形為1.24 mm(上浮)，確定區間范圍內豎向變形情況良好。

2)水平收斂。

三維激光掃描檢測上跨段內最大橫向收斂最大值為22 mm,位于251環，里程為左DK4+288.991，確定區間范圍內水平收斂、橢圓度情況良好。

3)錯臺及病害結果分析。

根據現場排查數據結果統計分析，左右均無管片錯臺超過±20 mm,左右線均無滲漏水病害，該區間管片情況良好。

4)4號線管片背后注漿效果檢測。

采用地質雷達方法進行隧道洞內空洞檢測，文化路站至豐慶路站盾構區間右線管片背后未見明顯空洞異常反映。

3 上跨4號線前風險影響分析

采用MIDAS-GTS有限元計算軟件對7號線盾構通過4號線區間進行了實際施工工況的三維模擬，分析7號線右線盾構貫通、雙線盾構貫通分別對4號線左線隧道最大橫向位移、縱向位移、隆超的影響值(見表1)。

表1 7號線盾構上跨4號線前風險影響分析值

4 上跨4號線前技術準備措施

1)以左右線盾構機通過4號線區間影響區(穿越4號線區間 隧道及前后9 m范圍內)之前的100 m區段作為盾構施工試驗段。

2)試掘進參數如表2所示。設置：試掘進階段選定7個施工管理的指標：①土倉壓力；②推進速度；③總推力；④排土量；⑤刀盤轉速；⑥刀盤扭矩;⑦注漿量。

表2 試掘進段參數控制指標

3)在到達4號線區間前選擇開挖面自穩性較好的地段對盾構機進行全面檢修和維護。

4)對整套監測系統進行調整，保證所采集數據的正確性。

5)盾構機上跨4號線前，由現場技術人員對下穿過程所需相應材料進行清點，避免因材料供應不及時造成上跨過程中停機。

6)建立以監控中心為聯絡中心的信息傳遞系統，保證井下與井上、4號線隧道內及地面信息暢通。

5 盾構上跨過程中的控制保護措施

5.1 掘進參數土壓力值設置

施工段位于地下水位以上，土倉上土壓計算值為：隧道上方土體的平均重度×側壓力系數+預備壓力。

目標土壓力計算：P=P2+P3=K0×∑γihi+15(預備壓力)。

上跨4號線區段土倉壓力值P計算值為0.7 bar～0.9 bar。

5.2 開挖土量的管理

根據油缸行程進行分析比對，總結出一套盾構油缸行程與出土量相匹配的參數控制表(見表3)，讓盾構司機參照參數嚴格控制出土量，在相對應的油缸行程的情況下出土量嚴禁超過規定限值，監控室值班人員進行監督。

表3 盾構出土量與油缸行程相匹配的參數控制表

5.3 勻速連續推進

1)盾構機在上跨4號線時速度一般控制在40 mm/min～50 mm/min，勻速推進。

2)盡量縮短管片拼裝時間，保證垂直及水平運輸連續。

5.4 降低千斤頂總推力，減少土層擾動

在掘進過程中，通過中盾、前盾注入膨潤土，每環注入0.5 m3～0.8 m3，降低盾殼與土體間摩擦力，減少推進時總推力，進而減小對地層擾動。

5.5 調整好盾構姿態，減少糾偏次數及糾偏量

穿越前調整盾構姿態至-20 mm～20 mm之間，俯仰角與設計軸線趨勢小于4 mm/m，在穿越推進過程中，盡可能減少糾偏，杜絕大量值糾偏，糾偏采用調整油缸行程，并保證行程差小于30 mm，控制每環糾偏量不大于5 mm。

5.6 優化漿液配比，合理設定注漿量及注漿壓力

1)優化配比。a.膠凝時間：膠凝時間選擇6 h。b.稠度：100 mm～130 mm。c.固結體強度：R7≥2 MPa，R28≥2.5 MPa。d.砂漿配比及性能(見表4，表5)。

表4 配合比 kg/m3

表5 漿液性能

2)注漿壓力與注漿量。跨越段注漿壓力取值為：0.2 MPa～0.3 MPa，注漿量Q=5.8 m3～7.6 m3，注漿量根據砂漿罐內漿液高度計算量復核根據流量控制顯示數量。同步注漿速度應與掘進速度相匹配，根據掘進速度動態調整注漿速度，保證注漿壓力穩定。

6 穿越后施工措施

1)盾構隧道穿越城4號線區間隧道段管片進行特殊設計，每環管片16個注漿孔，盾構施工過程中，可通過這些注漿孔及時二次注漿，確保盾構背后間隙填充密實。

2)在盾構掘進過后，對隧道進行二次或多次注漿，注漿從盾尾后第5環開始，壓力根據現場地層損失、隧道結構變形、軌道結構變形等確定。

3)漿液配比。雙液漿采用水灰比(質量比)為1∶1的水泥漿，水玻璃波美度40°，水玻璃用水1∶3稀釋，水泥漿與水玻璃體積比為1∶1，雙液漿的凝固時間為34 s。

4)注漿壓力及注漿量。注漿壓力為0.3 MPa～0.4 MPa，注漿量控制在1.6 m3～2.0 m3范圍內，以注漿壓力為主控。注漿分次進行，若漿液由管片中滲出，應立即停止注漿。

5)安排專人在4號線地鐵運營天窗期對4號線影響區域進行現場檢查，確保區間無漏水、漏漿情況。

7 運營線自動化監測數據分析

7.1 4號線隧道內監測點布設

4號線隧道內監測點布設見圖2。

7.2 4號線隧道變形分析

1)道床變形。

盾構上跨后對道床水平位移影響較小，最大水平位移發生在雙線貫通后：左DM22-5，最大左位移值為-1.01 mm，左DM2-5；最大右位移值為1.11 mm。左右線交叉影響段，右線通過后整體向左位移，左線通過后，向右位移，整體趨于0。總體呈現既有運營隧道道床位移沿遠離新建隧道方向，主要受盾構推進時擠壓土體造成向遠離盾構方向位移。

盾構上跨后引起道床上浮，最大沉上浮發生在雙線貫通后，左DM14-5，為左右線盾構上跨位置中間，受左右線盾構疊加影響，最大值為2.27 mm(如圖3，圖4所示)。

2)沉降變形。

盾構上跨后造成既有4號線上浮，且上浮量隧道盾構機與上跨點距離的減小而增大，最大沉上浮發生雙線貫通后在DM07，距離上跨點1.66 m，最大上浮量為2.73 mm(見圖5,圖6)。

3)水平位移。

盾構上跨后對隧道水平位移影響較小，最大水平位移發生在雙向貫通后左DM18-3，最大值為-1.62 mm(見圖7，圖8)，總體呈現管片水平位移沿遠離新建隧道方向，主要受盾構推進時擠壓造成向既有運營隧道管片整體遠離盾構方向位移。

4)收斂。

盾構上跨后引起既有4號線收斂變形，最大收斂發生在雙線貫通后左DM14，2-3最大值為1.40 mm(見圖9，圖10)，為左右線盾構上跨位置中間上部，受左右線盾構疊加影響。總體呈現上跨段管片收斂，接近及遠離段管片外張，主要受盾構通過后卸載造成向新建隧道方向發生管片橫向變形。

8 結論

本文介紹鄭州軌道7號線龍門路站—張家村站區間盾構上跨4號線豐慶路站—文化路站區間項目，對盾構上跨前、上跨中及上跨后施工控制措施與盾構施工參數進行分析，并結合4號線隧道自動化監測及7號線地面監測綜合分析研究，主要得出以下結論：1)通過上跨前評估及三維模擬，上跨中掘進參數及同步注漿，上跨后二次注漿，能夠有效控制運營地鐵隧道變形。2)盾構接近及上跨運營區間隧道過程中，運營區間隧道變形呈遠離新盾構方向變形，盾構遠離運營區間過程中，運營區間隧道呈向新建隧道方向變形。3)區間雙線貫通后，運營區間隧道道床及管片水平位移為遠離新建隧道方向，道床豎向位移及管片沉降變形為向新建隧道方向，收斂變形為向新建隧道方向外張。