盾構近距離穿越運營地鐵隧道的施工

陸 正

1. 上海市基礎工程集團有限公司 上海 200002；2. 上海城市非開挖建造工程技術研究中心 上海 200002

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，城市化進程進一步加快，軌道交通作為破解城市交通擁堵的重要對策，得到了大力發(fā)展。但隨著城市地下空間的逐步開發(fā)，新建隧道常需近距離穿越既有運營隧道，使得工程的建設周期、成本及風險都大為增加[1-3]。本文以上海軌道交通14號線大世界站—豫園站區(qū)間隧道工程為背景，通過合理設置施工段，嚴格控制盾構土壓力、同步注漿等關鍵施工參數(shù)及后期微擾動注漿等措施，對盾構近距離先后穿越既有軌道交通10號線隧道的施工技術方案進行研究。

1 工程概況

上海市軌交14號線（以下簡稱“14號線”）大世界站—豫園站區(qū)間隧道工程，盾構始發(fā)后先穿越14號線新建換乘通道，其中上行線隧道為全斷面下穿，下行線隧道為局部下穿，隨后于人民路與河南南路交叉口位置正交下穿既有軌交10號線（以下簡稱“10號線”）隧道，穿越既有隧道段長度約24 m，新建14號線隧道與既有10號線隧道最小垂直凈距為1.4 m（圖1、圖2）。

圖1 14號線隧道與10號線隧道相對位置關系平面示意

圖2 14號線隧道與10號線隧道相對位置關系剖面示意

根據(jù)地勘報告， 穿越區(qū)域隧道中心埋深為28.5～28.7 m（標高為－25～－24.78 m），盾構掘進土層為⑤12灰色粉質(zhì)黏土、⑤31灰色粉質(zhì)黏土；10號線隧道所處的土層為⑤11灰色黏土、⑤12粉質(zhì)黏土。

盾構穿越段隧道線形比較復雜，平曲線以半徑350 m右轉(zhuǎn)彎圓曲線及緩和曲線為主，豎曲線以半截入土3 000 m凹曲線變坡段為主。

2 難點分析

1）運營中的軌交隧道保護要求高。隧道結(jié)構縱向沉降與隆起≤±5 mm，隧道收斂值≤±5 mm。

2）盾構近距離穿越運營隧道。14號線隧道與10號線運營隧道最小垂直凈距僅為1.4 m，且穿越區(qū)域分布有一定厚度的⑤1-2、⑤3-1層，該土層具有較高的靈敏度與觸變特性，在動力作用下極易破壞土體結(jié)構，因此，已建10號線隧道對盾構穿越過程中引起的地層擾動極為敏感。

3）模擬段工況與穿越段存在較大差異。上行線盾構始發(fā)后全斷面處于換乘通道下方，出換乘通道13.2 m后盾構即穿越10號線隧道，難以通過常規(guī)的模擬段收集監(jiān)測數(shù)據(jù)，合理調(diào)整施工參數(shù)。

4）14號線穿越段隧道線形復雜。14號線隧道在穿越段平曲線為小半徑圓曲線（半徑350 m），豎曲線為凹曲線（半徑3 000 m）變坡段，盾構施工過程中的糾偏易引起附加的地層損失，對10號線隧道結(jié)構變形控制很不利。

3 施工控制措施

3.1 劃分施工控制段

根據(jù)盾構穿越10號線施工的工況特點，將盾構穿越區(qū)域前后劃分為3個施工控制階段（圖3、表1），即穿越前模擬段（Ⅰ區(qū)）、穿越段（Ⅱ區(qū)）和穿越后控制段（Ⅲ區(qū)）。通過分階段采取相應措施，保證運營地鐵隧道的安全。

圖3 盾構穿越施工區(qū)域劃分

表1 盾構穿越10號線分段概況

3.1.1 穿越前模擬段特點及控制措施

此段施工時推進速度控制在20 mm/min以內(nèi)，使新建換乘通道保持隆起0～1 mm。控制注漿工序，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反映出的沉降變化情況調(diào)整同步注漿壓力及注漿量，保持新建換乘通道微量隆起。

3.1.2 穿越段特點及控制措施

此段施工時推進速度控制在5～10 mm/min，盾構刀盤進入10號線隧道前，土壓力設定值需根據(jù)10號線隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)進行調(diào)整并保持土壓力平穩(wěn)，使地鐵隧道保持隆起1～2 mm。盾構繼續(xù)向前掘進，待盾尾影響區(qū)進入10號線隧道后，通過合理控制注漿參數(shù)，根據(jù)10號線隧道的沉降變化情況調(diào)整同步注漿壓力及注漿量，保持10號線隧道隆起2～3 mm。

3.1.3 穿越后控制段特點及控制措施

此段推進速度控制在20 mm/min，根據(jù)地面監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整土壓力、注漿量等關鍵參數(shù)，使切口前沉降量保持隆起1～2 mm，盾尾后部地表沉降量保持隆起2～5 mm。

3.2 關鍵施工參數(shù)控制

3.2.1 土壓力控制

根據(jù)土壓平衡盾構的原理，盾構機土艙中的壓力須與開挖面的正面水土壓力平衡，以維持開挖面土體的穩(wěn)定，并在此基礎上減少對周邊土體的擾動。在計算理論土壓力時，需考慮既有隧道結(jié)構替換了土層，致使既有隧道下方土體所受豎向土壓力減小，那么盾構在穿越時土壓力設定值也應適當減小。根據(jù)理論計算，穿越前模擬段土壓力控制值為0.26～0.27 MPa，穿越段土壓力控制值為0.22～0.26 MPa，穿越后控制土壓力控制值為0.25～0.26 MPa。

3.2.2 推進速度控制

盾構穿越時應控制合理的推進速度，使盾構勻速、慢速推進，盡量減少盾構對土體的擾動，以控制地層變形，將對既有隧道結(jié)構的影響降至最小。穿越前模擬段及穿越后控制段盾構推進速度控制在20 mm/min以內(nèi)，穿越段盾構推進速度控制在5～10 mm/min以內(nèi)，保持均衡、勻速掘進，以減少對既有隧道結(jié)構的不利影響。

3.2.3 同步注漿控制

同步注漿采用了預拌混凝土漿，每環(huán)壓注量一般控制在“建筑空隙”理論值的110%～140%，即2.21～2.81 m3/環(huán)。

為保證漿體較好地滲入周圍土體中，注漿壓力須大于隧道底處的土壓力，取1.1～1.2倍的靜止土壓力。

3.3 盾構姿態(tài)控制

盾構在穿越前模擬段掘進時應勤測勤糾，調(diào)整盾構和管片的姿態(tài)，確保盾構進入穿越段之前，盾構切口和盾尾軸線水平和高程偏差均控制在±20 mm以內(nèi)。在穿越過程中，在確保盾構正面沉降控制良好的情況下，盡可能使盾構勻速通過，每環(huán)糾偏量保持穩(wěn)定，杜絕推進過程中急糾、猛糾動作。

3.4 微擾動注漿

盾構穿越完成后，由于應力松弛等影響，地層會發(fā)生固結(jié)沉降，使既有10號線隧道產(chǎn)生較大后期沉降。因此在穿越區(qū)域上、下行線均采用全斷面增設注漿孔管片。穿越后，可及時、適量打開管片內(nèi)預留注漿孔，對隧道周圍土體進行注漿加固，以達到保護既有地鐵隧道的目的。

微擾動注漿采用水泥-水玻璃雙液漿，水灰比為0.6，水玻璃為35 °Bé，水泥漿與水玻璃配比通過現(xiàn)場調(diào)配使其初凝時間控制在30 s左右。注漿壓力宜控制在0.3 MPa以下，注漿流量控制在10～15 L/min，單次注漿量不大于100 L。

3.5 監(jiān)測措施

盾構穿越時，施工參數(shù)的調(diào)整主要根據(jù)布設在既有10號線隧道內(nèi)的電子水平尺自動化沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行調(diào)整，自動化沉降監(jiān)測點布設范圍為既有10號線隧道與新建隧道共線長度20 m及以既有隧道共線方向向兩側(cè)各延伸42 m，共計104 m范圍。電水平尺單根長度2 m，單條線布設52把電水平尺。上、下行線布設方式一致。

4 實施過程中設定土壓力的調(diào)整

4.1 上行線設定土壓力調(diào)整

先進行穿越施工的上行線盾構，在始發(fā)后需全斷面下穿新建換乘通道，上行線穿越前模擬段正處于新建換乘通道下方，由于換乘通道自身結(jié)構剛度大，盾構施工參數(shù)的調(diào)整對其沉降變化影響極其有限，該模擬段僅能起到施工工藝上的模擬，難以完成常規(guī)意義上的模擬施工工況，摸索合理施工參數(shù)的目的。

從監(jiān)測結(jié)果可知，穿越前模擬段上行線盾構土壓力設定值采用理論最大值0.27 MPa。在盾構切口進入穿越段范圍后，根據(jù)首先被穿越的10號線上行線隧道的電水平尺自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)既有10號線上行線隧道隆起未達預期，并且隨著盾構向前掘進還出現(xiàn)一定的下沉趨勢，由此判斷盾構在穿越前模擬段的土壓力設定值過低，存在超挖現(xiàn)象，通過逐步提高土壓力設定值，嚴控出土量，逐步使既有隧道隆起達到1～2 mm。

在盾構穿越10號線隧道階段，土壓力設定值為0.42～0.50 MPa，土壓力設定值根據(jù)電水平尺自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)實時調(diào)整，呈現(xiàn)出W形波動，這與10號線隧道替換了上部土體有直接關系。穿越后控制段土壓力設定值根據(jù)地表監(jiān)測數(shù)據(jù)控制在0.56～0.58 MPa。

4.2 下行線設定土壓力調(diào)整

下行線盾構始發(fā)后，半斷面穿越新建換乘通道，根據(jù)地面監(jiān)測數(shù)據(jù)及上行線的穿越經(jīng)驗，下行線盾構在穿越前模擬段土壓力設定值直接調(diào)整為0.52 MPa。進入穿越段后同樣根據(jù)電水平尺自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)實時調(diào)整，在盾構穿越10號線隧道時土壓力設定值為0.42～0.56 MPa。穿越后控制段土壓力設定值根據(jù)地表監(jiān)測數(shù)據(jù)控制在0.56～0.60 MPa。

4.3 設定土壓力規(guī)律總結(jié)

通常情況下，理論計算土壓力是以靜止土壓力為基準，采用在此基礎上乘以經(jīng)驗系數(shù)的方式作為土壓力設定的參考值。在盾構實際施工過程中，土壓力的實際設定值是介于靜止土壓力與被動土壓力之間，且由于土層性質(zhì)和盾構設備的差異，在實際土壓力設定過程中，其取值與理論計算值通常都存在著較大的差異。因此，理論計算的土壓力通常只作為參考，涉及施工過程中的具體設定還需要嚴密結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況及時進行調(diào)整。本次穿越施工過程中，雖然理論土壓力值與設定土壓力值的絕對數(shù)值差距很大，但是在穿越過程中，其調(diào)整方向如預期判斷，且調(diào)整幅度也比較一致。在穿越段，土壓力均比穿越前有20%左右的降幅。

5 既有10號線隧道沉降情況

5.1 上行線穿越后的既有隧道沉降情況

在上行線盾構完成穿越既有10號線隧道后，既有隧道電子水平尺自動化沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，新建隧道上行線對應的既有隧道上行線軸線點SU20隆起0.68 mm，新建隧道下行線對應的既有隧道上行線軸線點SU25隆起1.26 mm，既有隧道上行線最大隆起點SU18為2.57 mm；新建隧道上行線對應的既有隧道下行線軸線點XU20隆起2.21 mm，新建隧道下行線對應的既有隧道下行線軸線點XU25隆起1.73 mm，既有隧道下行線隧道最大隆起點XU18為2.88 mm。

通過既有隧道沉降數(shù)據(jù)可見，新建隧道上行線盾構的穿越使既有隧道對應位置出現(xiàn)相應的隆起，符合預計的控制目標，說明穿越過程中的土壓力、同步注漿調(diào)整對既有10號線隧道結(jié)構的沉降控制作用比較明顯。其中既有10號線上行線隧道已出現(xiàn)后期沉降情況，通過微擾動注漿來進一步控制。

5.2 下行線穿越后的既有隧道沉降情況

在下行線盾構完成穿越既有10號線隧道后，既有隧道電子水平尺自動化沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，新建上行線對應的既有隧道上行線軸線點SU20隆起1.86 mm，新建隧道下行線對應的既有隧道上行線軸線點SU25隆起0.70 mm，既有隧道上行線最大隆起點SU18為2.63 mm；新建隧道上行線對應的既有隧道下行線軸線點XU20隆起1.34 mm，新建隧道下行線對應的既有隧道下行線軸線點XU25隆起2.47 mm，既有隧道下行線最大隆起點XU29為2.86 mm。下行線盾構完成穿越10號線隧道后，10號線隧道結(jié)構沉降變形趨勢基本同上行線穿越完成后一致。新建隧道上行線對應位置經(jīng)過微擾動注漿后，其后期沉降已得到有效控制。由上面的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，在實際施工過程中，先施工隧道在施工過程中采取的積極調(diào)整措施作用非常明顯，并在后施工隧道的施工過程中得到了充分驗證，整個既有隧道結(jié)構的沉降得到了更好的控制。由此可見，本工程施工中所采取的一系列沉降控制措施非常有效。

6 結(jié)語

針對盾構近距離穿越既有地鐵隧道存在的風險，通過合理調(diào)整施工參數(shù)，采用穩(wěn)定可靠的監(jiān)測措施，可有效控制既有地鐵隧道的結(jié)構沉降，其后期沉降可通過微擾動注漿進一步控制直至穩(wěn)定。

1）通過理論計算，合理劃分施工控制段，初步擬定穿越施工控制。

2）通過高精度、高頻率的自動化監(jiān)測方式，為盾構穿越施工提供準確的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3）對于難以通過模擬段施工摸索合理施工參數(shù)的工況，需要嚴格根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時、合理地調(diào)整土壓力、同步注漿等關鍵施工參數(shù)，從而有效減少地層擾動，提高沉降控制效果。

4）對于先后穿越施工，合理參考先施工隧道的參數(shù)設置規(guī)律十分重要。

5）盾構法隧道的后期沉降是難以避免的，對于此類近距離穿越既有地鐵隧道，采用微擾動注漿可有效控制其后期沉降，并將最終沉降控制在允許范圍以內(nèi)。