盾构大坡度近距离上跨运营隧道施工安全技术研究.pdf

施工技术（中英文）年 月上第 卷 第 期：盾构大坡度近距离上跨运营隧道施工安全技术研究李学创，张 斌，罗求林，吴跃鹏（中国交建轨道交通分公司，北京；华南理工大学土木与交通学院，广东 广州；中交（广州）建设有限公司，广东 广州）摘要 广州地铁 号线上跨 号线，上跨期间，号线由 上坡变坡为 下坡，最小竖向净距为，风险较大，必须快速穿越，以保证盾构安全上跨运营隧道。通过对既有结构进行鉴定，采取布设监测点、拉紧管片、控制盾构掘进等措施，提出适用于广州地区强风化混合花岗岩的盾构掘进参数，总结出盾构大坡度近距离上跨运营隧道控制技术在于控出渣、低转速、气压辅助，盾构姿态控制良好，虽导致地表隆起与运营隧道沉降，但变形均控制在安全范围内。关键词 隧道；盾构；管片；变形；参数控制；监测中图分类号 ；文献标识码 文章编号（），（，；，；（），）：，：；作者简介 李学创，高级工程师，：收稿日期 引言 新建隧道上跨运营隧道会对周边土体造成二次扰动，改变运营隧道受力情况，产生结构变形。由于城市轨道交通结构对变形控制标准非常严格，因此如何准确预测新建盾构隧道施工对运营隧道的影响，并采取有效措施防止较大变形，是盾构隧道上跨施工亟待解决的问题。针对隧道上跨施工对运营隧道的影响，目前部分学者已进行理论计算与数值模拟，结合监测资料进行验证，且以数值分析方法为主。陈亮等基于上海地铁 号线上跨地铁 号线项目，结合理论分析与实测资料，对盾构近距离上跨运营线路诱发的纵向变形产生机制、发展历程等展开研究。文献通过分析新建隧道与运营隧道在不同间距情况下，运营隧道结构的受力与变形情况，归纳新旧隧道不同间距与运营隧道的整体受力、变形联系。李洋溢等为解决山岭重丘区公路隧道下穿既有省道施工扰动问题，采用抗滑桩与锚索防护拱盖法进洞机械开挖与控制爆破洞内支护加强措施的 李学创等：盾构大坡度近距离上跨运营隧道施工安全技术研究 微扰动技术，结合爆破振动监测数据，控制施工参数，分析微扰动施工技术的合理性。刘树佳等分析在不同的竖向净距、土仓压力、同步注浆量等条件下运营线路的变形规律。黄德中等基于外滩通道盾构上跨地铁 号线工程，开展离心机试验，考虑地层损失率、同步注浆等因素，结合现场监测资料研究了新建隧道上跨施工对周边土体、运营线路的影响规律。田世文以北京地铁已完工程为例，运用 公式与数值模拟计算盾构掘进过程中导致地面产生的沉降值，并进行监控量测控制，优化监控量测方案。本文基于广州地铁 号线某区间盾构上跨运营地铁 号线工程，研究新建盾构隧道上跨运营隧道施工的安全控制措施，并合理组织施工全过程。从盾构掘进着手，研究推进速度、盾构推力、刀盘扭矩、刀盘转速等参数，进行动态控制，并对外部环境进行处理，预先采取工前鉴定、地面与运营隧道监测、管片拉紧等辅助性控制手段，保证下卧隧道结构与运营安全。同时，提出适用于广州地区强风化混合花岗岩的盾构掘进参数，总结盾构大坡度近距离上跨运营隧道的控制技术。工程概况 平面位置关系 广州地铁 号线 区间隧道从 站向北始发，在 （环）段上跨运营 号线隧道约 ，在 站完成该区间隧道掘进过程。本区间隧道与下卧运营 号线隧道均为标准单洞单线圆形断面，采用盾构法施工。隧道外径为 ，内径为 ，幅宽为 。盾构平面为半径 的右转圆曲线段，左、右线隧道中心线间距。号线 区间隧道右线、左线均需先后 次下穿 号线，共 次盾构上跨施工，其平面关系如图 所示。图 号线与 号线的平面关系 竖向位置关系与地质条件 根据钻探资料揭示，号线隧道顶部上覆土层主要为素填土和强风化混合花岗岩，而上跨区域新旧隧道间的地层主要为强风化混合花岗岩。号线盾构区间距 号线衬砌的最小竖向净距为 。上跨段地质剖面如图 所示。图 上跨段地质断面（单位：）（：）号线 区间由 的上坡变为 下坡，又以 超近距离上跨运营线，既要满足上跨前大坡度爬升状态，又要预留穿越过程中下坡段的栽头量，同时避免误触下卧运营线路。本工程施工安全风险较大，对施工精度控制要求极高，难点在于控制变形。）盾构上跨运营 号线的地层变形控制号线盾构上跨 号线施工时，将对土层造成二次扰动。若上跨过程中的盾构掘进参数控制不当，将导致地表变形过大。）盾构近距离上跨运营 号线衬砌结构变形控制 由于 号线与运营 号线衬砌的最小竖向净距为 ，因此盾构机自重及掘进过程中土体的二次扰动会导致运营 号线衬砌结构受力体系改变，进而产生一定变形，严重时造成运营 号线衬砌发生开裂、漏水、垮塌、坠物等风险。控制措施 既有结构鉴定 通过第三方对运营 号线隧道进行施工前鉴定，对衬砌结构初始裂缝、损坏情况进行详细书面记录，便于掌握 号线的结构现状。监测点布设 为确保盾构上跨过程中运营 号线隧道的稳定与安全，必须监测盾构掘进全过程的地表变形、运营线路衬砌变形。地表变形监测点沿 号线隧道纵向每间隔 布置 个断面。运营隧道衬砌变形监测点在盾构上跨区域的断面间距为，其余区域监测断面间距为，每个断面共布置 个监测点。其中，在隧道顶部布设 个监测点，在隧道左、施工技术（中英文）第 卷右拱腰分别布设 个监测点，在隧道道床布设 个监测点。为减少对 号线正常运营的影响，盾构上跨全过程采用自动化监测系统收集数据。自动化监测如图 所示。图 自动化监测示意 管片拉紧 为提高管片整体刚度及抵抗不均匀变形的能力，在盾构上跨运营 号线前，拉紧运营 号线左、右线管片。拉紧施工需提前与地铁运营单位沟通，确保拉紧工作在上跨施工前全部完成。采用耳板连系条的方式拉紧，如图 所示。通过耳板拉结相邻环，在耳板上提前焊接螺栓，再通过螺栓连接通条 与耳板，根据施工空间分段连接螺栓。进入轨行区作业应按广州地铁相关规定办理手续，并在地铁权属单位相关人员指导监督下施工，全过程严格遵循轨行区作业规定，以确保施工人员安全。图 管片拉紧示意 掘进控制 由于上跨期间 号线盾构区间存在变坡点，尤其正上跨段的下坡坡度较大，因此盾构上跨运营 号线区域时，需根据上跨前、上跨中、上跨后不同区域地层变化分级设定盾构掘进参数，尽可能多角度划分掘进段，以保证掘进参数准确有效。加强同步注浆与二次注浆，并分析每环渣样。现场地面监测及运营隧道自动化监测频率为每 反馈 次相关数据，根据监测数据及掘进参数变化及时采取调整措施，参数如表 所示。上跨过程中，众多因素共同影响盾构施工对土体的扰动程度，如推进速度、土仓压力、出渣量、同步注浆压力、同步注浆量等。理论上，当土仓压力等于前方水土压力总和时，盾构施工对周围土体扰动最小，但施工过程中难以达到该状态。由于推进速度与盾构推力是反映盾构施工对土体扰动程度的重要参数，为减小上跨过程中对运营线路的影响，将推进速度限制在 内，减小盾构推力并控制在 内。此外，同步注浆压力大小对同步注浆效果产生很大影响，因此将同步注浆压力控制在 内。加水量需结合刀盘扭矩、渣样及温度等参数进行动态调整。上跨区域盾构掘进参数控制总结为控出渣（严格控制出渣斗数，尤其是正上跨区域）、低转速（降低扰动）、气压辅助（快速穿越）。加强对盾构机和主要配套设备的巡检与保养力度，严格落实维保制度，预先排查设备隐患，尽可能降低设备故障率，减少被动停机对掘进施工带来的风险。优化掘进施工过程中各工序间的衔接，材料物资、配件机具及应急物资等需预留一定储备量，以保证盾构机在上跨段可以连续作业。掘进过程中应加强对盾尾密封及铰接密封等项目的检查和维保力度。控制效果 号线 区间在 环上跨 号线上行线，在 环上跨 号线下行线。年 月 日掘进第 环，开始上跨 号线上行线；年 月 日掘进完第 环，刀盘脱出下行隧道。掘进参数监测 盾构上跨期间设备情况良好，盾构姿态均控制在轴线 内，掘进参数监测值如图 所示。盾构机日均掘进 环快速通过上跨段，每环推进速度、盾构推力、刀盘扭矩及出渣量均在原设定范围内。刀盘转速整体可控，仅第，环（）低于原设定范围，即（）；第，环为 ，略高于原设定范围，即（）。上跨期间整体情况良好，未出现喷涌等情况。地表与运营隧道监测 根据地表监测结果，地表主要呈隆起状，最大变形速率及累计变形均未超过限值。其中，累计最大隆起量 位于监测点，小于预警值 与控制值。上跨期间最大隆起变化速率 位于监测点，小于控制值 。累计最大沉降量 位于监测点，远小于预警值 与控制值。上跨期间最大沉降变化速率 李学创等：盾构大坡度近距离上跨运营隧道施工安全技术研究 表 盾构掘进参数 位置关系拼装环号 号线隧顶覆土厚度盾构掘进参数推进速度（）盾构推力刀盘扭矩（）刀盘转速（）上部土仓压力 出渣量 泡沫混合液量 同步注浆量 上跨前 ，每环下降 （可加快，适当控速）环，环，每 环下降，保持 仓位 上跨中 ，每环下降 （控制扰动）环，环，每 环下降，保持 仓位 ，每环下降 （急剧变化）（控制扰动）环，环，每 环下降，提高至 仓位 约 ，每环增加 （控制扰动）（控制扰动）保持，实土仓位 上跨后约 ，每环增加 （控制扰动）（控制扰动）保持，实土仓位 （可适当增加）位于监测点，小于控制值。根据设计要求，运营区间衬砌竖向位移、水平位移、纵向位移、竖向收敛与水平收敛控制值均为，道床横向高差控制值为。为保证 号线盾构上跨运营线路安全作业，上跨过程中对运营线路全过程进行自动化监测，结果显示管片质量良好，基本未出现渗漏及破损情况。其中，号线左线最大竖向位移 位于监测点，远小于控制值；最大水平位移 位于监测点，小于控制值；最大纵向位移 位于监测点，小于控制值；最大道床横向高差 位于监测断面，远小于控制值；最大竖向收敛 位于监测断面，远小于控制值；最大水平收敛 位于监测断面，小于控制值。可见，号线左线隧道最大道床横向高差与竖向收敛均位于 号线左线上跨区域，其余变形指标极值零散分布于 号线左线一侧。变形极值多位于隧道道床处，且轨道对变形控制标准比衬砌结构更严格，因此上跨过程中应加强隧道道床变形监测。号线右线最大竖向位移为，位于监测点，小于控制值；最大水平位移为 ，位于监测点，小于控制值；最大纵向位移为，位于监测点，小于控制值；最大道床横向高差为 ，位于监测断面，小于控制值；最大竖向收敛 位于监测断面，小于控制值；最大水平收敛 位于监测断面，小于控制值。可见，号线右线隧道最大竖向位移与竖向收敛均位于 号线右线上跨区域，最大纵向位移位于 号线左线上跨区域，其余变形指标极值分布于 号线右线一侧。由于上跨主要影响区域为运营隧道上覆土层，因此变形极值多出现在隧道顶部，可见在上跨前拉紧管片顶部非常必要。结语 ）盾构上跨施工诱发运营隧道变形多位于隧道顶部与道床处，因此有必要在上跨前拉紧管片顶部，并在上跨过程中加强对道床变形的监测。）通过划分上跨区域分级设定盾构掘进参数，根据地表及运营隧道监测数据进行动态调整，提出适用于广州地区强风化混合花岗岩的盾构掘进参数。同时，总结出盾构大坡度近距离上跨运营隧道施工控制的关键技术在于控出渣、低转速、气压辅助。）上跨施工期间，现场实测数据显示盾构姿态控制良好，各项掘进参数基本在原设定范围内，且未出现喷涌现象。地表呈隆起状，运营隧道表现为沉降，各项指标均未超过限值，有效减少盾构上跨对运营隧道的影响及对周边土体的二次扰动。参考文献：刘淼 西安地铁侧坡出入段线上跨既有隧道施工影响分析 隧道建设，（）：，（）：施工技术（中英文）第 卷图 盾构掘进参数监测值 陈亮，黄宏伟，王如路 近距离上部穿越对原有隧道沉降的影响分析 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