双线近距叠交地铁盾构隧道施工技术.pdf

国防交通工程与技术 年 月 卷期收稿日期:作者简介:陈一夫(),男,高级工程师,主要从事城市轨道交通工程管理工作.双线近距叠交地铁盾构隧道施工技术陈一夫(中铁十八局集团市政工程有限公司,天津 )摘要:依托北京某地铁区间上下叠交隧道的特殊工况,从基坑降水技术、地层加固措施、掘进参数设置以及掘进技术控制四方面详细论述了此类复杂工程的施工关键技术.通过对掘进过程中地表沉降以及下行隧道结构的变形分析可知,所提出的盾构掘进方案有效地控制了上部隧道施工对下部隧道以及对既有构建物的影响,同时也为相关类似工程的建设提供了技术支持.关键词:盾构隧道;交叉叠加;加固措施;变形控制;现场监测;基坑降水;地层加固;掘进参数D O I:/j g j g y a t 中图分类号:U 文献标识码:B文章编号:()随着我国城市化进程的快速推进,地下轨道交通工程得到了前所未有的发展.但受制于既有构建物地基、地下复杂管线以及既有隧道等结构的影响,地铁隧道不可避免的会出现上、下叠交施工的特殊工况.例如,昆明地铁号线与号线呈十字叠交,且二者间的最小净距仅m;苏州轨道交通号线隧道下穿既有轨道交通号线,隧道净距最大也不过m;上海地铁 号线下穿既有 号线,二者间的最小净距仅为m.这种复杂叠交形式下的隧道施工,存在极大的施工风险和安全隐患,因此,寻求最优的叠交隧道施工的变形控制技术及施工方案具有十分重要的现实意义.虽然目前我国地铁隧道施工中已经出现多线叠交情况,但目前关于叠交隧道的研究一般主要针对的是新建隧道穿越既有隧道 ,对于新建隧道小净距叠交隧道下穿既有构建物的研究尚不多见.工程概况北京某地铁区间双线总长 m,其中左线长 m、右线长 m(含空推 m).受地表构建物影响,该区间内隧道左、右线局部呈上下重叠设置且最小净距仅 m,所处地层处于中压缩性粉质黏土地层中,土体性质稳定.区间隧道多次以十字交叉的方式近距下穿既有构建物(K K ),一定程度上提升了工程难度.该区段隧道始终以左上右下的形式分布,上部左线隧道埋深约为 m,其整体走向及周边环境如图所示.根据岩性及室内渗透试验结果发现,区间场地?1 353.209 m265.6 m1 260.271 m393.080 m图北京某地铁区间位置静止水位埋深为m,潜水水位的年变幅为m.区间内的局部地层位于第一承压含水岩组,此类地层透水性好,为微承压含水层.同时通过对承压水进行测试发现其混凝土材料和钢筋混凝土中的钢筋结构均存在一定的微腐蚀现象,且主要的腐蚀介质为硫酸根离子.该区间主要位于粉质粘 实例A n a l y s i so fP r a c t i c a l E x a m p l e s分析国防交通工程与技术 年 月 卷期土层中,局部位于粉土承压含水层中,上述土层均属含水率较高软黏土和粉土地层,在施工扰动过程中极易破坏土体结构,使土体产生较大的变形威胁上方建筑物及在建隧道的安全.因此,隧道重叠施工过程中如何确保地层稳定以及控制地表沉降,是盾构施工中亟需解决的问题.针对上述施工难点,采用如图所示的施工流程降低其对既有构建物的影响.该区间隧道上下重叠的形式为下方隧道为右侧隧道,上方隧道为左侧隧道,盾构掘进过程中采用先下后上的施工步序.在施工下部隧道时必须严格控制盾构掘进姿态及地表沉降等,尽可能地为上部隧道施工提供良好的施工条件和基础;当施作上部隧道时,也应尽量减少对下部已建隧道的扰动,特别是对于净距较小的区段.此外,为了保证上部隧道掘进的顺利实施,对下部隧道进行监测来为上部隧道掘进提供数据支持.当盾构隧道施工完毕后应做好后期的注浆及监测,确保隧道满足稳定性及安全性的要求.?、?图上下叠交盾构隧道施工流程上、下交叠隧道施工技术降水措施通过地勘资料分析发现在联络通道施工过程中,存在第二承压水突涌,可能产生涌水、涌砂事故,因此采用分区域基坑内降水、减压措施.联络通道均设在上下重叠隧道之间,采用明挖顺作法施工,围护结构采用 mm厚地下连续墙.潜水降水井采用深井井点降水,降水井直径 mm,内设直径 mm钢套管,降水井按照 m一孔深入布设至基坑底板下m,并间隔布设口观测井监测地下水位的实时变化;降压井间隔 m布设.为满足基坑工程降水要求,各联络通道降水井和降压井分别设置为口和口.在基坑降水过程中不仅要达到降水效果,保证基坑工程安全,同时又要较好的控制坑外地基变形,减少对周边管线和建筑物的扰动.土体加固措施土体加固措施分为两部分,分别为端头井加固和区间地层加固.端头井加固措施采用水平冻结法加固,主要用于始发端头井和侧接收井.冻结加固设置为m,单轴抗压强度、抗拉强度以及抗剪强度需高于、和MP a.根据设计的冻结帷幕,端头井冻结孔分别按水平角度布置圆柱体冻结孔和板块冻结孔两类,共计 个冻结孔,图是端头井冻结孔布置示意图.圆柱体冻结孔沿开洞口m圆形布置,开孔间距为 m,冻结孔数 个,长度为 m.板块冻结孔沿开洞口m、m圆形布置,开孔间距为 m、m,冻结孔数 个,冻结孔长度m.开洞口中心布设个冻结孔,冻结孔长度m.具体的施工工序依次为定位开孔及安装孔口管、安装孔口密封装置、钻孔、测量、封孔及打压试验.区间地层加固采用三轴搅拌桩加固方法对区间结构顶部、底部及两侧各m区域进行加固处治,具体的加固区域如图所示.经加固后地层 无侧限抗压 强度为 MP a,渗透系数 c m/s,桩径为 mm,桩间距为 mm,水灰比控制在 范围内.17841 4141 466?1?5 4009 6008 0002 800?4 000450(a)?(b)?6 4108 0009 6001 3002 8001 3003 5007 500?图端头井水平冻结法冻结孔布置(单位:mm)?3 000 6 200 3 0003 000 6 200 3 5006 2003 000?图三轴搅拌桩加固参数(单位:mm)掘进试验段参数设置该区间隧道采用的是 mm的复合式土 实例分析双线近距叠交地铁盾构隧道施工技术陈一夫国防交通工程与技术 年 月 卷期压平衡盾构机,盾构管片外径、内径以及厚度分别为 、和 mm.将隧道初始掘进的前 m设置为试验段,该区域内土体工程性质相较于该区段整体土体工程性质具有普适性,区间隧道穿越地层为中压缩性的粉质黏土.通过对掘进参数进行实时优化,明确了施工参数与地表沉降间的对应关系,并通过对试验段掘进参数进行归纳总结,确定了掘进参数设定范围,试验段盾构掘进参数如表所示.表试验段盾构掘进参数指标参数指标参数土仓压力 MP a掘进速度 mm/m i n刀盘扭矩 k Nm同步注浆量 m/环出渣量 m/环盾构推力 k N刀盘转速r/m i n刀盘贯土量 mm/r注浆压力 MP a二次注浆压力MP a盾构掘进技术控制盾构掘进姿态需控制在轴线 mm范围内,一旦出现偏移隧道轴线的情况,应及时调整左右千斤顶行程进行纠偏:为避免过量纠偏对地层造成扰动,纠偏量需控制在每环mm以内,严格控制盾构的轴线和纠偏量,尽可能做到勤纠少纠.掘进过程中严格控制出土量,每环出土量控制在 左右,每掘进一环检查一次出土量,严格确保每环出土量误差不得超过m,防止出现超挖现象.根据地表沉降及出土量情况,如发现同步注浆有不足的地方,通过管片中部的注浆孔进行二次补注浆,补充一次注浆未填充部分和体积减少部分,从而减少盾构机通过后土体的后期沉降,减轻隧道的防水压力,提高止水效果.为减小和防止盾构掘进引起的地表沉降变形,在掘进过程中应及时进行同步注浆.根据盾构掘进试验段的测试结果,同步注浆采用水泥砂浆硬性惰性浆液,每环注浆量不少于m,注浆压力为 MP a.为弥补同步注浆的不足,二次注浆可进一步填充管片壁后与地层间的空隙来有效控制地表沉降.二次注浆通常借助管片预留孔打入P V C注浆管,从盾尾环后拱腰位置处开始注浆,注完顶部后方可对底部注浆.浆液采用水泥水玻璃双浆液,注浆压力控制在MP a范围内.上部左线隧道盾构推进过程,为了有效降低对已建成下部右线隧道结构的影响,在上方隧道盾构掌子面前后一定范围对应的下部隧道内架设临时支撑台车,从而降低上部隧道施工过程中对下部管片产生局部应力作用,避免管片及隧道整体结构受到破坏.此外,为了防止上部左线隧道施工过程中的卸载作用和地质条件的影响、使已建下部右线隧道发生上浮,需要对右线轮式压重车进行压重,压重参数根据施工过程中的试验进行确定.隧道下穿既有构建物沉降变形监测监测方案由于盾构隧道区间近距下穿既有构建物,最小净距仅m,应相关部门要求盾构掘进过程中必须严格保证上方既有构建物的安全,因此需要对盾构掘进过程中的结构变形和地表响应进行长期监测.地表沉降监测分为横向地表监测和纵向地表监测,横向地表沉降监测断面设置为个,分别位于K 和K 隧道下穿既有构建物断面处,沿隧道中心线两侧对称布设 个测点,各测点间距为m;纵向地表沉降观测值由上述断面位于隧道中心线测点处最近的两测点监测平均值确定.此外,由于隧道左右线上下重叠段施工时,后施工的上部隧道会扰动先施工的下部隧道,因此必须加强对右线隧道的监测,主要的监测项目为衬砌结构的沉降和收敛变形.测点布设位置依次为拱顶、拱腰以及拱脚位置处.监测断面位置选取叠交隧道下穿既有构建物位置处,具体的监测设备采用由B O Y 型臂式倾斜仪和激光水平位移监测仪组成的隧道形变自动化监测系统.根据相关规范,地表沉降监测报警值为 mm;隧道结构水平位移、隧道结构竖向沉降和隧道结构净空收敛监测报警值为 mm.监测数据分析图为盾构掘进过程中地表纵向沉降随掌子面位置的变化规律.由图可知,对于个监测断面而言,纵向地表沉降规律基本相同,均表现为在盾构掘进前纵向地表沉降较小,随着测点距离掌子面越来越近,纵向地表沉降逐渐增大;当掌子面位于测点下方时,地表沉降显著变化;当掌子面远离测点时,纵向地表沉降逐渐趋于稳定.对比左、右线掘进过程中的纵向地表沉降可发现,由于下行右线隧道先开挖,其引起的地表沉降较小,而随着后续上行左线隧道的进一步开挖,纵向地表沉降进一步增大.这是由于下行隧道开挖不仅会对地层产生扰动,后续上行隧道的开挖也会进一步加强对地层的扰动,因此会 实例分析双线近距叠交地铁盾构隧道施工技术陈一夫国防交通工程与技术 年 月 卷期产生较大的地表沉降.但总体而言,最终的地表沉降稳定值均小于 mm,满足规范对地表沉降的要求.?/d051015202524?/mm681012?：?1；?2；?1；?2。图纵向地表沉降变化图为上、下叠交隧道施工结束个月后隧道中心线位置处的横向地表累积沉降变形量.结果表明上、下叠交隧道施工会对上方轨道沉降产生一定的影响,但地表累积沉降均小于 mm,满足相关规范规定的沉降控制标准.对比两个监测断面的横向沉降结果可发现,两断面监测结果类似,不同之处在于沉降峰值有所差异.对于监测断面而言,左右线累积沉降峰值分别为 mm和 mm,监测断面的左、右线累积沉降峰值分别为 mm和 mm.这主要是由于地层或施工因素等差异所引起的.此外,由于上行隧道引起的地表沉降可分为下行隧道掘进后引起的地表沉降以及上行隧道施工扰动造成的地表沉降,因此上行左线隧道地表沉降总是会大于下行右线隧道地表沉降,这同样可用于解释峰值处的沉降值差异.总体而言,横向地表的沉降表现为V型分布,且符合P e c k沉降理论.?0246810 121434?/mm5678?：?1；?2；?1；?2。图横向地表累积沉降为探究上方隧道施工对下方既有隧道结构受力及变形的影响,图给出了下行右线隧道在K 断面处的监测结果,由于下行右线隧道先行施工,因此,监测时段为右线施工完毕后,上行左线隧道施工期间.由隧道结构沉降累积结果(如图(a)所示)可知,随着隧道的不断掘进,隧道不同部位处的竖向沉降总体均控制在 mm内,对于右线隧道左拱脚位置处出现较大隆起是由于盾构在施工中盾构参数未及时优化调整、该管片位置处的同步注浆量过大所造成.通过观察沉降规律可大致发现左右拱腰位置处整体表现为隆起变形,这主要是由于上行左线隧道轴线已与下行右线隧道轴线处于不同平面,随着上行隧道的不断掘进,左侧位置处的地层围岩发生开挖卸荷现象所造成.不同监测部位的水平位移如图(b)所示,结果表明隧道结构水平位移变化远小于隧道结构的竖向沉降,这是因为竖向沉降受上方左线隧道开挖以及其自重的影响显著,而水平位移主要受侧向围岩压力影响,通常情况下开挖引起的侧向围岩压力释放小于竖向围岩压力释放.从监测结果中可以看出,隧道结构各部位的水平位移基本在 mm内波动,这表明隧道结构在水平方向上的受力较为均衡,未出现应力集中现象.此外,在 环时右拱脚位置处出现了相对明显的下沉,这是由于掘进至此处时盾构机出现了向右偏离轴线的问题,在及时调整盾构掘进姿态后未及时调整同步注浆参数所造成,在后续二次注浆时及时补充了该位置处的地层空隙后,此处的水平位移最终趋于稳定.图(c)给出了隧道结构下穿既有构建物路段的净空收敛监测结果,分析监测数据可发现隧道不同部位处的净空收敛波动较小,基本位于mm范围内,这说明隧道整体结构稳定,上方左线盾构隧道的掘进作业对下行隧道的影响较小.结束语综合监测数据发现,上下叠交隧道在采用相应技术措施后依据先施工下行右线隧道后施工上行左线隧道的顺序能够合理有效的确保盾构隧道安全顺利掘进,同时对地表既有构建物的沉降影响也满足要求.参考文献 彭坤叠交隧道施工对既有隧道影响分析J天津建设科技,():,张秋彬,张亚勇,周凌焱,等苏州地区小净距盾构下穿既有线掘进参数分析J现代城市轨道交通,(增刊):陆正盾构近距离穿越运营地铁隧道的施工J建筑施工,():,王辉,赵文娟叠交隧道设计参数对既有隧道稳定性影响的动态模拟研究J现代隧道技术,():,谢勇涛,于清浩,丁祥,等新建隧道施工对既有隧道的影响分析及处理措施J铁道标准设计,():实例分析双线近距叠交地铁盾构隧道施工技术陈一夫国防交通工程与技术 年 月 卷期(a)?(b)?(c)?12?/mm8404812300330360390420450480510540?：?；?；?；?；?。?/mm128404812300330360390420450480510540?：?；?；?；?；?。?/mm1284?300330360390420450480510540?04812?：?；?；?；?；?。图下行右线隧道监测结果 吴志敏南宁地铁号线交叠盾构隧道施工控制技术J现代城市轨道交通,():崔蓬勃,沈彤,丁謇,等软土地层地铁叠交隧道施工加固技术研究J江苏建筑职业技术学院学报,():C o n s t r u c t i o nT e c h n o l o g yo fD o u b l e T r a c kC l o s eO v e r l a p p i n gS u b w a yS h i e l dT u n n e lC H E N Y i f u(C h i n aR a i l w a y t hB u r e a uG r o u pM u n i c i p a lE n g i n e e r i n gC o,L t d,T i a n j i n ,C h i n a)A b s t r a c t:T h ep a p e rd i s c u s s e s t h ek e yc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e s f o r t h ec o m p l e xp r o j e c t s i nd e t a i l f r o mf o u r a s p e c t s:p i tp r e c i p i t a t i o n,g r o u n dr e i n f o r c e m e n tm e a s u r e s,t u n n e l i n gp a r a m e t e rs e t t i n ga n dt u n n e l i n gt e c h n o l o g yc o n t r o l,b a s e do nt h es p e c i a lw o r k i n gc o n d i t i o n so f as u b w a ys e c t i o nw h e r e t h eu p p e ra n d l o w e r t u n n e l sa r ec l o s eo v e r l a p p i n g i nB e i j i n g T h ea n a l y s i so f t h eg r o u n ds u r f a c es e t t l e m e n t a n dt h e f i l e dm o n i t o r i n gd e f o r m a t i o no f t h ed o w n l i n kt u n n e l s t r u c t u r ed u r i n ge x c a v a t i o ns h o w s t h a tt h ep r o p o s e ds h i e l d t u n n e l i n gs o l u t i o nn o t o n l ye f f e c t i v e l yc o n t r o l s t h e i m p a c t o f t h eu p p e r t u n n e l c o n s t r u c t i o no n t h e l o w e r t u n n e l a n dt h ee x i s t i n gb u i l d i n go nt h eg r o u n d,b u t a l s op r o v i d e s t e c h n i c a l s u p p o r t f o r t h ec o n s t r u c t i o no f r e l a t e ds i m i l a rp r o j e c t s K e yw o r d s:s h i e l dt u n n e l;c r o s ss u p e r p o s i t i o n;r e i n f o r c e m e n tm e a s u r e;d e f o r m a t i o nc o n t r o l;f i e l dm o n i t o r i n g;p i tp r e c i p i t a t i o n;g r o u n dr e i n f o r c e m e n t;t u n n e 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