盾构超近距离穿越地铁运营隧道的保护技术

盾构超近距离穿越地铁运营隧道的保护技术白廷辉尤旭东李文勇摘要：本文通过对上海地铁二号线隧道与地铁一号线隧道交叉段盾构工程的分析、得出盾构超近距离穿越地铁运营隧道的一些保护技术措施，包括盾构施工参数的优化匹配技术、信息化施工技术等。关键词：软土土压平衡式盾构参数优化信息化施工 The Protection Technique during Passing of Shield through the Operating Metro TunnelBai Tinghue et alAbstract In this paper based on analysis of shield engineering in the section of crossing of metro line No2 trnnel with metro line No1 tunnel，some protective technical measures for passing of shield through the operating metro tunnel were suggested ，ineluding Optimization of constrction parameters for the shield，information construction technology etcKeywords Soft Soil，shield with balance of earth pressure，optimization of parameters，information construction1工程概况地铁二号线一期工程区间隧道人民公园站河南中路站是地铁二号线的一个重要组成部分。该工程位于上海黄浦区内人民公园东西端之间，全长837，429m。隧道外径为62m，内径为55m。隧道衬砌每环宽1m，每环由一块封顶块，两块邻接块，两块标准块，一块落底块共六块构成。纵向均采用M30螺栓手孔式连接，衬砌设计强度C50，抗渗强度S8，衬砌接缝防水采用由水膨性橡胶和氯丁橡胶复合压制成的弹性密封垫。由两台从法国引进的土压平衡式盾构机掘进施工，盾构外径为634m，长度为654m。二号线该区间段与地铁一号线人民广场站新闸路站区间段在人民公园站附近交叉。上海地铁一号线是南北向贯穿市中心区的现代快速有轨交通线，于1994年12月基本建成，1995年4月全线试运营。一号线人民广场站新闸路站区隧道于1992年4月至1993年10月掘进施工，施工采用的盾构和管片型式与二号线相同。地铁二号线人民公园站河南中路站上下行线区间隧道盾构分别于1998年5月和7月在地铁一号线运营隧道下方穿过，一、二号线两条隧道相距为1m左右，走向基本正交，如图1所示。保证二号线两台盾构先后安全顺利地穿越运营中的地铁隧道，是盾构施工中的一个重要的技术难题。图1地铁一号线和地铁二号线的交叉示意图2地质条件该工程沿途场地较为平缓，地面标高约为3m，表层为褐黄色黏土，隧道主要穿越灰色淤泥质黏土，、灰色黏土层。灰色淤泥质黏土属滨海浅海相沉积，饱和，流塑软塑，为高压缩性土。灰色黏土属滨海沼泽弱谷相沉积，软塑可塑，为高偏中压缩性土。隧道所穿越的主要土层的地基土的物理力学指标如下表1：表1层号土层名称含水量W（%）密度（gcm）空隙比e内摩擦角 (度)1灰色淤泥质粉质黏土43217511981002灰色淤泥质黏土5071691450753灰色黏土3851801150903一号线的保护要求为保证一号地铁列车的安全顺利运行，一号线隧道保护的具体技术指标如下：a、由于邻近建筑物的施工开挖等影响所造成的运营隧道的沉降及水平位移20mm；b、因打桩、爆破引起的振动峰值2.5cms；c、地铁隧道变形相对曲率12500；d、地铁道隧道变形曲率半径15000m；e、因建筑物垂直荷载及施工引起的外加荷载20kpa。考虑到人民公园车站东井施工已对两条运营隧道产生一定程度的影响(要求其影响范围控制在10mm以内)，并鉴于隧道周围粘土体中孔隙水压力的消散需要较长的时间，以及土体的蠕变特性，在二号线盾构穿越施工期间应将其对一号线产生的影响控制在更小的范围之内，以保证其对一号线的最终影响变形在允许范围之内。在二号线盾构掘进施工期间，一号线具体的保护技术要求是：沉降及位移5mm另外，二号线盾构从一号线隧道下部的一侧穿越到另一侧的过程中，对一号线运营隧道左右两则将产生一个沉降差，这将导致一号线的列车轨道左右两侧产生高差，影响列车的正常运行。根据一号线列车的实际运营情况，要求在二号线盾构穿越过程中，左右两侧轨道高差4mm。4工程的技术难度(1)国内盾构施工现状。在目前的隧道建设中，盾构法施工较为普遍。在软黏土中建造地铁，土压平衡式盾构是一种较为新型常用的盾构。通过以往大量的实验、分析和研究对地面沉降能有效的控制，即通过盾构施工参数的优化匹配，对地表隆沉可以较为准确的预测，其变化值可以控制在几毫米的范围内。但是，对于盾构在下部超近距离穿越运营隧道的影响分析还未完全成熟，国内还没有相仿的工程和经验可以借鉴和参考。在上海这样地铁飞速发展的大都市里，这是首例盾构如此超近距离穿越运营隧道。 图2二号线盾构推进前一号线的纵向沉降曲线(2)地铁二号线人民公园地铁车站的开挖对一号线及其周围土体产生沉降变形的影响。人民公园地铁车站基坑开挖深度为2212m，车站与一号线的最近距离约为10m。在基坑开挖过程中，基坑围护连续墙的最大水平位移达103cm，基坑土体的位移也较大。虽然对地铁一号线隧道进行了些保护技术措施，基坑开挖对隧道仍产生一定的影响。图3给出了基坑开挖后二号线盾构推进一号线隧道的纵向变形曲线。从图可以看出。二号线盾构推进前一号线隧道的沉降已达10mm，这样更增大了二号线盾构掘进穿越的技术难度。图3信息化施工的流程示意图(3)地铁二号线盾构刚刚出洞，处于试推进阶段，未进入正常的推进阶段。盾构的试推进阶段的目的是：根据具体的土性和环境(如盾构埋深等)条件，通过盾构推进过程中大量的监测数据，来调整优化盾构的各施工参数(如盾构推进时的土舱压力、出土量、推进速度等)，使盾构推进时对环境的扰动和影响控制在最小的范围以内。由于二号线盾构刚刚出洞，处于试推进阶段，盾构各施工参数还没有调整到最优化阶段，还没有适应具体的土性等条件，其对周围环境的影响还没有调整到最小。在这种条件下穿越地铁一号线运营隧道，必将增加其技术难度。5盾构施工参数的优化技术盾构掘进的施工参数：土舱压力、出土量、推进速度、注浆量、注浆压力等。优化并匹配盾构施工参数，能相应的减小盾构施工时对周围土体的扰动程度。盾构各施工参数不是相互独立，许多参数是相互联系、连锁改变的。因此，不仅要对盾构的施工参数进行调整，更重要的是要对盾构施工参数进行优化和匹配。在二号线盾构穿越一号线期间，主要作到以下几点：(1)由于地铁一号线隧道位于二号线盾构施工的正上方，盾构的土舱压力直接影响一号线隧道变形，在盾构穿越过程中必须严格控制土舱压力，同时也必须严格控制与土舱压力有关的施工参数，如：推进速度、出土量等，以保持盾构掘进面稳定和平衡。以往的工程实践表明，这个平衡是一个个动态的平衡，由于推进速度和出土量等的变化，土舱压力也会在土层压力值附近波动。因此施工中应特别注意调整推进速度和出土量使土舱压力波动控制在最小的幅度范围内，以减少一号线隧道的变形和沉降。(2)严格控制同步注浆量和浆液质量，通过同步注浆及时填充建筑空隙，减少施工过程中土体的变形。要合理控制注浆压力，尽量作到填充而不是劈裂。注浆压力过大，管片外的土层将会被浆液扰动而造成较大的沉降，并易造成跑浆。同时，注浆压力过小填充速度过慢，填充不足，也会使变形增大。实践证明，注浆压力应控制在(1112)倍的静止土压力值。(3)严格控制盾构的姿态，盾构姿态的变化不宜过大、过频，以降低土层的损失和对周围土体的扰动，减少一号线隧道和它本身隧道的沉降。(4)在地铁一号线变形影响控制较好的情况下，使盾构保持均衡施工，在最短的时间内穿越一号线隧道，减少盾构施工对一号线隧道的影响。(5)在盾构推进调整优化施工参数的过程中，要及时接受监测的反馈信息，用其来调整优化盾构推进过程中的施工参数，实现信息化施工。6以监测与反馈为基础的信息化施工技术监测是施工效果的直接反应，是地铁盾构施工中对重要建筑物进行保护的重要手段。所谓信息化施工是指：通过监测数据的反馈分析，判断当前的施工状况是否科学合理，及时发现工程中存在的问题，为采取有效的防范措施提供信息，指导施工的安全顺利进行。在地铁二号线穿越一号线的重大工程中，由于没有充足的理论指导和实践经验，通过全面及时的监测反馈分析来实行信息化施工，显得尤为重要。由于二号线盾构的掘进路线距一号线很近，仅有1m左右，在二号线盾构掘进穿越时，一号线隧道的变形对其反应很灵敏，如果盾构掘进施工时控制稍有偏差，一号线隧道的变形马上就会反应出来。因此，穿越时实行信息化施工显得非常有效，也非常必须。只有通过信息化施工，才能保证地铁一号线的安全和正常运营，保证地铁二号线盾构的按期穿越。在信息化施工过程中，监测反馈的全面快速是其重要环节。针对二号一盾构穿越一号线的实际情况，具体实施如下：(1)获取全面的监测数据。为了能获取全面的监测数据，保护地铁一号线的安全和正常运营，对一号线进行了全面的监测，全面的反应一号线的变形状况。其监测途径主要有： 垂直沉降监测； 水平位移监测；轨道左右两侧高差监测； 隧道断面收敛变形监测，其中断面收敛量测包括拉尺式收敛测试和巴塞特收敛测试。为了能快速的获取一号线的沉降监测数据，及时的反馈指导二号线盾构的掘进穿越，在一号线上下行线隧道内分别布置了连通管的监测，利用连通管监测快速准确的特点，快速及时的采集数据。(2)快速及时的数据反馈指导。为了能保证监测数据快速及时反馈，实现信息化施工，在二号线穿越的过程中，采用了多种通讯工具，将一号线的监测数据和盾构的施工参数，快速的传递给分析中心，分析中心通过科学的分析判断将盾构施工参数的调整信息传递给盾构推进的工作面，指导盾构的掘进。图3为该工程信息化施工的流程示意图。需要特别说明的是，一号线两条隧道正在运营(早5：00晚11：30)盾构施工必须连续慢掘进穿越，自动化采集一号线隧道的变形数据显得尤为重要。这也是信息化施工的一个重要体现。连通管沉降监测，水平拉杆测斜仪量测水平位移，巴塞特自动量测隧道椭圆度等均使自动化量测变成现实。7其它辅助技术措施(1)二号线采取的二次注浆加固措施。二次注浆加固一方面是为了弥补同步注浆的不足，同时也是保护地铁一号线的有效措施。其基本的方法是：先从二号线内朝下方注浆，减少二号线本身的沉降，使二号线本身处于稳定的状态，然后，在与一号线交叉的地方，通过二号线隧道管片壁上的注浆孔朝左右和斜上方注浆，对一号线进行注浆加固。注浆分多次进行，以避免对一号线产生过于骤然的作用。注浆量的大小根据一号线的沉降大小进行调节，对一号线沉降较大对应的方位，注浆量较多；对一号线沉降较小的方位，注浆量较小。(2)除了二号线盾构施工时采取有效的技术措施，提高其技术水平和施工质量，减少其对一号线运营隧道产生的影响外，对一号线本身进行加固处理，针对其本身的一些具体情况采取相应的保护措施也同样重要。具体保护措施主要有两个方面：其一、注浆加固方案。根据其加固治理目的，大体分成两个部分。a、减少隧道沉降的加固措施；b、对隧道纠偏的加固措施。其二、道床处理方案。由于道床与隧道的整体刚度不一，受变形的影响，道床与隧道管片之间存在着脱离的现象，这样将影响列车的安全运行。为了加强道床与管片之间的粘接和止水能力，对一号线的交叉部位注EAA环氧浆进行了补强加固和止水处理。采用EAA环氧水泥注浆，能有效填充裂缝间隙，形成的聚合物环氧固体有良好的粘接力和物理力学性能，达到填充粘接加固的目的，以减少隧道变形对列车运行的影响，确保盾构的顺利通过。8实效分析通过实施以上技术措施，取得了明显的效果。首先，保证了在地铁二号线盾构穿过程中，地铁一号线隧道的安全，保证了一号线列车的正运营，使一号线隧道的变形控制允许的要求之内。其次，保证了地铁二号线盾构的顺利穿越施工。图4给出了二号线盾构穿越一号线隧道的纵向沉降曲线，图5给出了地铁一号线下行线与地铁二号线上行线交叉点沉降历时曲线，由图可以看出，在二号线盾构推进过程中，一号线隧道的沉降变形很上，不超过5mm。图6给出了二号线盾构穿越前后一号线下行线隧道断而变形图，由图可以看出断面变形也不算大，最大径向变形约为5mm左右。图4二号线盾构穿越后地铁一号线产生的纵向沉降曲线图5地铁一号线下行线与地铁二号线上行线交叉点沉降历时曲线图6二号线盾构穿越前后一号线下行线隧道载面变形图(变形放大100倍)9结论建议随着上海地铁建设的发展，盾构超近距离掘进穿越已建隧道的工程将