上海大直径泥水平衡盾构近距离穿越运营地铁隧道变形分析

上海大直径泥水平衡盾构近距离穿越运营地铁隧道变形分析

随着城市地下空间的开发，地下管道、隧道等地下建筑和结构变得越来越密集。结构远离或近距离穿过已修建的隧道的情况相对常见。但大型泥水平衡盾构在承压水砂性地层中近距离穿越运营地铁尚属首次,如何确保运营地铁的安全已成为亟待解决的难题。1西藏东南角隧道上海西藏南路越江隧道北接浦西西藏南路,南至浦东滨州路—博文路,建成后将成为世博会一条主要的越江通道。隧道盾构推进段分为西线隧道和东线隧道,采用2台外径11.58m,内径11.44m,全长11.245m的泥水平衡盾构掘进机施工。该盾构灵敏度为0.97,刀盘转速为0.47r/min,刀盘开口率为25%,最大掘进速度为4cm/min。西藏南路东、西线隧道均在距浦东岸边约100m处下穿轨道交通8号线区间隧道。东、西线隧道平面净距为11.4m,8号线上、下行线隧道平面净距为4.6m,成“井”字形交叉。两对隧道中心线的水平面投影在穿越点处夹角约为56度。隧道相对位置和剖面图见表1和图1。东线隧道穿越75d后,西线隧道开始穿越。西藏南路隧道穿越8号线隧道工程存在以下难点:(1)距离近。穿越点盾构机顶部与8号线隧道最小净距约为3.19m,隧道与8号线隧道最小净距为3.30m。(2)盾构直径大,因盾尾注浆为壁后及时注浆方式,施工控制难度大。(3)穿越地层复杂。穿越前约10m处盾构切口从⑥层土完全进入⑦层土,施工参数的摸索调整时间较短。(4)无类似工程经验。本工程全程采用电子水平尺监测系统实时监测,测点间距2m(见图2)。2经过一段地铁隧道沉降规律2.18沉降槽形状核算按图3所示主要工况,整理8号线隧道内的电子水平尺实测沉降数据,分析盾构穿越阶段8号线下/上行线隧道的沉降规律。东线盾构穿越前,为更好指导现场施工,将电子水平尺数据清零。如图4、图5所示,西线和东线盾构穿越8号线阶段,下行线沉降槽形状大致呈正态曲线,最大沉降值与Peck经验公式计算较吻合。上行线沉降槽与下行线沉降槽类似。从图4、图5可以看出:由于盾构与8号线隧道呈56°斜交,切口左侧最先到达,沉降最大值始终偏向左侧;东线盾构穿越二次扰动引起的8号线隧道变形,较相同工况西线穿越有很大增加(数据时间:30d)。2.28沉降变化规律下行线与上行线的最大沉降随时间变化曲线的形态接近,呈阶梯式下降。以下行线为例分析其规律(见图6、图7)。西线盾构由拼装转入推进阶段时,各测点小幅上抬并保持稳定。从开始影响至沉降达到历史最大值,西线盾构推进阶段下/上行线位移变化量总计约为+10.01/+9.12mm,平均每环沉降+0.24/+0.22mm。与西线盾构有所不同,由于同步注浆设备出现故障,浆液无法及时填充盾尾间隙。东线盾构由拼装转入推进阶段时,测点上抬一段时间后又开始下沉,从数据清零至沉降达到历史最大值,下/上行线沉降变化量总计约为-0.20/+1.90mm,平均每环沉降-0.01/+0.04mm。盾构由推进状态转入拼装状态后,各测点较快下沉。从开始影响至沉降达到历史最大值,西线盾构拼装阶段下/上行线位移变化量总计约为-24.51/-25.71mm,平均每环沉降-0.58/-0.61mm。从数据清零至沉降达到历史最大值,东线盾构拼装阶段下/上行线沉降变化量总计约为-29.5/-23.15mm,平均每环沉降-0.70/-0.54mm(由于采取补浆措施,后期沉降稳定)。3关于桥梁施工参数的研究3.1速形成泥膜有利于开挖面的稳定PMS高分子泥浆结合了传统泥浆和高分子聚合物,能在刀盘切削土体后迅速形成新的泥膜,有利于开挖面的稳定。同时,该泥浆具有很好的悬浮和携带土体的能力。根据上海复兴东路隧道工程在⑦层土掘进过程中掺入PMS的成功经验,本次穿越中也采用了PMS高分子泥浆,取得了较好的效果。3.2压力设置的制约泥水平衡盾构的压力设定准确且波动较小,本工程中,将切口水压波动值控制在0.01MPa左右。在西线推进过程中,泥水压力调高时,盾尾发生漏浆,故泥水压力设置受到很大制约。穿越前阶段切口水压设置在较低水平(0.25～0.285MPa),推进259、261、262三环切口水压为0.34MPa,258环/260环切口水压为0.32/0.36MPa,以后各环均约为0.30MPa。根据专家意见,在东线推进过程中,切口水压最低设置为0.32MPa,随着盾构埋深增加适当提高,实际切口水压值如图8所示。施工中发现,在切口水压能够保持正面土体稳定的前提下,提高切口水压对8号线隧道沉降并不敏感。3.3盾构缺少控制其变形的手段本工程中,盾构切口离开8号线隧道下方到盾尾脱出的过程中,盾构缺少控制其变形的手段。所以,加快了施工进度,使盾尾注浆尽早对8号线隧道起作用,以控制其变形。同时考虑到注浆材料的供应能力,速度一般定为15mm/min。3.4隧道注浆与注浆方案的确定注浆是盾尾离开8号线隧道后控制其沉降的主要手段,注浆材料性能、注浆量大小及注浆的及时性直接影响隧道沉降的变化。本工程通过同步注浆和二次补浆使8号线隧道变形得到了较好的控制。3.4.1强度设计本工程同步注浆方式为管片壁后注浆,注浆材料主要为石灰膏、黄砂、粉煤灰、膨润土等。注浆后的浆液前期可流动,后期强度较高,其比重可达到2.002,稠度为9.3cm,3d强度为0.19MPa,14d强度为0.415MPa,28d强度为0.55MPa以上,并具有较好的耐泥水冲刷稀释的性能。由于通用管片设计拼装与排版的要求,采取两个注浆点交替的方式进行注浆(见图9)。考虑到注浆泵的功率及盾尾刷的承压能力,西线同步注浆量控制在8.8m3/环,东线同步注浆量控制在9.2m3/环,填充率约为150%(见图10)。西线盾构推进257、261、263环中盾尾曾出现漏浆,故适当增加了注浆量。3.4.2环再注浆方式二次注浆孔采用管片的注浆预留孔。为防止地下承压水渗漏,应先将防喷装置安装在预留孔中,并接上单向球阀,直接将注浆无缝钢管打入到设计深度。二次补偿注浆的浆液采用凝固较快(初凝时间10s)且收缩率<5%的双液浆,主要材料为水泥、水玻璃、膨润土等。注浆按照“先打环箍、再在环箍间注浆”的思路。采用环箍可以使浆液约束在有效部位。实际施工中根据电子水平尺反馈信息做细部调整。西线盾构盾尾离开8号线隧道约10m后开始补浆,首先通过在283环、273环和263环注浆形成三道环箍,再在环箍之间进行少量、多次、跳跃式注浆。东线盾构穿越后,8号线很快恢复了运营。二次注浆时间适当提前,同时考虑到盾尾钢丝刷的承压能力,在盾尾通过8-9环后开始补浆(见图12)。环箍选定为273、283、293三环,在环箍1、环箍2形成前,补充了适量浆液使下行线最大沉降值始终控制在30mm以内。4该项目面临的问题和反应4.1封的施工作用盾尾密封是防止周围地层的土砂、地下水及切削面泥水等从盾尾间隙流向盾构内的重要装置。本工程盾尾密封由两道国产钢丝刷和一道钢板束组成。工程实践表明,可抵抗最大水压为0.36MPa。在盾尾发生泄漏时,将桥接堵漏剂通过油脂注入系统注入到盾尾密封装置中,起止水和堵漏的作用,防止隧道发生过大变形。此后,通过注入足量的盾尾油脂,并适当调整注浆压力,保证了盾尾密封的安全,没有再次出现漏浆。4.2切口水压降至下下线如前所述,在盾构拼装停顿阶段,8号线隧道沉降发展较快。西线在261环配管过程中,切口水压从0.30MPa降至0.20MPa,8号线隧道下行线最大沉降增加2.4mm。通过改进工艺,缩短了配管时间,切口水压能保持在推进阶段水平,使配管问题得到解决。4.3降槽曲线出现多次水平段东线盾构穿越过程中,电子水平尺监测数据持续出现异常,沉降槽曲线出现多处水平线段,对现场施工带来极大不便。与监测人员及时沟通后,发现由于未能充分预估沉降大小,自动监测系统量程被设定为±20mm,使超出量程数据被过滤。5扰动地层下隧道沉降(1)大直径泥水盾构在承压砂性地层中近距离穿越地铁运营隧道的地层损失控制难度较大,通过两次注浆最终可将地铁隧道变形控制在-5mm内。(2)后行盾构穿越二次扰动地层过程中,被穿越隧道最大沉降较先行穿越一次扰动对应的最大沉降,增加了30%～100%。(3)地铁隧道