盾构穿越既有隧道施工

盾构穿越既有隧道施工 雷 明 王国正 (中铁四局二公司) 摘 要：轨道交通的 日益网络化、规模化，轨道交通和城市隧道的同步高速发展 ，使地下工程的空间交叉 已不可避免。如何使新建隧道顺利穿越已建隧道并使已建隧道处于安全可控状态一直是个难题，因此研究和 制定 相应的施 工技术和应对措施十分必要 。 1 引言 本文结合上海轨道交通 7号线下穿西藏南路越江隧道工程实际，分析了叠交隧道近距离穿越对既 有隧道以及地表变形的影响。结果表明，为减小新建隧道施工对既有隧道以及地表变形的影响，须将地 层损失率控制在 1‰以内为宜 。 2 穿越概况 该越江隧道工程浦东段部分 ，以矩形暗埋段 的形式下穿雪野路后上下行线分开 ；东线(隧道入 口)在 浦东南路一滨州路交叉口之前出地面；西线(隧道出口)继续下穿浦东南路一滨州路交叉口后再出地面， 并在滨州路一云莲路(支路)交叉口之前 90m处接地。该矩形暗埋段(西线)正位于拟建的上海轨道交 通 7号线盾构隧道上方 ，平面与区间盾构隧道斜交 。如图 1所示 ： 图 1 该暗埋段为混凝土结构，其中与区间盾构上行线相交部分底板标高约为一1．1m，距上行线隧道顶 最近处约为 4．Om；与区间盾构下行线相交部分底板标高约为一1．9m，距下行线隧道顶最近处约为7．0 m；该处地面标高约为 3．96m。如下图所示 ： 第一作者简介 ：雷明(1982一)，男，助理工程师。2006年7月毕业于合肥工业大学交通土建专业，大学本科。联系电话： 159OO708363 · 57 · 总第 95期 铁 道 建 设 2008年第 4期 正面切 图 2 隧道位置关系纵断面图 豳 3 越江隧道与区间隧道关系横断面图 工程难点：西藏南路越江隧道明挖段，该隧道正在建，在盾构到达时，该隧道与本标段隧道交叉部位 基本建成，其隧道底距离盾构顶最近仅 4． 7m，且盾构顶部覆土较为松软，易引起盾构机抬头。根据调 亨，该明挖段结构的异形钢维护桩尚未彻底拔除，距上行线盾构推进边线1．5m,距下行线盾构推进边线 仅 0·98m，其影响很大，对盾构推进要求很高。 3 技术分析 3·1 环境等级确定及监控要求 在地铁盾构穿越既有隧道的过程中，首先进行环境等级及监控要求分析，确定地层损失率及地面沉 降允许值。 (地层损失率，定义为单位长度的地表沉降槽的体积占隧道开挖的名义面积 A的百分比 。) (1)盾构穿越前应对既有隧道所处环境的条件进行分析，确定盾构施工影响范围内对应的环境安 全等级及盾构施工允许的地层损失率。如下表 1所示： · 58 · 雷 明 等：盾构穿越既有隧道施工 表 1 盾构中心与监控对象底面不同垂直距离相应的安全等级及允许地层损失率(‰) 盾构中心离地表或监控对象底面不同垂直距离(m) 特级监控对象允许变形(mm) 4 5．3 6 8 lO 16 18 25 5．OO 0．6 0．8 1．O 盾构中心离地表或监控对象底面不同垂直距离(m) 一 级监控对象允许变形(ram) 4 5．3 6 8 1O 16 l8 25 5．00 1．3 1．6 2．5 1O．O 1．3 1．7 1．9 2．5 ， 20．0 2．5 盾构中心离地表或监控对象底面不同垂直距离(m) 二级监控对象允许变形(mm) 4 5．3 6 8 10 16 l8 25 l0．0 3．2 5．0 20．0 3．4 3．8 5．O 30．0 3．8 5．0 盾构中心离地表或监控对象底面不同垂直距离(m) 三级监控对象允许变形 (mm) 4 5．3 6 8 lO 16 l8 25 10．0 5．7 7．9 20．0 6．3 9．9 1lJ 4 15．8 3O．O 5．7 7．6 9．5 14．9 17．1 23．8 (备注：表中数值分别对应安全等级为特级、一级、二级、三级时地层损失率(‰)，当盾构中心与监控对象 距离为盾构中心埋深时，表 中所指变形即为地表变形。) 表 2 工程环境安全等级表 ＼ 条 ＼ 允许变形 允许地层 等级＼ [△](mm) 损失率 监控对象描述 调查内容 运营中的城市轨道交通、高速铁路等 特 级 5 ． 00mm 0．5‰～l‰ 监控对象位置、走向、埋深、运营条件 重要轨道交通线路及道路隧道 (备注：盾构中心埋深越小要求的地层损失率越小。) (2)监控等级及要求 由于穿越既有隧道监控等级规定为特级，应根据工程环境安全等级提出与其相适应的监控等级下 的详细监控(除特别规定外，监控等级与安全等级相同)。监控等级的监测要求见表 3。 表 3 监控等级与监控要求 内容监控等级 测点位置 测点间距 测试频率 测试范围 测试手段与精度 沿隧道中心线上方及 盾构切口前方 1．5H 特级水准，必须采用 既有隧道两侧布置，既 地铁隧道轴线监测点 特级监控 间距不大于 2米 ，其他 实时监测 (H，隧道中心埋深)， 自动 监测 与采集 仪 有隧道的中心轴线必 不大于 5米 。 盾尾后方 120米范围 器，测试精 度误差小 须布置直接沉降测点。 内测点沉降。 于 0．Imm． 各监控等级均需在盾构出洞后首个 100米范围进行测试推进以优化施工参数，而且必须在盾构进入 保护对象范围前进行模拟试验段推进以确定正面土压力、同步注浆压力流量、推进速度、合理纠偏幅度等 施工参数。特级监控方案须经专家评审，方案中要给出被保护对象位移、变形预测计算及施工控制指标。 · 59 · 第 95期 铁 道 建 设 2008年第 4期 3．2 盾构近距离下穿的风险控制及应对措施 (1)越江隧道边缘前后各 lO环按盾构穿越段要求施工，在盾构推进至穿越段前 5O～100环处设盾 构穿越前的试验段； (2)试验段上沿盾构推进轴线上每隔 5环布置深层沉降监测点，每 3环布置地表沉降监测点，要准 确推算出监测点里程及其距地铁隧道的距离；深层沉降点埋深同地铁隧道底点的埋深，地表沉降点要设 置在原状土上 ； (3)试验段上深层隆沉量艿d的控制值为5ram，地表沉降量的控制值[占g]则按度够中心埋深及盾构 施工地层损失率为 1‰推算设定。根据地层沉降监测数据，按盾构通过，盾构前方地面隆起 <1／3 [8g]，盾尾后地表沉降 g<[8g]调整优化盾构推进速度、螺旋机转速、注浆量、注浆压力等参数以作为 盾构穿越阶段的施工参数之基础依据； (4)盾构穿越段推进时再按地铁中电子水平尺所反映的隧道纵向变形曲线，调整正面压力，微调注 浆量、注浆压力、推进速度、螺旋出土量等参数，使最大隧道变形量不超过警戒值(Smm)； (5)穿越后应根据规定进行补浆和双液注浆加固，确保沉降稳定； (6)如盾构上穿越地铁隧道时，除按上述要求做好穿越前试验段及穿越段施工的严密监控之外，还 应根据计算确定穿越段隧道的压重大小与范围，以抑制隧道的回弹变形。 3．3 沉降监测布置及数据分析 (1)监测点布置及首次测设须一步到位，全程监测，从而全盘考虑、分析盾构隧道上下行线先后穿越 暗埋段隧道分别造成的变形叠加影响。具体布置如图4： 每 图 4 监测点平 面布置 图 纵向地表沉降监测点沿线路中线按不大于 3环的间距布设，横向地表沉降监测断面沿线路中线按 不大于20m的间距布设，横向监测点的横向间距不大于3m。地表沉降监测监测点的布设应钻透硬地 面，埋设在土层内，由套管保护至地面。 (2)深层监测 为更好的分析盾构掘进对周围环境的影响，以便有针对性改进施工工艺和修改施工参数，减少地表 和土体的变形，在盾构机穿越既有隧道前，拟在隧道轴线前进方向布设深组断面布置深层沉降监测点， 对其进行沉降观测。 · 60 · 雷 明 等：盾构穿越既有隧道施工 监测方法：在三个断面处附近各做一个稳固的临时水准控制点，用分层监测仪测量每个测环高程先 后差值即为沉降值。 监测频率：深层监测点在盾构切口前 20m至盾尾后 30m范围内监测频率为 2次／d；盾尾通过 2d 后 ，1次／d；一周后 ，每周监测 1～2次。 (3)地表沉降及深层沉降计算方法： 盾构施工引起的环境变形实用估算方法： Peck法估算认为施工引起的地面沉降是在不排水情况下发生的，沉降槽的体积应该等于地层损失 的体积。 ①地表沉降 · 正常施工状态下，隧道上方地表沉降曲线图如图5： __1 性土 工 嚣 ． s埘z 图 5 Peck地表沉降 意图 Peck法横向分布的地面沉降估算公式为： sc 一 exp(一葬) s一 ≈ 式中： S( ——横向地面沉降量(m)； X——横 向上距隧道中心线的距离(m)； V-——盾构隧道单位长度地层损失量(m。／m)，实际3-程估算中可近似取 V．=S H(S 为监测地表 最大沉降)；S脚 ——隧道中心线处的地表最大沉降量(m)； i——地面沉降槽宽度系数(m)。在上海软土地区，可按照经验公式击一(基)“计算。 ②深层沉降 隧道中心距地表为 H。则深层横向沉降分布公式为： Sz( xp( ) 赤 唧l_-布 ] 其中：无粘性土中n~---I，，粘性土中 n<1，上海软土 n----0．8 H一隧道中心距地表的距离；Z一隧道中心距所求地层的距离； Szcx 一距隧道中心距离 Z深度处横向沉降分布。 (4)穿越西藏南路越江隧道过程中监测数据分析及相应技术措施 在盾构穿越西藏南路越江隧道过程中，分别选取 3个地层损失率不同的断面来进行沉降数据采集 及分析。采取的沉降点主要为最能反映实际过程沉降的深层监测点。盾构通过该 3个断面的情况分别 第 95期 铁 道 建 设 2008年第 4期 如 F： ①当地层损失率为 0．5‰时 在第一阶段，盾构隧道经过第一个断面时，经过现场量测计算，地层损失率约为0．5％o。 a．盾构推进控制参数 2008年 4月 8日，盾构通过第一断面(507环位置)，该断面覆土深度约为 12．5m，瞬时掘进速度为 2．3cm／m，注浆压力为 0．35MPa，注浆量为 3．8m。，，土仓压力为 0．23MPa，千斤顶总推力为 1200T，盾 构及管片姿态偏左上方，盾尾与管片左上方(邻接块处)间隙约 9mm。 b．地表及结构深层沉降监测情况 经过严密跟踪监测，对应西藏南路越江隧道结构深层沉降数据情况如表 4所示： 表 4 西藏南路越江隧道结构深层监测数据汇总表 初读数 上次高程 本次高程 本次变化 累计变化 测点编号 备注 (m) (m) (m) (mm) (mm) S1— 1 3．96919 3．96848 3．9678 ——0．68 一 1．39 S2—1 3．90574 3．90777 3．9O724 一 O．53 1．5o S3一 l 4．11872 4．1188 4．11859 ——0．21 一O．13 S4— 1 3．68782 3．68798 3．6886 0．62 0．78 S5— 1 4．31l86 4．312O1 4．3l08 一 1．21 — 1．O6 S6一 l 3．48775 3．48629 3．48637 一o．92 — 1．38 S7— 1 4．O2307 4．O2194 4．O2l54 一o．40 一 1．53 S8一 l 3．40237 3．4O182 3．40132 一O．5O 一 1．O5 ②当地层损失率为 1％o时 在盾构隧道经过第二个断面时，经过现场量测计算，地层损失率约为 l‰。 a．盾构推进控制参数 2008年 4月 10日，盾构机通过第二断面(518环位置)，该断面覆土深度约为 12．3m，瞬时掘进速度 为 2．1cm／m，注浆压力为 0．35MPa，注浆量为 3．9m。，，土仓压力为 0．22MPa，千斤顶总推力为 1190T， 盾构及管片姿态仍然偏左上，盾尾与管片左上方(邻接块)间隙约 8mm。 b．结构深层沉降监测情况 经过严密过程跟踪监测，对应西藏南路越江隧道结构深层沉降数据情况如表 5所示： 表 5 西藏南路越江隧道结构深层监测数据汇总表 初读数 上次高程 本次高程 本次变化 累计变化 测点编号 备 注 ( m) (m) (m) (mm) (mm) S1— 2 3．62038 、 3．61786 3．61765 ～ O ． 21 — 2．73 S2— 2 3．6209 3．61889 3．61957 0． 68 一 1．33 S3—2 3．63238 3．63】35 3．63028 ～ 1 ． O7 — 2．1O S4— 2 3．6ll88 3．61 3．6098 —0 ． 2O 一2．O8 S5— 2 3．61937 3．617l3 3．61673 一o ． 40 — 2．64 S6— 2 3．59565 3．593l3 3．59363 O ． 5O 一 2．O2 S7— 2 3．6Ol38 3．59956 3．59892 —0．64 ——2．46 S8— 2 3．6333 3．63l93 3．63096 —0．97 —2．34 ③当地层损失率为 1．5‰时 在盾构隧道经过第三个断面时，经过现场实际量测计算，地层损失率约为 1．5‰。 a．盾构推进控制参数 2008年 4月 12日，盾构掘进至第三断面(523环位置)，该断面覆土深度约为 12．2m，瞬时掘进速度 · 62 · 雷 明 等：盾构穿越既有隧道施工 为 2．2cm／m，注浆压力为 0．35MPa，注浆量为 3．8m。，，土仓压力为 0．22MPa，千斤顶总推力为 1170T， 盾构及管片姿态继续偏左上，且盾尾与管片左上方(邻接块处)几乎没有间隙。 b．结构深层沉降监测情况 根据严密跟踪监测，对应西藏南路越江隧道结构深层沉降数据情况如表 6所示： 根据穿越越江隧道过程中深层沉降监测数据 [总表来绘制曲线图如 6： 图 6 Peck地表沉降示意图 表 6 西藏南路越江隧道结构深层监测数据汇总表 初读数 上次高程 本次高程 本次变化 累计变化 测点编号 备注 (m) (m) (m) (ram) (mm) S1— 3 3．72917 3．72678 3．72516 — 1．62 — 4．01 S2—3 3．66571 3．6631O 3．66256 一O．54 —3．15 S3— 3 3．87869 3．87622 3．87491 ——1．31 —3．78 S4—3 3．44778 3．44392 3．44414 O．22 —3．64 S5—3 4．07184 4．06923 4．O6702 — 2．2l 一4．82 S6—3 3．24773 3．24616 3．24430 一 1．86 —3．43 S7—3 3．78301 3．78093 3．77948 — 1．45 —3．53 S8—3 3．36229 3．35985 3．35833 一 1．5Z 一3．96 (5)技术措施 穿越过程中，通过有效控制各种推进参数，尤其是推进速度、千斤顶推力、设定土压力、注浆量等，以 及及时进行二次补强注浆措施，西藏南路越江隧道地表沉降单次均小于 2ram，累计沉降均在一10～+ lOmm范围内，暗埋段结构两侧差异沉降不超过 5mm，满足要求。 4 结语 (1)经反复验算及多方反复论证后，确定该穿越方案，模拟实验段验证有效可行。M7线施工引起 西藏南路越江隧道的变形和受力随着地层损失率的增加而增大，当地层损失率为0．5‰、1．0‰和 1．5‰ 时，西藏南路越江隧道平均累计沉降量分别为一1．5ram、一2．7mm和一4．8ram。 (2)M7线的施工引起的地面沉降量随着地层损失率的增加而增大。 (3)根据实施结果验证，为减小 M7线施工对西藏南路越江隧道和地表变形的影响，在保证既有隧 道及地表沉降满足规范要求的前提下，将地层损失率控制在 1．0％0以内为宜。 参考文献 [-11 2003上海国际隧道研讨会集．上海．同济大学出版社．2003． E21上海城市轨道交通网格化标准技术文件／sT DQ-OLOOO2(试行) · 63 ·