盾构超近距离穿越地铁运营隧道的保护技术.doc

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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

TheProtectionTechniqueduringPassingofShieldthroughtheOperatingMetroTunnel

BaiTinghueetal．

AbstractInthispaperbasedonanalysisofshieldengineeringinthesectionofcrossingofmetrolineNo．2trnnelwithmetrolineNo．1tunnel，someprotectivetechnicalmeasuresforpassingofshieldthroughtheoperatingmetrotunnelweresuggested，ineludingOptimizationofconstrctionparametersfortheshield，informationconstructiontechnologyetc．

KeywordsSoftSoil，shieldwithbalanceofearthpressure，optimizationofparameters，informationconstruction

1　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6．2m，内径为5．5m。

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6．34m，长度为6．54m。

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

ρ　（g／cm３）

空隙比

e

内摩擦角

φ（度）

1

灰色淤泥质粉质黏土

43．2

1．75

1．198

10．0

2

灰色淤泥质黏土

50．7

1．69

1．450

7．5

3

灰色黏土

38．5

1．80

1．150

9．0

3　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＜2.5cm／s；

　　c、地铁隧道变形相对曲率＜1／2500；

　　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22．12m，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10．3cm，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（1．1～1．2）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：

　　①垂直沉降监测；②水平位移监测；③　轨道左右两侧高差监测；④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