小净距重叠隧段盾构施工工法.docx

1、小净距重叠隧段盾构施工工法小净距重叠隧道盾构施工工法中铁六局集团有限公司盾构分公司执笔人：王雄友、李传新、王义强1 前言随着中国经济及城市的发展，重叠形式隧道在国内外均已有出现，但是多采用明挖法或矿山法施工。近年来随着国内城市轨道交通建设的大力推进，以及盾构法隧道的普遍推广，以重叠线路形式设计，采用盾构法施工的隧道日渐增多，尤其是随着国内部分大城市为缓解越演越烈的交通压力大量在老城区建设地铁线路，受制于城市规划和既有建构筑物空间影响及拆迁工作，此类设计不断出现并有成为设计施工常态化的趋势。但是关于重叠隧道盾构施工等问题在国内外没有成熟的经验可供参考。 深圳地铁2号线东延线工程土建2227标段项

2、目位于深圳市罗湖区，工程位于深圳市繁华的商业区，地面交通繁忙，线路下穿深圳市深南大道，沿线高楼大厦、酒店宾馆、商务中心林立，管线密布。区间西起地铁湖贝站，由叠线形式出站后拉开，沿深南东路东行，下穿文锦路口到达地铁黄贝岭站。左线隧道全长932.439m，右线隧道全长934.027m，单线隧道总长1866.666m。上下重叠段施工里程为：ZDK33+265.562ZDK33+376.652，共计111m，共74环管片，最小净距为1.36m，。重叠段隧道基本位于全、强及中等风化凝灰质粉砂岩地层中，普遍存在上软下硬，且包含多处断裂带及大量破碎层。左、右线盾构从黄贝岭站平行始发，到达湖贝站前变为上下叠加

3、隧道进洞。承建此工程的中铁六局集团盾构公司仔细研究分析工程地质情况及水文地质情况，施工单位积极与各方进行联系，组织专家会，并通过对重叠隧道施工数值的模拟及参数分析，采用移动式支撑台车，选取合理的掘进参数，设计使用了上洞隧道盾构机接收平台等，最终确保了重叠隧道安全顺利的施工，有效的控制了上洞施工对下洞隧道的影响，重叠隧道施工对地面建构筑物的沉降，掌握了重叠隧道上洞盾构机接收技术，成功解决了地铁盾构施工中的一个难题，达到预期目的，并取得了较好的社会效益及经济效益。我们对此项技术进行总结，形成本工法。2 工法特点2.1施工快捷，节约工期；2.2施工技术易掌握，实用性强，利于推广；2.3施工成本低，经

4、济效益好。3 适用范围适用于类似工程小净距重叠隧道盾构施工。4 工艺原理建立与本工程结构、环境及地层参数相适应的模型进行数值模拟，分析隧道应力及变形规律，优选最佳施工工序。采用夹土体注浆加固、下洞移动台车支撑等技术，加强施工监控，确保下洞隧道安全。通过对盾构掘进参数的控制，保证同步注浆，并及时进行二次注浆，确保地面沉降可控，防止地面建构筑物破坏。自主设计并建造的钢结构平台在强度、刚度和稳定性方面验算满足要求，最终确保了上洞盾构机安全接收及盾构吊出。5 施工工艺流程及操作要点5.1施工工艺流程见图5.1。图5.1 施工流程图5.2施工操作要点5.2.1模拟计算确定施工顺序采用通用有限元软件对两种

5、不同施工顺序进行模拟。模型大小为：30 m（长）30 m（宽）60 m（高）。上下两个隧道净距1.36m。隧道直径6.4m，其中衬砌厚度0.3m。隧道及周边单元划分长度为2m，向外渐变为6m。土层采用摩尔-库仑模型，衬砌采用弹性板单元模拟。边界条件采用一般支撑，其中沿隧道轴向的两个面约束水平方向位移，底面固定竖向位移，与隧道垂直的两个方向的平面，一侧约束该方向，一面为该方向对称面约束，地表为自由面。具体模型见下图5.2。图5.2 模拟计算模型对施工顺序分别模拟先上后下及先下后上两种形式。每步长度1.5m，30m长模拟20个施工步，先上洞隧道或下洞隧道施工完成后再进行另一个隧道施工。共计40个施

6、工步。根据模拟结果，对于上下重叠隧道，当隧道位于上软下硬地层中时，采用夹土体加固及先下后上的施工顺序是合理的，尤其是地层物理力学参差别较大时。结合本工程实际情况，本区间上下重叠隧道可采取的施工顺序为先下后上，由于右线在下，左线再上，因此，右线先于左线施工，且右线掘进完成，进行夹土体加固后，左线方可进行重叠段上洞施工。5.2.2下洞隧道施工盾构推进过程中，根据此段地质、覆土厚度、地面建筑情况并结合地表隆陷监测结果调整土仓压力，推进速度保持相对平稳，控制好每次的纠偏量，尽量减少对土体的扰动，为管片拼装创造良好的条件。同步注浆量要根据推进速度、出碴量和地表监测数据及时调整，将施工轴线与设计轴线的偏差

7、及地层变形控制在允许的范围内。施工过程同正常施工。5.2.3通过下洞隧道进行夹土体注浆加固小净距重叠隧道盾构施工夹土体厚度较小，受隧道开挖扰动影响严重，地层承载力不足，上洞隧道施工过程中盾构机姿态控制难度加大，易导致盾构机“栽头”现象。并且在运营阶段，上洞列车的振动也会对上下洞间所夹土体产生震动，进而引起上下洞盾构隧道变形，影响隧道的稳定性，导致管片变形、隧道位移、螺栓松动或受剪等问题。为保证上洞盾构施工安全，对夹土体进行注浆加固。重叠隧道范围内地层主要为第四系全新人工填筑土（Q4ml）、冲洪积粘性土层及砂卵石层（Q4al+pl）、残积土层（Q4el），下覆基岩为侏罗系中统塘厦组（J2tn）凝

8、灰质粉砂岩。为了增强隧道间土体的抗压、抗剪能力，对上下洞间所夹土体进行了注浆加固处理，以保证重叠隧道的施工安全及后期的运营安全。具体要求为：在下洞掘进过程中，首先加大同步注浆量和注浆压力，要求每环注浆量不小于7m3 ，以保证盾尾的土体与管片空隙及相邻土体的密实性。二次注浆浆液采用水泥- 水玻璃双液浆（浆液配合比11；水泥浆水灰比11，水玻璃模数m = 216， 浓度35 Be）， 注浆压力0.15 1.10MPa，每孔注浆量不小于11.8 m3，要求加固后的土体无侧限抗压强度不小于0.4MPa。在上洞施工中也应加大同步注浆和二次注浆量，并采用同样的方式向洞间所夹土体进行注浆，在二次注浆孔中设置

9、一定长度的注浆管，注浆管距另一隧道的最小距离不应小于50cm。注浆管深入地层中，通过注浆管向上下洞间所夹土体进行注浆，以提高夹土体的强度，浆液采用水泥水玻璃双浆液，注浆压力为0.51MPa，每孔注浆量不小于1.8m，水泥为42.5级普通硅酸盐水泥，加固范围为每环均进行，要求加固后的土体无侧限抗压强度不小于0.4Mpa。布孔及注浆范围见图5.3.图5.3 夹土体加固示意图为顺利施工，钢花管取与预留注浆孔（即拼装螺丝孔）直径一样的32mm无缝钢管加工制作。杆段预留800mm长的止浆端，不钻孔，顶端加工成椎形，中间每隔150mm间距梅花形布置10mm钻孔。钢花管的长度根据上下洞隧道净距现场确定，钢花

10、管加工如图5.4所示：图5.4 钢花管加工图5.2.4上洞隧道施工为加强盾构掘进控制，减少下洞的隧道竖向移动和结构内力的变化，上洞盾构施工需遵循以下原则：严格以土压平衡状态土压力计算值为盾构掘进施工的土压设定值，严格以理论出土量为盾构弃土控制值；盾构机竖直方向（高程） 的控制原则：严格控制盾构机竖向、水平偏差和倾角偏差，合理控制推进千斤顶行程差，避免大幅度的轴线纠偏动作。由于左、右线隧道净距非常小，为了减小盾构施工对周边土体扰动，减小对下部右线隧道施工的影响，禁止大幅纠偏，纠偏原则为“勤纠、少纠”。同步注浆及时、足量，在盾构机后方通过注浆孔及时进行了二次补浆；在未到重叠隧道段前的加固区域进行刀

11、具的检查，确保刀具的完好性。5.2.4.1严格控制主要掘进参数盾构推进过程中，根据此段地质、覆土厚度、地面建筑情况并结合地表隆陷监测结果调整土仓压力，减少压力波动。推进速度保持相对平稳，控制好纠偏量，尽量减少对土体的扰动，加强出土量监控，防止超挖和欠挖，为管片拼装创造良好的条件。同步注浆量要根据推进速度、出碴量和地表监测数据及时调整，将施工轴线与设计轴线的偏差及地层变形控制在允许的范围内。土仓压力值的选定严格以土压平衡状态下的土压力计算值为盾构掘进施工的土压设定值， 根据计算上部土压为1.2bar，施工中仅可以在项目工程师认可的前提下，进行微量的调整。同时可以通过埋深、土体位移和深层沉降的监测

12、信息，对土压设定值进行修正。出碴量的控制考虑到土层松散系数实际每环出碴量控制根据监控量测数据和经验来控制。一般在70方左右。严格以理论出土量为盾构弃土控制值,每环出土量偏差不得超过1m3 。为了避免数量统计误差，施工中尽可能将土箱清洗干净。一旦出现超挖现象，必须如实反馈，在后续注浆施工中，将针对性地进行超量注浆。推进力和推进速度掘进速度太慢对土体扰动较大且不利于出渣量的控制，速度过快不利于掌子面的稳定，且易造成土仓压力的不稳定性变化。掘进速度及推力的选定以保持土仓压力为目的，根据重叠段确定盾构掘进速度为2040mm/min；掘进过程中，根据实际情况，及时、合理调整掘进速度及推力。5.2.4.2

13、盾构姿态控制由于地层软硬不均、隧道曲线和坡度变化以及操作等因素的影响，盾构推进不可能完全按照设计的隧道轴线前进，而会产生一定的偏差。当这种偏差超过一定限界时就会使隧道衬砌侵限、盾尾间隙变小使管片局部受力恶化，并造成地层损失增大而使地表沉降加大，因此盾构施工中必须采取有效技术措施控制掘进方向，及时有效纠正掘进偏差。鉴于重叠隧道上洞盾构掘进所在土体已先期扰动，且上下隧道间距较小，必须严格控制盾构掘进竖向偏差，合理选择掘进趋势，较小“栽头”风险。掘进中盾构务必保持平稳推进，适当提高贯入度，减少纠偏，减少对正面土体的扰动。因此，推进过程中将盾构DTA整体抬高3cm，垂直向趋势保持在+3，以防盾构机下沉

14、，将施工测量结果不断地与计算的三维坐标相校核，及时调整。另外，在穿越过程中控制刀盘转向，以免对土体产生较大的扰动。5.2.4.3同步壁后注浆盾构施工引起的地层损失和盾构隧洞周围受扰动或受剪切破坏的重塑土的再固结以及地下水的渗透，是导致地表沉降的重要原因。尤其是重叠段，为了减少和防止沉降，在盾构掘进过程中，要尽快在脱出盾尾的管片背后同步注入足量的浆液材料充填盾尾环形建筑空隙，支撑管片周围岩体；凝结的浆液将作为盾构施工隧道的第一道防水屏障，增强隧道的防水能力；为管片提供早期的稳定并使管片与周围岩体一体化，有利于盾构掘进方向的控制，并能确保盾构隧道的最终稳定。必要时要注双液浆进一步加快管片填充物的固

15、结时间，尽快稳定地层，减少扰动与下沉量。1）注浆材料采用水泥砂浆作为同步注浆材料，该浆材具有结石率高、结石体强度高、耐久性好和能防止地下水浸析的特点。水泥采用P0.32.5，以提高注浆结石体的耐腐蚀性，使管片处在耐腐蚀注浆结石体的包裹内，减弱地下水对管片混凝土的腐蚀。2)浆液配比及主要物理力学指标根据经验，同步注浆拟采用下表所示的配合比。在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验优化确定最合理的配合比。拟定同步注浆浆液的主要物理力学性能应满足下列指标：表5-1 同步注浆配比表（根据现场实际情况适当调整）水泥（kg）膨润土（kg）砂（kg）水（kg）外加剂25014012004

16、01需要根据试验加入a、胶凝时间：一般为6h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。对于强透水地层和需要注浆提供较高的早期强度的地段，可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间。b、固结体强度：一天不小于0.5MPa，28天不小于5.4MPa。c、浆液结石率：95%，即固结收缩率5%，浆液稠度：85cmd、浆液稳定性：倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于5%。3)注浆方法和工艺同步注浆通过同步注浆系统及盾尾的内置注浆管，在盾构向前推进盾尾空隙形成的同时进行，采用双泵四管路（四注入点）对称同时注浆，示意图见图5.5。图5.5 同步注浆

17、示意图4)设备配置搅拌站：自行设计建造的砂浆搅拌站一座，采用JS500搅拌机。同步注浆系统：配备SWHING KSP12液压注浆泵2台，注浆能力312 m/h，8个盾尾注入管口（其中4个备用）及其配套管路。运输系统：8m砂浆罐车，带有自搅拌功能和砂浆输送泵。5.2.4.4二次补强注浆二次补强注浆一般在管片与围岩间的空隙充填密实性差，致使隧洞变形得不到有效控制或管片衬砌出现渗漏的情况下实施。同时，地表如果出现过大沉陷时可通过二次注浆进行抬升和补强。施工时采用隧道监测信息反馈，结合洞内超声波探测管片衬砌背后有无空洞的方法，综合判断是否需要进行二次注浆。1）注浆材料、浆液配比及性能指数二次注浆材料要

18、可注性强，对同步注浆起充填和补充作用。当地下水特别丰富时，需要对地下水封堵。同时为了及早建立起浆液的高粘度，以便在浆液向空隙中充填的同时将地下水疏干（将地下水压入地层深处），获得最佳充填效果，这时需要将浆液的凝胶时间调整至14min，必要时二次注浆可采用水泥-水玻璃双液浆。双液浆的初步配比见表5-2。表5-2双液浆浆液配比浆液名称水玻璃水灰比稳定剂减水剂A、B液混合体积比双液浆35Be0.81.02%6%01.5%1：11：0.32）注浆设备补强注浆采用自备的KBY-50/70双液注浆泵。二次补强注浆注浆管及孔口管自制，其加工应具有与管片吊装孔的配套能力，能够实现快速接卸以及密封不漏浆的功能，

19、并配备泄浆阀。3)注浆主要技术参数注浆压力二次注浆压力控制在为0.30.6Mpa。注浆量根据本工程的地质及线路情况，注浆量一般为理论注浆量的1.31.8倍，并通过监测情况来调节。二次补强注浆量根据地质情况及注浆记录情况，分析注浆效果，结合监测情况，由注浆压力控制。注浆结束标准采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当注浆压力达到设定值或注浆量达到计算空隙量的150%以上时，即可认为达到了质量要求。5.2.5支撑台车系统根据盾构推进的三维模拟数值分析，必须对先建下行隧道进行临时支撑加固，并满足以下要求：1）抵抗上洞施工过程中，盾体下方下洞管片环缝之间因垂直错动产生的剪力。2）提高下洞纵向刚度，减小

20、下洞垂直弯曲变形。3）下洞影响范围（24）内的支撑不能卸力，必须提供持续支撑。为此，经过论证采取洞内临时支撑台车对下洞进行临时支撑加固，上洞掘进过程中，确保下洞安全。保护范围为在上洞盾构机所处位置对应的下洞后5环，前10环管片（总长22.5米）范围内设临时移动台车，台车长22.5米，随上洞掘进而移动。移动时设专人协调指挥，确保二者同步移动，使盾构机始终处于台车正上方。钢环与管片之间必须保证密贴。施工过程中除对上下隧道进行地表、临近建筑物及洞内监测外，还要对下行隧道十字撑轴力进行监测，当监测值超过150KN时，增设临时钢支撑，同时对下行隧道直径变形进行监测，当监测值大于0.6%D（D为隧道外径）

21、时，亦增设临时钢支撑。具体如下图所示：临时移动式支撑台车正面图如下图5.6所示：图5.6 临时移动式支撑台车正面图多个轮式支撑机构的数量为五个，五个轮式支撑机构分别布设在圆环形混凝土管片内部的9点钟、11点钟、12点钟、1点钟和3点钟五个方位。其中布设在12点钟方位的轮式支撑机构为中心轴线轮式支撑机构，布设在9点钟和3点钟方位上的两个轮式支撑机构为腰线轮式支撑机构，布设在11点钟和1点钟方位上的两个轮式支撑机构为77夹角轮式支撑机构。此外，在多组结构相同的轮式支撑台车前部左右侧对称安装了多个侧部向前推进用顶推装置。台车主要技术参数经理论设计计算为1）外形尺寸： 5400mm；2）纵向有效总长：

22、车长4.5m4车间距1.5m322.5m；3）车总长：28.8m；4）轮对中心距：987mm；5）支腿液压系统：压力可调716MPa，系统压力16MPa，工作压力12MPa，最大行程200mm，工作行程140160mm，系统压力显示，支腿油缸顶推力812.5t，2组十联阀分路控制；6）顶推液压系统：压力可调1428MPa，系统压力28MPa，工作压力24MPa。油缸行程分为1000mm和450mm两种，车组之间油缸正常状态时为零行程，一组五联阀分路控制，单组油缸顶推力6071t；7）支点数量：采用HT200铸铁轮心压橡胶支点与管片接触，共224个支点；8）整车总质量98.5t。5.2.6重叠隧

23、道施工量测系统及量测分析5.2.6.1地表沉降1）采用精密水准尺仪，铟钢水准尺、30m 检定过的钢卷尺进行沉降观测。线路沿线一般的多层建筑物和地表沉降，按国家三等水准测量技术要求作业，高程中误差2.0mm，相邻点高差中误差1.0mm。2）正常情况下，沿隧道中线上方地面每隔5m 布设一个沉降观测点，每隔20m 建立一个监测横断面，该断面垂直于隧道中线，每个断面上布设5个观测点，其中隧道中线上方一个点，左右间隔5m各一个点。对于软弱土层、或埋深较浅的区域，应根据隧道埋深和围岩地质条件，加密监测断面和测点。为了防止路面硬壳层不能及时、准确反映地层实际沉降情况，造成路面下方虚空，需钻穿混凝土路面并在路

24、面以下地层中打入短钢筋布设观测点，以便对地层的沉降情况进行监测。3）沉降观测频率盾构机机头前10m和后20m范围每天早晚各观测一次，并随施工进度递进；范围之外的监测点每周观测一次，直至稳定。当沉降或隆起超过规定限差（-30/+10 mm）或变化异常时，则加大监测频率和监测范围。5.2.6.2下洞拱顶竖向位移隧道拱顶沉降监测采用采用全站仪观测的方法进行。在每5环布设1个断面，设置1个测点，测点布设在隧道顶内壁，,标志采用强制对中装置。监测使用全站仪，以施工控制导线点为基准，采用极坐标法或前方交会法观测布设的强制对中小棱镜监测点。内业计算将各期观测的监测点坐标变化量投影至线路垂直方向，计算拱顶沉降

25、值。5.3劳动组织根据工程施工组织设计要求设置组织机构，配备劳动定员，见表5-3。 表5-3 劳动力配置计划表类 别岗 位人数备注管理人员（10人）盾构队长112（两个队长）盾构司机兼土木工程师124（4个工班）机电工程师1地下工班（56人）班长兼管片拼装手1144（4个工班）管 片 工3油缸操控手1注 浆 工2电瓶车司机2机电维修工2电瓶车指挥工1洞口司索工2地面工班（20人）地面工班长兼司索指挥1102（2个工班）地面司索工2龙门吊司机1搅拌站4充电工1辅助人员1机加工班（10人）机加工班长1只上白班电工兼焊工2电焊工4辅助工1合 计96（人）6 材料与机具设备本工法使用主要材料见表6.1

26、。表6.1 主要材料表 序号材料名称及规格单位单根长度/面积数量（根)总长度m1管 片m1.561112钢花管m2.151260另本工法夹土加固使用的注浆材料主要为普通硅酸盐水泥32.5及水玻璃施工所需主要机具设备见表6.2。表6.2 主要施工机械设备配置表序号名称型 号 规 格单位数量用 途1全站仪TCR1201台1测量放样及施工监测2水准仪B20台13测斜仪JJX套14注浆机ZTGZ-120/150台25搅拌机5.5kw台27 质量控制本工法除执行有关设计规范、施工规范、工程质量评定验收标准等有关规定外，其质量要求如下：7.1建立健全的质量管理体系组织机构，施工前对施工班组进行详细的安全技

27、术交底，施工过程中由专职质检员跟班检查，上一工序检验合格后才开始下一工序施工，贯彻执行“谁施工，谁负责工程质量”的原则。7.2 盾构掘进过程中随时调整掘进参数，严格控制出土量，保证盾构掘进的匀速、连续性。7.3 下洞台车作业与上洞盾构掘进保持同步性，并加强下洞管片监测，保证管片质量。7.4 没有串浆、大量漏浆、冒浆等异常现象，注浆压力达设计要求，并按正常工序结束注浆。8 安全措施8.1建立完善的安全保证体系，工程施工中必须认真贯彻执行国家和地方有关安全管理的法令、法规及规定等。根据工程的具体情况编制详细的安全操作规程、细则，制定切实可行的安全技术措施，并针对性地展开职工安全教育和上岗安全培训工

28、作。8.2加强所有机械设备的管理、使用、保养和维修工作，保持机械设备的完好率，并保证使用有效可靠。8.3全体施工管理人员应事先充分了解区间的地质资料，查明施工现场地下的有关管线、管道等，以便予以保护，确保安全。8.4 严格控制出土量，随时注意盾构掘进参数变化，保证盾构掘进的连续性。8.5严格控制注浆量和注浆压力，在注浆时加强管片监测，防止管片变形。9 环保、节能措施9.1施工场地噪音控制标准按建筑施工场界噪声限值要求执行，确保离开施工作业区边界30m处噪音小于70dB，撞击噪音最大不超过90dB。9.2施工过程中严格按照设计及实测尺寸进行下料，尽量减少材料浪费。9.3施工过程中严禁对材料进行恶

29、意破坏，确保材料重复利用。10 技术经济效益分析深圳地铁2号线东延线湖黄盾构区间为上下重叠隧道，区间紧邻深南大道繁华地段，道路车流量大，交通拥挤，周边建筑密集，地下管线数量及种类较多，主要有雨水管、污水管、给水管、燃气管、电信、电力管线、国防光缆等。施工难度大、技术难点多、工期紧迫等特点。11 工程实例深圳地铁2号线东延线湖黄盾构区间左、右线盾构从黄贝岭站平行始发，到达湖贝站变为上下重叠隧道进洞，两隧道上下净距为1.71m2.0m。其中上洞左线隧道在该区段为直线段，2的下坡，拱顶埋深约14m，重叠隧道范围内地层主要为第四系全新人工填筑土、冲洪积粘性土层及砂卵石层、残积土层，下覆基岩为侏罗系中统塘厦组凝灰质粉砂岩。为了增强隧道间土体的抗压、抗剪能力，对上下洞间所夹土体进行了注浆加固处理，国内无相关施工案例。施工难度巨大，且本工程为第26届世界大学生夏季运动会大运工程，工期紧。经采用本工法施工上洞盾构机顺利出洞，在盾构机掘进过程中是地面沉降小于2mm，上下洞管片没有发生任何明显的变形、移动或者破碎，验证了本工法的可行性和可靠性，为以后遇到类似工程施工积累了宝贵的经验。