上海軌道交通12號線工程區間隧道設計優化

管攀峰

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院,200235,上海∥高級工程師)

上海軌道交通12號線工程區間隧道設計優化

管攀峰

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院,200235,上海∥高級工程師)

結合上海軌道交通12號線工程建設特點和難點,以在不影響既有樁基、建筑物安全的情況下保證盾構正常施工為目標,針對部分區間原線路設計方案、區間隧道襯砌結構設計方案、區間隧道盾構施工方案提出了優化方案并進行了論證;進而針對盾構下穿運營中的軌道交通區間隧道、密集建筑群提出了相應的施工技術措施,并在施工過程中嚴格控制施工質量。結果表明,優化方案實施效果良好,對鄰近建筑物的影響均在允許范圍內。

上海軌道交通12號線; 隧道設計;施工措施

Author′s address Shanghai Tunnel Engineering & Rail Transit Design and Research Insititute,200235,Shanghai,China

上海軌道交通12號線穿越上海城市中心區,跨越黃浦江,穿越密集建筑群,地下管線密布,埋設深,地質條件復雜,附屬結構施工難度大。其隧道設計方案可能造成的后果和影響重大。針對盾構下穿密集建筑群,文獻[1]結合工程案例總結了盾構隧道穿越密集房屋群的施工措施;文獻[2]建立了地面沉降、地層損失率、施工參數之間的聯系,通過施工參數控制實現地面沉降的控制。針對盾構下穿既有運營隧道,文獻[3]分析了隧道施工過程中運營隧道的變形情況,表明盾構隧道近距離下穿對運營隧道影響明顯,隧道變形與盾構類型、地質條件、注漿施工控制及線路姿態調整等緊密相關;文獻[4-6]介紹了隧道近距離下穿既有運營隧道的施工技術。此外,文獻[7]結合工程實例介紹了小半徑曲線隧道盾構施工的控制措施。以上文獻對本文優化方案的產生及實施提供了借鑒。

本文結合上海軌道交通12號線區間隧道設計實例,分析《上海市軌道交通12號線工程初步設計》中相應區間隧道設計方案存在的問題,并在此基礎上提出了優化方案。

1 工程背景

上海軌道交通12號線是一條由城市西南部穿越城市核心區域至城市東北部的直徑線。自七莘路站至金海路站,線路全長約40.4 km,區間長約33.65 km。

本文討論的區間隧道范圍包括龍漕路站—龍華站,大木橋路站—嘉善路站—陜西南路站—南京西路站—漢中路站—曲阜路站—天潼路站—國際客運中心站,以及隆昌路站—內江路站—復興島站—利津路站之間11段盾構法單圓區間隧道。設計優化基于2008年8月《上海市軌道交通12號線工程初步設計》。優化內容包括區間線路設計方案、區間隧道設計及相應的施工措施。

2 區間線路設計方案優化

2.1 天潼路站—國際客運中心站區間線路方案優化

2.1.1 原方案及其存在問題

天潼路現狀道路路幅寬約12 m,規劃紅線道路路幅寬約32 m。沿線主要為居住區與商業區,道路兩側尚有河浜大樓、上海郵政局、新亞大酒店、瑞康公寓等保護建筑,侵入道路紅線;區間隧道需下穿吳淞路閘橋、在建外灘通道與虹口港,并沿長治路與外灘通道匝道并行約200 m。該段區間受天潼路、四川北路口新亞大酒店及上海郵政局歷史保護建筑的制約(最小間距18 m),原初步設計[1]的天潼路站至國際客運中心站段線路采用雙圓盾構敷設方式。

上海郵政局位于蘇州河畔四川路橋北堍,建造于1924年,正面為“U”字形建筑,主樓高4層,鐘樓高8層,地下一層為半地下室,地下二層為隔水倉,對地基沉降較為敏感。上海郵政局鐘樓為國家二級文物保護單位。新亞大酒店為建造于1934年的9層磚混建筑,基礎為φ300木樁。圖1為12號線與上海郵政局及新亞大酒店位置關系圖。

圖1 12號線與上海郵政局及新亞大酒店關系圖(雙圓盾構方案)

12號線區間隧道與外灘通道吳淞路主線斜交角度約102°,穿越段長度約19 m;與長治路匝道斜交角度約146.6°,相交長度約24 m。外灘通道預留12號線穿越條件,穿越段地下墻墻趾位于12號線隧道上方不小于0.5 m。外灘通道穿越段采用“地下墻+型鋼水泥土攪拌樁”作為圍護結構,主線預留12號線區間穿越的門洞寬14.1 m;長治路匝道預留12號線區間穿越的門洞東、西側分別寬44.8 m、27.9m。圖2為12號線與外灘通道位置關系圖。

從線路設置、地下空間的占用以及與保護建筑物安全距離等方面來看,雙圓盾構方案相比單圓方案具有一定優勢,但鑒于現有雙圓盾構技術在同步注漿系統、推進系統、糾偏等方面存在不足[9-10],這個方案難以實施,需要重新優化該區間的線路方案。

2.1.2 優化方案及論證

針對該區間的建筑環境,優化方案采用技術成熟的單圓盾構,上、下行隧道分行在外灘隧道兩側(見圖3),即由原來的一個雙圓隧道方案改為兩個單圓隧道方案。其中一條隧道離文物保護建筑(上海郵政局)太近,可能導致文物建筑因不均勻沉降嚴重受損的問題。為此,專門對該方案在上海郵政局處的施工沉降作了深入研究。通過計算分析,上海郵政局處地面最大理論沉降16 mm,傾斜率約為0.000 8;新亞大酒店處地面最大理論沉降為17.6 mm,傾斜率約為0.001 3,可滿足建筑物保護要求。

同時,對單圓盾構小間距施工進行深入計算分析,并從工期上考慮與外灘通道工程建設進度的協同。綜合這些研究結果,最后決定采用單圓隧道方案。

2.1.3 工程實施效果

從實施結果看,這項方案調整是正確的。本段區間于2011年5月底開始掘進,2012年9月底兩臺盾構進洞。盾構推進對外灘通道結構的影響均在±10 mm以內,對保護性建筑上海郵政局、新亞大酒店、瑞康公寓影響均在10 mm以內,穿越閔行大廈時產生了一定影響,最大沉降量為31.3 mm,通過二次注漿等措施后期數據趨于收斂。

2.2 復興島站—利津路站過江區間線路方案優化

2.2.1 原方案及其存在問題

復興島站—利津路站區間由西向東下穿黃浦江,浦西段穿越滬東中華造船廠廠區及碼頭;浦東段穿越上海港煤炭裝卸公司及其貨場后,跨浦東大道,穿越偉萊家園,進入利津路站。沿途主要控制點有:滬東中華造船廠63 t高吊走行軌樁基及10號鋼平臺樁基、黃浦江底規劃標高、朱家門煤炭裝卸碼頭樁基及管廊樁基、偉萊家園。

圖2 12號線與外灘通道關系圖(雙圓盾構方案)

根據原規劃方案(見圖4),中華造船廠及朱家門煤炭碼頭需整體搬遷。因此碼頭部分妨礙盾構穿越的樁基必須拔除,所涉及的需拔除的樁基共42根。

由于中華造船廠、朱家門煤炭碼頭權屬單位生產任務緊張,短期內難以執行規劃的搬遷或局部改造計劃。為確保本區間順利開工,需對該區間線路方案進行優化調整。

2.2.2 優化方案及產生的影響

優化方案的施工圖如圖5所示。

(1) 中華造船廠碼頭避讓方案:本段區間線路調整為避讓中華造船廠碼頭,下穿其10號鋼平臺樁基的方案,復興島站調整為地下四層結構。

(2) 朱家門煤炭碼頭避讓方案:本區間隧道變更為側向穿越朱家門煤炭碼頭樁基,下穿中華造船廠碼頭樁基,利津路站調整為地下三層。

(3) 化方案產生的影響:線路、車站調整之后,區間隧道最大埋深由28 m達到約35 m,由此導致:①利津路站加深,由地下二層變更為地下三層;②復興島站變更為地下四層結構;③區間隧道線型變化,增加多段曲線段,最小平曲線半徑600 m變更為350 m,部分區段上下行線隧道間距變小;④區間隧道埋深變大后,隧道所涉及的土層、地質條件及工況發生較大變化;⑤部分線路仍無可避免需穿越朱家門煤炭碼頭貨場區。

2.2.3 實施情況

本段區間開始施工時,兩臺盾構均從浦東利津路站始發向浦西推進,出站250 m左右后進入堆煤區,線路平面為350 m小曲線半徑,縱坡達29.4‰,隧道頂埋深逐漸加深,超過25 m,進入⑥層硬塑狀黏土和⑦1層砂質粉土層上硬下軟交界面,所有施工不利因素疊加,推進困難,盾構姿態難以控制,管片拼裝整圓度較差,最后封頂塊插入困難,造成隧道腰部及頂部管片碎裂。到500 m左右后情況好轉,盾構逐漸得到有效控制,隧道成型質量較好。盾構推進正常之后,待成型隧道沉降變形穩定后,對該范圍區間所有管片接縫、裂縫均進行了環氧膠泥嵌縫、剛性環氧注漿,封堵了所有滲漏點,對局部破損無漏筋的部位采用鋼筋網片與高強快硬細石混凝土進行修補,最后對受損情況較為嚴重的240環管片腰部以上部位采用12 mm厚鋼板黏貼騎縫補強。

圖3 12號線與保護建筑關系圖(單圓盾構方案)

圖4 復興島站—利津路站過江區間原線路平、縱設計方案(初步設計方案)

本段區間于2011年12月底盾構始發,至2012年8月底盾構進洞。下行線盾構推進結束后，地表最大累計沉降值為-52.0 mm,上部建、構筑物最大累計沉降值為-30.2 mm,隧道自身最大累計沉降值為-6.3 mm;上行線盾構推進結束地表最大累計沉降值為-43.1 mm,上部建、構筑物最大累計沉降值為-31.9 mm;隧道自身最大累計沉降值為-7.0 mm。

3 區間隧道設計優化

3.1 區間隧道襯砌結構設計優化

全線區間長約33.65 km,埋深大于25 m的區間長約3.5 km,最大埋深大于35 m。埋深大,區間隧道涉及的地層復雜,上部地面環境也復雜多變。在總結上一輪軌道交通建設經驗的前提下,通過多次管片結構荷載試驗,基于多年現場使用狀況調研,以及對上海地質水文條件的進一步掌握和認知后,12號線區間隧道襯砌管片設計結合新一輪軌道交通建設進行了結構配筋優化設計。深埋、超深埋管片含鋼量各優化減少了5～7 kg/m3,深埋管片的使用范圍由原來的20 m擴大至22 m,同時針對埋深大于30 m的區間增加了最深埋管片設計。優化設計方案能夠滿足新一輪軌道交通建設線路內的所有區間需要。

圖5 復興島站—利津路站過江區間調整后線路平、縱設計方案(施工圖方案)

3.2 區間隧道盾構施工設計優化

12號線區間隧道需途經徐匯區、靜安區、黃浦區、虹口區、楊浦區和浦東新區等城市中心地區,現狀地面建筑物密集,地下管線密布,交通繁忙,工程環境條件頗為復雜。為了確保如此多的盾構在城市中心區施工的安全,在12號線區間設計中全面系統地提出了盾構施工地層損失率控制標準,取代了以往常規的“地面沉降≤30 mm,隆起≤10 mm”的統一標準。

所有地層損失率控制要求的提出都建立在大量的有限元計算分析、收集既有區間隧道施工實測數據等工作基礎上,并且總結出了穿越重要建、構筑物的設計指導控制標準。在整個12號線中心城區施工的區間隧道基本嚴格按照此標準執行,施工效果良好,地面環境影響小,隧道成型質量好,對于后期的軌道交通區間隧道設計及施工也起到了很好的示范作用。

4 施工技術措施

4.1 盾構穿越運營中的軌道交通區間隧道的施工措施

本線工程與多條線路相交:陜西南路站—南京西路站區間隧道下穿運營中的1號線區間隧道,相交處兩隧道凈距約1.9 m;南京西路站—漢中路站區間隧道下穿運營中的2號線區間隧道,相交處兩隧道凈距約3.0 m;漢中路站—曲阜路站區間隧道下穿運營中的1號線區間隧道,相交處兩隧道凈距約2.0 m。龍華站—龍漕路站區間上穿剛剛運營的軌道交通11號線區間隧道,相交處兩隧道凈距約1.5 m。

4.1.1 施工控制標準

(1) 穿越運營軌道交通區間隧道施工地層損失率控制≤1‰。

(2) 單次沉降控制≤0～+0.5 mm;隧道累計沉降報警值±3 mm。

(3) 推進速度控制:穿越段前后為0.5～1.5 cm/min,穿越段為0.5～1.0 cm/min。

4.1.2 施工技術措施

(1) 運營軌道交通變形監測采用自動化電水平尺及相應的數據采集器自動檢測,每5 min采集一次數據,監測數據實時傳輸到中控室。

(2) 穿越區域地面布置沉降監測點,人工進行地面監測數據,監測頻率為3次/d。

(3) 盾構姿態控制:按照“勤測勤糾、小角度糾偏”原則,盾構切口偏離值控制在0～-10 mm范圍內,盾尾偏離值控制在±10 mm范圍內。

(4) 管片拼裝控制:采用兩次拼裝工藝,螺栓緊固采取一次緊固,三次復緊工藝。

(5) 同步注漿和二次補漿:同步注漿采用厚漿施工,注漿量約2.5 m3;二次補漿應采取少量多次的方式進行,根據運營線路監測值按需進行。

(6) 盾尾油脂壓注控制:保證儲桶內有充足的油脂,采用自動填充,定期、定量、均勻地壓注盾尾油脂。

(7) 龍華站—龍漕路站區間上穿11號線區間隧道時,為了防止其上浮,在12號線隧道內采用了管片、鐵塊進行壓重,在盾構掘進同時對已拼裝的管片采用10#槽鋼進行縱向拉緊。

(8) 穿越段施工完成后,及時、適量打開管片內預留注漿孔,對隧道周圍擾動土體進行分層注漿加固,一般加固殼體厚度上部1.5 m,加固后土體強度為0.15～0.2 MPa,并有良好的均勻性。

上述地段盾構施工,對既有軌道交通區間隧道的附加位移影響最終都控制在了5 mm內。

4.2 盾構穿越密集建筑群的施工措施

國際客運中心站—天潼路站穿越保護建構筑物共計38座,嘉善路站—漢中路站區間穿越沿線建筑物共計519處。同時,市中心地質情況極其復雜,施工難度極大。

4.2.1 施工技術措施

4.2.1.1盾構設備改造新技術

(1) 增加高分子聚合物加注系統:采用高分子聚合物作為富水土層渣土改良劑,提高通過螺旋機渣土的密水性和黏稠度,對砂性土進行塑性改良,防止噴涌。

(2) 增加泡沫系統:針對⑥層暗綠～草黃色粉質黏土,采用泡沫劑進行渣土改良,防治刀盤、土倉結泥餅等現象的發生。

(3) 增加自動測量系統:隧道內控制導線復測和盾構機姿態測量采用自動測量系,且測量數據可實時傳輸到操作室及地面中控室監控屏幕上,供工程技術人員分析且指導施工。

(4) 增加盾構設備遠程監視系統:把盾構機的電控運行參數提取并網絡傳輸至遠程設備監視管理平臺,供工程技術人員隨時隨地對所有盾構機現場施工情況及設備情況監視。

4.2.1.2 盾構施工新技術

(1) 控制地層損失率。

(2) 小半徑曲線糾偏控制:穿越過程分段糾偏,小曲線段定期復核盾尾后管片的軸線偏離值,采用對角交替壓注的方式加強同步注漿,嚴格進行地層損失率控制,加強自動監測和人工監測,盾構糾偏保證軸線偏離值控制在±50 mm范圍內。

(3) 砂性土層中掘進控制:第⑦1層粉砂為承壓水含水層隧道掘進施工,易發生砂土涌水并引發開挖面失穩和地面沉降,因此必須做好盾尾密封。

(4) 盾構掘進控制:在⑥層硬塑粉質黏土中施工時,采用流量變頻控制的注漿泵,在掘進過程中可以達到高壓力低流量控制要求。通過較高的出水壓力切割分散開挖面硬塑狀土體,既能減小刀盤正面阻力,降低刀盤扭矩,同時,又能通過流量控制,減少過多的水注入土體,進入土倉由螺旋機排出。

(5) 分層加固注漿:為了控制盾構施工對建(構)筑物的影響,在盾尾后8～10環,采取分層加固注漿,以控制地面沉降。

(6) 施工監測:采取人工監測和自動監測相結合的方式對建筑物的沉降、變形進行監測。對于需要重點保護的敏感建筑物和優秀歷史建筑,建筑物沉降采用靜力水準儀進行監測,傾斜采用傾角儀進行監測。

4.2.2 實際施工效果

盾構穿越長樂村重點保護建筑群時,推進期間最大沉降累計量為-16.37 mm,沉降速率為-0.006 mm～-0.015 mm。后期地表最終累計沉降量為-19.14 mm,沉降速率為-0.006 mm～-0.021 mm。

表1為穿越市中心幾個有代表性區間的施工實測環境影響數據,從中可以基本了解到12號線區間的最終施工效果。

5 結語

在上海軌道交通12號線及上海新一輪軌道交通其他新線的建設過程中,對上海軟黏土地層以及更深層硬黏土、飽和砂層的地質特性進行了不斷探索；隨著盾構施工技術的不斷提高、設備的不斷升級改進、對周邊環境的高度重視,以及科學的技術指標管理控制系統的采用,在城市密集建筑群下進行盾構法隧道施工,已經能夠實現自身施工質量的完美和環境保護的雙重預期目標。上海新一輪軌道交通建設為后續大規模軌道交通新建線路的實施積累了豐富的經驗。

表1 上 海軌道交通12號線代表性區間施工實測環境影響數據 mm

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Design Optimization of the Running Tunnel on Shanghai Rail Transit Line 12

GUAN Panfeng

According to the construction features and difficulties of Shanghai metro Line 12, on the premise that the normal shield tunneling should be ensured, the safety of existing piles and building foundation not be influenced, advices for part of the tunnel are put forward and theoretically demonstrated, aiming to optimize line design, tunnel lining structure and tunnel shield construction. Then, construction measures for shield tunnel crossing underneath the adjacent oprating tunnels and dense buildings are proposed, which require that the construction quality be strictly controlled in the construction period. The optimization scheme has been proved effective and the impacts on adjacent buildings are all controlled within allowable range.

Shanghai rail transit Line 12; running tunnel design; construction measures

U 452.2

10.16037/j.1007-869x.2017.01.032

2016-09-20)