盾構機近距離上穿既有隧道施工技術研究

張岳強

(中鐵十二局集團第四工程有限公司 陜西西安 710021)

1 引言

盾構機上穿既有成型隧道時(凈距小于1倍洞徑)，施工控制不當極易造成地層塌陷或下部隧道形變，對下部隧道安全性造成威脅。南寧地鐵2號線東延工程出入場線上穿既有正線成型隧道，盾構機掘進過程中，為減少地層沉降及對下部隧道結構變形的影響，采用注漿＋支撐及掘進控制技術，保障了上部隧道盾構順利掘進及下部成型隧道的結構安全，解決了重疊段隧道的施工難題，規避了次生風險的發生。

2 工程簡介

南寧市軌道交通2號線東延工程土建2工區工程范圍含1站1區間，車站為玉嶺路站，區間為新村停車場出入場線。區間隧道總長1 164.313 m，自里程YDK0＋457.790始，盾構刀盤開始上穿正線左線隧道；掘進至YDK0＋515.86時，盾構刀盤脫出正線左線隧道；掘進至YDK0＋524.26時，盾尾脫出正線區間隧道范圍，穿越長度共計約58 m。平面位置關系見圖1。

圖1 出入場線區間與正線區間隧道平面關系

出入場線區間采用土壓平衡盾構機掘進施工，開挖斷面直徑為6 280 mm，采用1.2 m加強型多孔Y-4′管片，正線區間采用1.5 m X-3型管片，出入場線區間右線與正線區間左線成型隧道最小凈距2 493 mm，盾構掘進施工時(掘進開挖)實際最小凈距僅為2 213 mm。

盾構掘進重疊段主要穿越地層為含礫(卵)石黏性土。出入場線右線(穿越段)隧道拱頂埋深為40.86～18.76 m，穿越期間兩隧道間主要地層為含礫(卵)石黏性土。

3 總體方案

盾構機上穿正線成型隧道主要采取注漿＋支撐以及掘進控制的全方位、全過程控制措施，即在盾構上穿重疊段前、后過程中，利用上、下部隧道的管片吊裝孔進行洞內鋼花管補充注漿加固，及時填充建筑空隙，增加土體抗變形能力；在正線隧道內搭設鋼管扣件式滿堂腳手架支撐系統，增強管片的支撐力，進一步約束成型隧道在盾構通過時產生的形變；采用全周期不間斷風險監測技術，提供實時監測數據指導施工；盾構機穿越過程中，嚴格控制土倉壓力、刀盤推力、扭矩、注漿壓力等施工參數，保持盾構掘進面穩定平衡，防止周邊土體擾動引起下部隧道結構變形、沉降。

4 施工工藝流程及技術要點

4.1 施工工藝流程

施工工藝流程見圖2。

4.2 技術要點

4.2.1 風險源評估

盾構機上穿前對下部隧道結構及地層特性做細致風險識別和評估，制定相應的風險控制措施。采用有限元分析軟件(MIDAS/GTS)，建立三維有限元數值模型(修正摩爾庫倫模型)，見圖 3。通過大量云計算處理分析，求解并評估穿越過程中的土體位移變化情況，下部隧道結構變形情況以及地層、成型隧道的沉降等情況，進一步加強盾構施工過程中的安全管理[1-3]。

圖3 重疊段三維有限元模型

盾構機在通過風險源范圍過程中，下部隧道管片及腳手架逐步受到上部附加荷載的情況下，支撐架滿足結構強度、穩定性要求；下部隧道管片結構彎矩、軸力、剪力均小于設計計算值；下部隧道管片螺栓滿足設計抗剪要求。

4.2.2 夾層土體注漿加固

盾構上穿重疊段前后，對下部隧道靠近夾層部分頂部120°范圍(完成上穿后對上部隧道底部120°范圍)內徑向1.5 m范圍實施注漿[4]。相交段、平行段夾層土體注漿加固見圖4。

鉆孔前吊裝孔安裝單向止槳閥，用堵漏材料對周邊進行封堵。注漿管采用φ42 mm、壁厚3.5 mm、長1.8 m的無縫鋼管，管壁四周設φ8 mm的溢漿孔，呈梅花形布置，孔間距10～15 cm，在下管之前將溢漿孔用貼片或者膠布粘貼封孔。

圖4 相交段、平行段夾層土體注漿加固示意

重疊段注漿采用水泥單液漿，水灰比為1∶1，注漿以壓力控制為主、方量控制為輔，使漿液能沿管片外壁較均勻地滲流而不致劈裂土體，形成團狀加固區。注漿壓力不大于0.4 MPa，漿液流量宜控制在10～15 L/min之間。

注漿完畢后，對夾層土體加固效果進行檢查，采用地質雷達檢驗加固體的密實度和均勻性，輔以一定數量的鉆孔取芯進行驗證。地質雷達檢測為全覆蓋，取芯檢測批次為1斷面/20環，每斷面取芯3個[5]。

4.2.3 下部隧道支撐加固

盾構上穿重疊段前，在下部隧道內搭設滿堂腳手架支撐系統為管片提供支撐力[6-7]。鋼管為φ48.3 mm×3.6 mm，支撐橫桿間距為1 200 mm，立桿間距為600 mm，隧道縱向每900 mm搭設1副支撐對下部隧道進行支撐加固。鋼管末端通過U型頂托進行長度調節，與管片接觸面均采用方木支撐，支撐保護見圖5～圖6。腳手架體系每隔4 500 mm處連續設置1幅斷面(縱向)剪刀撐。剪刀撐寬度為5跨(7跨)，剪刀撐與地面的夾角在45°～60°之間。

圖5 下部隧道支撐加固結構橫斷面(單位：mm)

圖6 下部支撐加固結構縱剖面

4.2.4 上穿重疊段掘進參數控制

通過設置試驗段總結掘進施工參數、監測數據，按照控制欠壓、充分注漿、主動防護等原則確定上穿重疊段施工相關參數，以確保滿足下部成型隧道沉降在允許范圍之內[8-10]。

(1)總推力、刀盤轉速和刀盤扭矩控制。上穿重疊段時，應控制總推力，減小盾構前方土體的擠壓力。刀盤轉速應控制在1.0～1.3r/min，千斤頂總推力宜控制在800～1 000 t，刀盤扭矩宜控制在1 500～2 500 kN·m。

(2)掘進速度控制。掘進速度及推力的選擇以保持土倉壓力為目的，連續平緩地通過上穿段，掘進速度宜保持在30～50 mm/min，并根據施工實際情況調整掘進速度及推力。

(3)同步注漿控制。同步注漿應平穩連續。為減少注漿壓力對下部隧道的影響，應減少底部注漿流速，降低底部注漿孔壓力，減少底部注漿量，同時增強中部及頂部注漿量，保持總注漿量不變。

(4)土倉壓力控制。土倉壓力應調整至對下部隧道影響最小為標準，保證穩定的土壓至關重要。穿越段土倉壓力設置為正常段的90% ～100%，施工時以正線隧道內的監測數據為依據及時調整。應注意土壓要保持勻速性，波動范圍在±0.005 MPa，防止忽高忽低。

(5)盾構機姿態控制。盾構機姿態上下左右偏差控制在±35 mm，垂直趨勢控制在2～4 mm，水平趨勢0～2 mm，每環糾偏量不得大于4 mm。姿態調整應遵循“及時、連續、限量”的原則，調整量不宜過大、過于頻繁，避免因為姿態調整對土層造成超挖和擾動。

5 下部成型隧道及支撐系統監測

為掌握盾構上穿重疊段施工對地層及下部隧道結構等的影響規律，確保整個施工過程安全，采取上穿風險源實時全周期不間斷風險監測技術[11]。

5.1 監測項目

盾構上穿重疊段施工監測項目見表1。

表1 監測項目

5.2 監測點布設與監測

地表沉降監測點按常規布設，本文主要就成型隧道及支撐系統的監測點布設及測量方法做簡要說明[12]。

(1)管片豎向位移監測點埋設與監測

拱頂、拱底豎向位移監測點設置同水平收斂監測，均布置于同一個斷面(間距5 m)。每個斷面在隧道頂部、底部位置均布設2個測點，利用管片自帶滑槽將安裝有棱鏡(L型直角)的不同長度鋼筋安裝于測點位置的滑槽上。測點埋設見圖7。

圖7 下部隧道管片豎向位移監測點布置橫斷面(單位：mm)

拱頂(拱底)監測點每斷面高差250 mm，拱頂(拱底)監測點均設置于隧道第4、5根立桿之間，高程遞減(遞增)250 mm、縱向間距5 m設置，于第4、5根立桿之間(監測點具備全部通視的情況下)安全距離6 m以外架設全站儀進行拱頂(拱底)豎向位移監測，實現全自動全周期不間斷風險監測，及時反饋數據，指導施工。

(2)支撐系統位移監測點的埋設與監測

支撐系統位移監測設置同收斂以及管片豎向監測，均布置于同一個斷面(間距5 m)。使用定制扣件將安裝有棱鏡(L型直角)的不同長度鋼筋安裝在每個斷面的立桿(左起第4根)與橫向(第3根)水平桿件上，各布設1個測點，監測方法同成型隧道位移監測。測點埋設見圖8。

圖8 下部隧道支撐系統位移監測點橫斷面布置(單位：mm)

6 施工情況及應用效果

施工中地表沉降監測數據均未有明顯變化，扣件式滿堂支撐系統監測數據亦未有明顯變化，成型隧道結構穩定，未出現錯臺、破損、滲漏、開裂等現象。

盾構機推進至上、下部隧道輪廓線交叉位置時(重疊段小于50%范圍段)，對下部正線成型隧道的水平、豎向位移影響達到最大。通過監測數據顯示，水平、豎向位移累計均達到-2～-3 mm，穿越該段時根據監測數據適當減小推力、扭矩、掘進速度，可減少對下部隧道的擾動，保證開挖面的穩定。

當盾構機推進至上、下隧道洞身重疊段大于50%以上位置時，水平、豎向位移累計均為0～-1 mm。在該工況下，雖然隧道施工凈距達到最小，但盾構機掘進對下部隧道影響遠小于進、出重疊段時盾體側向擠壓、擾動地層對下部隧道的影響。此時，只需根據監測數據適當調整掘進參數，平穩快速掘進即可，但應嚴格控制盾構正面土倉壓力、盾尾注漿壓力等參數，防止對下部隧道密封結構造成損壞，發生滲漏水等安全質量事故。

7 結束語

采用的注漿＋支撐以及掘進控制的全方位、全過程控制措施，減少了盾構掘進對地層的擾動，提高了下部成型隧道的結構強度；采用的下部隧道不間斷監測技術，可實時指導盾構掘進參數的調整，在保證重疊段順利上穿的同時，大大降低了施工安全風險，具有良好的經濟、社會效益，為類似近距離上穿成型隧道施工積累經驗。