小净距重叠隧道盾构施工技术

GXF360 2017-05-28

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小净距重叠隧道盾构施工技术

郭海

(中铁六局集团有限公司，北京100036)

摘　要：小净距重叠隧道施工具有较大的安全风险，由于盾构设备自重大、功率高，掘进过程中对周边土体产生剧烈扰动，在施工过程中如控制不当，容易发生安全事故并造成巨大的经济损失。结合深圳地铁二号线东延线湖贝站～黄贝岭站上下重叠隧道施工的成功案例，从严格控制掘进参数、盾构姿态调整和加强同步注浆等方面介绍了小净距重叠隧道盾构施工的关键技术，对同类工程有借鉴意义。

关键词：小净距隧道；重叠隧道；施工顺序；变形控制；沉降

收稿日期：2015-03-17

作者简介：郭　海(1975—)，男，高级工程师，主要从事铁路施工技术管理工作　haiguo@21cn.com

DOI：10.13219/j.gjgyat.2015.03.017

中图分类号：U455.43

　文献标识码：B

　文章编号：1672-3953(2015)03-0057-05

Abstract: Owing to the shield being great in both weight and power and the disturbance it causes during drilling to the surrounding earth body,the construction of a small-clearance overlapping tunnel is comparatively great in the risk of safety if a good job of control is not done in the course of construction.The improper control may result in both serious accidents and heavy economic losses.With the construction of the Hubei Station~Huangbeiling Station overlapping tunnel of the extended line of the second line of the Shenzhen Tube as a practical example, key techniques for the shield construction of small-clearance overlapping tunnels are testified from the angles of the shield construction processes and auxiliary measures in the paper,which may serve as a useful reference for projects of the same type in the future.

1　工程概况

深圳地铁2号线东延线工程土建2227标段项目位于深圳市罗湖区，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。湖贝站～黄贝岭站区间左线隧道全长932.4 m，右线隧道全长934 m。上下重叠段共计111 m(不包括重叠过渡段)，最小净距为1.36 m，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，线路穿越主要地层为风化程度不等的凝灰质砂岩，包含多处断裂带及大量破碎层。左右线水平距离0~35.4 m，隧道最大纵坡28‰，最小纵坡2‰，隧道轨面埋深约10.8~21.5 m。

区间隧道采用两台海瑞克?6 280 mm复合式土压平衡盾构机进行掘进施工，盾构机从黄贝岭车站盾构始发井下井始发，左线在上，右线在下，向小里程方向掘进，到达湖贝车站吊出，完成湖黄区间的掘进。

2　工程难点分析

重叠段隧道地质状况复杂，上下洞隧道在不同地段均存在上软下硬地层，下洞隧道掘进过程中会提前扰动上洞地层，上洞隧道掘进时，二次扰动易导致地层失稳，并造成地面沉降超限，进而影响地面管线及临近建筑物安全。下洞出洞段30余m处于上软下硬基岩突起地段，基岩强度超过145 MPa，此段上下重叠垂直距离1.72 m，掘进过程中，不可避免的会出现多出渣现象，从而形成塌空区，可能影响到上洞隧道施工安全，甚至两条隧道的安全均无法保证，假如出现盾构机栽头现象，则无法补救挽回，进而导致整个2号线无法按期完工甚至废弃。国内以前曾有过先例。

3　重叠隧道盾构施工

3.1　上下行隧道施工顺序确定

采用MIDAS GTS有限元分析软件，首先对重叠隧道不同施工工序对隧道结构及周边地层应力应变变化、地面沉降情况进行分析，将地铁重叠隧道段分为两种地质条件、三种工况、两种施工顺序进行了全过程的力学分析对比研究，如表1所示。

表1模拟工况条件表

工况名称工况条件子项名称条件A上隧道位于粘性土及全风化岩中,下隧道位于强风化岩中A1先下洞施工,再上洞施工A2先下洞,再上洞施工,中间夹土加固A3先上洞施工,再下洞施工B上隧道位于全风化及强风化岩中,下隧道位于强风化岩中B1先下洞施工,再上洞施工B2先下洞,再上洞施工,中间夹土加固B3先上洞施工,再下洞施工

根据模拟结果，B 2工况对于地面沉降控制和隧道的变形控制较为有利，即当隧道位于上软下硬地层中时，尤其是软硬层物理力学参数差别较大时，采用夹土体加固及先下后上的施工顺序是合理的。

3.2　重叠隧道盾构施工措施

3.2.1 总体施工方案

上部隧道的施工待下部隧道全部通过重叠段，且由下而上通过注浆管向夹土体进行注浆加固完成且夹土体强度与范围满足要求后进行。施工前，除需提前制定合理的掘进参数以外，尚需提前对下部隧道进行洞内支撑加固，以保下洞安全。加固方法为在上洞盾构机所处位置对应的下洞后10环、前10环管片(总长30 m)设临时移动台车，台车可以随上洞的盾构推进而向前同步移动。此重叠段上下洞管片全部采用加强管片，主筋直径加大，间距加密，且管片连接螺栓要由原?24 mm高强螺栓改为?27 mm高强螺栓。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)时，增设临时钢支撑。严格控制盾构姿态及变形，加大同步及二次注浆量，及时进行补充注浆。管片脱出盾尾后，及时由注浆孔从上至下通过注浆管向夹土体进行注浆加固。盾构推进时，合理确定掘进参数，避免或尽量减少对围岩的扰动或破坏，确保重叠段顺利通过。

3.2.2 严格控制主要掘进参数

盾构掘进过程中，要结合地质情况、埋深、地上风险源情况并结合地表沉降监测情况，控制土仓压力，尽量减少压力波动。推进速度尽量保持相对平稳，减少纠偏量，尽量减少对土体的扰动，严格控制出土量，避免出现超挖现象。同步注浆要根据推进速度、出碴量和地表监测情况及时调整，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 [1]。

(1)土仓压力设定：先根据地层埋深和土体的侧压力系数，分段计算土压力值，再根据地表监测情况进行调整。如在刀盘通过时沉降速率大于2 mm/d，说明土压力值不足，需适当上调；当刀盘通过时地面有1～2 mm的微微隆起，说明土压力较为合适，在掘进过程中尽量保持，并减少土压波动。

(2)出碴量控制：管片宽度为1.5 m，考虑到土层松散系数，每环出碴量一般控制在70 m 3左右，每个渣土斗的容量为18 m 3，考虑到渣斗内有部分余土，实际斗容在17.5 m 3左右。在掘进过程中做好记录，每更换一次渣土斗掘进的行程要达到38 cm，这样，才能保证4个渣斗掘进完成一环。一旦出现超挖现象，必须如实记录反馈，在后续同步注浆施工中，将针对性地对超挖地段进行补充注浆。

(3)推力和推进速度：当掘进速度较慢时，刀盘对土体的扰动较大，容易造成刀盘上方土体塌落，引起超挖；当掘进速度过快时，同步注浆速度跟不上也会造成管片脱出盾尾时沉降过大。因此，掘进速度及推力的选定以保持土仓压力为前提，同时考虑注浆速度综合确定，根据掘进参数分析，在重叠段确定的盾构掘进速度为20～40 mm/min；另外，在掘进过程中，还要根据实际情况，及时、合理调整掘进速度及推力。

3.2.3 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导向系统等因素的影响，盾构机很容易偏离设定轴线，当这种偏差超过设计要求的±50 mm时，就会引起隧道衬砌侵限，影响列车运行；当纠偏过猛时管片局部受力集中，将造成管片破损，因此盾构掘进过程中要勤纠、缓纠，同时，要及时对导向系统进行人工复核和更换测站以确保导向准确。

重叠隧道按先下后上的施工顺序，在掘进上洞隧道时，隧道底部土体已被扰动，且上下隧道间距较小，掘进过程中，要保持相对于设计轴线偏上的掘进趋势，规避“栽头”风险。盾构停机时要对盾构机的沉降情况进行监测，当发现停机时盾构机头沉降值超过2 cm时，要尽快恢复掘进，如无法掘进时要适当提高土仓压力，以防止机头进一步下沉。

3.2.4 同步注浆

及时补充管片脱出盾尾形成的建筑间隙，是减少地面沉降的重要措施，同时，浆液要尽快凝结以稳定管片，防止管片脱出盾尾后变形过大，必要时，要在隧道顶部注入双液浆以填充顶部的空隙并进一步缩短浆液的凝固时间。

(1)注浆材料：采用水泥砂浆作为同步注浆材料，主要由水泥、砂、粉煤灰、膨润土和减水剂组成。

(2)浆液配比及主要物理力学指标：根据当地的地材情况并结合工程地层条件、地下水情况等，通过现场试验优化确定最合理的配合比，浆液要具有合理的凝固时间、良好的和易性、较高的结石率和一定的强度。通过试验采用的配比：水泥∶粉煤灰∶膨润土∶砂∶水=180∶320∶80∶960∶401(kg)(外加剂需要根据试验加入)。

其性能指标为：①胶凝时间，一般为6～8 h，可通过现场试验进一步调整配比和加入促凝剂，调节胶凝时间。②固结体强度：24 h强度大于0.5 MPa，28 d强度大于5 MPa。③浆液结石率>95%，即固结收缩率<>

3.2.5 二次补强注浆

当地面建筑物沉降要求较高，同步注浆难以控制地面沉降时，或地下水较丰富同步浆液凝固时间过长，管片变形得不到有效控制的情况下实施。二次注浆采用水泥—水玻璃双液浆。双液浆的初步配比为：水玻璃，35Be′；水灰比，0.8～1.0；稳定剂，2%～6%；减水剂，0～1.5%；A、B液混合体积比，1∶1～1∶0.3。

3.2.6 重叠隧道夹土体加固 [1]

本工程上下隧道之间夹土体厚度较小，下方隧道掘进过程中对上方土体产生剧烈扰动，上方隧道的地层承载力难以满足盾构通过要求，易导致盾构机出现“栽头”和“下沉”现象。而且在进入运营阶段时，列车行车的振动也会对上下洞间所夹土体产生扰动，可能会引起上方盾构隧道变形，影响隧道的稳定性。为保证上洞盾构施工安全，在上方隧道施工前对夹土体进行注浆加固。

首先，在下洞隧道掘进过程中，要保证同步注浆量和注浆压力，每环注浆量达到7 m 3，以保证管片周围填充密实，并对周围土体进行初步加固。同时，在管片脱出盾尾5环后及时进行二次注浆，浆液采用水泥—水玻璃双液浆，在注浆孔中设置一定长度的注浆管，注浆管距另一隧道的最小距离不小于50 cm。注浆管深入地层中，注浆压力达到0.5 MPa并稳定后，停止注浆，要求加固后的土体抗压强度不小于0.4 MPa。当上洞通过时，同样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，土体加固，重叠段隧道每环都进行以上加固。

3.2.7 建立实时监控平台

盾构机通过重叠隧道过程中，需要与下方隧道的支撑台车同步前进，因此必须建立畅通的信息传输系统。

(1)上下重叠隧道之间有线电话联系系统：监控中心对上下洞进行统一指挥和协调，确保上下洞隧道操作指令的准确性与及时性，实现上洞盾构机与下洞支撑台车的无缝配合，保证上洞隧道盾构正常掘进和下洞成型隧道安全。

(2)地面监测电话联系系统：通过监控中心及时收集地面沉降监测数据并反馈给盾构机操作手，及时调整掘进参数以保证地面沉降在安全范围内。如出现超标的沉降，及时下达指令，加大二次注浆量和注浆范围并上报工程部考虑是否停机处理。

(3)盾构实时监控平台：采用盾构施工实时信息管理系统，实时监测盾构掘进参数，防止盾构机操作手出现误操作，同时及时计算反馈材料消耗，尤其是注浆量、泡沫量等数据。