陳 凱

(浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 杭州 311112)

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多孔疊交隧道盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)研究

陳 凱

(浙江交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 浙江 杭州 311112)

為確保多孔疊交隧道能安全快速地施工，以南寧軌道交通1號線和2號線疊交段為例，分析了疊交隧道“先下后上”施工的優(yōu)勢。結(jié)合現(xiàn)場施工情況，對疊交隧道施工的二次固結(jié)、注漿加固、下部隧道支撐加固和掘進(jìn)參數(shù)控制等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析，給出疊交段的加固范圍，分析鉆注一體和臺車+風(fēng)鉆2種施工方法以及穿行式同步移動支撐臺車和可拆卸環(huán)形鋼支架2種支撐方法的適用條件。對于疊交隧道盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制技術(shù)，從掘進(jìn)參數(shù)、盾構(gòu)姿態(tài)和同步注漿3方面提出了建議。

盾構(gòu)施工；多孔疊交隧道；二次固結(jié)；注漿加固；下部隧道支撐加固；掘進(jìn)參數(shù)控制

0 引言

現(xiàn)階段城市軌道交通的規(guī)劃往往由多條線路組成，某2條或某幾條線路重疊交錯在所難免，而施工過程中各條線路往往單獨施工，導(dǎo)致疊交段地層受到多次擾動、地表建筑物及已建成隧道多次變形，從時間和空間上均增加了地表及地下建(構(gòu))筑物的安全風(fēng)險。多孔疊交隧道盾構(gòu)同步施工，可以從時間上縮短疊交段盾構(gòu)施工對已建隧道和周圍建筑物的影響，且若控制措施得當(dāng)，可大大減少和降低對周圍居民的影響；另外，多孔疊交隧道多臺盾構(gòu)共同始發(fā)或接收，可以有效減少地表施工場地的占地面積，減少地表拆遷，節(jié)約工期。

I.Yamaguchi等[1]針對日本京都市4線近距離平行隧道的特殊工況進(jìn)行了設(shè)計和施工研究；S.Suwansawat等[2]對泰國曼谷MRTA項目中2孔隧道盾構(gòu)施工監(jiān)測得到的多組地表沉降曲線進(jìn)行了分析和探討；白廷輝等[3]分析研究了上海地鐵1號線和2號線交叉段的地層移動，提出了隧道超近距離穿越既有隧道時的一些保護(hù)措施；劉樹佳等[4]、李磊等[5]和張治國等[6]針對上海地鐵11號線夾穿地鐵4號線的復(fù)雜工況，研究了盾構(gòu)穿越引起既有隧道變形的規(guī)律；朱蕾等[7]通過對上海地鐵13號線上穿地鐵4號線的隧道變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得出了穿越施工可以引起隧道滯后隆起的結(jié)論；陶連金等[8]通過對北京地鐵盾構(gòu)近接工程的現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析，探討了盾構(gòu)隧道施工對既有盾構(gòu)隧道縱橫向變位、附加彎矩及軸力的影響變化規(guī)律；肖瀟等[9]和周建軍等[10]采用有限元方法模擬了多線疊交盾構(gòu)隧道的施工過程；張曉清等[11]通過模型試驗分析了疊交盾構(gòu)隧道引起的地表沉降和既有隧道縱向變形規(guī)律；王有成等[12]以某實際隧道疊交段為例，探討了不同穿越形式下既有隧道的變形規(guī)律，提出了不同穿越形式下控制既有隧道變形的合理措施；廖少明等[13]對隧道穿越施工進(jìn)行了研究，得出“先下后上”施工有利于控制既有隧道變形的結(jié)論。

綜上所述，國內(nèi)外學(xué)者對疊交隧道的施工開展了大量的研究，但以2線交叉疊交居多，2線平行疊交較少，且一般2條線的施工時間間隔較長，對于2線4洞相互疊交且施工時間間隔較短的情況研究較少。因此，在國內(nèi)外研究成果的基礎(chǔ)上，開展了多孔疊交隧道加固、下部隧道支撐加固和掘進(jìn)參數(shù)控制等方面的研究，以期為類似工程施工提供參考。

1 工程概況

南寧軌道交通某標(biāo)段的4個盾構(gòu)區(qū)間包含1號線火車站到朝陽廣場區(qū)間(簡稱火朝區(qū)間)、新明路到朝陽廣場區(qū)間(簡稱新朝區(qū)間)和2號線朝陽廣場到火車站區(qū)間(簡稱朝火區(qū)間)、體育館到朝陽廣場區(qū)間(簡稱體朝區(qū)間)。1號線火朝區(qū)間單線長度約為1 397.839 m、新朝區(qū)間單線長度約為1 202.298 m，2號線朝火區(qū)間單線長度約為1 293.38 m、體朝區(qū)間單線長度約為2 985.72 m。4個區(qū)間長度共計 6 879.237 m。盾構(gòu)穿越的地層主要為粉砂質(zhì)泥巖、圓礫以及圓礫與泥巖復(fù)合地層，體朝區(qū)間下穿邕江。地下穩(wěn)定水位埋深為9.2～11.2 m，隧道埋深為15～39 m。

為實現(xiàn)火車站和朝陽廣場站同臺換乘，區(qū)間線路火朝區(qū)間呈4線交疊，新朝區(qū)間、體朝區(qū)間為2線交疊，疊交最小間距為2.0 m。其中：火朝區(qū)間近距離斜交疊交段長656 m，占區(qū)間長度的46.93%；朝火區(qū)間近距離斜交疊交段長928 m，占區(qū)間長度的71.75%；新朝區(qū)間近距離斜交疊交段長656 m，占區(qū)間長度的54.56%；體朝區(qū)間近距離疊交段長509 m，占區(qū)間長度的17.05%。區(qū)間沿線近距離疊交段總長度約占區(qū)間長度的40%。新朝區(qū)間和體朝區(qū)間近距離疊交段位于轉(zhuǎn)彎半徑為350 m的區(qū)域，其余2個區(qū)間位處直線段。體朝區(qū)間下穿邕江，采用2臺泥水盾構(gòu)施工，其余3個區(qū)間采用3臺土壓盾構(gòu)施工。盾構(gòu)施工示意圖如圖1所示。

2 疊交隧道施工順序的選擇

疊交隧道盾構(gòu)施工順序的選擇應(yīng)主要考慮盾構(gòu)施工對地面周邊環(huán)境及地下構(gòu)筑物安全使用功能的影響，施工順序包括“先上后下”和“先下后上”2種。若采用“先下后上”的施工順序，上部隧道開挖時，易引起土體的回彈效應(yīng)，大大減緩?fù)馏w的沉降趨勢；若采用“先上后下”的施工順序，下部隧道開挖時可能會加劇整個土體的沉降趨勢。針對本工程疊交段施工時間間隔短(小于6個月)、圓礫層富水、地表及周邊環(huán)境復(fù)雜等條件，采用了“先下后上”的施工順序。

圖1 盾構(gòu)施工示意圖Fig.1 Sketch of shield tunneling

3 疊交隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 疊交隧道土體二次固結(jié)技術(shù)

由于盾構(gòu)區(qū)間上下部隧道凈距小，上部隧道盾構(gòu)施工推進(jìn)過程中地層擾動、荷載增加等因素會對地層的密實度及下部隧道造成一定的影響。為了確保盾構(gòu)施工期間隧道結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境以及隧道成型后的運(yùn)營安全，對地層采取了二次固結(jié)措施；為了降低盾構(gòu)施工及后期運(yùn)營風(fēng)險，通過注漿加固來處理二次固結(jié)。具體操作方法為：1)下部隧道掘進(jìn)完成后，對上部隧道經(jīng)過的重疊段、斜交段夾層土體進(jìn)行加固(加固范圍為202.5°，厚度為隧道外3.5 m)；2)上部隧道掘進(jìn)完成后，對重疊隧道段土體進(jìn)行加固(加固范圍為360°，厚度為隧道外3.5 m)。二次固結(jié)施工情況如圖2所示。

3.2 疊交隧道注漿加固設(shè)備與施工工藝

疊交段地層主要為富水圓礫層、粉砂質(zhì)泥巖，為避免富水圓礫層噴水、卡鉆等狀況影響注漿加固效果，采取全方位無死角(可360°旋轉(zhuǎn))的鉆注一體機(jī)、傳統(tǒng)臺車配備風(fēng)鉆2種方式進(jìn)行注漿加固。

3.2.1 全方位無死角(可360°旋轉(zhuǎn))鉆注一體機(jī)

鉆注一體機(jī)施工的原理是鉆機(jī)完成鉆孔后不需要拔鉆桿即可實現(xiàn)分段退桿注漿的工藝，分段退桿的步距(每次退桿的長度)為50～80 cm，其可有效降低施工風(fēng)險，縮短作業(yè)時間。

鉆注一體機(jī)由推進(jìn)系統(tǒng)、鉆機(jī)、補(bǔ)償調(diào)整油缸、鉆注桿、注漿旋轉(zhuǎn)接頭和孔口旋轉(zhuǎn)密封裝置等組成。鉆孔直徑為38～45 mm(根據(jù)需要可改造)，最大鉆孔深度為 3 500 mm(根據(jù)需要可改造)，鉆進(jìn)速度為0～2 m/min，液壓轉(zhuǎn)釬扭矩為700 N·m，鉆機(jī)總長度為4 800 mm(含鉆桿)，質(zhì)量約為1 500 kg。針對富水圓礫層，鉆機(jī)采用單向防水密封裝置，除鉆孔旋轉(zhuǎn)外，還可以實現(xiàn)避車、定位、鉆孔注漿作業(yè)、鉆機(jī)前后伸縮補(bǔ)償調(diào)整等。

圖2 二次固結(jié)施工示意圖(單位：mm)Fig.2 Sketch of secondary consolidation (mm)

鉆注一體機(jī)采用獨立拖車臺架安裝，根據(jù)注漿加固的需要在臺架上設(shè)置相關(guān)輔助設(shè)施，如水箱、泵站、驅(qū)動電機(jī)(行走)等。注漿臺車可通過電機(jī)驅(qū)動行走，也可采用電瓶機(jī)車拖動行走。鉆注一體機(jī)及鉆桿示意圖如圖3所示。

3.2.2 傳統(tǒng)臺車+風(fēng)鉆鉆孔注漿施工工藝

該注漿加固設(shè)備采用2層注漿臺車(焊接在電瓶車管片平板車上)和風(fēng)鉆進(jìn)行施工。針對全斷面富水圓礫層，為避免鉆桿撥出時發(fā)生噴水、涌砂風(fēng)險，在預(yù)埋注漿孔部位增設(shè)防噴裝置。防噴裝置由球閥、注漿頭及止水盤根組成。

施工步驟為：安裝防噴裝置—鉆孔—拔鉆桿—安裝注漿管—注漿—封孔。注漿管采用外徑32 mm、壁厚3.5 mm、長3.5 m的熱軋無縫鋼管，鋼管前端呈尖錐狀，在鋼管前端設(shè)計活套管節(jié)，在活套內(nèi)管管壁四周鉆10 mm的壓漿孔，鋼管后退時將活套管拉開，并通過注漿孔注漿，直到注漿管被拔出為止，孔口采用球閥，防止漏漿。注漿漿液采用雙液漿—單液漿—雙液漿交替的注漿方式，采用雙液漿控制漿液的擴(kuò)散范圍及漿液的流失，采用單液漿保證填充密實度和加固分層。單液漿水灰質(zhì)量比為0.6∶1～1∶1，注漿壓力控制為0.5～0.8 MPa，并根據(jù)地層情況靈活調(diào)整。

(a) 鉆注一體機(jī)

(b) 鉆桿

注漿量采用量壓結(jié)合的方式進(jìn)行控制。即：圓礫層注漿量按照加固土體的20%～30%控制，泥巖層及其他地層按照加固土體的5%～10%控制；注漿壓力為0.5～0.8 MPa時，現(xiàn)場控制以注漿泵油壓控制，油壓一般為2～3 MPa。注漿效果檢查以地層滲水性(鉆進(jìn)70 cm不滲漏泥砂)和注漿密實度(地質(zhì)雷達(dá)掃描)為主要檢查手段。

通過現(xiàn)場操作對比，鉆注一體機(jī)鉆進(jìn)速度較風(fēng)鉆快，較普通二次注漿機(jī)慢。綜合施工工期、施工數(shù)量等因素，若施工距離較長、地層不穩(wěn)定、鉆孔難度大，建議采用鉆注一體機(jī)，例如富水粉細(xì)砂、圓礫等地層；其余工況建議采用臺車+風(fēng)鉆，施工期間必須配備足夠的防噴裝置。

3.3 下部隧道支撐加固設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)

為有效降低上部隧道施工對下部已建成隧道的影響，避免因盾構(gòu)掘進(jìn)時土體被擾動卸載及盾構(gòu)擾動加載等影響結(jié)構(gòu)安全，在上部隧道盾構(gòu)主機(jī)區(qū)域前后各10環(huán)管片范圍內(nèi)，對下部隧道結(jié)構(gòu)安裝臨時內(nèi)支撐系統(tǒng)，以提供持續(xù)的支撐力。內(nèi)支撐系統(tǒng)包括穿行式同步移動支撐臺車和可拆卸環(huán)形鋼支架2種方式。

3.3.1 穿行式同步移動支撐臺車

同步移動支撐臺車主要由主梁架、支撐板、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)和下部支撐板吊裝系統(tǒng)等組成。主梁架為支撐板提供支撐點及行走梁，液壓系統(tǒng)為模板定位和脫模提供動力，電動行走系統(tǒng)提供行走動力，下部模板提供支撐及行走軌道，各系統(tǒng)可以獨立工作，也可以聯(lián)動工作。臺車通過穿行式移動，可實現(xiàn)對上部隧道掘進(jìn)施工的持續(xù)支撐。穿行式支撐臺車現(xiàn)場施工如圖4所示。

圖4 穿行式支撐臺車現(xiàn)場施工Fig.4 Site construction drawing of walking support trolley

3.3.2 可拆卸環(huán)形鋼支架

可拆卸環(huán)行鋼支架包含弧形工字鋼、環(huán)向連接板、連接螺栓和縱向連接拉桿。在下部隧道距離上部隧道盾尾10環(huán)管片的位置處通過人工拆除鋼支架，并倒運(yùn)至上部隧道刀盤前方位置，使安裝支撐與盾構(gòu)施工同步。為保證掘進(jìn)施工順利進(jìn)行，上部隧道刀盤前面正下方至少需15榀環(huán)形鋼支架?？刹鹦董h(huán)形鋼支架如圖5所示。

圖5 可拆卸環(huán)形鋼支架Fig.5 Removable ring steel bracket

新朝區(qū)間和火朝區(qū)間采用穿行式同步支撐臺車，朝火區(qū)間及4線疊交、斜交區(qū)域采用可拆卸環(huán)形鋼支架。現(xiàn)場通過2種支撐方式的對比，重疊距離較短(<80 m)、鋼支架倒運(yùn)距離較短(1臺班可倒運(yùn)安裝3～5榀)時，建議采用可拆卸環(huán)形鋼支架；重疊或者疊交距離較長時建議采用穿行式同步移動臺車，1臺班移動10～15 m，可滿足掘進(jìn)要求。

3.3.3 下部隧道同步支撐行走關(guān)鍵技術(shù)

上部隧道盾構(gòu)掘進(jìn)時，下部隧道的支撐范圍為盾構(gòu)刀盤前后30 m。

穿行式移動支撐臺車支撐長度為30 m，臺車自身配置電機(jī)、液壓系統(tǒng)、穿行軌道等，可實現(xiàn)自行移動，便捷快速，移動速度為6.7 m/min，移動期間可持續(xù)提供支撐力。

可拆卸環(huán)形鋼支架采用人工拼裝，上部隧道通過鋼支架支撐到結(jié)構(gòu)的1/3處后，對后部進(jìn)行拆除，然后使用平板車倒運(yùn)送至隧道前端進(jìn)行二次組裝，每次拆除支架時必須預(yù)留上部隧道盾構(gòu)刀盤后方15 m(10環(huán))的長度。為提高工作效率，環(huán)形鋼支架前后各配置1臺作業(yè)臺車，前方作業(yè)臺車主要負(fù)責(zé)支架拼裝，后方作業(yè)臺車主要負(fù)責(zé)支架拆卸。

3.3.4 下部隧道監(jiān)測及周邊環(huán)境監(jiān)測技術(shù)

地面值班室設(shè)置盾構(gòu)施工監(jiān)控系統(tǒng)，值班人員與盾構(gòu)司機(jī)、下部隧道支撐臺車人員保持24 h信息互通，同時建立信息化交流平臺，監(jiān)測人員每2 h發(fā)布1次監(jiān)測數(shù)據(jù)，以便施工、監(jiān)理、第三方和業(yè)主進(jìn)行數(shù)據(jù)分析交流，并指導(dǎo)現(xiàn)場施工。

在近接疊交段施工前對盾構(gòu)姿態(tài)及管片里程進(jìn)行復(fù)核。盾構(gòu)進(jìn)入近接疊交段后，對盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行1次測量，確保滿足設(shè)計線路的建議偏差值(水平向為±15 mm，豎直向為±20 mm)，并對偏差進(jìn)行修正。

掘進(jìn)過程中穿行式臺車及鋼支架位移變化最大值為0.8 mm；下部隧道結(jié)構(gòu)拱頂隆起最大值為2.57 mm、下沉最大值為-0.84 mm，收斂變化最大值為0.65 mm、最小值為-0.95 mm。

3.4 疊交隧道盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制關(guān)鍵技術(shù)

對于疊交段先行施工的下部隧道，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)按照常規(guī)的掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定即可。為減少上部隧道對下部隧道或者相鄰建筑物的影響，上部隧道的掘進(jìn)施工按照“快速掘進(jìn)，注漿同步，支撐同步，監(jiān)測同步”的原則實施。盾構(gòu)姿態(tài)調(diào)整按照“多次小調(diào)”的原則實施。

3.4.1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

體朝區(qū)間穿越邕江且2線疊交，疊交段泥水盾構(gòu)的參數(shù)需要嚴(yán)格控制。盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)定見表1。

3.4.2 盾構(gòu)姿態(tài)控制

在實際施工中由于地質(zhì)突變，盾構(gòu)推進(jìn)方向可能會偏離設(shè)計軸線，需及時調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)、糾正偏差。在每環(huán)推進(jìn)過程中，控制盾構(gòu)姿態(tài)變化的偏差為±3 mm；掘進(jìn)過程中控制盾構(gòu)的方向偏差為±20 mm；在緩和曲線段及圓曲線段，控制盾構(gòu)的方向偏差為±40 mm。

表1 疊交段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)Table 1 Driving parameters for overlapped section

3.4.3 同步注漿控制

同步注漿采用注漿壓力與注漿量雙向控制的方法，每環(huán)注漿量控制為空隙量的140%～185%，確保管片與地層間的空隙填充密實，同時應(yīng)及時了解地面的沉降監(jiān)測情況，若沉降較大則應(yīng)加大注漿量或者進(jìn)行二次注漿。上部隧道注漿漿液的初凝時間比下部隧道短，凝結(jié)時間為5～7 h。

4 疊交隧道的施工效果

通過對工作裝置進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，施工進(jìn)度得到了大幅度提高，重疊段施工進(jìn)度與正常段施工進(jìn)度基本一致，在盾構(gòu)場地提供較晚的條件下完成了施工的節(jié)點目標(biāo)。

疊交隧道盾構(gòu)施工過程中對周邊建筑物影響較小，4線疊交下穿的淺覆土老舊橋梁(1951年修建重力式橋臺，1965年、1982年和1993年分別進(jìn)行了擴(kuò)建)沉降控制較好，最大沉降為15 mm。

5 結(jié)論與討論

以南寧軌道交通1號線和2號線疊交段為例，對盾構(gòu)施工多孔疊交隧道的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析總結(jié)，主要包括：

1)為確保盾構(gòu)施工期間隧道結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境安全及隧道成型后的運(yùn)營要求，需對地層采取二次固結(jié)措施；

2)疊交隧道注漿加固建議采用全方位無死角鉆注一體機(jī)及傳統(tǒng)臺車+風(fēng)鉆2種方式聯(lián)合進(jìn)行注漿加固；

3)為有效降低上部隧道施工對下部已建成隧道的影響，在上部隧道盾構(gòu)主機(jī)區(qū)域前后各10環(huán)管片范圍內(nèi)，對下部隧道結(jié)構(gòu)安裝臨時內(nèi)支撐系統(tǒng)(包括穿行式同步移動支撐臺車和可拆卸環(huán)形鋼支架2種方式)，以提供持續(xù)的支撐力，避免因盾構(gòu)掘進(jìn)時土體被擾動卸載及盾構(gòu)擾動加載等影響結(jié)構(gòu)安全；

4)采用“先下后上”的順序施工時，先施工的下部隧道，其盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)按常規(guī)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定即可；為減少上部隧道對下部隧道或者相鄰建筑物的影響，上部隧道在掘進(jìn)施工過程中需嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)，并控制好同步注漿。

針對多孔疊交隧道盾構(gòu)施工問題，主要針對2孔疊交隧道之間的相互影響展開了研究。對于近交多孔隧道之間的相互影響，尚未能開展深入的理論研究，施工過程中對于多孔隧道之間的影響也未能完全考慮，下一步應(yīng)對多孔隧道之間的影響規(guī)律開展研究。

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Study of Key Technologies for Shield Tunneling of Overlapping Tunnels

CHEN Kai

(ZhejiangInstituteofCommunication,Hangzhou311112,Zhejiang,China)

Taking the overlapped section between Nanning Metro Line No.1 and Line No.2 for example,the advantages of the construction scheme of “upper tunnel after lower tunnel” are analyzed so as to ensure the rapid and safe construction of overlapping tunnels.And then the key technologies,i.e.secondary consolidation,grouting reinforcement,support reinforcement of lower tunnel and driving parameter control,are studied based on site construction conditions; the reinforcement range of the overlapped section is given; and then the applicable conditions of two kinds of construction methods,such as integration of drilling and grouting and trolley + pneumatic drill,and two kinds of supporting methods,such as walking synchronous mobile support trolley and removable ring steel bracket,are analyzed.Finally,some suggestions on the control technology of driving parameter of shield tunneling are proposed in terms of driving parameters,shield altitude and synchronous grouting.

shield tunneling; overlapping tunnels; secondary consolidation; grouting reinforcement; support reinforcement of lower tunnel; driving parameter control

2016-10-11;

2016-12-18

浙江省交通運(yùn)輸廳科技計劃項目(2013H26)

陳凱(1975—)，男，山西孝義人，2004年畢業(yè)于中南大學(xué)，地圖學(xué)與地理信息系統(tǒng)專業(yè)，碩士，副教授，主要從事橋梁、隧道工程測量與施工的研究工作。E-mail:chen_kai00@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.014

U 455.4

B

1672-741X(2017)06-0742-06