盾构近距离上穿既有地铁隧道施工控制技术研究

摘要：某供水管道工程采用盾构隧道和管道的组合方式，其中盾构区段从既有地铁隧道上方正交穿越，上穿段最小净距仅为2.5m。为有效降低盾构上穿施工对既有隧道的影响，现场采取了设置试验段确定盾构掘进参数，在上穿交汇处采用洞内二次注浆，并对既有隧道变形进行实时监测的控制技术。通过实测数据分析的方法研究施工控制技术的有效性，结果表明：现场所采取的盾构掘进参数合理，保证了盾构上穿过程中既有隧道的安全；盾构上穿既有隧道过程中，相比于隧道水平位移和收敛，隧道竖向位移变化更为明显；洞内二次注浆能够有效控制盾构上穿后既有隧道产生的后期沉降。

关键词：盾构；上穿；二次注浆；控制技术；实测数据

引言

近年来，随着城市轨道交通的不断发展，新建盾构隧道穿越既有地铁隧道的工程越来越多，此类穿越工程施工不可避免地会对周边地层造成扰动，进而对既有隧道结构产生极为不利的影响[1-4]。因此，如何确保既有地铁隧道的结构安全和正常运营是新建盾构穿越工程的关键。魏纲等[5]通过总结工程经验，提出盾构上穿时在既有隧道内压重和注浆加固对控制隆起有显著效果。戴仕敏[6]通过对盾构施工过程进行分析，提出隧道内“增稳加载”的方法控制下方隧道上浮的施工方法，在穿越期间确保了下方地铁隧道的安全运营；路国樑等[7]综合采用软土加固技术、盾构掘进参数控制措施、自动化监测系统和风险应急推演管理措施等技术手段，确保了深圳地铁5号线盾构斜交穿越安全顺利施工和既有线的正常运营。

本文以工程实例为背景，通过实测数据分析的方法，研究盾构近距离正交上穿既有隧道施工控制技术的有效性，为今后类似穿越工程的实践提供一定的参考。

1  工程概况

某供水管道工程线路总长28.6km，采用盾构隧道和管道的组合方式，其中盾构区段从既有地铁隧道上方正交穿越，供水盾构隧道管片外径6.2m，内径5.5m，管片宽度1.2m，供水盾构上穿既有地铁隧道平面位置关系见图1。

供水隧道与既有地铁隧道最小净距仅为2.5m，此处供水隧道顶部埋深约5.8m。根据地质勘察报告，供水隧道主要位于粉质粘土层，下方既有地铁隧道位于淤泥质粉质粘土层，夹土层主要为粉质粘土，供水盾构上穿地铁隧道断面位置关系及所在地层情况见图2。

2  上穿施工控制技术

为了保证供水盾构上穿施工阶段既有地铁隧道结构的安全，现场提出在盾构上穿前设置试验段以优化盾构掘进参数，在上穿交汇处实施洞内二次注浆，并采用自动化实时监测的施工控制技术。

2.1  盾构掘进参数优化

本工程采用土压平衡盾构均匀连续通过上穿交汇区域，在供水盾构上穿地铁隧道交汇区前100m范围设置试验段，结合试验段地面监测情况对参数进行调整，最后得出供水盾构上穿阶段主要施工参数如表1所示。

同步注浆采用盾尾壁后注浆方式，保证“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”的原则，并通过控制同步注浆压力（2.5MPa左右）和每环注浆量（3.9m³左右）双重标准来确定注浆时间，施工过程中根据工况对配合比进行适当调整。

2.2  洞内二次注浆

为有效控制既有地铁隧道产生后期沉降，在上穿交汇区及交汇区前后范围进行洞内二次注浆。将管片上的注浆孔打开注双液浆来充填管片背后的空腔，二次注浆加固范围示意图如图3所示。从二次注浆起始环号开始，每隔2环在管片底部注浆孔打开注双液浆，直到管片超出二次注浆加固范围为止。注浆材料采用水泥+水玻璃双液浆，注浆压力控制在0.8MPa，注浆加固过程中需结合自动化监测数据反馈，实时调整注浆参数。

2.3  自动化监测技术

采用的自动化监测系统以全站仪为采集设备，配合以计算机及相应的通讯机后处理软件，以实现自动化实时监测。通过及时将监测数据反馈给施工方以指导施工，做到“动态施工”。

自动化监测系统中工作基站设置在隧道侧壁，全站仪安装于工作基站上，同时在上下行测区范围外远离盾构施工影响范围两端各设置4个基准点，以形成自动化平面控制网。监测范围为既有地铁上行隧道615～700环，下行隧道602～687环，上下行线共204m，监测断面布置见图3。在每个监测断面既有隧道道床两侧各布设1个棱镜监测隧道道床竖向位移、隧道水平位移；管片拱腰两侧各布设1个棱镜监测隧道的水平收敛，地铁隧道监测点布置断面如图4所示。

在供水盾构上穿既有隧道阶段，盾构机盾头前方距既有隧道边线5米～盾构机盾尾远离既有隧道边线5米范围为盾构施工的正影响区域，此监测范围内监测频率采用实时监测，其余情况下自动化监测频率为1次/4小时。

3  监测数据分析

为了研究现场施工所采取的控制技术能否保证供水盾构隧道上穿过程中及上传后既有地铁隧道的结构安全，通过分析自动化监测数据，为判定施工控制技术的有效性提供依据。

选取供水盾构正投影面所对应既有地铁隧道环段（上行隧道655环、658环、660环；下行隧道642环、645环、648环）作为典型监测断面，根据供水盾构穿越过程中及穿越后三个月的监测数据，针对既有上下行隧道道床竖向位移、水平收敛以及水平位移进行分析。

3.1  隧道竖向位移

隧道竖向位移典型测点累计值历时曲线由图分析可知：

（1）供水盾构上穿地铁隧道过程中，既有上下行隧道道床竖向位移累计变化最大值分别为-0.5mm（655环）、+0.4mm（642环），表明盾构上穿对于既有隧道竖向位移影响较小。

（2）供水盾构进入地铁隧道50m保护区阶段，既有上下行隧道道床竖向位移基本不变；盾构正穿既有隧道期间，由于盾构推进施工引起的“卸载”作用，隧道发生轻微上浮，上浮最大值为0.3mm；盾构脱出既有隧道50m保护区阶段，隧道道床竖向位移基本趋于稳定。

（3）供水盾构脱出既有隧道50m保护区后，既有上下行隧道道床沉降变化不超过0.5mm，表明二次洞内注浆加固效果显著，能够有效控制盾构上穿后引起的既有隧道结构下沉。

3.2  隧道水平位移

隧道竖向位移典型测点累计值历时曲线分析可知：

（1）供水盾构上穿地铁隧道过程中，既有上下行隧道水平位移累计变化最大值分别为+0.1mm（660环）、-0.2mm（642环），盾构上穿对于既有隧道水平位移影响很小。

（2）盾构在整个上穿地铁隧道及穿越后阶段，既有隧道水平位移变化趋势稳定，位移值基本保持不变。这主要是因为盾构隧道与既有隧道在空间上呈现为正交的位置关系，盾构施工对其水平向施工扰动很小。

3.3  隧道水平收敛

隧道竖向位移典型测点累计值历时曲线分析可知：

（1）在盾构隧道上穿既有地铁隧道过程中，既有上下行隧道管片水平收敛累计变化最大值分别为0.2mm（658环）、-0.1mm（645环），盾构上穿对于既有隧道水平收敛影响很小。

（2）盾构隧道在整个上穿地铁隧道期间及穿越后阶段，既有隧道管片水平收敛变化趋势稳定，收敛值基本保持不变。

4  结论

通过优化盾构掘进参数，在上穿交汇处进行洞内二次注浆，并辅以自动化实时监测的施工控制技术，供水盾构上穿既有地铁隧道顺利施工完成。供水盾构穿越过程中及穿越后既有隧道的结构变形均在允许范围内，表明该穿越施工所采取控制技术的安全合理性，确保了既有隧道的安全运营。

（1）供水盾构隧道上穿施工过程中，既有地铁隧道的各测项累计值均未超过预警值，表明供水隧道采取的盾构掘进参数合理，盾构上穿施工过程中既有隧道处于安全稳定状态。

（2）供水盾构隧道正交上穿既有隧道的施工过程中，相比于隧道的水平收敛及水平位移，隧道竖向位移的变化更为明显。

（3）穿越后监测数据表明，在上穿交汇处进行洞内二次注浆能够有效控制盾构上穿施工引起的后期沉降。

参考文献

[1]朱蕾，黄宏伟.软土地区盾构掘进对已建隧道影响的研究现状[J].地下空间与工程学报，2010，06（S2）：1692-1695. （Zhu Lei， Huang Hongwei. Review on the Influence of Shield Tunneling in Soft Soil on Adjacent Existing Tunnel [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2010，06 （S2）： 1692-1695.（in chinese））

[2]陈越峰，张庆贺，郑坚，et al.上海地铁9号线盾构上穿越已建隧道施工技术[J].施工技术，2009，038（001）：40-41. （Chen Yuefeng， Zhang Qinghe， Zheng Jian， et al. Construction Technology of Shield Construction Up-crossing Built Tunnel in Shanghai Metro Line 9 [J]. Construction Technology， 2009038 （001）： 40-41.（in chinese））

[3]朱蕾，黄宏伟.盾构近距离上穿运营隧道的实测数据分析[J].浙江大学学报（工学版），2010，44（010）：1962-1966. （Zhu Lei， Huang Hongwei. Monitoring data analysis of disturbing effect caused by shield-driven over operating tunnel [J]. Journal of Zhejiang University（Engineering Science）， 2010，44 （010）： 1962-1966.（in chinese））