上海地鐵區(qū)間隧道(2)

1、上海地鐵區(qū)間隧道直徑6.34m土壓盾構施工(2) 上海申通軌道交通研究咨詢有限公司 傅德明 7.3 盾構穿越運營地鐵隧道及保護技術7.3.1 地鐵2號線盾構穿越1號線運營隧道施工地鐵2號線人民公園站河南路站區(qū)間隧道施工中，盾構出洞段需穿越營運中的地鐵1號線區(qū)間隧道。盾構出洞后僅12m距離與地鐵1號線隧道呈85°斜交，且1號線隧道底部與2號線隧道頂部間距僅為1m，隧道埋深達20.6m，見圖18。圖18 盾構穿越地鐵1號線示意圖  地鐵1號線隧道在2號線車站建造過程中已下沉12mm，其累計沉降量不能超過15mm。為此，盾構穿越1號線隧道時沉降必須控制在3mm以內(nèi)；地鐵1號線隧道

2、底部已采用多種方法進行加固，有水泥水玻璃雙液漿、聚氨酯漿的分層注漿以及旋噴水泥注漿等。 盾構出洞后即進入加固區(qū)，并受鄰近商業(yè)建筑物以及地鐵1號線隧道的影響，增加了施工參數(shù)準確設定的難度。盾構的土壓力設定為0.23Mpa（Po=k。h。=0.7×0.18×17.5=0.22Mpa）。每環(huán)出土量控制在理論值的95%左右，掘進速度控制在1cm/min加注發(fā)泡劑或水等潤滑劑，減小刀盤所受扭矩，同時降低總推力。加強對地鐵1號線的監(jiān)測，及時優(yōu)化調(diào)整掘進施工的參數(shù)，做到信息化動態(tài)施工管理。合理控制注漿量，控制地鐵1號線隧道以及地面的沉降。沉降控制在3.5mm左右。7.3.2 地

3、鐵7號線下穿1號線運營地鐵隧道地鐵7號線常熟路站肇嘉浜站區(qū)間隧道從常熟路站南端頭井出洞后18m與地鐵一號線隧道呈79°斜交下穿，最小凈間距為1.4m。隧道交疊的投影長度上行線約為22米，環(huán)號為1432，下行線投影長度約為20米，環(huán)號為1329。區(qū)間隧道最大縱坡為4，隧道中心最低標高-21.031m，最高標高約為-17.441m，隧道上部覆土厚度17m22m。，見圖18 所示。下行線穿越施工后45個月上行線穿越施工。穿越段土層主要由飽和粘性土、粉性土以及砂土組成，主要土層的物理力學指標如表1.3所示。地鐵1號線隧道所處的土層主要為淤泥質(zhì)粘土層、1-1灰色粘土層，本工程隧道所處的土層主要

4、為1-1灰色粘土層，1-2灰色粉質(zhì)粘土層。 圖18 地鐵7號線隧道與地鐵1號線隧道關系剖面圖表8 盾構穿越1號線地鐵的土層物理力學性質(zhì)參數(shù)表層序含水量/w %重度 KN/m3孔隙比e直剪固快 壓縮系數(shù)a0.1-0.2MPa-1壓縮模量ES1-2MPa內(nèi)聚力C/kpa內(nèi)摩擦角°32.718.30.9720180.464.65145.817.21.261118.50.962.44t35.818.30.950.238.44149.716.81.4111131.112.311-136.517.91.031613.50.563.711-233.218.00.981422.50.414.9642

5、1.319.80.644618.50.256.76 圖19、20為7號線上、下行線盾構推進過程中引起的1號線隧道的隆沉變化歷時曲線圖。從圖中可以看出，當盾構離隧道15m至盾尾通過時，隧道呈逐步向上隆起，上下行線最大隆起量分別為+1.39mm和+2.09mm；盾尾脫出后下沉，30天后的沉降值在-1mm內(nèi)，見圖20所示。隆沉量均滿足既有隧道結構縱向沉降與隆起±5mm的要求。7#上a) 1號線下行線(9月10日刀口到達，11日盾尾脫出)7#上b) 1號線上行線(9月12號刀口到達，15日盾尾脫出)圖20 7號線上行線推進引起1號線的豎向變形曲線 圖21 1號線下行線與7號線上、下行線交點變

6、形時程曲線 盾構穿越運營隧道掘進施工采用了信息化施工、降低推進速度、降低設定土壓值、隧道壁后多次補壓漿的技術措施。推進速度從3.5cm/min降到1.5cm/min2.5cm/min。密閉土艙的設定土壓值在穿越隧道中從0.25Mpa逐步下降至0.2Mpa，見圖22所示。同步注漿量控制在22.5m³/環(huán)，充填率為150%180%見圖23所示。推進方向圖22 7號線推進過程中土倉壓力設定值圖23 7號線推進過程中注漿量設定值圖24為1號線的長期沉降曲線圖。從圖中可以看出，7號線穿越施工結束后130天內(nèi)，既有1號線的豎向變形呈現(xiàn)出波浪形的變化，并未出現(xiàn)一致的隆起或沉降，但既有1號線的最大絕

7、對豎向變形量±1.5mm，相對施工期的最大變形幅度為3.89mm，不影響既有線路的正常運營。結合盾構穿越期間既有線的變形可知，施工期變形大的測點其長期變形量也較大，如1號線上、下行線與7號線下行線交點在施工期和后期的最大豎向變形量分別為+1.38mm、+2.07mm和-1.13mm、-1.6mm。7#上7#下圖24 1號線下行線橫向長期沉降曲線圖8雙圓型土壓盾構施工2003年，上海地鐵8號線開魯路站嫩江路站翔殷路站黃興綠地站3區(qū)間隧道工程，采用雙圓盾構法施工，全長2688m。2004年地鐵6號線7區(qū)間隧道也采用了雙圓盾構法施工。2007年，地鐵10號線和2號線東延伸段5區(qū)間隧道又采用

8、了雙圓盾構法施工。上海地鐵工程先后從日本引進4臺F6520mm×W11120mm加泥式土壓平衡雙圓盾構掘進機，已完成隧道掘進15km。8.1 雙圓隧道管片制作和結構試驗隧道結構采用預制鋼筋混凝土管片，錯縫拼裝。管片縱、環(huán)向連接采用球墨鑄鐵預埋手孔結合短螺栓形式，縱、環(huán)向螺栓尺寸為M27。接縫防水均采用遇水膨脹橡膠止水條。每環(huán)由圓形管片A（8塊）、大海鷗形管片B（1塊）、小海鷗形管片C（1塊）及柱形管片D（1塊）共11塊管片構成。管片內(nèi)徑F5700mm，外徑F6300mm，環(huán)寬1200mm，中心間距4600 mm，見圖25所示。DOT隧道管片基本參數(shù)：混凝土強度等級C50，抗?jié)B等級P1

9、0，粗骨料粒級525mm,細骨料細度模數(shù)f2.33.0，水泥為P.O42.5，粉煤灰為低鈣級灰，外加劑為高效減水劑，管片中預埋件為球墨鑄鐵，材質(zhì)為FCD500。 管片采用高精度鋼模澆筑預制，單塊管片成型精度如下：管片外半徑公差： 0+2mm 管片內(nèi)半徑公差： ±1mm寬度公差： ±0.5mm 內(nèi)外弧弦長公差： ±0.5mm螺栓孔直徑與孔位相對位置公差： ±1mm對角線公差： 1mm 圖25 雙圓隧道襯砌結構和管片分塊雙圓隧道管片均采用短螺栓的拼接形式，與一般隧道管片的最大區(qū)別是管片接頭部分采用大量的預埋件，管片上設置了球墨鑄鐵（材質(zhì)為FCD-500）預埋

10、件（見圖5-18），用于管片環(huán)與環(huán)間和塊與塊間的連接，這是首次在隧道襯砌中采用的新型連接形式。圖27 管片水平拼裝 圖26 球墨鑄鐵預埋件 圖28 雙圓隧道襯砌結構荷載試驗 雙圓隧道管片試生產(chǎn)后，進行3環(huán)試拼裝，以檢驗管片制作的質(zhì)量，主要測縱縫間隙、環(huán)縫間隙、成環(huán)后內(nèi)徑和外徑的偏差，見圖27所示。為掌握雙圓隧道襯砌結構受力情況，進行了雙圓隧道襯砌結構1:1荷載試驗，見圖28所示。取得大量結構應力和變形實測數(shù)據(jù)，并驗證了隧道管片的制作質(zhì)量。8.2 雙圓型土壓盾構掘進施工2003年8月9日，中國第1臺雙圓盾構掘進機在黃興路車站工作井始發(fā)推進，結合工程施工，分別進行并完成了盾構進出洞技術、雙圓襯砌拼

11、裝、盾構軸線控制、施工參數(shù)調(diào)整優(yōu)化、地層沉降控制等攻關研究，在國內(nèi)首先形成一套雙圓盾構隧道掘進施工工法。 隧道最大坡度28，最小平曲線R=495m，隧道覆土5.212m。 盾構主要穿越土層：灰色粘質(zhì)粉土、灰色砂質(zhì)粉土、灰色淤泥質(zhì)粘土，隧道工程平剖面圖見圖29所示。 圖29 雙圓盾構隧道工程平剖面圖雙圓盾構采用輻條式刀盤，正面設定土壓與盾構切口地層變形關系更直接、反應更靈敏、更迅速。設定土壓值0.15Mpa0.25Mpa，大于靜止土壓0.03 Mpa0.06Mpa，為垂直土壓值的0.80.9倍，比面板式刀盤的單圓土壓盾構略大。盾構總推力 一般控制在12000kN17000kN之間，小于2臺單圓土

12、壓盾構的推力。正常掘進時左右刀盤扭矩基本控制在額定扭矩的20%左右。雙圓盾構平面、高程控制方法基本與單圓盾構相同，但對管片旋轉控制有其特殊技術。主要利用左或右側盾構千斤頂推力的調(diào)整進行糾正。但由于盾構機寬度相對較大，在左右側千斤頂推力差相同的情況下產(chǎn)生的力矩也更大。為此，盾構平面控制的靈敏度較高，故在工程施工過程中需對盾構平面姿態(tài)隨時監(jiān)控并不斷調(diào)整。高程控制主要利用上下盾構千斤頂推力的調(diào)整進行糾正。為防止可能出現(xiàn)的盾構機“磕頭”現(xiàn)象，在盾構機下部設置了12個大推力千斤頂。左右圓隧道高程差（即盾構轉角）較大時，將導致左右圓盾殼與管片間的間隙出現(xiàn)對角無間隙現(xiàn)象?？刂茣r需對盾構高程和盾構轉角兩個因素

13、進行綜合考慮。隧道襯砌由十一塊預制鋼筋混凝土管片拼裝而成，雙圓盾構由于斷面較寬，管片拼裝需由二臺拼裝機作業(yè)完成。圖30 雙圓隧道拼裝順序順序先下部海鷗形管片 二側標準管片（同步完成，先下后上） 上部海鷗形管片 中間立柱。見圖30所示。 雙圓盾構尾部的建筑空隙為110mm，比單圓盾構多40mm。2根同步注漿管設在盾構中心頂部和底部，采用雙液快凝漿，注漿率為180%-200%； 同步注漿的漿量 上部注70%-80%，下部注20%-30%。雙圓隧道的襯砌拼裝在初期施工時化費較長時間，熟練掌握后拼裝1環(huán)在1小時以內(nèi)，1天的掘進速度可達8m,長840 m的第一條區(qū)間隧道掘進施工化了110天。雙圓盾構掘進

14、施工和進洞見圖31所示。8.3 雙圓型土壓盾構掘進和地層沉降控制雙圓盾構推進對周圍土體的影響規(guī)律與單圓盾構較為相似，見圖31所示。盾構到達前10m至切口到達，推進軸線地表呈上隆，隆起量小于4mm，比單圓盾構小些，說明開口率大的輻條式刀盤對地層的擠壓影響小于開口率小的面板式單圓盾構。盾構通過時對地層影響很小，保持在+2mm+4mm范圍內(nèi)。盾尾脫出后的2天內(nèi)沉降較大，可達15mm，比單圓盾構大些，這是由于盾尾建筑空隙有100mm，比單圓盾構多了30mm，且雙圓盾構上部殼體易背土，加大了地層損失，盡管注漿率大于200%。后期固結沉降與單圓隧道相同，時間較長，沉降速率較小。橫向地表變形影響區(qū)域主要集中

15、在軸線兩側2倍盾構寬度(2W)范圍內(nèi)，見圖32所示，與單圓隧道相同。 圖31 雙圓隧道施工地表沉降歷時變化圖圖32 雙圓隧道地表沉降槽變化圖地層土壓力隨盾構的逼近逐步增加，切口到達時達到最大，盾尾通過后緩慢減小，見圖33所示。土壓力的增量0.03Mpa0.07Mpa，說明盾構施工對周圍地層有擠壓影響。土體受盾構施工影響發(fā)生變形位移，實測土體變形見圖34所示。切口前方土體在切口逼近時產(chǎn)生遠離盾構方向的水平移動，離盾構位置越近，水平位移越大，切口前方土體在切口逼近時產(chǎn)生隆起或者下沉，盾構上方的土體在盾構殼體上部時隆沉變化不大，盾構通過后產(chǎn)生比較明顯的沉降。圖33 雙圓盾構施工中地層土壓力實測歷時變

16、化圖上海地鐵6號線全長33公里，全部位于浦東新區(qū)，其中高架線12公里，地下線21公里；其中位于張楊路下的7個區(qū)間隧道5.6km采用3臺雙圓盾構掘進機施工。在民生路站源深體育中心站區(qū)間隧道盾構推進184環(huán)200環(huán)范圍內(nèi)，將穿越一根三孔鋼筋混凝土原水管涵。 源深體育中心站世紀大道站區(qū)間隧道施工過程中，在張楊路、福山路交叉路口東南角，雙圓盾構機將從一民房下方穿過，民房與盾構機的最小凈距僅為1.03m。隧道平面曲線為R420m；隧道豎曲線為R5000m。盾構推進主要位于粘質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和淤泥質(zhì)粘土三層土中。該段覆土約5.3m 。 實際推進時施工參數(shù)土倉壓力取0.9HMPa，推進速度平均為1.2

17、cm/min，同步注漿量為312%左右，同時實施了多次少量的二次補壓漿。實際測量樓房的底板沉降最大只有-5mm，隧道軸線處D15測點的最終沉降為-2.133mm，隧道兩側的D13和D17的最終沉降幾乎接近零。 8矩形盾構掘進施工8.1 地鐵車站過街人行地道1995年8月上海隧道工程公司開展矩形隧道掘進施工技術研究和試驗工作，在消化吸收日本矩形盾構技術的基礎上，研制1臺2.5m×2.5m可變網(wǎng)格式矩形隧道掘進機，并在1996年2月完成了60m工程推進試驗。圖2.1 2.5m×2.5m可變網(wǎng)格式矩形掘進機及工程試驗圖2.1 2.5m×2.5m可變網(wǎng)格式矩形掘進機及工程

18、試驗 1998年2月，地鐵2號線陸家嘴站5號出入口地下人行通道工程需穿越建成運營的延安東路隧道引道和陸家嘴路，長62.25m，經(jīng)比選，采用了矩形掘進機施工方案。隧道結構采用2m長的鋼筋混凝土管節(jié)，內(nèi)凈尺寸3m×3m，壁厚400mm，共2條隧道，隧道間凈距2.2m，隧道覆土5.3m，見圖所示。1999年3月，研制了一臺 3.8m×3.8m組合刀盤式土壓平衡矩形掘進機（見圖2.2）。頭部切削機構由圓形大刀盤和正反2把仿形刀組成，螺旋機出土 表 3.8m×3.8m矩形隧道掘進機主要工作參數(shù)1斷面尺寸3828mm×3828mm2長度3920mm-4920mm3額

19、定推力20000kn4推進速度0-10mm/min5糾偏角度1.8º6刀盤轉速0-1.6r/min7刀盤扭矩1011kn·m8螺旋機轉速0-15r/min9螺旋機扭矩21.2kn·m10排土量42m³/h11主頂進推力25000kn12主頂進行程1450mm針對矩形隧道掘進機施工中可能出現(xiàn)的機頭背土、旋轉、軸線不易控制、全斷面切削和頂力大等難點，采取了以下技術措施： 利用大刀盤及正反兩把仿形刀完成矩形斷面的全斷面切削； 通過對機頭頂部壓漿等措施解決矩形掘進機機頭背土問題； 利用刀盤的正反轉及壓漿糾轉法解決了矩形掘進機機頭旋轉問題； 利用糾偏裝置和壓漿糾偏

20、兩種方法對頂進軸線進行糾偏差控制等。圖2.2 3.8m×3.8m組合刀盤式土壓平衡矩形掘進機1999年4月6月，3.8m×3.8m組合刀盤式土壓平衡矩形隧道掘進機在陸家嘴路下5m順利完成2條54m長的地下人行通道，離延安東路隧道引道底板不到1m。日掘進速度達5m/d，最高達8m/d。在掘進施工中，采取措施防止機頭背土，控制了機頭旋轉，隧道軸線偏差控制在5mm以內(nèi)，旋轉控制在±5º。以后，又陸續(xù)完成了上海地鐵4號線浦東南路站過街人行地道、昆山市長江南路地下人行通道和上海上中路箱涵排管等多項工程。 36m×4m偏心多軸式刀盤土壓平衡矩形隧道掘進機的

21、研制和工程應用2002年11月上海隧道工程公司在消化吸收日本異型盾構技術的基礎上，設計制造了一臺截面尺寸1.2m×1m馬蹄形的偏心多軸刀盤式掘進試驗機進行了模擬掘進試驗 ，掌握了切削掘進原理及相關技術參數(shù)。2003年上海隧道工程股份有限公司針對不同土層的性質(zhì)和技術參數(shù)，進行了偏心多軸刀盤式掘進機的切削性能和相關技術參數(shù)的針對性模擬試驗，通過模擬試驗和設計研究，在原有的矩形隧道掘進應用工程的基礎上，研制了一臺6m×4m偏心多軸式刀盤土壓平衡矩形隧道掘進機（見2.5），該掘進機在寧波市開明街-藥行街地下通道和地鐵車站過街人行地道等多項工程中得到應用。圖3 4m×6m偏

22、心多軸雙刀盤式土壓平衡矩形隧道掘進機總體圖。 表 4m×6m 矩形隧道掘進機主要工作參數(shù)4m×6m偏心多軸雙刀盤式土壓平衡矩形隧道掘進機采用兩個單獨的刀盤切削土體，并擋住開挖面土體，有效防止正面土體倒坍，刀盤采用兩套閉式液壓系統(tǒng)進行驅(qū)動，由每套為四組的偏心驅(qū)動裝置分別驅(qū)動兩個刀盤進行相同或相反方向運轉，利用調(diào)整螺旋機的轉速及頂進速度來控制土倉的土壓力，以保持開挖面的穩(wěn)定。它由主頂進推動機頭向前運動。機頭分成前后二段，中間由糾偏千斤頂聯(lián)接，有利于機頭的姿態(tài)控制，以保證隧道軸線的偏差能控制在設計范圍內(nèi)。圖2.4 偏心多軸刀盤式樣機 圖2.5 6m×4m偏心多軸式刀盤土壓平衡矩形掘進機及應用工程 螺旋輸送機在土壓平衡掘進過程中起著重要作用，其功能是將掘進機土倉內(nèi)已開挖的土排出，通過調(diào)整螺旋機的轉速來控制排土量，維持工作面的土壓平衡，以防止和盡量減少地面沉降或隆起。螺旋輸送機的入口位于盾構土倉隔板的底部，前端槽體為前殼體的一部分，其內(nèi)壁堆焊耐磨硬質(zhì)合金，后端用法蘭與中段槽體連接，螺桿由空心軸和螺旋葉片組成，螺旋葉片繞制在空心軸上，螺桿上部由三排圓柱滾子組合轉盤軸支承，采用液壓馬達