复杂环境下盾构进洞技术与施工工艺研究
0 引言
近年来, 随着经济建设的高速发展, 全国各大中型城市开始兴建地铁。其中, 上海作为国内特大型经济城市, 地铁线路区间主要分布在市中心以及交通繁忙区域, 但在城市密集区域和重要交通枢纽建设地铁, 不可避免地会遇到盾构需穿越已有建筑群基础、国家铁路网、多条市政管线等诸多情况。因此, 类似盾构穿越工程已成为目前国内乃至其他国家所面临的技术难题, 并且会伴随城市建设的发展逐渐增多, 是迫切需解决的工程难题。
上海轨道交通17号线中国博览会北站—虹桥火车站区间盾构先后下穿诸光路下立交、沪昆铁路、运营地铁2号线隧道, 均为盾构穿越工程中沉降较为敏感的结构类型。同时, 该区间盾构进洞均为复杂工况下的盾构进洞, 为提高进洞安全性, 上海地铁隧道扩径后首次采用水平冻结与钢套箱组合进洞施工工艺。
本文以上海轨道交通17号线中国博览会北站—小涞港中间风井—虹桥火车站区间盾构为工程研究背景, 通过理论分析、有限元数值模拟、室内试验、现场实测等综合研究方法, 研究在下立交、运营铁路、地铁及既有大型地下空间底板等复杂环境下穿越技术和进洞技术, 并且总结其施工方法及其规律, 为今后类似工程提供理论分析基础和实践指导。
1 工程概况
本区间线路出中国博览会北站后向东, 下穿规划诸光路下立交、诸光路人行地道及洋泾港驳岸后, 以R=1 500m, R=650m曲线调整向东南前行, 下穿小涞港、沪杭铁路路基段后, 以R=550m曲线调整, 下穿G15嘉闵高架、新角浦河、运行轨道交通2号线下行线后直行抵达虹桥火车站。
区间单线全长1 978m, 线路纵断面呈“V”字坡, 隧道顶埋深10.0～23.8m, 区间在中国博览会北站与小涞港风井区段设置1座联络通道, 在小涞港风井—虹桥火车站区段线路最低点设置1座联络通道及泵站。上、下行线盾构均从中国博览会北站向虹桥火车站推进, 如图1所示。
图1 区间隧道平面走向示意
Fig.1 The plan alignment of running tunnel
盾构出洞推进约46m开始穿越诸光路下立交及人行地道。诸光路下立交为明挖顺作现浇结构, 采用SMW工法桩围护, 桩长19.5～21.5m, 型钢已拔出。搅拌桩加固坑底至-5m。隧道顶距三轴搅拌桩约1.1m, 穿越段土层为④淤泥质黏土, 盾构轴线呈平面直线, 竖直向下变坡, 每环向下变坡0.4‰, 如图2所示。
图2 区间与下立交位置关系
Fig.2 The interval and underground interchange position
本区间上、下行线在里程SDK33+696.091附近穿越沪昆铁路, 区间隧道与铁路为45°夹角斜向穿越。沪杭铁路路基基础底埋深4.0m、标高1.230m。穿越区域隧道上、下行隧道平面距离27.8～31.4m, 隧道顶与沪杭铁路路基底净距为20.3m。穿越段隧道所处土层为⑤1层及⑥层, 如图3所示。
图3 区间与铁路位置关系
Fig.3 The interval and railway position
本区间上、下行线分别于里程SK34+021.280, XK34+078.037斜下穿运营轨道2号线下行线, 斜交夹角为14°～18°, 竖向距离约3.1m, 竖向坡度为26.984‰。下行线隧道交叠投影长度约为95m, 第1 244～1 323环;上行线隧道交叠投影长度约为52m, 第1 215～1 258环。本段拟建隧道所处的土层主要为⑤1层、⑥层和⑦1层, 土层断面多而复杂, 2号线和17号线穿越段大部分位于⑤1层, 属高压缩性土, 呈流塑～软塑状, 地基承载力差, 受扰动后沉降大、稳定时间长, 如图4所示。承压水位于⑦层, 应考虑承压水对穿越推进的影响。
图4 区间与2号线区间隧道平面位置
Fig.4 Plan position of the interval and subway line 2 running tunnel
本区间上、下行隧道在穿越完地铁2号线后, 紧接开始穿越虹桥火车站地下1层空间 (见图5) , 穿越里程为SK34+217.484—SK34+514.484, 约297m, 根据设计图纸虹桥火车站地下空间西侧端头围护结构为4.7m厚ϕ700双轴水泥土搅拌桩挡墙, 桩长14m, 桩底标高-12.000m。沿虹桥火车站纵向中间已施工3排ϕ700@500双轴搅拌桩进行隔离, 水泥掺量13%, 加固深度-4.150～-18.950m。在虹桥火车站地下空间底板下采用ϕ700@500双轴搅拌桩进行加固, 水泥掺量13%, 加固深度 -4.150～-6.950m。拟建隧道与地下空间底板最近垂直距离3.26m, 与底板下加固土最近距离0.5m。
表1 工程地质参数
Table 1 Engineering geological parameters
| 层号 |
土层 名称 |
层底埋 深/m |
层底标高/ m |
揭示层 厚/m |
黏聚 力c/ kPa |
内摩 擦角 φ/ (°) |
标准 贯入 N/击 |
比贯入 阻力 Ps/MPa |
渗透系数/ (cm·s-1) |
|
①1 |
人工填土 | 0.70～2.30 | 3.350～2.010 | 0.70～2.30 | — | — | — | — | — |
|
②1 |
褐黄～灰黄色 粉质黏土 |
2.60～3.50 | -1.450～0.800 | 1.00～1.90 | 23 | 15.0 | — | 0.97 | 3.0×10-6 |
|
②3 |
灰色砂质粉土 | 6.50～7.20 | -2.450～-2.890 | 3.60～4.00 | 7 | 26.5 | 6.2 | 3.52 | 4.0×10-4 |
|
③ |
灰色淤泥质 粉质黏土 |
8.80～9.50 | -4.700～-5.100 | 1.90～2.30 | 14 | 10.5 | — | 0.50 | 2.0×10-6 |
|
④ |
灰色淤泥 质黏土 |
14.50～15.30 | -10.180～-11.250 | 5.30～6.50 | 16 | 10.0 | — | 0.59 | 2.0×10-7 |
|
⑤1 |
灰色黏土 | 26.50～27.00 | -22.190～-22.950 | 11.50～12.40 | 18 | 12.0 | — | 1.02 | 5.0×10-7 |
|
⑥1 |
暗绿～草黄 色黏土 |
29.90～30.20 | -25.600～-25.950 | 2.90～3.70 | 47 | 16.0 | — | 2.84 | 2.0×10-7 |
|
⑦1 |
草黄～灰黄色 黏质粉土 |
40.50～41.50 | -36.180～-37.200 | 10.30～11.60 | 11 | 28.0 | 22.1 | 5.93 | 1.0×10-4 |
图5 区间与火车站地下1层空间平面位置
Fig.5 Plan position of the interval and train station under the ground floor space
2 工程地质参数
(见表1)
3 工程特点及难点
上海地铁扩径后, 首次应用水平冻结与钢套箱组合施工技术进洞, 钢套箱需重新设计加工, 水平冻结加固与钢套箱安装均需考虑洞门扩径因素, 无借鉴工程案例。另外, 现有国内盾构穿越地下建筑物底板基本处于短距离施工阶段, 且可通过对建筑物的直接变形监测获得有效数据;但当盾构需穿越大型地下空间建筑且穿越长度接近300m时, 施工难度较大, 目前国内可借鉴工程很少。
4 研究内容
本文以上海地铁17号线中国博览会北站—虹桥火车站区间为工程案例, 通过理论分析、现场实测的方法对敏感结构穿越和复杂工况进洞施工技术进行研究。
4.1 盾构下穿下立交施工技术研究
1) 盾构下穿诸光路下立交推进参数研究, 包括土压力、推进速度、同步注浆量、出土量等。
2) 盾构下穿诸光路下立交监测技术研究, 包括监测手段、监测频率、监测报警值、监测布点等。
3) 盾构下穿诸光路下立交推进参数与沉降分析, 包括土压力、推进速度、同步注浆量与结构沉降关系。
4.2 盾构穿越铁路施工技术研究
1) 穿越段沪昆铁路地基预加固技术研究, 包括加固形成、加固范围等。
2) 盾构下穿沪昆铁路推进参数研究, 包括土压力、推进速度、同步注浆量、出土量等。
3) 盾构下穿沪昆铁路监测技术研究, 包括监测手段、监测频率、监测报警值、监测布点等。
4) 盾构下穿沪昆铁路推进参数与沉降分析, 包括土压力、推进速度、同步注浆量与结构沉降关系。
4.3 盾构下穿运营地铁施工技术研究
1) 盾构下穿运营地铁2号线推进参数研究, 包括土压力、推进速度、同步注浆量、出土量等。
2) 盾构下穿运营地铁2号线监测技术研究, 包括监测手段、监测频率、监测报警值、监测布点等。
3) 盾构下穿运营地铁2号线推进参数与沉降分析, 包括土压力、推进速度、同步注浆量与结构沉降关系。
4.4 水平冻结与钢套箱组合进洞研究
1) 进洞洞门水平冻结施工技术研究, 包括冻结孔布置、冻结壁厚度、积极冻结时间。
2) 钢套箱施工技术研究, 包括钢套箱设计、制作安装。
表2 监测频率
Table 2 Monitoring frequency (次·d-1)
|
监测内容 |
切口前30m和 盾尾后50m |
盾构推进施工在盾尾脱出50m后 |
|||
|
变形速率>5mm/d |
变形速率1～5mm/d | 变形速率<1mm/d | 变形速率<0.5mm/d | ||
| 建筑物沉降 | 4.0 | 2.0 | 1.0 | 0.5 | 1/7或更长 |
3) 盾构吊装区域顶板加固技术研究, 包括加固形式、设计计算等。
5 实施过程与研究成果
5.1 盾构下穿诸光路下立交施工技术
5.1.1 盾构下穿诸光路下立交推进参数
1) 土压力设定
穿越前正面平衡压力P=k0γh, 理论值P=0.16MPa, 根据施工经验, 实际控制土压取0.18MPa。
穿越中正面平衡土压力:土压力按下立交结构自重产生的土压力增值P1与盾构上覆土产生土压力P2之和设定, 算得P1=0.054MPa, P2=0.064MPa, 土压力P1+ P2=0.12MPa, 实际控制土压力取0.14MPa。
2) 推进速度
控制推进速度始终2cm/min, 保证盾构机连续缓慢推进, 减少对周围环境的扰动。
3) 同步注浆量
土层为④淤泥质黏土层, 适量加大注浆量, 理论空隙=π (R2-r2) ×1.2≈2.08m3, 实际注浆取理论值的1.6倍。
5.1.2 盾构下穿诸光路下立交监测技术
1) 监测频率 (见表2)
2) 监测报警值
地表沉降:累计沉降≤10mm, 变化速率2mm/d (连续2d) ;下立交整体倾斜:≤2‰;人行地道结构变形:累计沉降值<10mm, 变化速率:2mm/d (连续2d) 。
3) 监测手段及布点要求
采用人工监测手段, 在结构上布置监测点 (见图6) 。区间盾构施工期间监测范围为盾构底埋深1.5倍范围内的建 (构) 筑物、管线等, 有特殊要求时监测范围应适当加宽;对于沿线建筑物的沉降、倾斜、裂缝测点, 沉降点在一侧墙面至少布设2个, 裂缝测点的布设尽量考虑建筑物的结构因素。
图6 监测布点
Fig.6 Arrangement of monitoring points
5.1.3 盾构下穿诸光路下立交推进参数与沉降分析
1) 土压力
盾构刀盘开始进入下立交时, 土压力设定为0.14MPa, 刀盘正前方结构沉降点单次隆起4.03mm, 隆起较大, 随后降低土压力为0.12MPa, 监测频率加密为1次/2h, 刀盘正前方结构变形逐渐平稳。穿越时上部土体被下立交结构置换, 并且下立交上部土体压力由下立交结构自身承担一部分, 土压力无法精确计算, 穿越此类结构土压力宜低不宜高, 并在刚开始穿越时加强监测, 迅速调整到合适的土压力。
2) 推进速度
实际施工过程中, 推进速度基本稳定在2cm/min, 此速度状态下易控制盾构机出土量、土压力等, 对周围环境扰动较小。
3) 同步注浆量
实际施工过程中, 由于穿越时下立交基本呈微隆起状态, 故调整同步注浆量为3m3, 穿越完成后下立交后期沉降较稳定, 故认为同步注浆量起到良好的充填效果。
4) 穿越后结构沉降曲线
穿越时, 下立交结构表现为隆起状态, 此时控制土压力为关键;穿越后, 下立交结构逐渐平稳下沉, 在前期同步注浆量充填充分的情况下, 下立交结构沉降逐渐趋于稳定, 如图7所示。
图7 竖向位移监测点变化曲线
Fig.7 Change curve of vertical displacement monitoring points
5.2 盾构下穿沪昆铁路施工技术
5.2.1 穿越段沪昆铁路地基预加固技术
盾构下穿前对运营铁路地基进行预加固, 主要从加固效果、铁路影响、盾构穿越3个方面进行综合考虑, 通过分析提出适合本工程的加固方案, 即高压旋喷桩与袖阀管联合加固方案。地基加固区域为铁路路基两侧采用高压旋喷桩 (双排) 形成水泥墙帷幕, 延长95.70m;桩径0.8m, 桩中心距0.6m (桩间互相咬合0.2m) , 桩长31.60m。高压旋喷桩帷幕间采用袖阀管注浆加固地基, 加固范围沿铁路方向长95.70m, 如图8所示。加固深度为盾构顶以上12m及盾构底以下2m范围内, 盾构隧道外1.5m范围不加固。
图8 铁路路基加固
Fig.8 Subgrade reinforcement for railway
5.2.2 盾构推进施工参数
1) 土压力设定
穿越前正面平衡压力P=k0γh, 理论P=0.36～0.37MPa, 根据施工经验, 实际控制土压取0.38～0.39MPa。
2) 推进速度
控制推进速度始终在2cm/min, 保证盾构机连续缓慢推进, 减少对周围环境的扰动。
3) 同步注浆量
穿越段隧道所处土层为⑤1层、⑥层, 理论空隙=π (R2-r2) ×1.2≈2.08m3, 实际注浆取理论值的1.5倍, 取3m3。
4) 出土量
理论出土量为43.07m3/环, 该阶段控制在98%, 即42.2m3。
5.2.3 盾构下穿沪昆铁路监测技术
1) 监测手段
由于沪昆铁路全线处于全封闭运营状态, 并且每日监测频次高, 人工常规监测难以完成此项工作任务, 所以要求必须在站内设置自动化监测系统对观测目标的水平、垂直位移进行监测。结合施工环境和地质情况, 本工程对铁路轨道及接触网立柱的监测方式采用全站仪自动化监测。NET05自动全站仪可自动照准目标。初始化时只要照准目标的大致方位, 瞄准和对焦工作便完全由全站仪自动完成。初始化后可自动观测目标。全站仪采用蓄电池蓄电, 实时控制、采集、储存测量数据, 同时通过数据线传送实时数据至办公室服务器进行计算和沉降数据输出。
2) 监测频率 (见表3)
3) 监测报警值
轨道竖向位移:累计量报警值±10mm;轨道水平位移:累计量报警值10mm;电化杆立柱竖向位移:累计量报警值±10mm;电化杆立柱水平位移:累计量报警值10mm;电化杆立柱倾斜0.5%。
4) 监测布点
考虑到轨道特点及监测环境的影响, 拟在铁路线路轨枕上各布设1排测点断面, 每10m设置1个观测点, 沉降监测点与水平位移监测点同点, 每条股道布置11个监测点, 共22个监测点。每根接触网立柱布置2个监测点, 监测范围内共4根立柱, 合计8个点。总计布置30个监测点、2个后视点。
5) 盾构下穿沪昆铁路推进参数及沉降分析
盾构刀盘在距离铁路>10m范围对铁路的变形影响较小。盾构在即将进入铁路时对土体的压力会使铁路出现一定的隆起变形, 当盾构穿越铁路线, 但盾尾尚未脱离铁路影响范围时, 轨道会出现一定沉降, 当盾构穿越铁路影响范围2周后, 铁路变形趋于稳定。
电化杆立柱倾斜较稳定, 最终倾斜率最大为0.24%。在前期沉降控制较好的情况下, 盾构提速至4cm/min, 当日有明显的沉降和位移, 后续恢复至2cm/min, 变化速率降低, 如图9所示。
表3 监测频率
Table 3 Monitoring frequency (次·d-1)
|
刀盘距铁路 线路30～20m |
刀盘距铁路 线路20～10m |
刀盘距铁路线路10m 至盾尾离开铁路线路10m |
盾尾离开 铁路线路10～20m |
盾尾离开 铁路线路20～30m |
盾尾离开 铁路线路30m以上 |
|
2 |
6 | 12 | 6 | 2 | 1 |
表4 土压力参数
Table 4 Earth pressure parameters
|
参数 |
环号 |
||||||
|
505 |
520 | 535 | 550 | 565 | 580 | 595 | |
|
重度γ/ (kN·m-3) |
17.6 | 17.6 | 17.6 | 17.6 | 17.6 | 17.6 | 17.6 |
|
黏聚力c/kPa |
14 | 14 | 14 | 14 | 14 | 14 | 14 |
|
内摩擦角φ/ (°) |
14.5 | 14.5 | 14.5 | 14.5 | 14.5 | 14.5 | 14.5 |
|
覆盖土厚/m |
27.518 | 27.357 | 27.719 | 26.918 | 26.516 | 26.046 | 25.514 |
|
静止土压力系数 (k0) |
0.75 | 0.75 | 0.75 | 0.75 | 0.75 | 0.75 | 0.75 |
|
静止土压力/MPa |
0.363 | 0.361 | 0.366 | 0.356 | 0.350 | 0.344 | 0.337 |
图9 竖向位移监测点变化曲线
Fig.9 Change curves of vertical displacement monitoring points
5.3 盾构下穿运营地铁施工技术
5.3.1 盾构下穿运营地铁2号线推进参数
1) 土压力
盾构穿越前土压力:理论土压力P=0.39MPa, 根据以往施工经验, 实际土压力0.41MPa。
穿越中土压力参数如表4所示。
上部2号线隧道结构自重增加压力0.026MPa, 2号线结构置换土体减少压力0.072MPa, 每环压力差-0.046MPa。
2) 推进速度
盾构距离2号线隧道较近, 为减少扰动, 控制速度在10～20mm/min。
3) 同步注浆量
每环理论同步注浆量:1.2×π× (6.762-6.62) /4=2.01m3, 按建筑空隙的130%～180%计算, 即每推进一环同步注浆量为2.61～3.62m3。
4) 出土量
每环理论出土量为:1.2×π×6.762/4=43.07m3。每环实际出土量为理论出土量的98%, 即每环出土量为42.21m3。
5.3.2 盾构下穿运营地铁监测技术
隧道垂直位移电水平尺自动化监测:在2号线下行线监测范围中部246m的隧道内, 以2号线虹桥火车站向西205环作为第1个测点起算, 沿轨道交通2号线下行线路纵向240m范围内, 由2.4m/3m长电水平尺96支首尾相连构成总长240m监测线 (8把×3m/把+80把×2.4m/把+8把×3m/把=240m) 。
隧道直径收敛自动化监测:在2号线下行线共线监测范围区域120m内以10环 (12m) 间隔安装激光测距仪, 共计安装11台激光测距仪。
5.3.3 盾构下穿运营地铁推进参数与沉降分析
1) 土压力
实际穿越过程中, 土压力比计算土压力小0.04～0.05MPa, 这是因为2号线隧道自身承担一部分上部传来的土压力, 故穿越时土压力宜低不宜高。
2) 推进速度
上、下行线盾构穿越理论速度为影响段推进速度, 均控制在2cm/min左右, 正下方穿越速度控制在1cm/min左右, 实际推进过程中速度在1～2cm/min, 当电水平尺数据呈上抬趋势时, 适当降低推进速度, 穿越过程中推进速度最低为0.8cm/min、最高为2.2cm/min。
3) 同步注浆量
实际推进过程中, 盾构在正下方穿越期间注浆量控制在3～3.2m3, 若注浆不足, 则盾尾后沉降较明显。
4) 注浆流量
实际推进过程中, 注浆流量对盾尾后电水平尺影响较大, 必须将注浆流量控制在0.45～0.55m3/min, 若流量过大, 盾尾后快速隆起, 推进过程中要求维持注浆流量稳定, 保持从开始推进到推进结束均匀注浆。
5) 结构沉降控制
拼装过程中采取分块拼装、分块卸千斤顶形式, 保证在拼装过程中土压力不会有较大下降, 并且在拼装结束后将千斤顶重新顶压, 保证在停止推进期间刀盘土压力与推进过程中土压力基本一致;各项参数调整优化后, 电水平尺数据仍持续隆起的情况下, 盾构机宜停推, 待沉降曲线稳定后再恢复推进。2号线隧道穿越过程中呈上抬趋势, 最大变化量累计值为2mm, 穿越结束后缓慢下沉, 曲线稳定后整体较为平滑, 数据在-0.2～1.5。
5.4 水平冻结与钢套箱组合进洞施工技术
5.4.1 进洞洞门水平冻结施工技术
进洞区域上部为地下1层结构, 不具备地面垂直冻结条件, 因此提出水平冻结加固方案。
冻结孔分3圈布置, 单个盾构进洞共布置59个水平冻结孔。进洞口中心布置1个冻结孔, 从进洞口中心向外布置3圈冻结孔。第1圈圈径2.9m, 孔数8个, 孔间距1.1m, 进入土层深度1.8m;第2圈圈径5.7m, 孔数16个, 孔间距1.112.m, 进入土层深度1.8m;第3圈圈径8.4m, 孔数34个, 孔间距0.8m, 进入土层深度2.8m。
5.4.2 钢套箱施工技术
钢套箱长11.6m、内径7.1m, 整个钢套箱由6节组成, 包括1节调整环、4节标准环和1节后端盖。其中, 调整环用于套箱与洞圈的连接部分, 长1m, 分为上、下2个半环, 与洞门钢圈采用焊接连接, 与后部钢套箱标准环采用螺栓连接。根据进洞线形, 调整环上长1 000mm、下长943mm, 呈5‰下坡趋势。标准环共有4节, 单节长2.5m, 下部设有支座。每节均可分为上、下两半, 由螺栓连接, 标准段彼此之间采用螺栓连接成整体, 每节标准环设置1个填料口、2个泄压孔。后端盖用于封闭钢套箱, 并承受反力系统支撑的部件, 两半式设计, 与标准段第4节螺栓连接, 长0.6m。为保证钢套箱密闭性, 钢套箱环缝、纵缝均设有挡水条防水层。钢套箱安装需考虑轴线因素, 因此, 调整环与内衬呈一定夹角, 具体角度根据进洞轴线而定。
6 结语
1) 通过理论分析与施工监测技术研究, 形成了盾构穿越敏感建 (构) 筑物监测与推进施工技术, 以及在复杂工况条件下的水平冻结和钢套箱组合进洞施工技术总结, 为后续类似工程提供施工依据。
2) 基于复杂工况中通过预先对盾构进洞参数包括土压力、推进速度、同步注浆量、出土量等研究以及监测技术如监测手段、监测频率、监测报警值、监测布点等研究, 再通过现场实施过程控制对研究内容进行对比, 形成复杂工况下进洞施工工艺, 明确适宜的冻结加固形式, 提出钢套箱设计计算方法及安装方法, 提出盾构在既有结构顶板吊装的顶板加固设计方法。同时, 根据水平冻结与钢套箱组合进洞施工的具体参数与工艺要求, 形成完整的水平冻结加固与钢套箱组合进洞施工工艺。
3) 随着社会城市化进程的推进、轨道交通建设的高速发展, 盾构穿越和进洞环境越来越复杂化。本文研究总结的监测方法、盾构推进参数控制、沉降控制方法、钢套箱设计制作、水平冻结与钢套箱组合进洞施工流程等, 是基于事实案例的一整套盾构穿越和进洞施工技术, 适应目前盾构工程的发展趋势, 具有良好的经济和社会效益。
参考文献
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