叠交隧道盾构相向推进施工中的关键技术

1工程背景
上海市轨道交通L10从空港一路站至上海动物园站上行线长1861.456m（1552环），下行线长1856.871m（1548环），区间隧道由2台盾构机先后由上海动物园站西端头井及空港一路站东端头井出洞，相向掘进。工程总体筹划图见图1。下行线隧道在1191～1272环处上穿上行线隧道，叠交区域上行线相应环号为276～359环。隧道叠交施工时，上行线（即下部隧道）已经施工完成，整个穿越过程为下行线隧道（即上部隧道）穿越上行线隧道，隧道边线间距为5.2～3.5m。下行线隧道断面地层为④灰色淤泥质黏土层，上部局部涉及③灰色淤泥质粉质黏土层。上行线隧道断面上部地层为⑤1－1灰色黏土层，下部地层为⑤2灰色粉砂夹黏性土。上行线穿越该区域中心覆土埋深约为20m，下行线穿越该区域中心覆土埋深约为13m。


2风险分析
2.1隧道相向掘进施工影响
盾构相向掘进对于周边土体存在相向剪切，土体扰动要比常规同向掘进大得多。如此的施工顺序，在上行线穿越区域土体尚未完全固化、隧道沉降尚未完全稳定的情况下，相向掘进施工对下部隧道及地面环境的影响比常规穿越施工大。
2.2叠交施工线型条件对盾构推进的影响
本次叠交施工上行线隧道先行施工，下行线隧道叠交穿越由平行掘进，逐渐缩小与上行线隧道边线净距到上、下叠交，最后由上、下叠交状态逐渐恢复到平行状态。在这个过程中，隧道间距由平行5.25m到上、下叠交最小3.48m，再到平行5.06m（见图2）。在这个变化过程中，下行线盾构机切口平衡土压力可能产生局部欠压（靠近上行线一侧），对于下行线盾构推进的轴线控制带来一定的难度，掘进轴线容易产生较大偏差。


另外，先完成的上行线隧道尚处在稳定期，后施工的下行线隧道需要实施叠交穿越施工，给施工带来一定的难度。如土压力设定过高，容易导致对上行线隧道轴线产生挤压引起上行线隧道轴线平移；若为了控制上行线隧道水平偏移，将土压力设定适当降低，则可能带来一定程度的超挖，给穿越区域上方建筑物沉降带来一定的风险。同样，同步注浆也是如此，按照正常的同步注浆量，将对上行线隧道轴线带来一定挤压而使轴线偏移；若降低同步注浆量，则对地表建筑的保护带来沉降风险。
2.3叠交施工对地面环境的影响
下部隧道（上行线）断面土层涉及⑤2灰色粉砂夹黏性土，上部隧道（下行线）断面土层涉及③灰色淤泥质粉质黏土层。此2种地层流变性强，灵敏度高，在动力作用下土体结构易液化破坏，强度降低，后期沉降时间较长，沉降幅度较大。因此叠交施工须考虑已建隧道的变形情况，在一定程度上比常规掘进带来更大的地层损失，加剧穿越区域上方建筑物的沉降。
3施工控制技术
3.1施工控制总体思路
1）上下叠交隧道的施工顺序确定为先下后上，将2条隧道相互的施工影响缩至最小。
2）在施工下部隧道时，必须严格控制地面变形，确保隧道稳定，为上部隧道施工提供良好条件。
3）在施工上部隧道时，合理控制施工参数，尽量减少对下部隧道的影响，实施对下部隧道监测，以反馈隧道间的相互影响程度，从而采取措施保证隧道的安全。
4）施工完毕后，对隧道进行注浆和跟踪监测，保证隧道的后期稳定。
3.2分阶段控制区划分技术
根据盾构实际工况特点，设定一段20环的推进试验段，以上行线隧道前一倍覆土埋深范围（约10m）设为穿越段开始，直至盾尾离开已建隧道前一倍覆土埋深范围设定为穿越段，穿越段共117.214m（共98环）。
3.3盾构机和管片特殊技术
为防止盾构穿越过程中盾构机壳体部位下部隧道上浮量过大，盾构机始发前在盾构本体腰部和盾尾各增开6个注浆孔，沿圆周均匀分布，用2英寸（1英寸=25.4mm）优质球阀密封。穿越过程中盾构机壳体对应下部隧道出现上浮，上浮量超过5mm，可通过壳体增开注浆孔压注双液浆，控制下部隧道上浮量。
为有效控制盾构穿越前后的地面及已建隧道的沉降和位移，在穿越区及前后2倍隧道直径范围内管片上适当增加注浆孔数量，每环管片增开8个注浆孔，邻接块及落底块分别增开2孔，标准块增开1孔。
3.4穿越试验段施工
在推进试验段，主要就土压力、推进速度、出土量、注浆量和注浆压力设定与地面沉降关系进行分析，掌握区间盾构推进土体沉降变化规律以及摸索土体性质，以便正确设定穿越已建隧道的施工参数和采取相应措施减少土体沉降，保证已建隧道的安全。
3.5叠交相向穿越段施工
1）严格控制设定土压力。土压力计算按照常规正面平衡压力计算公式计算，平衡压力单次调整幅度控制在0.005MPa/次。
2）严格控制盾构姿态。穿越过程中，在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，尽可能使盾构匀速、直线通过，尽量避免纠偏，以免造成过大的地层损失。预先计算好每环的楔子量，在盾构推进时预先控制。遇纠偏时不急纠、不猛纠，单次平面纠偏量控制在5mm/环内，单次高程坡度纠偏量≤0.1%。
3）同步注浆和二次补压浆。同步注浆采用大比重厚浆浆液，下穿叠交施工同步注浆量设定根据监测数据随着盾尾到达慢慢下调，随着盾尾离开慢慢上调的过程，二次补压浆根据监测数据和实际要求，进行跟踪注浆。
4）隧道内压重。上穿过程中,为防止已建隧道上浮,在施工隧道内进行压重（见图3）。


3.6穿越后的加固措施
1）注浆加固范围。上行线加固起止268～367环，加固壳的厚度为1.5m。下行线加固起止1180～1282环，重叠段加固范围为下部隧道中心水平线以上及下行线隧道中心水平线以下部分，上行线注浆孔数为8个，下行线注浆孔数为7个。加固壳的厚度为2m（见图4）。加固指标为0.15～0.20MPa。
2）注浆材料。采用双液浆，初凝时间控制在30～60s，体积收缩率＜5%。水玻璃波美度为35。加固土水泥掺量（重量比）为5%～6%，水灰比一般为0.6～0.7。
3）注浆加固顺序。叠交隧道注浆施工应在上、下行线隧道推进结束后进行，注浆时先进行上行线隧道注浆施工，再进行下行线注浆施工。同一孔内采用从外到内的方式进行分层注浆，上行线隧道每次拔管长度375px，下行线隧道每次拔管长度500px。同一衬砌环内不同注浆孔的注浆保持对称平衡。一般情况下，隧道纵向注浆顺序采取隔环跳打的方式，每环一次施工1～2孔，每2个施工环间隔4环。特殊情况下应根据上、下行线隧道监测数据适当调整。
3.7施工监测
1）地表沉降监测。地表每隔4环布设地表沉降点，在穿越段布设2个监测断面，断面共设置9个监测点。断面点距隧道分别为3、6、15、20m（包括轴线点），断面点保证至少3个地表深层点。
2）上行线隧道垂直沉降监测。叠交穿越上行线隧道环号为276～359环，考虑下行线上穿影响，上行线隧道垂直沉降监测采用人工监测，将监测布点范围放大2倍直径，即监测环号为265～370环，每隔5环布设垂直位移沉降监测点，监测点位布置于拱底块。
4实施效果
1）周边建筑物沉降情况。周边建筑物沉降基本控制在-30mm以内（见图5）。




2）上行线隧道垂直位移监测数据。上行线垂直位移表现为上浮，上浮量基本控制在10mm以内。
3）下行线隧道轴线数据。下行线隧道轴线控制在0～+40mm之间。5结语在整个叠交穿越施工过程中，由于施工筹划合理，技术措施到位，使穿越工程取得圆满成功。通过总结穿越的施工经验，对于以后相向叠交穿越，在前期设计上应平衡地表环境与穿越隧道施工质量控制之间的关系，尽量避免将叠交穿越区域设置于建构筑物下方。在施工监测手段上，尽量采用自动化对穿越隧道实施监测，提高施工控制的精度。有可能的情况下，在叠交隧道施工前对叠交区域预先进行水泥土加固，减少叠交施工对隧道质量及地表环境的影响。