盾构近距离上跨既有运营地铁隧道施工控制技术研究

蔺云宏

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广州 510010）

随着城市建设的不断深化，城市地下空间的开发与利用越来越受到重视［1］，特别是在城市市政工程、地下综合体、综合管廊以及地铁等项目的建设中，地下空间被充分开发利用［2］. 由于地下空间的规划开发存在先后次序，所以在工程建设过程中不可避免地存在着待建地下构筑物对临近使用中构筑物的影响问题［3-4］.在地铁建设过程中，由于地铁线路通常要连接并且穿越城市中心，无法避免地会下穿、侧穿市政工程、铁路、住宅等重要构筑物. 同时，在不同地铁线路交叉、侧穿、平行等节点处，也存在后期施工线路会对已运营地铁造成变形等风险［5-6］.

国内外科研人员针对隧道近距离垂直、交叉穿越施工的问题，在工程实例的基础上做了大量的理论以及工程实践研究，并取得了一些理论性成果以及工程实践经验.

理论方面，张治国等［7］采用简化理论方法、三维有限元数值模拟方法以及现场监测方法，揭示了软土城区土压平衡盾构机上下交叠穿越地铁隧道的变形规律和上下交叠穿越地铁隧道的盾构施工参数设定规律.刘树佳等［8］利用有限元计算分析了不同净距、不同土仓压力、不同注浆量下新建隧道盾构穿越对既有隧道管片变形的影响，提出了多线叠交隧道施工影响系数的概念，并得出隧道间距在影响系数中占重要比例的结论. 邵华等［9］通过实测数据分析得出盾构穿越对已建地铁隧道的扰动影响主要以隧道的竖向位移为主，且随着盾构推进，隧道结构纵向上呈波浪状，其隆起峰值不断沿推进方向移动. 张琼方等［10］利用明德林解，通过数值积分等方法计算出刀盘附加推力、盾壳摩擦力以及同步压力作用下隧道周围土体的附加应力，并计算出盾构穿越的不同工况下的隧道叠加变形. 卢岱岳等［11］利用数值模拟的办法验证了隧道穿越各工况下隧道纵向变形解析解的正确性，为快速评估盾构近距离施工对既有盾构隧道结构安全的影响提供了新途径.

工程实践方面，张明书［12］针对重庆地区地质情况，通过TBM掘进参数控制以及高效的实时监测手段，对重庆5号线TBM隧道上跨高铁隧道工程进行了研究，为TBM区间隧道上跨高铁隧道施工的影响控制提供借鉴. 杨志勇等［13］结合沈阳10号线上跨2号线工程，分析研究了盾构穿越过程中2号线的变形情况，并指出通过采用隧道加固以及盾构机控制可以保证上穿2号线的安全. 胡群芳等［14］结合上海M4线张扬路至浦电路区间隧道近距离下穿越已运营M2线工程，分析了区间穿越过程中的土层沉降变形规律，为今后类似工程提供了借鉴. 朱红霞［15］以武汉地铁3号线王家墩北站—范湖站盾构区间为背景，对在未进行加固承压水粉细砂层中近距离下穿既有隧道的施工和量测技术进行了研究，提出对既有线路隧道进行补充加固体系及合理调整相应的盾构掘进参数，能够减小既有线路的变形，确保既有隧道的安全.

本文结合郑州地铁3号线顺城街站—东大街站区间盾构上跨运营2号线紫荆山站—东大街站项目，对盾构区间穿越过程中的施工风险、施工措施、盾构机参数控制以及监测变形进行了分析，研究了盾构近距离上跨运营地铁隧道的施工技术以及运营隧道的变形规律，为后续相似的地铁穿越工程提供参考.

1 工程概况及施工难点

1.1 工程概况

郑州地铁3号线顺城街站—东大街站区间起点里程为Y（Z）DK16+744.086，终点里程为Y（Z）DK17+210.318，右线（短链3.349 m）长462.883 m，左线（短链3.154 m）长463.078 m. 3号线区间采用盾构施工，管片外侧直径为6200 mm，内侧直径为5500 mm，厚度为350 mm.

3号线区间在YDK175.193～196.389及ZDK170.290～190.810上跨2号线紫荆山站—东大街站区间，平面布置如图1 所示. 2 号线区间此处埋深约18.2 m，采用盾构法施工，管片外侧直径为6000 mm，内侧直径为5400 mm，厚度为300 mm. 根据对2号线被上跨段的现场调查，此区域管片良好，无裂缝.

3号线区间上跨2号线区间节点处两隧道最小间距约1.65 m（图2）. 根据工筹安排，3号线区间由东大街站西端头始发，向顺城街站方向推进. 盾构始发端距离上跨点位置最小距离约13.1 m.

图1 郑州地铁3号线上跨2号线节点平面布置图Fig.1 Layout plan of Zhengzhou Metro Line 3 crossing Line 2

图2 郑州地铁3号线上跨2号线节点剖面布置图Fig.2 The profile of Zhengzhou Metro Line 3 crossing Line 2

3号线区间上跨2号线区间节点位置处于山前冲洪积缓倾平原. 本区间地势较为平坦，沿线为老城区，开发成熟，交通流量较大. 地层以第四纪松散沉积物为主，下伏基岩埋置较深，沿线第四纪覆盖层厚度均大于50 m. 该处地层分布稳定，65 m深度范围内地层以第四纪沉积的黏性土、粉土、砂土为主，地下水位位于3号线隧道拱底位置. 具体地质情况如表1所示.

表1 土层参数Tab.1 Soil parameters

1.2 施工难点

根据郑州地铁3号线上跨运营2号线节点位置、隧道之间间距以及实际工程地质情况可知，该隧道上跨项目主要有如下施工难点：

1）盾构区间上跨位置距离始发端头最小距离仅有13.1 m，无法作为试验段来获得其最优上跨施工参数.这种情况下，不但会增加盾构始发出现栽头的可能性，而且还不利于减小盾构施工对运营2号线的影响.

2）运行2号线变形不易控制. 由于3号线区间上跨2号线区间节点位置最小竖向距离仅为1.65 m，所以盾构上跨施工不可避免会地对既有运营隧道产生影响. 如何减小盾构施工对运营隧道结构的变形，确保2号线安全运营，是本项目的难点.

3）为减小运营2号线区间变形，需适当地调整盾构推进参数（包括推进速度、土压力、出渣量）.

4）上跨位置位于郑州市中心东大街与紫荆山路交叉口，地层已受到周边建筑物建设、市政管线建设以及2号线施工扰动，所以现场周边环境较差.

2 处理措施

根据郑州地铁3号线上跨运营2号线项目的施工难点以及控制因素，提出如下施工控制要求：

1）控制好盾构推进参数和姿态. 盾构推进参数（包括推进速度、土压力、出渣量）对上跨运营线路带来的影响较大［12］，所以应当根据监测情况实时调控盾构推进参数.

2）在影响范围内对盾构管片增设注浆孔（图3），并保证及时进行同步注浆［16］.

图3 管片增设注浆孔布置图Fig.3 Arrangement of additional grouting holes in segments

3）在2号线区间隧道设计时已对管片进行配筋加强处理，施工时本处要及时二次注浆和补充注浆，3号线本处管片也进行配筋加强处理.

4）建立完善的监控量测体系，并在2号线非运营时段上跨通过.

3 数据分析

3.1 盾构推进参数分析

根据待施工3 号线管片布管情况可知，右线在施工第10～24 环段依次上跨通过2 号线左线和右线区间. 图4～6 显示了盾构在上跨2 号线过程中，盾构土压力、盾构推力以及盾构推进速度的变化曲线. 由图4～6 可知，3 号线盾构在上跨2 号线区间过程中，盾构机土压力维持在0.8～1.0 bar 之间，盾构机推力保持在1200～1600 t 之间，盾构机推进速度维持在55～77 mm/min. 同时，同步注浆量维持在6 m3/环，二次注浆压力稳定在2.1～2.4 bar 范围内. 监测数据表明，盾构穿越过程中未出现盾构机栽头现象，且2 号线变形在安全范围内.

图4 区间上跨过程中盾构土压力变化曲线Fig.4 Control curve of shield earth pressure in the process of crossing

图5 区间上跨过程中盾构推力变化曲线Fig.5 The curve of shield thrust in the process of crossing

图6 区间上跨过程中盾构推进速度变化曲线Fig.6 The curve of shield advance speed in the process of crossing

3.2 运营2号线沉降分析

在3号线上跨2号线区间施工过程中，对2号线区间隧道采用了自动化监测，通过实时监测其水平及竖向位移可以及时获取反馈信息，以便指导3号线盾构区间施工.

图7和图8分别显示了3号线右线盾构区间在上跨2号线施工过程中2号线竖向沉降以及水平位移变化情况.

图7 区间上跨过程中2号线的竖向沉降曲线Fig.7 The settlement curve of Line 2 during crossing

图8 区间上跨过程中2号线的水平位移曲线Fig.8 The horizontal displacement curve of Line 2 during crossing

由图7 可知，3 号线盾构在接近上跨节点时，2 号线左线出现一定程度的沉降，并且沉降量随着盾构机与上跨节点距离的减小而不断增加，最大沉降量约为4 mm. 在上跨2号线区间段，随着盾构机推进参数的逐渐稳定，2 号线左线沉降量逐渐减小并趋于稳定. 待盾构机通过上跨节点后，2 号线隧道出现轻微的回弹，最终逐渐趋于稳定. 在3 号线上跨2 号线全过程中，2 号线竖向沉降始终维持在-2.5～4 mm之间，保证2号线隧道安全.

由图8 可知，在3 号线区间盾构接近上跨点、上跨通过以及离开上跨点过程中，2号线隧道随之出现水平向3号线推进方向变形的趋势. 通过对盾构推力、土压力等参数的调整，能够使2号线区间水平位移变形控制在4.5 mm之内，保证2号线隧道安全.

4 结论

本文结合郑州地铁3号线顺城街站—东大街站区间盾构上跨运营2号线紫荆山站—东大街站盾构区间项目，对盾构施工过程中的施工控制措施、盾构机推进参数进行了分析，并对既有运营隧道的变形规律进行了研究，主要得出如下结论：

1）通过加强管片配筋，合理调整盾构推进参数（推进速度、土压力、出渣量），同步注浆与二次注浆相结合的方法，能够有效控制运营地铁隧道变形，保证运营隧道安全.

2）盾构区间近距离上跨运营区间隧道过程中，运营区间隧道存在竖向沉降变形以及后期回弹的现象.3）盾构区间近距离上跨运营区间隧道过程中，运营区间隧道水平位移存在着向上跨区间推进方向变形趋势.