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盾构近距离叠交段施工影响

    在城市轨道交通建设过程中,盾构法隧道以其占地小、非开挖施工对地面环境影响小、建设投资低、建设周期可控等特点,与其他施工方法相比,具有无可比拟的优势,已经成为各地城市轨道交通建设中区间隧道建设施工的首选施工方法。
    随着城市轨道交通建设的不断深入,可供利用的地下空间越来越成为稀缺资源,轨道交通线路的选择余地也越来越小,在此情况下,盾构法隧道将越来越多地向深层地下空间或向人口稠密的建筑密集区下发展。在城市轨道交通起步较早的北上广等超大型中心城市,这种趋势已经逐步成为了现实。
    位于城市中心城区的高层建筑物,建造时间大多为20世纪90年代以后,基础形式多为桩基,抵抗沉降能力强。盾构近距离穿越高层建筑时,由于其桩基础埋深较深,多为地下40~50m,所以与一般地铁隧道埋深存在着冲突。为避让高层建筑深桩基,且为了尽量远离高层建筑,以减小盾构对其正常使用的影响,故在盾构施工需穿越高层建筑密集区时,通过调整隧道线路,将其设置为上下叠交,以减少水平投影面积,进而在水平方向上远离周边高层建筑物,从而实现侧穿而非下穿,以达到减少对其影响的目的。
1 工程背景
    上海轨道交通12号线13标嘉善路站—陕西南路站区间隧道沿线周边环境复杂,地下构筑物众多,为避开高层建筑深桩基,设计隧道在永嘉路至肇嘉浜路间采用上下行重叠方案布置,上行线走下,下行线走上。重叠影响段为605环~1050环范围,重叠距离长且二者垂直净距约3m。区间沿线多为高层小区、商业办公楼和叠交段线路。
    叠交段上行线最大纵坡27‰、隧道上部覆土深度为28.38~18.65m、平曲线最小半径为349.851m;下行线最大纵坡27.897‰、隧道上部覆土深度为23.32~18.49m、平曲线最小半径349.851m。
    盾构施工位于正常地层与古河道地层交界处,地基土层分布较复杂。按其沉积时代、成因类型及其物理力学性质的差异可划分为7个主要层次:1-1黏土层、1-2粉质黏土层、3-1粉质黏土层、3-1t黏质粉土夹粉质黏土层、4粉质黏土层、粉质黏土层和1砂质粉土层。
2 施工参数控制措施
2.1 土压力设定
    根据土压平衡盾构的原理,土仓中的压力须与开挖面的正面水土压力平衡,以维持开挖面土体的稳定,减少对土层的扰动。下行线施工范围内土层以粘性土为主,采用水土合算,上行线施工范围内既有粘性土,又有砂性土,因此,需根据其分布范围进行分别计算,针对粘性土层土压力计算采用水土合算,针对砂性土层土压力技术采用水土分算。
    计算出土压力的理论值后,实际土压力设定值根据沉降数据值进行循环调整,同时在推进过程中,要保证实际土压力与设定值之间的差值控制在±0.02MPa以内。
2.2 出土量控制
    对于土压平衡盾构机而言,要控制出土量,就必须将推进速度和螺旋机转速进行合理的匹配。若推进速度加快而螺旋机转速较慢,则土仓压力会升高,其结果将导致造成地面隆起;反之,推进速度放慢而螺旋机转速较快,出土量增加将令土仓压力下降,引起地面沉降。因此,要实现出土量的合理控制,就需根据盾构施工所处土层的性质,将推进速度与螺旋机转速进行合理匹配,以稳定仓压,实现土压平衡,同时合理控制出土量。在此基础上,严格控制盾构姿态变化,减少纠偏,特别是杜绝大量值纠偏,减少推进过程中的不必要的超挖。
    实际施工过程中,盾构推进速度控制在20~30mm/min,尽量保持推进速度稳定,确保盾构均衡、匀速地推进,以减少对周边土体的扰动影响。掘进速度可通过盾构机的液压系统增设节流阀,控制千斤顶进油量,进而使速度稳定在低速,同时增设冷却系统防止油温过高。
2.3 盾构姿态控制
    在施工过程中,因盾构进行平面或高程纠偏的过程中,会增加对土体的扰动,因此在穿越过程中,在确保盾构正面沉降控制良好的情况下,控制盾构匀速掘进,并控制盾构纠偏量和纠偏次数,提高纠偏操作的效率。
    在盾构推进过程中,按照“勤测勤纠、小角度纠偏”的原则进行纠偏控制。盾构轴线控制应按照设计轴线的要求,根据盾构的基本尺寸参数计算理论纠偏量,并据此拟定分段纠偏的方案,按照计算的千斤顶行程差和平面偏离值进行控制。考虑到盾构在小半径曲线段掘进,盾构与隧道轴线始终存在一个夹角,导致盾构千斤顶对盾尾后的隧道存在一个向曲线外侧的推力,因此盾构纠偏控制考虑预先将轴线向轴线内侧偏离20mm,以防止隧道外移引起轴线超标,以此为基准,将盾构切口和盾尾的偏差控制在±20mm以内。
2.4 同步注浆控制
    盾构施工过程中,需采用同步注浆的工艺,以确保浆液充分填充盾尾管片与土体间的建筑空隙,注浆量的控制应根据监测数据确定,进行动态控制。控制要点如下:
    (1)注浆量控制:
    盾构施工中,由于盾构外径大于管片的外径,所以盾尾拖出后会在管片与周围土体之间留下空隙。此空隙大小的理论值见式(1):
    V=[π(D2-d2)/4]    (1)
    式中:D——盾构外径;
              d——管片外径;
              L——环管片的长度。
    注浆的浆体除填充盾尾的空隙外,还将渗透到周围土体中,所以注浆量可表达为式(2):
    V′=β·V    (2)
    式中:β——注浆量调整系数,与土体性质、注浆压力、浆体材料及配比等有关,一般取值范围为1.3~1.8。
    本工程采用搅拌站的商品浆,以控制浆液质量的稳定。对于小半径曲线段施工带来的超挖和砂性土区域的浆液流失,实际注浆量和注浆压力根据监测数据进行动态调整。
    (2)注浆压力控制:为保证浆体较好地渗入周围土体中,注浆压力须大于隧道底处的土压力值,而且必须控制在较好的范围之内,保证只是填充而不是劈裂。根据经验可取为1.1~1.2倍的静止土压力。
3 叠交施工影响分析
3.1 隧道轴线影响
    经实测,上行线隧道轴线受下行线施工影响,水平沿盾构随进方向向左移动,平均移动19mm,垂直沿盾构推进方向向上移动平均移动0mm。
    对比整个叠交段轴线偏差变化数据可知,在下行线隧道施工过程中,上行线已建隧道受其影响的轴线偏差变化很小,整个叠交段变化并无明显差异,由此判断,在叠交段施工过程中,上行线隧道轴线无明显变化。
3.2 隧道收敛变形影响
    对比上行线605~1050环叠交段收敛变化数据统计曲线,可知其受下行线施工影响,可分为3个区域:
    叠交前段:605~645环,长40环。该段区域中,下行线隧道施工对上行线隧道影响很小,收敛值变化也符合正常规律,即水平收敛值变大,平均增大14mm,垂直收敛值变小,平均减小14mm。
    叠交中段:645~760环,长115环。该段区域中,下行线隧道施工对上行线隧道影响较大,收敛值变化与常规变化差异较大,即水平收敛值几乎不变,平均增大0mm,垂直收敛值增大,平均增大17mm。
    叠交后段:760~1050环,长390环。该段区域中,下行线隧道施工对上行线隧道影响减少,收敛值变化也符合正常规律,即水平收敛值变大,平均增大17mm,垂直收敛值变小,平均减小19mm。
    分析以上数据可知,在叠交段内,上行线隧道只有在叠交中段范围内受下行线隧道施工影响较大,叠交前段和叠交后段收敛数据变化与规律相符。
4 结语
    经数据对比分析可知,已建隧道轴线水平偏差变化因受贯通前后测量精度影响,导致轴线水平偏差较大,但数据稳定无明显突变,轴线垂直偏差数据受贯通前后测量精度影响较小,数据基本无明显变化,因此,可判断在叠交段施工过程中,后建隧道的施工对已建隧道轴线偏差影响较小。
    已建隧道收敛变形测量与轴线偏差测量不同,其不受隧道贯通影响,水平收敛变形在不受叠交隧道影响时,其数据往往呈增大趋势,垂直收敛变形在不受叠交隧道影响时,其数据往往呈减小趋势。
    在叠交段范围,已建隧道受后建隧道影响较大,其收敛变形规律产生了明显变化,其水平收敛变形变化不明显,而垂直收敛变形则呈增大趋势。因此,可判断在叠交段施工过程中,后建隧道的施工对已建隧道收敛变形影响较大。

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