盾构施工近距离下穿大断面公路隧道施工技术研究.pdf

·隧道／地下工程· 收稿日期：２０１５ ０３ ０１ 盾构施工近距离下穿大断面公路隧道 施工技术研究 李铁军 （郑州市轨道交通有限公司 河南郑州 ４５００００） 摘 要 文章结合郑州市南四环至郑州南站城郊铁路工程郑港九路站～郑港六路站盾构施工情况，从分析施工难 点入手，采用三维数值计算程序ＭＩＤＡＳ ／ＧＴＳ，对一级风险源的通道施工过程进行预分析，在计算值处于可控范围情 况下提出盾构在穿越过程中对通道结构采取压重处理。并结合施工难点对盾构机近距离下穿富士康公路通道的 掘进参数控制，盾构机对富士康地下通道的影响分析及保护措施，通道沉降变形监测技术及盾构通过后的技术保 障进行了阐述，通过采取技术措施，盾构安全顺利地通过了富士康地下通道。该研究可为今后盾构机近距离下穿 建（构）筑物技术提供一定的技术参考。 关键词 盾构下穿建（构）筑物 沉降变形 监测通道压重处理 一级风险源 中图分类号 Ｕ２３１ ＋．３ 文献标识码 Ａ 文章编号 １００９ ４５３９ （２０１５）０６ ００４４ ０４ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｓｈｉｅｌｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｃｌｏｓｅ ｔｏ Ｕｎｄｅｒｐａｓｓｉｎｇ Ｌａｒｇｅ Ｓｅｃｔｉｏｎ Ｈｉｇｈｗａｙ Ｔｕｎｎｅｌ Ｌｉ Ｔｉｅｊｕｎ （Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｒａｉｌ Ｔｒａｎｓｉｔ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｈｅｎａｎ ４５００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｚｈｅｎｇｇａｎｇ Ｎｏ．９ Ｒｏａｄ ｔｏ Ｚｈｅｎｇｇａｎｇ Ｎｏ．６ Ｒｏａｄ ｉｎ ｔｈｅ ｓｕｂｕｒｂａｎ ｒａｉｌｗａｙ ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ｓｏｕｔｈ ｆｏｕｒｔｈ ｒｉｎｇ ｒｏａｄ ｔｏ Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ Ｓｏｕｔｈ Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｔａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ， ｐｒｅａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｍａｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｆｉｒｓｔ-ｇｒａｄｅ ｒｉｓｋ ｓｏｕｒｃｅ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｓｓａｇｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｂｙ ａｄｏｐｔｉｎｇ ｔｈｅ ｔｈｒｅｅ-ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｐｒｏｇｒａｍ———ＭＩＤＡＳ ／ＧＴＳ．Ｕｎｄｅｒ ａ ｃｏｎｔｒｏｌｌａｂｌｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ ｖａｌｕｅ，ｗｅｉｇｈｔ ｌｏａｄｉｎｇ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｈｉｅｄ ｃｒｏｓｓｉｎｇ ｐａｓｓａｇｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｉｎ ｃｏｎｊｕｎｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓ ｔｏ ｔｈｅ ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ ｅｘｃａｖａｔｉｏｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｕｎｄｅｒｐａｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｓｓａｇｅ ｏｆ Ｆｏｘｃｏｎｎ Ｈｉｇｈｗａｙ，ａｎｄ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｏｎ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｔｏ Ｆｏｘｃｏｎｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐａｓｓａｇｅ，ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｐａｓｓａｇｅ ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｇｕａｒａｎｔｅｅ ａｆｔｅｒ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｗｅｒｅ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ａｄｏｐｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ，ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｓａｆｅｌｙ ｐａｓｓｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ Ｆｏｘｃｏｎｎ ｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ ｐａｓｓａｇｅ，ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｃｏｕｌｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ａ ｃｅｒｔａｉｎ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｈｉｅｌｄ ｍａｃｈｉｎｅ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｕｎｄｅｒｐａｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｉｎ ｆｕｔｕｒｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｈｉｅｌｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒｐａｓｓｉｎｇ ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ；ｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ；ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌ ｐｒｅｓｓｕｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ； ｆｉｒｓｔ-ｇｒａｄｅ ｒｉｓｋ ｓｏｕｒｃｅ １ 工程背景 郑州市南四环至郑州南站城郊铁路郑港九路 站～郑港六路站区间采用盾构法施工，由郑港九路 站始发，沿郑州市航空港区郑港四街向北敷设，止 于郑港六路站。郑港四街规划双向８ 车道，道路红 线６０ ｍ，现已建成通车。 盾构法施工采用φ６ ２８０ ｍｍ 土压平衡盾构机 推进，装配式钢筋混凝土衬砌环，管片内径５．４ ｍ， 外径６．０ ｍ，管片厚度３００ ｍｍ，宽度１．５ ｍ，分为６ 块，管片采用错缝拼装。管片砼采用高抗渗高强 ４４ 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１５（６） ·隧道／地下工程· 度Ｃ５０ 等级的混凝土，抗渗等级为Ｐ１２。盾构始发 向北掘进３８．６２ ｍ 后，将垂直下穿２ 号富士康过 街通道，通道为一级风险源，对应线路里程为 ＹＤ５６ ＋９３８．７７５ ～ ＹＤ５６ ＋９５６．７７５，管片里程为 ２６ ～３９ 环，距离隧道顶部仅１．３６ ｍ。通道范围处 隧道埋深为１２．２ ｍ。通道与隧道位置关系见 图１。 通道为双跨钢筋混凝土结构，净高６ ｍ，净宽 １８ ｍ，底板、侧墙、顶板均为６００ ｍｍ 厚钢筋混凝土 结构，中隔墙厚５００ ｍｍ。该通道施工完成后暂时未 投入使用，被作为临时仓库，无车辆通行。 盾构从车站端头始发至该通道平面路线为直 线，见图２，纵断面线路为下坡２７‰，穿越地层为粉 土⑤１ 层、粉砂⑤２ 层、粉土⑥２ 层、细砂⑥４ 层，软硬不 均，对刀具磨损大。隧道上部为粉土⑤１ 层、粉砂⑤２ 层，２ 号富士康过街通道结构位于粉砂⑤２ 层中，最 厚处达到６．５ ｍ。 本场地位于山前冲洪积平原区，地下水位较 低，盾构下穿该通道范围地下水位位于隧道底以下 约４ ｍ左右，地下水对盾构施工无影响。 图１ 通道与隧道位置关系 图２ 下穿通道地质剖面图 ２ 工程难点分析 ２．１ 距离较近，易引起结构开裂及地表隆起 通道底板底距离隧道顶为１．３６ ｍ，盾构机刀盘开 挖面到通道结构底仅１．２２ ｍ，盾构机掘进下穿２ 号富 士康过街通道时，如何确保通道结构安全，控制通 道沉降变形小于１５ ｍｍ 及通道结构不开裂，地表隆 起值在控制范围内是本工程的重点及难点。 ２．２ 盾构掘进参数较难控制 由于通道结构离开挖面较近，土压过大会引起 通道结构开裂，甚至地面隆起；土压过小会引起通 道沉降，甚至地面下陷；另外注浆压力过大也会引 起通道开裂，注浆压力小注浆不饱满会引起通道沉 降及开裂。如何在掘进过程中设定合理的盾构掘 进参数，保证盾构掘进顺利通过，是本段盾构施工 的难点之一。 ３ 风险工程施工影响预分析及技术措施 ３．１ 计算方法及计算模型 如图３ 所示，采用三维数值计算程序ＭＩＤＡＳ ／ ＧＴＳ 对一级风险源的施工过程进行了仿真模拟计 算。模型长１２０ ｍ，宽１２０ ｍ，高４０ ｍ，３５ ０２２ 个单 元。土体采用实体单元模拟，通道及盾构管片采用 板单元模拟，土强度准则为摩尔库伦准则。为了能 更加真实地模拟实际工程中结构与土的相互作用， 本盾构区间计算选择梁弹簧模型的计算结果作为 依据，结合具体工程经验进行计算分析。 ３．２ 计算结果（见图４） 图３ 盾构区间施工对富士康通道影响计算的数值模型 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１５（６） ４５ ·隧道／地下工程· 图４ 盾构区间施工对富士康通道沉降影响计算结果 ３．３ 数值计算分析 由数值计算结果可见：盾构区间下穿通道施工 完成后，通道累计沉降值为６．６ ｍｍ ＜１５ ｍｍ（由《城 市轨道交通工程监测技术规范》及相关工程经验确 定），满足通道沉降控制值要求。 经过仿真模拟计算，理论上盾构穿越通道施工 安全风险在可控范围内，为充分应对盾构掘进过程 中土压波动导致结构开裂，造成质量、安全事故，因 此在盾构通过前，需对２ 号富士康过街通道进行压 重处理，计算数值为６０ ｋＮ ／ｍ２。 ４ 盾构穿越过程中技术措施 ４．１ 监控量测 盾构下穿２ 号富士康过街通道，保护好通道安 全是本工程的重点，为保证通道安全，要求地面沉 降≤３０ ｍｍ，地表隆起≤１０ ｍ，沉降速率≤３ ｍｍ／ｄ。 通道累计沉降控制值≤１５ ｍｍ，变化速率控制值为 ２ ｍｍ／ｄ，差异沉降控制值为０．０６％。 在通道底板处加密测量监测点，在通过过程中 ２４ ｈ 不间断监测。及时检查和统计监控量测的数 据，绘制隧道净空收敛、拱顶下沉、地表沉降和通道 变形的时态曲线，进行数据反馈分析。 在施工中做到“勤量测、速反馈”，及时掌握通 道变形情况，并据此确定是否需采取其他的保护 措施。 ４．２ 通道内加载反压措施 在通道内采用５０ ｋｇ 袋装水泥压重，水泥密度取 ３．１ ｇ／ｃｍ３，压重数值为６０ ｋＮ／ｍ２，按完全密实计算，每 平方米范围需堆放６ ｔ 水泥，堆放高度２ ｍ（见图５）。 水泥堆码在隧道左、右线以外两侧各５ ｍ 范围， 除侧墙及中隔墙，通道内全部堆码水泥，由人工将 水泥分层堆码密实。 图５ 通道水泥加载示意图 ４．３ 设备检修 在盾构机过通道前２０ ｍ，对盾构施工相关所有 机械设备进行检修，并做好施工过程中的动态维 保，确保盾构机在过通道时性能完好，保证盾构匀 速、连续地穿越既有通道，以减小变速推进对前方 和周围土体造成的扰动。 ４．４ 盾构掘进参数控制 ４．４．１ 土仓压力 盾构机下穿通道范围为粉土⑤１ 层，覆土厚度为 １．２２ ｍ，根据朗肯土压力计算，盾构机施工时土仓压 力为０．５ ～０．８ ｂａｒ。 ４．４．２ 姿态控制 推进方向为直线下坡２７‰，盾构机的方向偏差 控制在２０ ｍｍ 以内，盾构机上方为粉土⑤１ 层，穿越 通道下方局部为粉砂⑤２ 层，为上硬下软土层，为防 止盾构机机头下垂，要保持上仰姿态。掘进时注意 上下两端及左右两侧的千斤顶行程差不能相差太 大，控制在２０ ｍｍ 以内。 ４．４．３ 同步注浆 注浆量：５ ～６ ｍ３ ／环；注浆压力：２．５ ～３．０ ｂａｒ （与 掘进同步），注浆压力根据通道监测结果适时调整。 ４．４．４ 掘进速度及出土控制 盾构进入通道前１０ 环开始保持匀速掘进，减少 ４６ 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１５（６） ·隧道／地下工程· 纠偏，减少对土体的扰动，出土量保持在４８ 方／环左 右，掘进速度：２０ ｍｍ／ｍｉｎ（匀速）；给同步注浆浆液 凝固提供充足时间，通道范围管片为１４ 环，下穿施 工过程中不得停机，连续施工，保证一次通过。 ４．４．５ 刀盘 转速：０．９ ～１．０ ｒ／ｍｉｎ；扭矩：２ ５００ ～３ ０００ ｋＮ·ｍ， 推力：１ ０００ ～１ ２００ ｔ。在回转角正常的情况下，刀盘 正反转要相对均衡，避免管片姿态扭转。 ４．４．６ 水、泡沫剂的注入 根据地质条件，控制刀盘扭矩及螺旋机压力， 适当加入水进行渣土改良，以节约成本及渣土不得 过稀为原则。如渣土改良不理想，适当加入泡沫剂 进行改良。泡沫剂原液控制在２％以内，发泡率１０ 倍，注入率控制在３０％ ～４０％。 ４．５ 二次注浆 盾构推进过程中同时对隧道上部进行补注浆， 注浆环数为管片脱出盾尾１０ 环后开始，注浆点位为 管片上部２、１０ 点，每隔一环注一环；此次注入选用 双液浆（水泥浆＋水玻璃），水灰比１∶１．５，水玻璃比 例为１ ∶３，浆液凝固时间为３０ ｓ，注浆压力控制在 ０．３ ＭＰａ。并按“多点、均匀、少量、多次”的原则有 序进行，目的是防止同步注浆不饱满而存留的空隙 在后期出现通道结构沉降。 ５ 结束语 （１）通过前应将通道的实际情况加以详细调 查，包括通道所处的地质水文情况以及通道的裂 缝、施工缝、沉降缝等。 （２）盾构近距离过大断面公路隧道应综合考虑 隧道的结构，根据覆土厚度，设置合理的掘进参数。 （３）适时监测，在掘进过程中监测应加强频率， 适时动态的调整掘进参数与监测结果相匹配。 （４）严格控制土压及注浆量，注浆压力防止通 道开裂或沉降。盾构穿越完成后应及时进行二次 注浆，防止后期沉降，且对注浆量、注浆压力、浆液 配比应严格控制。 （５）通过大断面公路隧道前应将施工过程进行 仿真模拟计算，仔细研究通道的结构情况，应在通 过前进行反压或注浆处理。 通过以上技术措施，在盾构过富士康大断面地 下通道过程中较好控制了土仓压力、同步注浆、二 次注浆及结构反压、监控量测等安全质量控制要点。 后期持续监测未发现地下通道结构有开裂现 象，且结构沉降均较为稳定，通过钻孔取芯方法检 测通道底板下注浆充填密实，无空隙，浆液收缩性 控制较好。 参考文献 ［１］ 周文波．盾构法隧道施工技术及其应用［Ｍ］．北京：中 国建筑工业出版社，２００４． ［２］ 施仲衡．地下铁道设计与施工［Ｍ］．西安：陕西科学技 术出版社，１９９７：６． ［３］ 付款峰．地铁盾构工程穿越市政设施风险源施工控制 技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（９）：５５ －６１． ［４］ 朱冠生．城际轨道工程隧道穿越高层建筑基础的关键 技术探讨［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（７）：８６ －９０． ［５］ 李春林．盾构穿越铁路箱涵施工技术［Ｊ］．铁道建筑技 术，２０１４（５）：１７ －２０． ［６］ 杨利全．盾构机过地铁车站技术探讨［Ｊ］．铁道建筑技 术，２０１３（６）：４２ －４５． ［７］ 吴向州．盾构隧道施工建（构）筑物的保护技术［Ｊ］．隧 道建设，２００６（Ｓ２）：３６ －３８． ［８］ 周文波．盾构法隧道施工技术及应用［Ｍ］．北京：中国 建筑工业出版社，２００４：１３３． ［９］ 徐俊杰．土压平衡盾构施工引起的地表沉降分析［Ｄ］． 成都：西南交通大学，２００４：８９． ［１０］张庭华．土压平衡土仓压力控制技术研究［Ｊ］．铁路标 准设计，２００５（８）：８６ 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