頂管近距離穿越運營中地鐵隧道的施工技術摘 要:電力電纜頂管隧道施工須穿越運營中的地鐵上方,需采取嚴格的施工控制措施,控制地鐵隧道的變形,限制施工對地鐵隧道上方的土體產生擾動,工程采用了周密的泥漿套穩定控制技術、軸線控制技術等多項技措,很好地控制了地鐵的隧道變形;施工中應用MARC軟件建立了電力電纜頂管隧道穿越地鐵隧道的三維數值計算模型。施工結束后,實測數據與模型計算值較吻合,為今后此類施工提供了借鑒。關鍵詞:電力電纜頂管隧道;穿越;地鐵隧道;施工技術1 工程概況及施工特點1.1 工程概況 西藏路電力頂管隧道工程采用三維曲線頂管法施工,管道內徑2.7m,外徑3.2m。電力隧道全長約3.03km,北起新疆路,南至復興中路。其中4號頂管工作井位于西藏中路、九江路路口,3號工作井位于西藏中路、新閘路路口,4~3區間設計長度576m,在距4號工作井(頂管始發井)約108m處,電力頂管隧道從運行中的地鐵2號線隧道上方穿越,整個穿越2號線上行、下行線隧道的總投影長度約25.0m,電力頂管隧道與地鐵隧道之間的凈距離約1.5m,影響投影寬度為3.3m,電力隧道設計中心線與地鐵2號線間所夾銳角約為75°。電力隧道與地鐵2號線間相對位置見圖1所示。
1.2 施工特點 (1)運行中的地鐵2號線隧道保護要求非常高,其長期變形控制值為:累計豎向沉降(隆起)小于±2mm;隧道橫向變形小于±2mm;變形速率小于0.2mm/h。 (2)頂管從地鐵隧道上方穿越,凈距僅1.5m,且穿越距離較長,影響范圍較大。 (3)類似的穿越施工中,多數采用的是盾構法施工,即機頭穿越并完成管片拼裝后,后續施工對被穿越隧道擾動少,但本工程采用頂管法施工,機頭穿越后,由于整個管道仍然在移動,擾動要持續到整個區間貫通為止。 (4)頂管穿越土層土質為淤泥質粉質粘土,土質較差,并且在電力隧道頂進穿越前,南京東路—西藏中路下沉式廣場已施工,該工程的圍護結構施工和開挖施工已經對地鐵2號線上方的土體產生了擾動,本工程施工屬于二次擾動,土體各項指標變化較大,更容易對地鐵隧道的穩定產生破壞。2 關鍵施工技術措施2.1 選用大刀盤泥水平衡頂管掘進機 國內外大量的工程實踐證明大刀盤泥水平衡頂管掘進機對地表的沉降控制精度最高、效果最好[1,2]。本次施工選用的是面板式?2.7m大刀盤泥水平衡頂管掘進機,被切削的土體從主切削刀刃的縫隙中進入泥水艙,泥水艙內土體在刀盤后的攪拌棒和泥水的共同作用下破碎成為泥漿,通過控制泥水艙的泥水壓力和泥漿比重來平衡開挖面的水土壓力,使開挖面始終處于穩定狀態。面板式大刀盤切削刀的設計和布置還參考了日本有關掘進機的形式,滿足最佳的切削效果,同時使得進泥流暢,對開挖面的擾動又最小,使開挖面處于最佳的平衡狀態,機頭正面土體產生的擠壓應力大為減小,切削面以外土體的擾動相應減小。2.2 觸變泥漿壓漿控制技術 在頂管管節外壁與土層之間形成良好性能的觸變泥漿套,不僅可使頂進阻力成倍的下降,而且對控制地表沉降、減少土體的擾動有很好效果。因此,在實施穿越時,為了確保完整泥漿套的形成,嚴格控制泥漿質量并選用優質膨潤土,并根據穿越前100m的頂進情況,不斷優化泥漿配比,以確定泥漿配比為:膨潤土∶CMC∶純堿=1000∶60∶8(重量比,下同);膨潤土∶水=1∶6。在控制好泥漿配比的同時,控制泥漿拌制質量;拌制好的泥漿靜置24h后,要求漏斗粘度時間大于26s,并使用前再次攪拌。其次,在壓漿時還著重控制以下4個方面: (1)出洞口的止水裝置要確保不滲漏,管節接口和中繼間的密封性能良好,是形成泥漿套的先決條件; (2)從出洞口開始壓漿,出洞口的壓漿可以避免管子進入土體后被握裹,進而引起“背土”的惡果;管道在“背土”條件下的運動將對土體產生很大的擾動; (3)機尾的同步壓漿,使泥漿套隨機頭不斷延伸,若不及時壓漿,機殼外面也很容易產生背土現象,尤其是在穿越地鐵隧道階段,確保機尾處泥漿套形成對減少土體擾動非常重要; (4)對管道沿線定時補漿,不斷彌補漿液向土層的滲透量,在穿越過地鐵隧道后的后續頂進中,不斷地補漿有助于減少管道前移時對地鐵隧道上方土體的摩擦擾動。2.3 測量和軸線控制技術 確保穿越段頂管姿態的關鍵在于控制好頂進軸線。在進入穿越段前30m,頂進測量的頻率提高到1次/m,并每頂進15m就進行一次頂進軸線復核,確保頂管機頭在進入穿越段之前處于準確的姿態,軸線偏差控制在10mm以內。 進入穿越段后,每頂進50cm測量一次頂管姿態,做到勤推、勤測、勤糾。避免因為軸線出現過大偏差而進行強制糾偏,從而將對管體外土體的擾動減少到最小。2.4 合理制定主要施工參數 據同類工程的施工經驗及研究成果可知,頂管施工中對周圍環境和鄰近已建隧道隆沉變形有明顯影響的是:正面水土壓力、頂管推進速度、頂管姿態等。其中頂管姿態取決于頂進測量的精度和糾偏的效果。而正面水土壓力和推進速度則比較難以確定,通過對地質資料的仔細研究,并根據相關方面專家的咨詢意見,考慮到既要保護地鐵2號線隧道的安全,又要保證南京東路路口地表以及各種地面、地下建筑物的沉降值不超標,最后推進速度和刀盤正面水土壓力確定為:推進速度為20mm/min;刀盤正面水土壓力為機頭中心位置靜止土壓力的1.00~1.05倍左右。2.5 多組糾偏特殊管的糾偏系統 采用多組糾偏系統形成整體彎曲弧度,有利于掘進機和隨后管節的順利地曲行。除機頭本身具有的4組8只糾偏油缸外,本工程還選用了由6節糾偏特殊管組成的糾偏系統。糾偏特殊管為帶凹坑的特殊管,每節管節可附加4個糾偏油泵,成45°斜線上下方排列。當管道進入曲線段的時候,啟動短油缸,并在管接口斷面設木襯墊,形成與設計相符的夾角。在施工過程中,根據軸線的變化,不斷調整起曲油缸的行程。2.6 信息化施工 為了控制施工對周圍環境以及地鐵2號線的影響,對地表沉降、地下管線變形、建筑物變形等外部環境進行監測,并通過時間序列、回歸分析等手段進行施工預測,指導施工;同時對地鐵2號線隧道的沉降、側移、斷面變形等進行監測[3,4]。在穿越階段,當頂管推進到地鐵隧道前方30m處時,進行初始值監測;在未到達地鐵隧道線時,每天監測次數定為2次;當頂管機頭推進到地鐵隧道上方后,監測頻率調整為每2h一次;機頭越過地鐵隧道上方后,恢復為每天2次。如遇變形超過報警值,將隨時進行跟蹤監測。2.7 控制泥漿置換質量 當4~3區間電力隧道貫通后,及時利用觸變泥漿壓注孔對管道外的觸變泥漿進行純水泥漿置換,并對電力隧道與地鐵2號線隧道穿越投影段,以及投影段兩側各30m范圍的電力隧道管道外3m以內的土體進行了雙液注漿加固,從而減少了管道的后期沉降。3 三維數值模擬與實測對比3.1 計算模型 模型計算區域:100m(電力頂管隧道縱向) ×60m(電力頂管隧道橫向)×40m(深度),計算軟件采用MARC。土體用實體單元模擬,隧道襯砌采用殼體單元模擬。計算模擬了頂管逐步頂進的施工過程,共分13個施工步驟。計算模型及電力頂管與2號線之間的相對位置關系如圖2、圖3所示。3.2 計算參數 土層材料及襯砌參數如表1和表2所示。3.3 結果分析 地鐵2號線的豎向與橫向變形隨頂進距離的變化情況如圖4及圖5所示。 在頂管穿越地鐵2號線隧道的施工過程中,進行了嚴密的地鐵隧道和周邊環境變化的監測。所測數據表明,由于施工參數選取科學、合理,各項技術措施的有效落實,電力隧道的頂進穿越對運行中的地鐵2號線隧道和周邊環境的變化都非常小,均嚴格控制在允許范圍內。其中地鐵2號線隧道的變形如圖6所示。 圖5中,以距離2號線40m為坐標原點;豎向變形以正值表示上浮;橫向位移正值表示向著4號工作井,負值表示向著3號工作井。在未考慮土體加固的情況下,電力頂管隧道通過地鐵隧道后,理論上地鐵2號線隧道豎向最大變形為3.3mm,橫向最大變形為0.39mm。 圖6中,隧道變形值均為正,表示上浮;頂進距離起點以距離4號工作井80m(即穿越地鐵隧道前30m)處開始計算,4~3區間全長頂進576m;穿越地鐵2號線隧道長25m,對應頂進距離為30~55m。在電力隧道貫通2個月后,測得地鐵隧道累計上浮變形0.84mm,產生側向位移0.2mm。 計算結果表明:2號線盾構隧道最大上浮3.3mm。采用同濟曙光進行2維有限元計算,計算結果表明2號線盾構隧道最大上浮3.0mm,實測結果為0.8mm;實測值與計算值總體變形趨勢很吻合。由于頂管隧道與地鐵隧道有一定夾角,頂管施工對地鐵側向變形有一定影響,如圖5所示。4 結語 (1)根據具體的地質條件、環境條件和施工工藝的特點,制定了合理的泥漿套、后期注漿加固周邊土體等控制技術措施以及選取合理的施工技術參數,為順利穿越提供了技術保證。 (2)施工過程中,按照信息化施工的原則,及時對各項施工參數進行改進,將施工對地鐵隧道的影響控制到最小程度。 (3)結合頂管的施工過程對地鐵2號線的影響進行了詳細的3維數值模擬,實測值和計算模擬值的變形趨勢吻合較好,累計變形誤差相對較小。 (4)電力頂管隧道順利穿越運行中的地鐵2號線,為今后該類工程的施工積累了一定的經驗, 具有很好的借鑒價值。參考文獻:[1]劉建航,候學淵.軟土市政地下工程施工技術手冊[Z],上海:上海市市政工程管理局,1990.[2]白云,周松等.軟土地下工程施工技術[R],上海:上海隧道工程股份有限公司,2000.[3]陳衛明.特殊地段頂管施工沉降控制技術[J].中國市政工程,2003,(6):35~37.[4]房營光,莫海鴻等.頂管施工擾動區土體變形的理論與實測分析[J].巖石力學與工程學報,2003,22(4):601~605.
1.2 施工特點 (1)運行中的地鐵2號線隧道保護要求非常高,其長期變形控制值為:累計豎向沉降(隆起)小于±2mm;隧道橫向變形小于±2mm;變形速率小于0.2mm/h。 (2)頂管從地鐵隧道上方穿越,凈距僅1.5m,且穿越距離較長,影響范圍較大。 (3)類似的穿越施工中,多數采用的是盾構法施工,即機頭穿越并完成管片拼裝后,后續施工對被穿越隧道擾動少,但本工程采用頂管法施工,機頭穿越后,由于整個管道仍然在移動,擾動要持續到整個區間貫通為止。 (4)頂管穿越土層土質為淤泥質粉質粘土,土質較差,并且在電力隧道頂進穿越前,南京東路—西藏中路下沉式廣場已施工,該工程的圍護結構施工和開挖施工已經對地鐵2號線上方的土體產生了擾動,本工程施工屬于二次擾動,土體各項指標變化較大,更容易對地鐵隧道的穩定產生破壞。2 關鍵施工技術措施2.1 選用大刀盤泥水平衡頂管掘進機 國內外大量的工程實踐證明大刀盤泥水平衡頂管掘進機對地表的沉降控制精度最高、效果最好[1,2]。本次施工選用的是面板式?2.7m大刀盤泥水平衡頂管掘進機,被切削的土體從主切削刀刃的縫隙中進入泥水艙,泥水艙內土體在刀盤后的攪拌棒和泥水的共同作用下破碎成為泥漿,通過控制泥水艙的泥水壓力和泥漿比重來平衡開挖面的水土壓力,使開挖面始終處于穩定狀態。面板式大刀盤切削刀的設計和布置還參考了日本有關掘進機的形式,滿足最佳的切削效果,同時使得進泥流暢,對開挖面的擾動又最小,使開挖面處于最佳的平衡狀態,機頭正面土體產生的擠壓應力大為減小,切削面以外土體的擾動相應減小。2.2 觸變泥漿壓漿控制技術 在頂管管節外壁與土層之間形成良好性能的觸變泥漿套,不僅可使頂進阻力成倍的下降,而且對控制地表沉降、減少土體的擾動有很好效果。因此,在實施穿越時,為了確保完整泥漿套的形成,嚴格控制泥漿質量并選用優質膨潤土,并根據穿越前100m的頂進情況,不斷優化泥漿配比,以確定泥漿配比為:膨潤土∶CMC∶純堿=1000∶60∶8(重量比,下同);膨潤土∶水=1∶6。在控制好泥漿配比的同時,控制泥漿拌制質量;拌制好的泥漿靜置24h后,要求漏斗粘度時間大于26s,并使用前再次攪拌。其次,在壓漿時還著重控制以下4個方面: (1)出洞口的止水裝置要確保不滲漏,管節接口和中繼間的密封性能良好,是形成泥漿套的先決條件; (2)從出洞口開始壓漿,出洞口的壓漿可以避免管子進入土體后被握裹,進而引起“背土”的惡果;管道在“背土”條件下的運動將對土體產生很大的擾動; (3)機尾的同步壓漿,使泥漿套隨機頭不斷延伸,若不及時壓漿,機殼外面也很容易產生背土現象,尤其是在穿越地鐵隧道階段,確保機尾處泥漿套形成對減少土體擾動非常重要; (4)對管道沿線定時補漿,不斷彌補漿液向土層的滲透量,在穿越過地鐵隧道后的后續頂進中,不斷地補漿有助于減少管道前移時對地鐵隧道上方土體的摩擦擾動。2.3 測量和軸線控制技術 確保穿越段頂管姿態的關鍵在于控制好頂進軸線。在進入穿越段前30m,頂進測量的頻率提高到1次/m,并每頂進15m就進行一次頂進軸線復核,確保頂管機頭在進入穿越段之前處于準確的姿態,軸線偏差控制在10mm以內。 進入穿越段后,每頂進50cm測量一次頂管姿態,做到勤推、勤測、勤糾。避免因為軸線出現過大偏差而進行強制糾偏,從而將對管體外土體的擾動減少到最小。2.4 合理制定主要施工參數 據同類工程的施工經驗及研究成果可知,頂管施工中對周圍環境和鄰近已建隧道隆沉變形有明顯影響的是:正面水土壓力、頂管推進速度、頂管姿態等。其中頂管姿態取決于頂進測量的精度和糾偏的效果。而正面水土壓力和推進速度則比較難以確定,通過對地質資料的仔細研究,并根據相關方面專家的咨詢意見,考慮到既要保護地鐵2號線隧道的安全,又要保證南京東路路口地表以及各種地面、地下建筑物的沉降值不超標,最后推進速度和刀盤正面水土壓力確定為:推進速度為20mm/min;刀盤正面水土壓力為機頭中心位置靜止土壓力的1.00~1.05倍左右。2.5 多組糾偏特殊管的糾偏系統 采用多組糾偏系統形成整體彎曲弧度,有利于掘進機和隨后管節的順利地曲行。除機頭本身具有的4組8只糾偏油缸外,本工程還選用了由6節糾偏特殊管組成的糾偏系統。糾偏特殊管為帶凹坑的特殊管,每節管節可附加4個糾偏油泵,成45°斜線上下方排列。當管道進入曲線段的時候,啟動短油缸,并在管接口斷面設木襯墊,形成與設計相符的夾角。在施工過程中,根據軸線的變化,不斷調整起曲油缸的行程。2.6 信息化施工 為了控制施工對周圍環境以及地鐵2號線的影響,對地表沉降、地下管線變形、建筑物變形等外部環境進行監測,并通過時間序列、回歸分析等手段進行施工預測,指導施工;同時對地鐵2號線隧道的沉降、側移、斷面變形等進行監測[3,4]。在穿越階段,當頂管推進到地鐵隧道前方30m處時,進行初始值監測;在未到達地鐵隧道線時,每天監測次數定為2次;當頂管機頭推進到地鐵隧道上方后,監測頻率調整為每2h一次;機頭越過地鐵隧道上方后,恢復為每天2次。如遇變形超過報警值,將隨時進行跟蹤監測。2.7 控制泥漿置換質量 當4~3區間電力隧道貫通后,及時利用觸變泥漿壓注孔對管道外的觸變泥漿進行純水泥漿置換,并對電力隧道與地鐵2號線隧道穿越投影段,以及投影段兩側各30m范圍的電力隧道管道外3m以內的土體進行了雙液注漿加固,從而減少了管道的后期沉降。3 三維數值模擬與實測對比3.1 計算模型 模型計算區域:100m(電力頂管隧道縱向) ×60m(電力頂管隧道橫向)×40m(深度),計算軟件采用MARC。土體用實體單元模擬,隧道襯砌采用殼體單元模擬。計算模擬了頂管逐步頂進的施工過程,共分13個施工步驟。計算模型及電力頂管與2號線之間的相對位置關系如圖2、圖3所示。3.2 計算參數 土層材料及襯砌參數如表1和表2所示。3.3 結果分析 地鐵2號線的豎向與橫向變形隨頂進距離的變化情況如圖4及圖5所示。 在頂管穿越地鐵2號線隧道的施工過程中,進行了嚴密的地鐵隧道和周邊環境變化的監測。所測數據表明,由于施工參數選取科學、合理,各項技術措施的有效落實,電力隧道的頂進穿越對運行中的地鐵2號線隧道和周邊環境的變化都非常小,均嚴格控制在允許范圍內。其中地鐵2號線隧道的變形如圖6所示。 圖5中,以距離2號線40m為坐標原點;豎向變形以正值表示上浮;橫向位移正值表示向著4號工作井,負值表示向著3號工作井。在未考慮土體加固的情況下,電力頂管隧道通過地鐵隧道后,理論上地鐵2號線隧道豎向最大變形為3.3mm,橫向最大變形為0.39mm。 圖6中,隧道變形值均為正,表示上浮;頂進距離起點以距離4號工作井80m(即穿越地鐵隧道前30m)處開始計算,4~3區間全長頂進576m;穿越地鐵2號線隧道長25m,對應頂進距離為30~55m。在電力隧道貫通2個月后,測得地鐵隧道累計上浮變形0.84mm,產生側向位移0.2mm。 計算結果表明:2號線盾構隧道最大上浮3.3mm。采用同濟曙光進行2維有限元計算,計算結果表明2號線盾構隧道最大上浮3.0mm,實測結果為0.8mm;實測值與計算值總體變形趨勢很吻合。由于頂管隧道與地鐵隧道有一定夾角,頂管施工對地鐵側向變形有一定影響,如圖5所示。4 結語 (1)根據具體的地質條件、環境條件和施工工藝的特點,制定了合理的泥漿套、后期注漿加固周邊土體等控制技術措施以及選取合理的施工技術參數,為順利穿越提供了技術保證。 (2)施工過程中,按照信息化施工的原則,及時對各項施工參數進行改進,將施工對地鐵隧道的影響控制到最小程度。 (3)結合頂管的施工過程對地鐵2號線的影響進行了詳細的3維數值模擬,實測值和計算模擬值的變形趨勢吻合較好,累計變形誤差相對較小。 (4)電力頂管隧道順利穿越運行中的地鐵2號線,為今后該類工程的施工積累了一定的經驗, 具有很好的借鑒價值。參考文獻:[1]劉建航,候學淵.軟土市政地下工程施工技術手冊[Z],上海:上海市市政工程管理局,1990.[2]白云,周松等.軟土地下工程施工技術[R],上海:上海隧道工程股份有限公司,2000.[3]陳衛明.特殊地段頂管施工沉降控制技術[J].中國市政工程,2003,(6):35~37.[4]房營光,莫海鴻等.頂管施工擾動區土體變形的理論與實測分析[J].巖石力學與工程學報,2003,22(4):601~605.
