盾构在复杂地层中近距离下穿运营地铁的施工控制技术

盾构在复杂地层中近距离下穿运营地铁的施工控制技术

深圳复杂地层中盾构近距离下穿运营地铁的施工技术 主要内容 -1- 复杂的地层 —— 难点之一 -2- 近距离的空间位置关系 —— 难点之二 -3- 工程风险分析和技术对策 -4- 组织管理措施 -5- 典型工程案例的实施情况 -6- 结语 1 复杂的地层 —— 难点之一 1.1 地铁工程和深圳地区典型地质条件 深圳地铁 1 、 2 、 3 期工程均为浅埋工程。盾构区间隧道埋深一般在 8m-20m 之间。 在这个埋深位置，区间隧道主要穿过地层为残积层和风化岩，以花岗岩为主。 上部残积层主要为砾质黏土和砂质黏土，下部为花岗岩全风化、强风化、中风化和微风化层。 1.2 花岗岩残积层地层特点 1 组分： 花岗岩的主要矿物成分为石英、长石及少量的黑云母、角闪石。 花岗岩残积土中的长石、云母、角闪石已完全风化，唯有石英矿物残留成石英角砾。从残积土的颗粒组成来看，属于由细粒土和粗粒土混杂且缺乏中间颗粒的混合土，兼有砂土和粘性土的性质。从母岩角度来看，中 — 粗粒花岗岩风化而成的残积土多为砾质粘性土，中 — 细粒花岗岩风化成砂质粘性土，粘性土基本为岩脉风化而成。 砾质粘性土颗粒组成见下表 颗粒大小 /mm >2 2~0.5 0.5~0.25 0.25~0.075 <0.075 重量百分比 范围 20~54 5~21 3~12 2~12 30~56 平均 31 13 6 6 44 从表中可看出，颗粒组成明显具有两头大、中间小的混合土性质。 2 球状风化 花岗岩残积土的不均匀风化包括囊状风化和球状风化，深圳地铁工程中主要表现形式为球状风化，即残积土中存在球状中等风化、微风化岩体。球状风化的成因主要是由于岩石岩性不均匀、抗风化能力差异大，加之断裂构造发育及岩体的次生裂隙导致岩体破碎，抗风化能力减弱，在深程度风化情况下所形成的。一般于地形平缓，风化带厚度较大的地区较发育。风化球一般见于残积土的下部。单个风化球的最大竖向尺寸一般不超过风化带厚度的 1/10 ，多呈水平椭球体。 3 物理力学指标 残积土天然含水量 25%-30% ，塑性指数 17 左右，液性指数 0.15-0.2 ，；内摩擦角 约 23 度（快剪），粘聚力 c 为 20-25kPa （快剪）；渗透系数 0.5m/d 。 全风化、强风化地层天然含水量 18%-22% ，塑性指数 12-15 左右，液性指数 0.06 ，；内摩擦角 约 24-27 度（快剪），粘聚力 c 为 23kPa （快剪）；渗透系数（ 1-3 ） m/d 。 1.3 花岗岩岩层 中风化花岗岩单轴抗压强度 15-50MPa ，微风化花岗岩单轴抗压强度在 50MPa 以上，最大强度达 140MPa 。 花岗岩岩面起伏和地层强度多变。规范规定的钻孔间距难以判断其岩面变化规律。 1.4 盾构施工中的难点 1 刀盘结泥饼：残积土中的粘粒在盾构机切削刀具高温作用下会逐渐黏附硬化，形成泥饼包裹刀盘，使得盾构机切能力降低。 工程风险：结泥饼后的刀盘使得盾构机切削能力降低；掘进速度迅速下降。为清除泥饼，只能采用人员进入土仓人工清除。工程风险在于：（ a ）进入土仓人员存在安全风险；（ b ）盾构机长时间停止，花岗岩残积土在卸载和渗透力作用下已发生崩解坍塌，造成超挖，引起盾构隧道上部地层下落或变形过大，从而加大既有隧道的变形。 2 刀具磨损严重：残积土中的砾砂使刀具磨损严重，一般每 环就需换刀一次。 人工进仓更换刀具，工程风险基本同上，主要为：（ a ）进入土仓人员存在安全风险；（ b ）盾构机长时间停止，花岗岩残积土在卸载和渗透力作用下已发生崩解坍塌，造成超挖，引起盾构隧道上部地层下落或变形过大，从而加大既有隧道的变形。 3 球状风化体（孤石）：难以勘察清楚，遇到后不易处理；若在下穿过程中，则只能在盾构机舱内处理。 人工进仓清除风化体，工程风险基本同上。 4 上软下硬地层：盾构机姿态难以控制、刀具偏磨、掘进速度慢导致超挖。 工程风险主要为：（ a ）掘进速度下降，刀具偏磨严重；（ b ）盾构机出土量难以控制，极易造成超挖，引起盾构隧道上部地层下落或变形过大，从而加大既有隧道的变形，增大周边建构筑物安全风险。 2 近距离的空间位置关系 —— 难点之二 地铁二期工程中，盾构隧道下穿运营隧道的距离都比较近，在 1~3m 之间。 4 个下穿工程具体情况如下： 2.1 2 号线下穿 4 号线运营隧道 4 号线是深圳市目前正在运营的地铁线路，其隧道宽约 13m, 高约 7m 。 4 号线隧道上部为 <8-3> 硬塑状砾质粘性土 , 下部为 <9-1> 全风化花岗岩。 2 号区间盾构始发端距离 4 号线仅 1.567m 。 4 号线隧道距离 2 号线新建盾构始发井 6.5m ，受该条件限制，车站始发端头仅能加固 2.7m 。 2 号线左右线盾构下穿地铁四号线时在 <9-1> 全风化花岗岩和 <9-2-1> 土状强风化花岗岩地层中通过，距离运营隧道的净距分别为 1.841m 和 1.567m 。 相对位置关系见下图。 2 号线下穿 4 号线运营隧道相对位置关系图 1 2 号线下穿 4 号线运营隧道相对位置关系图 2 2.2 2 号线下穿 1 号线运营隧道重叠隧道 2 号线左右线盾构隧道下穿地层为中风化花岗片麻岩和微风化花岗岩，洞顶地层为强风化花岗岩。距离 1 号线正在运营的重叠隧道净距分别为 1.78m 和 2.76m 。 2.3 3 号线盾构隧道下穿 1 号线运营线路 新建 3 号线隧道右线隧道与１号线隧道之间的净距为 1.46 m ，新建左线隧道与１号线隧道之间的净距为 1.23 m 。 既有 1 号线隧道主要位于 <6-2> 砾质粘土层和 <12-1> 全风化花岗岩层中；新建区间隧道主要穿越 <12-1> 全风化花岗岩层和 <12-2-1> 强风化花岗岩层，两隧道之间所夹土体为 <12-1> 全风化花岗岩。 3 号线下穿 1 号线运营隧道相对位置关系图 1 3 号线下穿 1 号线运营隧道相对位置关系图 2 2.4 2 号线小角度下穿 1 号线大 - 科区间 下穿范围隧道洞身处于 <9-1> 全风化花岗岩、 <9-2-1> 强风化花岗岩、 <9-3> 中风化花岗岩均有存在的复合地层中。 其中左线上软下硬地层共计 42.8m ，占下穿范围的 60.7% ；右线上软下硬共计地层 34.9m ，占下穿范围的 47.3% 。 2 号线斜下穿既有运营中的 1 号线，投影交叉段 74m ， 2 号线与 1 号线最小垂直净间距 1.75m 。 2 号线小角度下穿 1 号线运营隧道相对位置关系图 1 2 号线小角度下穿 1 号线运营隧道相对位置关系图 2 3 工程风险分析和技术对策 3.1 运营地铁的要求 1 不能停运； 2 下穿区段最低限速 20km/h; 3 变形控制标准如下表： 序号 项目 预警值 报警值 控制值 1 道床平顺度 2.0mm/10m 3.2mm/10m 4.0mm/10m 2 左右轨道差异沉降 2.0mm 3.2mm 4 。 0mm 3 三角坑 2.0mm/18m 3.2mm/18m 4.0mm/18m 4 结构绝对变形量 10mm 16mm 20mm 5 隧道相对变形量 1/5000 1/3125 1/2500 6 隧道结构的裂缝与受损情况监测 设计单位确定 3.2 风险事件分析 1 掘进隧道在运营线路正下方开挖面失稳； 2 掘进隧道在运营线路外侧开挖面失稳； 3 运营隧道变形绝对值和速率超过预警值、控制值； 4 运营隧道开裂、渗水、道床与隧道结构拖开； 5 监测信息中断。 其他风险事件还有： 6 深南大道路面沉陷；（在地面沉陷情况下，还可能在地层中产生空洞） 7 非机动车道地面沉陷； 8 管线损伤； 9 地面坍塌冒顶； 10 人员进入土仓的安全风险。 3.3 技术对策 1 岩土工程补充勘察 在详勘的基础上应进行补充勘察，尽可能了解下穿区段地层特点，探明岩层强度、完整性、侵入隧道范围、球状风化体等地层特点。 2 试验段掘进 设置试验段，目的是获取相似地层的各项盾构推进参数，确保盾构在微扰动状态推进，为下穿施工提供较合理的参数。 试验段一般长度 30m~50m ，设置在下穿段预警区以外的相似地层处。 试验段应强化监测（地表沉降、地层内部沉降规律），将监测数据与盾构推进参数与工艺对比分析、优化调整。 3 数值模拟分析 根据工程地质和水文地质条件、周边环境、运营隧道结构形式、空间位置关系，结合盾构掘进施工的各种工况，采用合适的专业软件进行模拟分析，了解新线施工对既有隧道的影响程度。 4 根据地层岩性配置刀具 根据详勘和补充勘察结果，在下穿之前对刀具组合和配置进行分析评估，按照最不利情况考虑。 5 微扰动掘进 （ 1 ）连续掘进、匀速推进； （ 2 ）保持土仓压力与开挖面地层压力相对平衡； （ 3 ）保持切削土体重量和排土重量相等； （ 4 ）盾构保持最优姿态，减小对土体的超挖和扰动。 6 渣土改良以获得理想掘进效果 进行有针对新的渣土改良，以解决以下问题： （ 1 ）防止花岗岩残积土在刀盘和土仓中结饼； （ 2 ）改善全、强风化岩土体的和易性； （ 3 ）降低土仓温度。 7 同步注浆配比调整和注浆压力、注浆方式优化 （ 1 ）采用水泥基浆液； （ 2 ）根据推进速度调节浆液凝固时间，在不影响盾构机的情况下尽可能早地具备强度，防止在列车震动下不凝固而引起运营隧道沉降变形过大； （ 3 ）注浆压力与地层压力相对平衡，注浆方式尽可能多点同时压注。 8 二次注浆 （ 1 ）填充同步注浆可能残留的空隙； （ 2 ）改善管片周围土体形状，减小土体固结变形。 9 自动化监测和信息化施工。 （ 1 ）为不影响正常运营，采用自动化监测仪器。 4 次下穿工程均采用 ADMS 测量机器人监测系统 。 （ 2 ）实时测量，为完全信息化施工服务。 4 次下穿工程中均每 30 分钟报告一次测量数据。 （ 3 ）根据测量数据，调整土仓压力、注浆压力、推进速度等参数； 2 号线下穿 4 号线监测点布置情况 10 运营车辆限速运行 限速运行能够降低列车震动荷载，有利于开挖面土体稳定、注浆浆液快速凝固。 在运营隧道和轨道突然的出现大变形时，限速运行能够降低车辆脱轨风险。 4 次下穿工程均采取限速措施，具体见下表： 3 号线下穿 1 号线 2 号线下穿 4 号线 2 号线小角度下穿 1 号线 2 号线下穿 1 号线重叠隧道 第一条隧道下穿 20km/h 20km/h 20km/h 20km/h 第二条隧道下穿 50km/h 50km/h 20km/h 正常运营 4 组织管理措施 4.1 严密组织信息化施工管理 施工监测信息中心、第三方监测信息中心、运营安全保障部门和盾构推进指挥中心在一个办公室联动协调，共享信息和测量数据，各部门根据最新信息及时调整工作方案，施工单位及时调整掘进参数。 4.2 下穿前必要的准备工作 （ 1 ）地质勘探和环境调查、重大危险源辨识登记和管理预案。 （ 2 ）盾构施工方案检查：专项施工方案和专家评审意见、预加固措施的实施、二次注浆方案。 （ 3 ）施工准备和实施策划：安全质量技术交底、盾构机和配套设备检修检查、管片和注浆材料验收和运输方案、盾构下穿详细倒霉环的时间策划。 （ 4 ）监测方案：施工监测方案和第三方监测方案审查和初始值确认、报警值的确定和报警机制、监测数据的发布及数据对施工方的指导。 4.3 落实到位的运营管理应急预案 （ 1 ）地铁运营应急预案：应际组织管理机构、现场值班安排、维修抢险队伍准备、结构修复预案 （ 2 ）公交接驳方案：满足疏散客流的公交巴士运力配备、转运线路安排、地铁停运接驳方案。 （ 3 ）乘客疏导分流：地铁车站乘客疏导指引标识、地铁停运公开告示。 （ 4 ）媒体宣传准备：新闻通稿、交通电台广播、地铁车站广播和告示。 （ 5 ）地铁治安管理：安排足够的地铁车站治安管理人员。 4.4 现场指挥体系 成立现场领导小组、专家决策支持小组、协调小组、应急抢险小组。 4.5 严格的值班制度 （ 1 ）建设、设计、施工、监理、监测、运营、政府相关职能部门均派人值班，形成协调机制。 （ 2 ） 24 小时值班。 5 典型工程案例 5.1 工程概况 1 平面关系 新建 2 号线燕南 - 大剧院区间下穿既有线 1 号线的科学馆 - 大剧院区间 2 号线斜下穿既有运营中的 1 号线，投影交叉段 74m ， 2 空间几何关系 2 号线与 1 号线最小垂直净间距 1.75m 。 穿越剖面图 3 地质条件 （详见下图） 盾构始发井～大剧院站区段下穿地铁 1 号线范围隧道拱顶埋深为 20.2m ～ 23.6m 上部覆土依次为 <1-1> 素填土、 <5-2-3> 中砂、 <5-2-2> 细砂、 <8-4> 砾质粘性土、 <9-1> 全风化花岗岩。 下穿范围隧道洞身处于 <9-1> 全风化花岗岩、 <9-2-1> 强风化花岗岩、 <9-3> 中风化花岗岩均有存在的复合地层中 其中左线上软下硬地层共计 42.8m ，占下穿范围的 60.7% ；右线上软下硬共计地层 34.9m ，占下穿范围的 47.3% 。 5.2 工程难点 1 穿越距离长、间距小 （ 1 ）长距离（ 74m ），小角度（ 23º ） 的下穿掘进，对盾构机设备及盾构操作提出更高的要求 （ 2 ）小间距掘进对既有线的扰动风险非常大，若发生意外则是灾难性的 （ 3 ）每条线要经历两次穿越，共四次下穿，对变形的叠加效应及盾构掘进模式的转换增加了施工的难度。 2 穿越运营线路保护要求高 在保证既有线不停运的情况下，满足以下位移及变形要求 序号 项目 预警值 报警值 控制值 1 道床平顺度 2.0mm/10m 3.2mm/10m 4.0mm/10m 2 左右轨道差异沉降 2.0mm 3.2mm 4 。 0mm 3 三角坑 2.0mm/18m 3.2mm/18m 4.0mm/18m 4 结构绝对变形量 10mm 16mm 20mm 5 隧道相对变形量 1/5000 1/3125 1/2500 6 隧道结构的裂缝与受损情况监测 设计单位确定 3 地质条件复杂 地质补勘资料显示，盾构通过的地层中， <9-1> 全风化花岗岩、 <9-2-1> 强风化花岗岩、 <9-3> 中风化花岗岩同时存在，属于典型的上软下硬地层： 隧道洞身下部中风化花岗岩强度高（ >100MPa ）、岩质坚硬、整体性好（ RQD 值 60% ～ 80% ），对刀具损伤较严重，推进速度难以达到理想状态； 隧道洞身上部全风化、强风化花岗岩风化程度强烈，腐蚀严重，裂隙发育，且颗粒成分具有“两头大、中间小”的特点，即颗粒成分中，粗颗粒（＞ 2mm ）的组分及颗粒小的组分（＜ 0.075mm ）的含量较多，而介于其中的颗粒成分较少。这种独特的组分特征使其既具有砂土的特性，亦具有粘性土特征，同时也为小颗粒从大颗粒的孔隙中涌出提供可能性，因此当动水压力过大时，容易产生坍塌、流土等渗透变形现象； 岩土分界面存在破碎带，地下水十分丰富且部分承压，盾构掘进过程中容易发生喷涌。 5.3 主要技术措施 （管理措施同前） 1 盾构选型 复合型土压平衡盾构 刀具配置：重型滚刀 + 切刀，保证对中风化地层的破岩能力 最大推力 > 3000T 最大扭矩 > 7000 KN·m ，防止刀盘被困 完善的渣土改良系统：泡沫系统、膨润土系统、加水系统、聚合物系统 2 优化设计线路 　　经计算分析对比，对线路进行了适当的上调，减少了掘进面内硬岩的比例，降低了在既有线下方造成停机的风险。 ３优化施工顺序，降低风险 在施工组织上，先行掘进右线，待右线通过既有线的下穿段危险区之后再施工左线的穿越，减少两条线同时掘进带来的交叉干扰，降低沉降叠加效应对既有隧道结构、周边建构筑及地铁运营的安全风险。 ４　信息化施工 采用先进的自动化监测系统： 对既有线采用测量机器人 ( 莱卡全仪与自动监测软件配站套 ) 进行自动监测，可在盾构施工期间实时对各观测点的位移情况进行数据采集，并能不影响既有隧道的运营。 根据监测反馈的数据实时调整盾构施工参数，实现信息化施工 自动化监测测点布置图 5 分区管理 将穿越过程分为三个区段： 试验段 ： 盾构机盾构刀盘距既有线 40 环到 10 环，试验段掘进的主要目标是在推进过程中设定多种推进参数、尝试不同推进模式，掌握同类型地层的地质特性、沉降规律。根据实际施工过程中的出土量、地表沉降量、深层土体变化情况等不断对土仓压力、总推力、掘进速度、注浆量及注浆压力、泡沫设置、土体改良剂配比等掘进参数进行调整，总结出合适的推进模式与参数，为正式下穿地铁 1 号线提供经验和依据。 预警区 ： 刀盘距既有线 10 环直至刀盘到达既有线边缘，该区域掘进渐渐接近 1 号线，在进入该区段盾构机应逐步调整施工参数，达到穿越区条件。 风险区 ： 既有线和盾构机竖直投影有重叠的掘进段，即从刀盘进入一直到盾尾脱出既有线的竖直投影区。该区段为危险区，盾构严格控制既定的施工参数，各类应急措施准备到位。 6 调整盾构施工参数 （１）土仓压力：计算得出理论土仓压力值为 1.5bar ，结合试验段掘进经验，根据信息化施工结果控制土仓压力在 1.6 ～ 2.0bar ，掘进过程中波动 <0.2bar （２）同步注浆控制：注浆量与注浆压力双控。推进过程中通过盾尾同步注浆管向建筑空隙填充砂浆，以减少土体后续位移。同步注浆量宜适量加大至 7 ～ 8m3/ 环，注浆压力应控制在 2.0 ～ 3.0bar ，并保证 4 根注浆管同时工作。 （３）推进速度：掘进过程中，掘进速度应控制在 20 ～ 30mm/min ，并尽量保持稳定，减少对周边土体的扰动影响。推进过程中严禁出现为提高推进速度而随意降低土仓压力的行为。 管片脱出盾尾后，具备作业条件情况下（一般为盾尾后 5-8 环）立即组织二次补浆。 点位在 11 点和 2 点位置。 注浆材料采用水泥水玻璃双液浆。 二次补浆可以填充同步注浆可能残留的空隙，改善管片周围土体形状，减小土体固结变形。 7 二次注浆 ５ .4 　实际穿越情况 1 穿越历程 燕大右线下穿一号线， 6 月 27 日启动下穿工作， 6 月 30 日刀盘进入风险区， 7 月 23 日进入下穿段危险区， 8 月 7 日刀盘下穿段危险区， 8 月 8 日盾尾脱出下穿段危险区， 8 月 10 日盾尾出线后风险区，总历时 44 天。 燕大左线下穿一号线， 7 月 16 日刀盘进入线前风险区， 8 月 7 日右线刀盘出一号线后左线开始恢复掘进， 8 月 10 日刀盘进入下穿段危险区， 8 月 21 日盾尾出线下危险区，总历时 37 天。 2 刀具及换刀作业 右线出试验段，进入风险段第 1 环，开仓全盘更换刀具。 右线进入既有线两条线中间，开仓全盘更换刀具。 换刀位置 左线进入既有线两条线中间，开仓全盘更换部分刀具。 左线出试验段，进入风险段第 1 环，开仓全盘更换刀具。 ５ . ５　施工过程中存在的问题 １掘进速度慢：遇到上软下硬地层下部地层为中风化或者微风化时，掘进效率低，掘进速度仅为 3-5mm/min 。 ２刀盘“结泥饼”。 ３刀具磨损严重：强度高、石英含量高，造成刀具磨损严重，盾构掘进效率低。 ４渣土温度高。 ５ . ６　运营隧道最大沉降 第一次下穿时，既有隧道沉降最大值为 7.9mm 。 左右线下穿完毕，既有隧道最大沉降量为 17mm 。 深圳地铁二期工程四次下穿既有线最大沉降值见下表： 3 号线下穿 1 号线 2 号线下穿 4 号线 2 号线小角度下穿 1 号线 2 号线下穿 1 号线重叠隧道 第一条隧道下穿 5.1mm 5.7mm 7.9mm 3.6mm 第二条隧道下穿 12.1mm 14mm 17mm 8mm 6 结语 1 深圳地铁二期工程共 4 处近距离下穿运营地铁线路证明，通过有针对性的技术措施和严密的组织措施，能够成功穿越，运营线路可以保持在安全范围内。 2 包括自动化的、实时的监测手段在内的信息化施工管理体系，对深圳地区近距离下穿工程的成功至关重要。 3 通过盾构掘进参数和工艺控制、时间紧凑的工序安排、更为合理的辅助措施，既有隧道的变形量有可以进一步减小。 4 运营车辆的速度对近距离下穿盾构掘进的影响尚待进一步研究。