熊海濤

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢　430063)

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復(fù)合式TBM重疊隧道施工控制技術(shù)研究

熊海濤

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，武漢430063)

摘要：以重慶軌道交通5號線冉家壩站—大龍山站區(qū)間及大龍山站—大石壩站區(qū)間為背景，針對2條重疊小凈距隧道的特點(diǎn)，重點(diǎn)闡述注漿加固、下層隧道同步支撐臺車、上層隧道復(fù)合式TBM重疊段掘進(jìn)控制等施工技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用，對城市軌道交通類似工程提供參考。

關(guān)鍵詞：軌道交通；復(fù)合式TBM；重疊隧道；支撐臺車

重疊隧道指一條地鐵線路在另一條地鐵線路的上方或水平距離很近，隧道上下之間的凈距2 m左右，這在地鐵建設(shè)中普遍存在，如深圳地鐵一期羅—國—老—大區(qū)間[1-6]，廣州地鐵5號線沙—鳳區(qū)間[7]、上海明珠線近距離重疊隧道[8]，武漢地鐵2號線洪中區(qū)間[6]等。重疊隧道施工中容易造成地面沉降超限，引起地面建構(gòu)筑物破壞、地面交通中斷等，如何在順利修建新的隧道的同時確保既有隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全，成為需要解決的技術(shù)問題。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，我國重疊隧道盾構(gòu)法施工多采用下層隧道先掘進(jìn)、上層隧道后掘進(jìn)的施工順序。重慶軌道交通5號線冉家壩站—大龍山站區(qū)間、大龍山站—大石壩站區(qū)間為復(fù)合式TBM[10-12，15]掘進(jìn)區(qū)間，部分區(qū)間為重疊隧道，也采用該施工順序。

1工程概況

(1)冉家壩站—大龍山站區(qū)間

區(qū)間呈南北方向布置，從冉家壩大里程端向南行進(jìn)，沿龍山大道地下敷設(shè)，橫穿旗龍路后接入大龍山車站。區(qū)間左線長486.66 m，右線長度486.954 m，區(qū)間隧道在YDK21+606.002～YDK21+785.175(ZDK21+605.615～ZDK21+785.175)左右線水平距離為0～3 m，豎向距離為0.6～1.5 m，結(jié)構(gòu)距離較小。如圖1、圖2所示。

圖1　左、右線隧道水平凈距3 m時剖面(單位：m)

圖2　左、右線隧道重疊時剖面(單位：m)

(2)大龍山站—大石壩站區(qū)間

區(qū)間線路從大龍山出站后，沿著龍山大道、下穿松石路、龍脊小區(qū)、芳草地自由港小區(qū)，至盤溪河，隧道起點(diǎn)和隧道出口段位于直線上，區(qū)間隧道在YDK22+022.224～YDK22+922.05左右線水平距離為0～3 m，豎向距離為0.6～1.5 m，結(jié)構(gòu)距離較小。

(3)隧道襯砌采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片內(nèi)徑5.9 m、外徑6.6 m，管片厚度0.35 m，環(huán)寬1.5 m，采用錯縫拼裝，每環(huán)管片由3塊標(biāo)準(zhǔn)塊+2塊鄰接塊+1塊封頂塊組成，每環(huán)采用10根縱向、12根環(huán)向M27螺栓連接。隧道防水采用混凝土自防水(C50P12)+三元乙丙橡膠橡膠止水帶防水。

2重疊段復(fù)合式TBM掘進(jìn)總體施工方案

重疊隧道施工是本工程施工控制的重難點(diǎn)，主要分為重疊段下層隧道管片背部二次注漿、重疊段復(fù)合式TBM掘進(jìn)、同步支撐作業(yè)3個方面。

由于復(fù)合式TBM區(qū)間上下層隧道凈間距小，復(fù)合式TBM推進(jìn)過程中因地層被擾動、荷載增加等原因?qū)ο聦铀淼烙幸欢ǖ挠绊?，另外因下層隧道掘進(jìn)過程中同步注漿回填不密實(shí)，為了避免上層隧道復(fù)合式TBM施工出現(xiàn)安全風(fēng)險，需對重疊段下層隧道管片背部進(jìn)行二次注漿回填。重疊隧道復(fù)合式TBM掘進(jìn)及管片背部二次注漿按照如下步驟進(jìn)行。

圖3　支撐臺架系統(tǒng)(單位：mm)

第一步：注漿設(shè)備以及注漿材料的準(zhǔn)備

下層隧道重疊段管片背后回填注漿(拱頂漿液固結(jié)收縮不密實(shí)段)，下層隧道管片背部二次注漿投入1臺注漿機(jī)，采用電瓶車輔助移動，注漿采用普通注漿機(jī)，注漿過程中對其管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測，為保證先行掘進(jìn)的下行隧道注漿質(zhì)量，管片每5環(huán)利用管片吊裝孔在管片背部壓注環(huán)氧樹脂，使隧道掘進(jìn)形成節(jié)段。

第二步：支撐臺車、支撐臺架加工及現(xiàn)場組裝

投入1臺支撐臺車，共22.7 m，支撐臺車對下行隧道進(jìn)行全范圍支撐，支撐臺架按照1 500 mm/榀對管片與管片連接處進(jìn)行支撐，支撐設(shè)備超前復(fù)合式TBM刀盤直徑不小于6 m。復(fù)合式TBM掘進(jìn)前須將第一段支撐系統(tǒng)安裝完成。

第三步：重疊隧道復(fù)合式TBM掘進(jìn)

復(fù)合式TBM掘進(jìn)施工參數(shù)及控制措施根據(jù)試掘進(jìn)階段的施工數(shù)據(jù)，并及時通過監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋來制定TBM施工參數(shù)，特別是復(fù)合式TBM的平衡壓力，嚴(yán)格控制好土體沉降、隧道軸線和成環(huán)質(zhì)量等。

3下層隧道重疊段復(fù)合式TBM掘進(jìn)施工技術(shù)

重疊隧道采用先下后上的施工順序，上層隧道復(fù)合式TBM掘進(jìn)施工過程中，受復(fù)合式TBM機(jī)自重及振動等的作用下，下層隧道結(jié)構(gòu)受力復(fù)雜，為有效降低上層施工對下層已建成隧道結(jié)構(gòu)的影響，在上洞復(fù)合式TBM機(jī)工作面前后一定范圍內(nèi)對應(yīng)的下洞隧道結(jié)構(gòu)內(nèi)架設(shè)臨時內(nèi)支撐系統(tǒng)(同步支撐臺車)。

根據(jù)施工情況，支撐臺車支撐范圍為22.7 m，臺車自身配置電機(jī)、液壓系統(tǒng)、穿行軌道等可實(shí)現(xiàn)自行移動，移動速度6.7 m/min，移動期間可持續(xù)提供支撐力。

(1)下層隧道支撐施工技術(shù)

下層隧道支撐臺車是對管片結(jié)構(gòu)進(jìn)行輔助受力，降低上層隧道施工對下行已經(jīng)成型隧道管片結(jié)構(gòu)的影響。而管片受力容易變形位置主要為螺栓連接處，針對連接位置，本工程采用同步支撐臺車實(shí)現(xiàn)，同步支撐臺車是全范圍支撐，并通過支撐模板、支撐伸縮系統(tǒng)、支撐控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自身行走而向前持續(xù)提供支撐力。

(2)同步支撐臺車支撐施工

支撐臺架系統(tǒng)主要由主架、支撐模板、液壓系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、下部模板吊裝系統(tǒng)等部分組成，如圖3所示。

(3)支撐臺車組裝

第一步：按照臺架軌距2 400 mm在隧道既有軌兩側(cè)縱向間距1 500 mm布置枕木，并安裝43 kg/m鋼軌，用絲桿將枕木支撐好。

第二步：同步支撐臺架主架安裝就緒，在利用升降油缸、邊模油缸、底模油缸將第一組模板安裝就位，然后利用絲桿對支撐模板進(jìn)行局部調(diào)整，讓支撐模板和混凝土管片盡量貼合，并預(yù)加一定外力，保證該組5環(huán)支撐模板，每環(huán)支撐模板(5塊)與底部枕木(2塊)自身形成一個封閉的整環(huán)，從而對混凝土管片進(jìn)行保護(hù)。組裝完成后的正視圖如圖4所示。

圖4 　組裝正視(單位：mm)

第三步：上部隧道復(fù)合式TBM掘進(jìn)至第二組模板上方位置時，操作液壓系統(tǒng)，將主架和第三組支撐模板分離，由主架行走系統(tǒng)驅(qū)動，主架向隧道后端移動至第一組模板支撐位置，拆除第一組支撐模板上絲桿，利用主架在升降油缸、邊模油缸、電動葫蘆等作用下將第一組模板脫模，向隧道中心線方向收回至最小狀態(tài)。如圖5所示。

圖5　模板收回狀態(tài)(單位：mm)

第四步：第一組模板收模完成后，在第三組模板前端提前鋪設(shè)好枕木和鋼軌，操作主架行走系統(tǒng)，驅(qū)動主架和第一組模板穿過第二、三組模板，主架移動至第四組模板位置，利用升降油缸、邊模油缸、底模油缸將第一組模板安裝就位讓支撐模板和混凝土管片盡量貼合，并預(yù)加一定外力，保證該組5環(huán)支撐模板，每環(huán)支撐模板(5塊)與底部枕木(2塊)自身形成一個封閉的整環(huán)。

第五步：待復(fù)合式TBM繼續(xù)掘進(jìn)至下一支撐循環(huán)時，重復(fù)第二、三、四步，讓支撐模板交替向前。

4上層隧道重疊段復(fù)合式TBM掘進(jìn)施工技術(shù)

4.1掘進(jìn)施工準(zhǔn)備

(1)施工前對區(qū)間重疊段里程進(jìn)行復(fù)核，確保起始里程與設(shè)計要求里程一致。

(2)建立動態(tài)信息傳遞系統(tǒng)，提前在下層隧道管片布設(shè)監(jiān)控量測點(diǎn)。

(3)掘進(jìn)施工前重疊段下層隧道管片背部二次注漿施工完成。

(4)掘進(jìn)施工前同步支撐臺車進(jìn)場并安裝、加固到位。

(5)作業(yè)班組人員、設(shè)備操作手必須進(jìn)行相關(guān)培訓(xùn)，維修保養(yǎng)人員到位。

(6)其他影響復(fù)合式TBM掘進(jìn)施工材料、下層隧道支撐施工材料報審。

4.2掘進(jìn)施工關(guān)鍵措施

(1)小凈距隧道施工的相互影響[11]

①后續(xù)TBM的推進(jìn)對先行隧道的擠壓和松動效應(yīng)；

②后續(xù)TBM的盾尾通過對先行隧道的松動效應(yīng)；

③后續(xù)TBM的壁厚注漿對先行隧道的擠壓效應(yīng)；

④先行TBM引起的地層松弛而引起后續(xù)TBM的偏移等，伴隨以上效應(yīng)會發(fā)生管片變形、接頭螺栓變形、斷裂、漏水、地表下沉等現(xiàn)象，因此掘進(jìn)施工的控制尤其關(guān)鍵。根據(jù)試掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，摸索出一套完整的掘進(jìn)參數(shù)控制。詳見表1。

表1　復(fù)合式TBM砂質(zhì)泥巖掘進(jìn)參數(shù)

(2)復(fù)合式TBM掘進(jìn)姿態(tài)控制

由于在砂質(zhì)泥巖地層和坡度變化以及操作等因素的影響，復(fù)合式TBM推進(jìn)不可能完全按照設(shè)計的隧洞軸線前進(jìn)，而會產(chǎn)生一定的偏差。當(dāng)這種偏差超過一定限界時就會使隧洞襯砌侵限、盾尾間隙變小使管片局部受力惡化，因此復(fù)合式TBM施工中必須采取有效技術(shù)措施控制掘進(jìn)方向，及時有效糾正掘進(jìn)偏差[10]。

①復(fù)合式TBM掘進(jìn)方向控制

采用全自動導(dǎo)向系統(tǒng)和人工測量輔助進(jìn)行復(fù)合式TBM姿態(tài)監(jiān)測。該系統(tǒng)配置了導(dǎo)向、自動定位、掘進(jìn)程序軟件和顯示器等，能夠全天候在復(fù)合式TBM機(jī)主控室動態(tài)顯示復(fù)合式TBM機(jī)當(dāng)前位置與隧道設(shè)計軸線的偏差以及趨勢。據(jù)此調(diào)整控制復(fù)合式TBM機(jī)掘進(jìn)方向，使其始終保持在允許的偏差范圍內(nèi)。

隨著復(fù)合式TBM推進(jìn)導(dǎo)向系統(tǒng)后視基準(zhǔn)點(diǎn)需要前移，必須通過人工測量來進(jìn)行精確定位。為保證推進(jìn)方向的準(zhǔn)確可靠，進(jìn)行人工測量(直線段不大于100 m/次，曲線段不大于50 m/次)，以校核自動導(dǎo)向系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)并復(fù)核復(fù)合式TBM機(jī)的位置、姿態(tài)，確保復(fù)合式TBM掘進(jìn)方向的正確。

②復(fù)合式TBM掘進(jìn)姿態(tài)調(diào)整與糾偏

復(fù)合式TBM機(jī)在每環(huán)推進(jìn)的過程中，盡量將復(fù)合式TBM機(jī)姿態(tài)變化控制在±10 mm以內(nèi)；掘進(jìn)過程中復(fù)合式TBM機(jī)的方向偏差應(yīng)控制在±20 mm以內(nèi)；在緩和曲線段及圓曲線段，復(fù)合式TBM機(jī)的方向偏差控制在±30 mm以內(nèi)，一般情況下，復(fù)合式TBM機(jī)應(yīng)在曲線內(nèi)側(cè)。

(3)注漿量控制

由于掘進(jìn)過程對土體的擾動的增加，在推進(jìn)時必須嚴(yán)格控制同步注漿量。適當(dāng)提高注漿量，保證注漿飽滿，每環(huán)推進(jìn)時根據(jù)施工中的變形監(jiān)測情況，隨時調(diào)整注漿量及參數(shù)，及時進(jìn)行二次注漿，穩(wěn)定管片拖出盾尾后的上浮。在注漿過程中，必須嚴(yán)格控制漿液的質(zhì)量及注漿量和注漿壓力。

同步注漿量采用注漿壓力與注漿量雙向控制，每環(huán)注漿量控制在5.0～5.5 m3，確保管片與地層間的空隙填充密實(shí)。同步注漿采用水泥砂漿。同步漿液基準(zhǔn)配合比見表2。

表2　同步注漿材料配比　kg

4.3掘進(jìn)通過后措施

由于復(fù)合式TBM掘進(jìn)、同步注漿等施工，對地層造成一定程度破壞而產(chǎn)生沉降。復(fù)合式TBM掘進(jìn)完成后利用二次注漿機(jī)，采用管片上預(yù)留的注漿孔進(jìn)行加固；復(fù)合式TBM機(jī)主機(jī)通過后立即對滲漏水、同步注漿量不足部位進(jìn)行二次補(bǔ)注漿。

5結(jié)語

該區(qū)間已順利貫通，區(qū)間橫向及高程貫通測量及管片成型環(huán)徑向偏差控制均在允許偏差范圍內(nèi)，施工線路地表隆沉、沿線建(構(gòu))筑物和管線變形測量等均在設(shè)計允許范圍內(nèi)，隨著各大城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)密度的進(jìn)一步加強(qiáng)，周邊環(huán)境條件的限制及規(guī)劃選線的經(jīng)濟(jì)性要求，必然會面臨越來越多的重疊隧道施工難題。重慶軌道交通5號線冉—大及大—大區(qū)間通過加強(qiáng)復(fù)合式TBM姿態(tài)控制，洞內(nèi)注漿加固，支撐臺車同步作業(yè)隧道加固等措施，以“先下后上”的方式成功克服了小間距、長距離重疊段的施工難題。

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收稿日期：2015-12-15； 修回日期：2015-12-30

作者簡介：熊海濤(1981—)，男，工程師，2005年畢業(yè)于西南交通大學(xué)土木工程專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，E-mail：22444165@qq.com。

文章編號：1004-2954(2016)07-0112-04

中圖分類號：U455

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.07.026

Study on Control of Overlapping Tunneling with Composite TBM

XIONG Hai-tao

(China Railway Siyuan Survey and Design Group Co.， Ltd.， Wuhan 430063, China)

Abstract：The segments from Ranjiaba Station to Dalongshan Station and from Dalongshan Station to Dashiba Station of Chongqing Metro Line 5 are referenced to explain the application of such technologies as grouting reinforcement， synchronous supporting trolley in the lower tunnel and the excavation control of the composite TBM excavation in the upper tunnel of overlapping section based on the characteristics of two overlapping small-spacing tunnels. The results may provide reference for similar works of urban rail transit construction．

Key words：Rail transit; Composite TBM; Overlapping tunnel; Supporting trolley