隧道盾構疊交施工技術初探
【摘要】上海外灘軌道觀光隧道是第一條較長距離的水底觀光游覽隧道，采用國內(nèi)直徑最大的φ7.76m鉸接式土壓平衡盾構掘進機施工，穿越黃浦江時與兩條上海地鐵二號線隧道相交，施工工況及其復雜和嚴峻。本文重點介紹隧道股份運用 構疊交施工領域的空白。
【關鍵詞】鉸接式盾構 隧道施工 專家系統(tǒng) 疊交技術 實時監(jiān)控
1概述
1.1工程概況
上海外難軌道觀光隧道工程東起陸家嘴地區(qū)東方明珠電視塔西側的浦東出入口豎井，西至南京路外灘(陳毅塑像北側)綠化帶內(nèi)的浦東出入豎井，全長646．70m(詳見圖1L隧道外徑φ7．76m，內(nèi)徑φ6．76m，每環(huán)由6塊鋼筋混凝土管片組成，管片環(huán)寬為1．2m，每環(huán)管片中沒標準塊4塊、拱底管片1塊及封頂塊1塊，管片拼裝形式采用縱向半插入式，管處接縫防水采用EPDM多孔型橡膠止水帶和水膨性彈性密封墊。
圖1 外灘觀光隧道縱剖面示意
隧道軸線為空間復合曲線：平面為U形曲線，隧道起始為186,872m的直線，經(jīng)46．478m的緩和曲線后，進入24．00m，只二400m的平曲線，然后經(jīng)113．727m的緩和曲線回到59．623m的直線；縱剖面是U型豎曲線，上下坡度均為48‰，坡段長度分別為113．350m及233．350m，黃浦江中設240m、半徑R＝2 500m的豎曲線連接。
盾構掘進施工先后穿越浦東防汛墻、親水平臺、黃浦江江底、地鐵二號線上下線隧道上部、浦西防汛墻及地下管線等。其中江底淺覆土僅為5．67m，在i甫西防汛墻19mx 39m箱體內(nèi)與地鐵二號線上下行線區(qū)間隧道成51度21分，斜交，并從其上部穿越，與上、下行線凈距分3，J為1．57m及2．18m(詳見圖2)，形成了盾構施工史上少有的“三龍過江”工況。盾構穿越地鐵二號線的上、下行線，其施工難度極高：
圖2 外灘觀光隧道穿越地鐵二號線示意
(1)采用φ7650mm鉸接式土壓平衡盾構施工，國內(nèi)尚無鉸接式盾構施工先例；
(2)隧道軸線為空間曲線，其坡度達到4．8％(地鐵隧道最大坡度為3．2％）。同時，軸線要求控制在±50mm以內(nèi)；
(3)外灘觀光隧道與地鐵二號線上行線隧道的最小間僅為1．57m，且滯后地鐵二號線隧道施工僅3個月左右，隧道尚處于穩(wěn)定狀態(tài)。
1．2地質(zhì)情況況
沿線隧道將穿越三種不同的地段；浦東岸邊段越②1層渴黃色粘土、⑤1-1層灰色粘土、⑤1-2層灰色粉粘土；江中段穿越⑤1-1層灰色粘土、⑤1-2層灰色粉質(zhì)粘土；浦西岸邊段穿越④層灰色淤泥質(zhì)粘土、⑤1-1層灰色粘土、⑤1-2層灰色粉質(zhì)粘土。隧道大部分下臥層為灰色粉質(zhì)粘土，各土層主要物理力學性質(zhì)指標詳見表1。
表1 各土層主要物理力學性質(zhì)指標
2 φ7650mm鉸接式土壓平衡盾構
2．1 主要技術參數(shù)
外灘觀光隧道首次采用法國FCB土壓平衡式鉸接盾構掘進施工，與地鐵中使用的法國FCB盾構的區(qū)別是增加了鉸接部分。盾構的主要技術參數(shù)詳見表2。
表2盾構的主要技術參數(shù)
盾構機中部的鉸接部分為盾構機關鍵部位。盾構總長8．935m，其中切口至鉸接為4．900m，鉸接至盾尾為4．035m，盾構前后段采用12臺千斤頂鉸接連接，是一種道軌式鉸接，機身一側為鉸接的陽部，另一側為鉸接的陰部，上下最大伸出距離為66．7mm，左右最大伸出距離為267mm。鉸接機構所允許的最大角向移動為：水平方向±2．0度，垂直方向±10．5度。
2．2盾構鉸接部分對軸線控制和管片拼裝的作用
鉸接盾構是自前國際上先進的盾構機械設備，它能方便地控制盾構掘進軸線。通常盾構由于受到盾構總體長度、切口支承環(huán)、盾尾、千斤頂伸出長度及管片形式的影響，使盾構的直徑、長度比例受到限制，這對中小型盾構的影響特別明顯，因為盾構的長度和直徑比越大，靈敏度蹬，對盾構高程及平面控制難度越高，并使盾構對周邊擾動范圍擴大，但采用鉸接盾構就能比較容易克服以上困難，因為盾構切口至支承環(huán)、支承環(huán)至盾尾都是活體，它能根據(jù)掘進軸線、管片與盾尾的四周空隙來調(diào)整切口至支承環(huán)和支承環(huán)至盾尾的夾角，從而達到控制盾構的高程及平面，并使盾構對周圍的擾動范圍大大減少。
鉸接盾構容易保護管片并防止碎裂。盾構掘進中，管片碎裂和漏水是比較常見的通病，主要原因是盾構掘進與管片夾角過大。如掘進過程中盾構、管片軸線偏高時，盾構向下掘進很容易拉壞上部管片外弧，如外弧拉壞、止水槽損壞，橡膠止水帶就起不了止水效果，管片就容易滴水和滲水。但采用了鉸接盾構，就能克服以上困難，因為鉸接盾構的盾尾是一個活體，在掘進過程中能根據(jù)盾尾和管片四周間隙不斷調(diào)整它們之間的間隙，并根據(jù)高程和平面的測量報表和這片間隙，最大限度地使盾構調(diào)整到軸線位置。
鉸接是一個活體，在進過程中與刀盤聯(lián)鎖，當?shù)侗P轉動時，鉸接千斤頂鎖定，當?shù)侗P停止轉動時，鉸接千斤頂呈自由體，管片對盾尾的應力釋放，使盾尾改善受力狀態(tài)，從而使管片不被擠壓壞，以達到保護管片，減少漏水的目的。
3盾構出洞施工技術
3.1地基加固
隧道出洞口中心標高為-11．68m，隧道斷面所處地層為砂質(zhì)粉土。出洞時在深層攪拌樁隔水帷幕的前提下，采用拉森鋼板樁結合分層注漿，且在原隔水帷幕外增加9排深層攪拌樁加固的方法進行地基加固(詳見圖3)，以避免呈流性砂質(zhì)粘土在鑿除洞門混凝土時涌人工作井內(nèi)。另外，為防止在洞門混凝土塊吊除時產(chǎn)生水土大面積流失現(xiàn)象，在洞門混凝土鑿除的位置打人側向管子并注入適量聚胺酯。
圖3 盾構出洞地基加固示意
3．2 土艙內(nèi)充填粘土
為防止盾構出洞時正面土體的流失，在盾構切口前端距離鋼板樁10cm處，利用螺旋機反轉法向盾構的正面土艙灌注粘土，使土壓力達1kPa/cm平方米。
3．3 完善盾構后盾支撐體系
當?shù)谝画h(huán)閉口環(huán)管片脫出盾尾后，立即進行后盾支撐的安裝。用56#工字鋼設置Ⅱ型支撐，并用中φ609mm的鋼管支撐軸向傳力至井壁。這樣，盾構出洞推進時千斤頂?shù)挠蛪杭皡^(qū)域有較大的選擇范圍，以控制盾構出洞時的軸線。后盾支撐完善后，在盾構推進時，密切觀察后靠的變形情況，防止變形過大而造成的破壞。
鉸接式土壓平衡盾構在國內(nèi)屬首次應用，對此種盾構軸線控制的標準尚無成文規(guī)定。外灘觀光隧道屬國內(nèi)第一條觀光隧道，為確保其使用功能，對其軸線控制提出了高程平面均需控制±50mm以內(nèi)的嚴格要求。
3．4 注漿量控制
觀光隧道管片在脫出盾尾后存在著上浮現(xiàn)象，從而引起隧道軸線上浮，其上浮量與同步注漿量有直接關系，管片脫出盾尾后的上浮量隨著注漿量的增加而增加，反之，上浮量則減少并出現(xiàn)下沉現(xiàn)象。漿液在某種程度上對上述土體2％的損失率有一定的互補性，但要經(jīng)過一個階段后才能體現(xiàn)出來，在同樣注漿量的情況下，管片上浮量與盾構掘進中土體擾動有很大關系，擾動范圍越大，上浮量越大(詳見圖4)。
圖4 注漿量與隧道軸線波動關系
3．5 土壓力設定
管片脫出盾尾后的上浮量達到一定值后開始穩(wěn)定，這—點可以從連通管測量中看出(詳見圖5).但當時的注漿量還不能控制地面沉降，其主要原因為土壓力設定值過低。
圖5 46環(huán)高速連通管監(jiān)測變化曲線
觀光隧道盾構不同于地鐵隧道盾構，其刀盤開口率要比地鐵盾構大，觀光隧道盾構開口率為63％(地鐵盾構為35％)。因此，在設定土壓力時接近主動土壓力，并通過地面測量的及時反饋來調(diào)整土壓力，一般將盾構切口前方的地面隆起量控制在4-6mm左右。
4 盾構穿越疊交點施工技術
浦西防汛墻施工時考慮到地鐵兩條隧道穿越防汛墻，故留有一條39m寬循構穿越孔，其外側為樁，39m范圍內(nèi)為12m短樁。而觀光隧道在浦西防汛墻施工時并沒設置預留孔，因此必須在地鐵隧道上部1．5～2m、短旺底部1．5-1．6m的范圍內(nèi)穿越，此范圍土層已受地鐵隧道穿越擾動而處于非穩(wěn)定狀態(tài)。為此，在施工中采取如下措施：
4．1地基加固
在整個施工過程中，先對二號線上下行線底部進行加固，使其能夠承受觀光隧道盾構進入時的壓及盾構向下的側向分力對上下行線的影響。
4．2盾尾注漿
盾構穿越過程中及時注漿并加固脫出盾尾4環(huán)后的管片上部，通過注漿使其固結，從而克服因觀光隧道上浮及地鐵隧道上部負載不夠而造成的地鐵隧道上浮。
當觀光隧道上部有一定的承受力后，可利用注漿加固克服地鐵隧道的上浮情況，使其受擾動的土體得到改良并增加承載力。
4．3 外灘觀光臺的沉降監(jiān)測
根據(jù)外灘觀光平臺的實際情況，分別布置沉降監(jiān)測點(詳見圖6）。
圖6 外灘觀光平臺沉降監(jiān)測點布示意圖
盾構在施工過程中，依據(jù)觀光平臺的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時優(yōu)化調(diào)整各類施工參數(shù)，最終將觀光隧道沉降控制在30mm以內(nèi)。
5 盾構進洞施工技術
盾構進洞盾構逐漸靠近洞門混凝土上開設觀察孔，以加強對其變形和土體的觀測；并控制好推進時的土壓力設定值。在盾構切口距洞門20～50cm處停止盾構推進，同時盡可能掏空土倉內(nèi)的泥土，使切口正面的土壓力降到最低值，從而確保封門混凝土吊除的施工安全。在洞門混凝土吊除后，在洞口安裝一套止水環(huán)板和止水條，以減少水的流失和漿液從洞口流出，同時，盾構掘進采取連續(xù)推進和管片拼裝，大大縮短了盾構進洞時間，實現(xiàn)了洞門土體不坍方。
由于工作井尺寸的限制，長約8．9m的盾構進洞不能一次完成，要分兩步進行。盾構工作井底層沿隧道軸線線長7．8m，當盾構切口環(huán)(包括大刀盤及其驅動裝置)進人工作井后，將切口環(huán)與支撐環(huán)分離，吊出切口環(huán)后，采取措施恢復盾構的推進功能，將盾構全部推人工作井。
盾尾脫出洞圈后及時封閉洞門，用弧形鋼板將其與洞圈焊接成一個整體，洞門封好后立即用雙液漿和聚胺酯將管片和洞圈的建筑間隙充填加固，以減少地面沉降并防止水土、漿液從洞圈溢出，從而保證了外灘觀光臺不受損壞。
6 “專家系統(tǒng)”在外灘觀光隧道工程中的成功應用
“盾構法隧道施工專家系統(tǒng)”是在地鐵一號線、二號線、延安東路南線等多個項目的施工中逐步建立和完善起來的。“盾構隧道掘進專家系統(tǒng)”的基礎是施工數(shù)據(jù)，既有以前的工程數(shù)據(jù)，也有當時正在施工隧道的實時數(shù)據(jù)。以前工程數(shù)據(jù)主要用于新隧道推進之初提供經(jīng)驗上的參考，而當前不斷輸入的數(shù)據(jù)則是為了在隧道推進過程中不斷提高系統(tǒng)預測的準確性。“盾構法隧道施工專家系統(tǒng)”的主要功能有兩個方面，第一方面是地面沉降的預測和控制，第二方面是隧道軸線的控制。
外灘觀光隧道由于對于軸線控制非常嚴格，因此選用了從法國FCB 引起的土壓平衡式鉸接盾構進行施工。這種鉸接類型的盾構是首次應用，所以原有的專家系統(tǒng)中有許多方面都不能直接應用。為了提高專家系統(tǒng)的適用范圍，針對鉸接類型盾構的特點，我們對專家系統(tǒng)進行了以下幾方面的補充和完善：
(1)在相關的數(shù)據(jù)庫中加入鉸接類型盾構所需要的域。
(2)在軸線控制中，加人了對六區(qū)油壓的控制功能，使用戶可根據(jù)不同的盾構類型選擇四區(qū)油壓控制、六區(qū)油壓控制或千斤頂控制等不同方式來控制盾構的走向。
(3)增加了鉸鏈式盾構推進軸線圖和管片拼裝圖。通過這些圖，施工人員可以直觀地看出管片和盾構推進軸線之間的關系，從而為下一階段的盾構推進提供了參考。
經(jīng)過改進的“專家系統(tǒng)”在施工過程中的價值主要體現(xiàn)在：
(1)有系統(tǒng)地搜集和保存了大量的施工數(shù)據(jù)，不僅為“專家系統(tǒng)”的咨詢提供了依據(jù)，而且也為工程資料的整理和保存提供了方便。
(2)在地面沉降的預測和控制方面，不僅使施工人員在調(diào)整施工參數(shù)方面有了參考，而且在推進這前對未來情況有了一個大致的了解。
(3)在隧道軸線的控制方面，施工人員能很快掌握隧道軸線控制的技巧，從而使隧道軸線控制符合設計的要求。
(4)盾構軸線和管片拼裝圖的自動繪制，以及楔子環(huán)粘貼方案的自動計算，使施工人員可從復雜的工作中解脫出來，從而有更多的時間解決施工中的諸多問題。
7 結束語
鉸接式盾構在上海外灘軌道觀光隧道掘進施工中的成功運用，為盾構順利穿越浦東防汛墻、黃浦江、地鐵二號線隧道、浦西防汛墻、地下管線等重要構筑線及地下管線奠定了基礎，且社會、經(jīng)濟效益顯著，據(jù)工程竣工測量報告，軸線均控制±50mm范圍內(nèi)，盾構日掘進速度達到8m以上，工程質(zhì)量被評定為優(yōu)良級，填補了我國在鉸接式盾構方面的空白，在施工技術方面有質(zhì)的飛躍。此外，盾構在短期內(nèi)順利穿越近距離隧道的施工技術，開創(chuàng)了國際盾構法隧道施工史的先河。
