顶管近距离穿越运营中地铁隧道的施工技术摘 要:电力电缆顶管隧道施工须穿越运营中的地铁上方,需采取严格的施工控制措施,控制地铁隧道的变形,限制施工对地铁隧道上方的土体产生扰动,工程采用了周密的泥浆套稳定控制技术、轴线控制技术等多项技措,很好地控制了地铁的隧道变形;施工中应用MARC软件建立了电力电缆顶管隧道穿越地铁隧道的三维数值计算模型。施工结束后,实测数据与模型计算值较吻合,为今后此类施工提供了借鉴。关键词:电力电缆顶管隧道;穿越;地铁隧道;施工技术1 工程概况及施工特点1.1 工程概况 西藏路电力顶管隧道工程采用三维曲线顶管法施工,管道内径2.7m,外径3.2m。电力隧道全长约3.03km,北起新疆路,南至复兴中路。其中4号顶管工作井位于西藏中路、九江路路口,3号工作井位于西藏中路、新闸路路口,4~3区间设计长度576m,在距4号工作井(顶管始发井)约108m处,电力顶管隧道从运行中的地铁2号线隧道上方穿越,整个穿越2号线上行、下行线隧道的总投影长度约25.0m,电力顶管隧道与地铁隧道之间的净距离约1.5m,影响投影宽度为3.3m,电力隧道设计中心线与地铁2号线间所夹锐角约为75°。电力隧道与地铁2号线间相对位置见图1所示。
1.2 施工特点 (1)运行中的地铁2号线隧道保护要求非常高,其长期变形控制值为:累计竖向沉降(隆起)小于±2mm;隧道横向变形小于±2mm;变形速率小于0.2mm/h。 (2)顶管从地铁隧道上方穿越,净距仅1.5m,且穿越距离较长,影响范围较大。 (3)类似的穿越施工中,多数采用的是盾构法施工,即机头穿越并完成管片拼装后,后续施工对被穿越隧道扰动少,但本工程采用顶管法施工,机头穿越后,由于整个管道仍然在移动,扰动要持续到整个区间贯通为止。 (4)顶管穿越土层土质为淤泥质粉质粘土,土质较差,并且在电力隧道顶进穿越前,南京东路—西藏中路下沉式广场已施工,该工程的围护结构施工和开挖施工已经对地铁2号线上方的土体产生了扰动,本工程施工属于二次扰动,土体各项指标变化较大,更容易对地铁隧道的稳定产生破坏。2 关键施工技术措施2.1 选用大刀盘泥水平衡顶管掘进机 国内外大量的工程实践证明大刀盘泥水平衡顶管掘进机对地表的沉降控制精度最高、效果最好[1,2]。本次施工选用的是面板式?2.7m大刀盘泥水平衡顶管掘进机,被切削的土体从主切削刀刃的缝隙中进入泥水舱,泥水舱内土体在刀盘后的搅拌棒和泥水的共同作用下破碎成为泥浆,通过控制泥水舱的泥水压力和泥浆比重来平衡开挖面的水土压力,使开挖面始终处于稳定状态。面板式大刀盘切削刀的设计和布置还参考了日本有关掘进机的形式,满足最佳的切削效果,同时使得进泥流畅,对开挖面的扰动又最小,使开挖面处于最佳的平衡状态,机头正面土体产生的挤压应力大为减小,切削面以外土体的扰动相应减小。2.2 触变泥浆压浆控制技术 在顶管管节外壁与土层之间形成良好性能的触变泥浆套,不仅可使顶进阻力成倍的下降,而且对控制地表沉降、减少土体的扰动有很好效果。因此,在实施穿越时,为了确保完整泥浆套的形成,严格控制泥浆质量并选用优质膨润土,并根据穿越前100m的顶进情况,不断优化泥浆配比,以确定泥浆配比为:膨润土∶CMC∶纯碱=1000∶60∶8(重量比,下同);膨润土∶水=1∶6。在控制好泥浆配比的同时,控制泥浆拌制质量;拌制好的泥浆静置24h后,要求漏斗粘度时间大于26s,并使用前再次搅拌。其次,在压浆时还着重控制以下4个方面: (1)出洞口的止水装置要确保不渗漏,管节接口和中继间的密封性能良好,是形成泥浆套的先决条件; (2)从出洞口开始压浆,出洞口的压浆可以避免管子进入土体后被握裹,进而引起“背土”的恶果;管道在“背土”条件下的运动将对土体产生很大的扰动; (3)机尾的同步压浆,使泥浆套随机头不断延伸,若不及时压浆,机壳外面也很容易产生背土现象,尤其是在穿越地铁隧道阶段,确保机尾处泥浆套形成对减少土体扰动非常重要; (4)对管道沿线定时补浆,不断弥补浆液向土层的渗透量,在穿越过地铁隧道后的后续顶进中,不断地补浆有助于减少管道前移时对地铁隧道上方土体的摩擦扰动。2.3 测量和轴线控制技术 确保穿越段顶管姿态的关键在于控制好顶进轴线。在进入穿越段前30m,顶进测量的频率提高到1次/m,并每顶进15m就进行一次顶进轴线复核,确保顶管机头在进入穿越段之前处于准确的姿态,轴线偏差控制在10mm以内。 进入穿越段后,每顶进50cm测量一次顶管姿态,做到勤推、勤测、勤纠。避免因为轴线出现过大偏差而进行强制纠偏,从而将对管体外土体的扰动减少到最小。2.4 合理制定主要施工参数 据同类工程的施工经验及研究成果可知,顶管施工中对周围环境和邻近已建隧道隆沉变形有明显影响的是:正面水土压力、顶管推进速度、顶管姿态等。其中顶管姿态取决于顶进测量的精度和纠偏的效果。而正面水土压力和推进速度则比较难以确定,通过对地质资料的仔细研究,并根据相关方面专家的咨询意见,考虑到既要保护地铁2号线隧道的安全,又要保证南京东路路口地表以及各种地面、地下建筑物的沉降值不超标,最后推进速度和刀盘正面水土压力确定为:推进速度为20mm/min;刀盘正面水土压力为机头中心位置静止土压力的1.00~1.05倍左右。2.5 多组纠偏特殊管的纠偏系统 采用多组纠偏系统形成整体弯曲弧度,有利于掘进机和随后管节的顺利地曲行。除机头本身具有的4组8只纠偏油缸外,本工程还选用了由6节纠偏特殊管组成的纠偏系统。纠偏特殊管为带凹坑的特殊管,每节管节可附加4个纠偏油泵,成45°斜线上下方排列。当管道进入曲线段的时候,启动短油缸,并在管接口断面设木衬垫,形成与设计相符的夹角。在施工过程中,根据轴线的变化,不断调整起曲油缸的行程。2.6 信息化施工 为了控制施工对周围环境以及地铁2号线的影响,对地表沉降、地下管线变形、建筑物变形等外部环境进行监测,并通过时间序列、回归分析等手段进行施工预测,指导施工;同时对地铁2号线隧道的沉降、侧移、断面变形等进行监测[3,4]。在穿越阶段,当顶管推进到地铁隧道前方30m处时,进行初始值监测;在未到达地铁隧道线时,每天监测次数定为2次;当顶管机头推进到地铁隧道上方后,监测频率调整为每2h一次;机头越过地铁隧道上方后,恢复为每天2次。如遇变形超过报警值,将随时进行跟踪监测。2.7 控制泥浆置换质量 当4~3区间电力隧道贯通后,及时利用触变泥浆压注孔对管道外的触变泥浆进行纯水泥浆置换,并对电力隧道与地铁2号线隧道穿越投影段,以及投影段两侧各30m范围的电力隧道管道外3m以内的土体进行了双液注浆加固,从而减少了管道的后期沉降。3 三维数值模拟与实测对比3.1 计算模型 模型计算区域:100m(电力顶管隧道纵向) ×60m(电力顶管隧道横向)×40m(深度),计算软件采用MARC。土体用实体单元模拟,隧道衬砌采用壳体单元模拟。计算模拟了顶管逐步顶进的施工过程,共分13个施工步骤。计算模型及电力顶管与2号线之间的相对位置关系如图2、图3所示。3.2 计算参数 土层材料及衬砌参数如表1和表2所示。3.3 结果分析 地铁2号线的竖向与横向变形随顶进距离的变化情况如图4及图5所示。 在顶管穿越地铁2号线隧道的施工过程中,进行了严密的地铁隧道和周边环境变化的监测。所测数据表明,由于施工参数选取科学、合理,各项技术措施的有效落实,电力隧道的顶进穿越对运行中的地铁2号线隧道和周边环境的变化都非常小,均严格控制在允许范围内。其中地铁2号线隧道的变形如图6所示。 图5中,以距离2号线40m为坐标原点;竖向变形以正值表示上浮;横向位移正值表示向着4号工作井,负值表示向着3号工作井。在未考虑土体加固的情况下,电力顶管隧道通过地铁隧道后,理论上地铁2号线隧道竖向最大变形为3.3mm,横向最大变形为0.39mm。 图6中,隧道变形值均为正,表示上浮;顶进距离起点以距离4号工作井80m(即穿越地铁隧道前30m)处开始计算,4~3区间全长顶进576m;穿越地铁2号线隧道长25m,对应顶进距离为30~55m。在电力隧道贯通2个月后,测得地铁隧道累计上浮变形0.84mm,产生侧向位移0.2mm。 计算结果表明:2号线盾构隧道最大上浮3.3mm。采用同济曙光进行2维有限元计算,计算结果表明2号线盾构隧道最大上浮3.0mm,实测结果为0.8mm;实测值与计算值总体变形趋势很吻合。由于顶管隧道与地铁隧道有一定夹角,顶管施工对地铁侧向变形有一定影响,如图5所示。4 结语 (1)根据具体的地质条件、环境条件和施工工艺的特点,制定了合理的泥浆套、后期注浆加固周边土体等控制技术措施以及选取合理的施工技术参数,为顺利穿越提供了技术保证。 (2)施工过程中,按照信息化施工的原则,及时对各项施工参数进行改进,将施工对地铁隧道的影响控制到最小程度。 (3)结合顶管的施工过程对地铁2号线的影响进行了详细的3维数值模拟,实测值和计算模拟值的变形趋势吻合较好,累计变形误差相对较小。 (4)电力顶管隧道顺利穿越运行中的地铁2号线,为今后该类工程的施工积累了一定的经验, 具有很好的借鉴价值。参考文献:[1]刘建航,候学渊.软土市政地下工程施工技术手册[Z],上海:上海市市政工程管理局,1990.[2]白云,周松等.软土地下工程施工技术[R],上海:上海隧道工程股份有限公司,2000.[3]陈卫明.特殊地段顶管施工沉降控制技术[J].中国市政工程,2003,(6):35~37.[4]房营光,莫海鸿等.顶管施工扰动区土体变形的理论与实测分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22(4):601~605.
1.2 施工特点 (1)运行中的地铁2号线隧道保护要求非常高,其长期变形控制值为:累计竖向沉降(隆起)小于±2mm;隧道横向变形小于±2mm;变形速率小于0.2mm/h。 (2)顶管从地铁隧道上方穿越,净距仅1.5m,且穿越距离较长,影响范围较大。 (3)类似的穿越施工中,多数采用的是盾构法施工,即机头穿越并完成管片拼装后,后续施工对被穿越隧道扰动少,但本工程采用顶管法施工,机头穿越后,由于整个管道仍然在移动,扰动要持续到整个区间贯通为止。 (4)顶管穿越土层土质为淤泥质粉质粘土,土质较差,并且在电力隧道顶进穿越前,南京东路—西藏中路下沉式广场已施工,该工程的围护结构施工和开挖施工已经对地铁2号线上方的土体产生了扰动,本工程施工属于二次扰动,土体各项指标变化较大,更容易对地铁隧道的稳定产生破坏。2 关键施工技术措施2.1 选用大刀盘泥水平衡顶管掘进机 国内外大量的工程实践证明大刀盘泥水平衡顶管掘进机对地表的沉降控制精度最高、效果最好[1,2]。本次施工选用的是面板式?2.7m大刀盘泥水平衡顶管掘进机,被切削的土体从主切削刀刃的缝隙中进入泥水舱,泥水舱内土体在刀盘后的搅拌棒和泥水的共同作用下破碎成为泥浆,通过控制泥水舱的泥水压力和泥浆比重来平衡开挖面的水土压力,使开挖面始终处于稳定状态。面板式大刀盘切削刀的设计和布置还参考了日本有关掘进机的形式,满足最佳的切削效果,同时使得进泥流畅,对开挖面的扰动又最小,使开挖面处于最佳的平衡状态,机头正面土体产生的挤压应力大为减小,切削面以外土体的扰动相应减小。2.2 触变泥浆压浆控制技术 在顶管管节外壁与土层之间形成良好性能的触变泥浆套,不仅可使顶进阻力成倍的下降,而且对控制地表沉降、减少土体的扰动有很好效果。因此,在实施穿越时,为了确保完整泥浆套的形成,严格控制泥浆质量并选用优质膨润土,并根据穿越前100m的顶进情况,不断优化泥浆配比,以确定泥浆配比为:膨润土∶CMC∶纯碱=1000∶60∶8(重量比,下同);膨润土∶水=1∶6。在控制好泥浆配比的同时,控制泥浆拌制质量;拌制好的泥浆静置24h后,要求漏斗粘度时间大于26s,并使用前再次搅拌。其次,在压浆时还着重控制以下4个方面: (1)出洞口的止水装置要确保不渗漏,管节接口和中继间的密封性能良好,是形成泥浆套的先决条件; (2)从出洞口开始压浆,出洞口的压浆可以避免管子进入土体后被握裹,进而引起“背土”的恶果;管道在“背土”条件下的运动将对土体产生很大的扰动; (3)机尾的同步压浆,使泥浆套随机头不断延伸,若不及时压浆,机壳外面也很容易产生背土现象,尤其是在穿越地铁隧道阶段,确保机尾处泥浆套形成对减少土体扰动非常重要; (4)对管道沿线定时补浆,不断弥补浆液向土层的渗透量,在穿越过地铁隧道后的后续顶进中,不断地补浆有助于减少管道前移时对地铁隧道上方土体的摩擦扰动。2.3 测量和轴线控制技术 确保穿越段顶管姿态的关键在于控制好顶进轴线。在进入穿越段前30m,顶进测量的频率提高到1次/m,并每顶进15m就进行一次顶进轴线复核,确保顶管机头在进入穿越段之前处于准确的姿态,轴线偏差控制在10mm以内。 进入穿越段后,每顶进50cm测量一次顶管姿态,做到勤推、勤测、勤纠。避免因为轴线出现过大偏差而进行强制纠偏,从而将对管体外土体的扰动减少到最小。2.4 合理制定主要施工参数 据同类工程的施工经验及研究成果可知,顶管施工中对周围环境和邻近已建隧道隆沉变形有明显影响的是:正面水土压力、顶管推进速度、顶管姿态等。其中顶管姿态取决于顶进测量的精度和纠偏的效果。而正面水土压力和推进速度则比较难以确定,通过对地质资料的仔细研究,并根据相关方面专家的咨询意见,考虑到既要保护地铁2号线隧道的安全,又要保证南京东路路口地表以及各种地面、地下建筑物的沉降值不超标,最后推进速度和刀盘正面水土压力确定为:推进速度为20mm/min;刀盘正面水土压力为机头中心位置静止土压力的1.00~1.05倍左右。2.5 多组纠偏特殊管的纠偏系统 采用多组纠偏系统形成整体弯曲弧度,有利于掘进机和随后管节的顺利地曲行。除机头本身具有的4组8只纠偏油缸外,本工程还选用了由6节纠偏特殊管组成的纠偏系统。纠偏特殊管为带凹坑的特殊管,每节管节可附加4个纠偏油泵,成45°斜线上下方排列。当管道进入曲线段的时候,启动短油缸,并在管接口断面设木衬垫,形成与设计相符的夹角。在施工过程中,根据轴线的变化,不断调整起曲油缸的行程。2.6 信息化施工 为了控制施工对周围环境以及地铁2号线的影响,对地表沉降、地下管线变形、建筑物变形等外部环境进行监测,并通过时间序列、回归分析等手段进行施工预测,指导施工;同时对地铁2号线隧道的沉降、侧移、断面变形等进行监测[3,4]。在穿越阶段,当顶管推进到地铁隧道前方30m处时,进行初始值监测;在未到达地铁隧道线时,每天监测次数定为2次;当顶管机头推进到地铁隧道上方后,监测频率调整为每2h一次;机头越过地铁隧道上方后,恢复为每天2次。如遇变形超过报警值,将随时进行跟踪监测。2.7 控制泥浆置换质量 当4~3区间电力隧道贯通后,及时利用触变泥浆压注孔对管道外的触变泥浆进行纯水泥浆置换,并对电力隧道与地铁2号线隧道穿越投影段,以及投影段两侧各30m范围的电力隧道管道外3m以内的土体进行了双液注浆加固,从而减少了管道的后期沉降。3 三维数值模拟与实测对比3.1 计算模型 模型计算区域:100m(电力顶管隧道纵向) ×60m(电力顶管隧道横向)×40m(深度),计算软件采用MARC。土体用实体单元模拟,隧道衬砌采用壳体单元模拟。计算模拟了顶管逐步顶进的施工过程,共分13个施工步骤。计算模型及电力顶管与2号线之间的相对位置关系如图2、图3所示。3.2 计算参数 土层材料及衬砌参数如表1和表2所示。3.3 结果分析 地铁2号线的竖向与横向变形随顶进距离的变化情况如图4及图5所示。 在顶管穿越地铁2号线隧道的施工过程中,进行了严密的地铁隧道和周边环境变化的监测。所测数据表明,由于施工参数选取科学、合理,各项技术措施的有效落实,电力隧道的顶进穿越对运行中的地铁2号线隧道和周边环境的变化都非常小,均严格控制在允许范围内。其中地铁2号线隧道的变形如图6所示。 图5中,以距离2号线40m为坐标原点;竖向变形以正值表示上浮;横向位移正值表示向着4号工作井,负值表示向着3号工作井。在未考虑土体加固的情况下,电力顶管隧道通过地铁隧道后,理论上地铁2号线隧道竖向最大变形为3.3mm,横向最大变形为0.39mm。 图6中,隧道变形值均为正,表示上浮;顶进距离起点以距离4号工作井80m(即穿越地铁隧道前30m)处开始计算,4~3区间全长顶进576m;穿越地铁2号线隧道长25m,对应顶进距离为30~55m。在电力隧道贯通2个月后,测得地铁隧道累计上浮变形0.84mm,产生侧向位移0.2mm。 计算结果表明:2号线盾构隧道最大上浮3.3mm。采用同济曙光进行2维有限元计算,计算结果表明2号线盾构隧道最大上浮3.0mm,实测结果为0.8mm;实测值与计算值总体变形趋势很吻合。由于顶管隧道与地铁隧道有一定夹角,顶管施工对地铁侧向变形有一定影响,如图5所示。4 结语 (1)根据具体的地质条件、环境条件和施工工艺的特点,制定了合理的泥浆套、后期注浆加固周边土体等控制技术措施以及选取合理的施工技术参数,为顺利穿越提供了技术保证。 (2)施工过程中,按照信息化施工的原则,及时对各项施工参数进行改进,将施工对地铁隧道的影响控制到最小程度。 (3)结合顶管的施工过程对地铁2号线的影响进行了详细的3维数值模拟,实测值和计算模拟值的变形趋势吻合较好,累计变形误差相对较小。 (4)电力顶管隧道顺利穿越运行中的地铁2号线,为今后该类工程的施工积累了一定的经验, 具有很好的借鉴价值。参考文献:[1]刘建航,候学渊.软土市政地下工程施工技术手册[Z],上海:上海市市政工程管理局,1990.[2]白云,周松等.软土地下工程施工技术[R],上海:上海隧道工程股份有限公司,2000.[3]陈卫明.特殊地段顶管施工沉降控制技术[J].中国市政工程,2003,(6):35~37.[4]房营光,莫海鸿等.顶管施工扰动区土体变形的理论与实测分析[J].岩石力学与工程学报,2003,22(4):601~605.
