跨运营隧道关键技术

跨地铁运营隧道地下空间工程关键技术创新与实践陈湘生博士深圳市地铁集团有限公司2017年8月，贵阳——与城市空间发展协同的地铁建设技术之一一、问题的提出二、技术路径三、技术和方法四、工程实例五、结论与建议主要内容一、问题的提出地铁给人们带来交通方便的同时，因地铁运营安全保护条例，其周边土地开发成本极高、安全风险也非常大。尤其是在满足现行技术规范要求前提下进行跨地铁运营隧道地下空间利用，几乎不可能。它既割裂了土地利用，也占用了大量土地无法利用。如何既确保地铁运营安全，又使这些珍贵土地得到高效利用，已经成为我们地铁工程技术界的重大技术难题。一、问题的提出前湾片区地铁保护区面积（隧道两侧各3米和80米）妈湾片区地铁保护区面积（隧道两侧各3米和80米）桂湾片区地铁保护区面积（隧道两侧各3米和80米）前海前湾、桂湾和妈湾三个片区隧道两侧各3米和80米占地面积前海三个片区内地铁线路安保区占有土地面积占开发地块总面积9.3%（隧道外侧3米控制线）和72%（80米保护区）（前海片区地铁安全保护范围为80米。隧道外侧3米限制区）一、问题的提出由于地层富水且工程地质非常复杂，进行地下空间开挖卸载地层回弹，会连带下部隧道隆起——水的影响；在隧道侧边开挖时会导致隧道偏移——水和侧限的影响。地下空间开挖降水时对地层产生固结（主固结、次固结、渗流）而沉降，会导致隧道沉降——水的影响。跨地铁运营隧道地下空间施工改变了隧道原有受力体系；如不采取措施，新建结构建成后变形也会直接影响地铁运营隧道结构——新/旧结构变形协调。一、问题的提出1）、新老结构和地层相互作用和变形协调机理（科学问题）新老结构多样性、形式不同和地层扰动时序不同导致的对新老结构约束不同而变形也不同（时序不同、受力不同导致的差异沉降）、新老结构材料力学性质存在差异、结构的设计标准有时也不同、新老结构之间介质稳定性等因素，即在施工和工后新老结构和地层相互作用和变位（位移、变形）机理。归结起来的科学和技术问题一、问题的提出2）、施工全过程安全控制（技术问题）核心是地下结构与地层相互作用变位协同的控制：①新建结构施工全过程对地层扰动导致既有运营隧道结构的扰动、新建结构工后沉降（与地层和老结构相互作用）控制；②地层二次扰动后，确保全寿命周期安全稳定的新、老结构和地层变形协同控制。归结起来的科学和技术问题是一、问题的提出①从结构和周边介质的物理力学性质出发，再结合既有工程数据进行数值模拟获得初步的地层位移定性趋势和判据；②在设计上尽可能选择适合该地层和地铁运营隧道结构安全的几何形状和几何尺度以及结构和材料——足够强度和刚度抵抗地层位移、新旧建筑结构之间变形独立协调；③因地制宜选择好与既有建（构）筑物结构的合适距离——控制地层位移；二、技术路径要解决这类极为困难问题技术途径：④择较为合适的工法（技术）——控制地层位移；⑤有效的实时监测监控（既有结构和地层变形实测、施工现场参数联动）——地层位移及其对地下建筑结构影响实况数值；⑥辅助技术（注浆、调节水位、地层覆重调节等）；形成措施互补的准智能化跨地铁运营隧道地下空间施工关键技术。藉此解决富水滨海地层跨地铁运营隧道地下空间重大技术难题。二、技术路径对地铁运营隧道周边围岩尤其是下卧层进行注浆、挤排围岩孔隙水提高围岩抗力——极大地减少地层降水固结沉降。在风化花岗岩群泵多次注双液浆时，第二次以后注入量较少而不密实。经过多次试现场比对试验，发现先注粘土水泥浆、再补充注双液浆，可大大提高围岩密实和抗力。三、技术及方法1、注浆加固地铁运营隧道围岩粘土水泥浆配合比：粘土占固体重量的75%～90%，水泥占固体重量的10%～20%，外加剂约0%～5%，水占总重量43%。粘土浆的比重约1.18～1.28，相对粘度≥16s；粘土水泥浆的比重约1.25～1.35。相对粘度约16s。粘土水泥浆的塑性强度Pm=kG/h2；k是拟合系数，G是锥杯试验重量g；Pm是塑性强度kPa。当粘土不够时可以掺固体重量不大于20%的粉煤灰。三、技术及方法1、注浆加固地铁运营隧道围岩采取小竖井跳挖方式在地铁运营隧道上部进行地下空间开挖——可以大大减少大面积开挖卸载引起的地层反弹量。开挖后在地铁运营隧道上部增加门式反压结构可进一步抑制开挖卸载引起的地层反弹。三、技术及方法2、小竖井跳挖及时门式框反压施工技术地铁运营隧道上部开挖变位控制新技术三、技术及方法2、小竖井跳挖及时门式框反压施工技术采用摇动式套管钻机（旋挖钻机）在地铁运营隧道侧边施工工程桩，可防止超挖和塌孔，从而极大地减少对地铁运营隧道围岩的扰动范围。成孔后浇筑钢筋混凝土工程桩，初凝后缓慢地拔出钢护筒的同时从外侧注入纯粘土浆。在桩周边与地层之间形成泥浆层。减少工程桩沉降时对地层的影响，从而极大地降低对地铁运营隧道的不利影响。三、技术及方法3、地铁运营隧道侧边桩基施工（摇动式套管钻机）采用摇动式套管钻机（旋挖钻机）三、技术及方法3、地铁运营隧道侧边桩基施工（摇动式套管钻机）在地铁运营隧道侧边采用钢板围护结构进行地连墙的施工。可极大地减少地连墙成槽时地层坍塌，进而减少对地铁运营隧道的影响。拔出钢板后，由于槽内有泥浆，浇筑地连墙时墙和地层间存在泥浆膜，可减少对地铁运营隧道的影响。三、技术及方法3、地铁运营隧道侧边地连墙施工（钢板围护）三、技术及方法4、在地铁运营隧道和上部地下空间地板之间设置变形缓冲层；上部高层建筑必须满足地铁隧道全寿命安全的要求——抗震和隔震（不对隧道造成冲击荷载）缓冲层和隔震还可以降低地铁运营时的震动噪声，从而让用户舒适。三、技术及方法利用高精度三维激光隧道扫描仪和全站仪的结合，建立了地铁运营隧道变形精准实时监测系统。可准确地实时监测到施工引起的地铁运营隧道结构变形全貌。5、地铁运营隧道变位高精度实时自动监测系统主筋测点布置纵向压力计加载装置安装管片拼装采集设备连接整环试验俯视图上下半环管片切割整环拼装和加载系统安装三、技术及方法6、运营隧道外载变化室内模型试验——机理研究三、技术及方法1）、建立了滨海富水复杂地层跨地铁运营隧道地下工程（基坑）技术导则2）、把地铁运营隧道结构椭圆度同时作为变形控制标准，弥补了隧道收敛非整体变形控制的缺陷。3）、提出了跨地铁运营隧道地下空间安全风险等级控制方法。7、地铁运营隧道控制标准盾构隧道接近程度基坑影响分区基坑施工对地铁设施影响等级划分依据国家规范制定了基坑施工对地铁设施影响等级，主要考虑因素是两个：（1）基坑与地铁设施接近程度；（2）基坑施工的工程影响分区。三、技术及方法7、地铁运营隧道控制标准三、技术及方法7、地铁运营隧道控制标准8、跨地铁运营隧道地下空间施工关键技术简图预加固止水降水先周边实施止水措施围岩尤其是隧道下卧层多次注浆挤密固结基坑范围适当进行降水固土增重进行两侧抗浮桩土体加固（中部地基处理）竖井跳挖控制土方开挖分区分步实施梁板承载及时浇注坑底底板减少暴露时间监测反馈设置专项地铁变形监测方案反压应急三、技术及方法四、工程实例（1）前海交易广场四、工程实例（1）前海交易广场隧道内加固四、工程实例（1）前海交易广场衡重式双排桩结构咬合桩咬合桩施工工法措施和步骤演示四、工程实例（1）前海交易广场四、工程实例（1）前海交易广场已建成的深圳地铁3号线地铁隧道从拟建高层公寓下方穿过，见左图；四、工程实例（2）蔡屋围跨地铁运营隧道结构公寓部分墙柱位于地铁正上方，需在地铁保护范围外对该部分竖向构件进行转换；四、工程实例（2）蔡屋围跨地铁运营隧道结构地铁保护要求：两侧不小于4m顶面不小于5m四、工程实例（2）蔡屋围跨地铁运营隧道结构蔡屋围项目塔楼均为32层，地下3层；地面底部3层为商业，3层以上分别为住宅、公寓。塔楼均为部分框支剪力墙结构转换层位于3层，结构高度均为98.90m。四、工程实例（2）蔡屋围跨地铁运营隧道结构三层(架空层)平面图二层(商业)平面图一层(架空层)平面图隔震减震提供舒适环境四、工程实例（2）蔡屋围跨地铁运营隧道结构地勘典型剖面隧道顶-20.0～-19.5隧道底-26.0～-25.5隧道顶-8.0～-9.0隧道底-14.0～-15.0四、工程实例（2）蔡屋围跨地铁运营隧道结构地铁与地下室剖面示意图37m27m22m转换梁2000x3000桩顶冠梁2500x3000转换梁2500x3000板厚600四、工程实例（2）蔡屋围跨地铁运营隧道结构梁式转换方案梁式转换方案计算结果四、工程实例（2）蔡屋围跨地铁运营隧道结构四、工程实例（3）听海大道四、工程实例（3）听海大道四、工程实例（3）听海大道四、工程实例（3）听海大道四、工程实例（3）听海大道四、工程实例（3）听海大道四、工程实例（3）听海大道鲤~前区间右线（下行线）听海大道地下空间段影响范围里程YSK25+497~YK25+713：1、槽段开挖期间向东位移最大变化2.2mm，累计位移向东最大值6.2mm；2、槽段开挖期间向西位移最大变化3.2mm，累计位移向西最大值2.0mm；3、槽段开挖期间标高变化最大隆起1.8mm，累计隆起最大值6.3mm；4、槽段开挖期间标高变化最大沉降2.1mm，累计沉降最大点1.9mm。四、工程实例（4）其他典型事例四、工程实例专家鉴定总体评价专家组一致认为该项目成果在地铁域空间开发利用领域达到国际领先水平。五、结论与建议1、通过是多年工程实践和实验研究，建立了跨地铁运营隧道地下空间施工关键技术：1）预先对地铁运营隧道围岩先注粘土水泥浆再注双液浆充填孔隙并提高抗力（尤其是隧道下卧层）；抗沉2）竖井跳挖减少卸载反弹和门式樑反压抑制地层反弹双重技术；抗浮3）紧邻隧道两侧用钢桶（板）隔断深基础施工和工后泥浆护桩(墙)的施工，最大限度减少隧道两侧施工对地铁运营隧道结构的影响和全寿命周期结构垂直变形互不影响；垂直变形隔离五、结论与建议4）在隧道结构上方与地下空间底板间设变形缓冲层，使地下空间结构和地铁运营隧道结构独立变形，确保各自安全；5）利用高精度三维激光隧道扫描仪结合全站仪，建立了地铁运营隧道变形精准实时监测系统。可准确地实时监测到施工引起的地铁运营隧道结构变形；隧道结构实时变化诊断6）除了隧道结构沉降（隆起）变形外，还提出了隧道椭圆度的控制标准。有利更准确地控制隧道结构的安全。精确标准五、结论与建议2、所建立的跨地铁运营隧道的地下空间施工关键技术成功于实践。首次解决了地铁安保区空间资源利用的安全风控制重大技术难题。特别是在前海区域释放了将近24万平方米的土地面积（隧道外侧3米）。3、开创了建地铁就是建城市新理念，尤其是赋予了城市空间规划新内涵，拓展了城市空间。4、地下空间规划、设计秉从窄自己、宽他人的境界。5、需要进一步建立施工指南和质量控制标准。希望城市轨道交通从利用各种技术解决建造难而实现设计的意图，走向处处体现人文关怀的具有文脉的宜人交通、宜居城市及温馨城市空间和优美环境。而不再仅仅是个拥挤交通工具。期盼城市轨道交通的未来若干地铁安全保护区规定、办法若干地铁安全保护区规定、办法2001年第二届海峡两岸隧道与地下工程学术会议回忆致谢：中国铁道科学院深圳分院深圳市前海管理局深圳市市政设计院有限公司同济大学中铁建设投资有限公司上海隧道股份中铁一局上海岩土勘察公司电子邮箱:[e-mail]微信：18923890015