張立鋒 楊順凱 王敬宇

(1.廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510000； 2.河南理工大學(xué) 測(cè)繪與國(guó)土信息工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

1 引言

近年來，地下軌道交通作為緩解城市地面交通擁堵的主要手段，在我國(guó)各大城市迅速發(fā)展[1]。隨著城市軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)，施工安全、既有地鐵運(yùn)營(yíng)安全以及新線路施工對(duì)既有線路造成的影響，成為地下軌道交通建設(shè)中急需解決的關(guān)鍵問題[2]。當(dāng)新建線路的盾構(gòu)施工臨近既有地鐵運(yùn)營(yíng)隧道時(shí)，地鐵隧道結(jié)構(gòu)會(huì)因外部施工影響而產(chǎn)生不同情況的變形[3]。對(duì)于大直徑盾構(gòu)（Φ8.58 m）、近距離（豎向距離最小3.16 m）且在不良地質(zhì)條件下（富水砂卵石地層）穿越既有地鐵運(yùn)營(yíng)隧道的項(xiàng)目，大斷面作業(yè)情況下，地質(zhì)自穩(wěn)性差、盾構(gòu)機(jī)操作失誤、工序銜接不及時(shí)、地層具有滯后沉降特性等不利因素都會(huì)增加既有線的變形風(fēng)險(xiǎn)，從而致使既有線結(jié)構(gòu)開裂滲水，甚至大幅坍塌或隆起，影響運(yùn)營(yíng)安全[4]。針對(duì)上述特殊工程地質(zhì)和施工條件，本文著重探討如何采用有效的施工措施，并結(jié)合高精度、高頻率的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法對(duì)既有地鐵隧道變形進(jìn)行控制，項(xiàng)目成功實(shí)施印證了砂卵石地層大直徑盾構(gòu)近距離穿越既有地鐵運(yùn)營(yíng)隧道施工方法的可行性，能夠保障既有線路的運(yùn)營(yíng)安全。

2 概述

2.1 工程概況

本項(xiàng)目為成都軌道交通17 號(hào)線一期工程鳳溪河站—溫泉大道站區(qū)間雙線盾構(gòu)下穿既有4 號(hào)線隧道，安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為特級(jí)。盾構(gòu)區(qū)間采用Φ8.58 m 的土壓平衡盾構(gòu)法施工，盾體長(zhǎng)約10.85 m，均由溫泉大道站始發(fā)，鳳溪河站接收，臨近接收處自下方穿越既有運(yùn)營(yíng)地鐵4 號(hào)線；4 號(hào)線與17 號(hào)線平面大角度交叉，4號(hào)線隧道底與17 號(hào)線隧道拱頂最小距離約為3.16 m，新線盾構(gòu)區(qū)間與既有線隧道的平剖面關(guān)系如圖1、圖2所示。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，在穿越區(qū)域地層主要為<2-9-3>密實(shí)卵石土、<2-8-3>密實(shí)卵石土及<2-4-2>密實(shí)卵石土，以花崗巖、灰?guī)r、砂巖為主，卵石磨圓度好，分選性差，粒徑60 ～190 mm 的約占75%，其余部分以中細(xì)砂填充。下穿區(qū)域已在17 號(hào)線鳳溪河站施工區(qū)間進(jìn)行了持續(xù)降水施工，水位已降至17 號(hào)線隧道底部以下。

2.2 既有線變形控制要求

根據(jù)《城市軌道交通結(jié)構(gòu)安全保護(hù)技術(shù)規(guī)范》（CJJ/T202-2013）[5]，結(jié)合成都地鐵相關(guān)規(guī)定，本項(xiàng)目確定17號(hào)線盾構(gòu)穿越4號(hào)線運(yùn)營(yíng)隧道沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，如表1 所示。施工期間應(yīng)注意既有線路的保護(hù)，嚴(yán)格按照既有線變形控制標(biāo)準(zhǔn)約束穿越施工。

3 超前加固及支護(hù)措施

為了保障既有線的運(yùn)營(yíng)安全，同時(shí)為穿越工作提供良好的施工條件，本項(xiàng)目采取了施作素樁、注漿、打管棚等措施對(duì)地層予以加固。

3.1 既有線預(yù)設(shè)素樁

由于地質(zhì)條件較差，對(duì)盾構(gòu)施工不利，在4 號(hào)線建設(shè)時(shí)已為17 號(hào)線盾構(gòu)穿越預(yù)設(shè)條件，即在穿越交叉區(qū)域進(jìn)行了C20 素混凝土樁加固，素樁采用Φ1000 mm規(guī)格，間距1350 mm 及1390 mm，呈梅花形布置。素樁與地鐵線路關(guān)系的平面圖及立面圖如圖3、圖4 所示。

3.2 地層加固

考慮到砂卵石地層土質(zhì)疏松，成拱性差，容易坍塌[6]，且盾構(gòu)掘進(jìn)期間易造成出渣量超方等問題，因此在盾構(gòu)下穿區(qū)域，利用砂卵石土體流道通常的特性，采用斜向袖閥管對(duì)既有線下方的土體進(jìn)行注漿加固。同時(shí)預(yù)留注漿管，根據(jù)穿越期間的監(jiān)測(cè)變形情況補(bǔ)充注漿，袖閥管注漿加固區(qū)域及袖閥管立面布置圖，如圖5、圖6 所示。注漿前，預(yù)先進(jìn)行了試驗(yàn)段注漿，結(jié)合既有線監(jiān)測(cè)情況調(diào)整注漿壓力及注漿量。

圖4 素樁布置立面圖

圖5 袖閥管注漿加固區(qū)域

圖6 袖閥管立面布置圖

3.3 管棚超前支護(hù)

在新建盾構(gòu)隧道區(qū)間上方與既有線隧道區(qū)間交叉處打設(shè)管棚進(jìn)行地層支護(hù)加固，管棚采用Φ194×16 mm 規(guī)格，長(zhǎng)38 m，孔口環(huán)向間距400 mm，管棚中心距管片外緣900 mm，管棚采用水泥漿填充注漿，管棚立面及剖面布置圖如圖7、圖8 所示。由于大直徑卵石及素混凝土樁影響，“高精度、長(zhǎng)距離、大直徑”的管棚打設(shè)施工同樣存在侵入既有運(yùn)營(yíng)線及新線的風(fēng)險(xiǎn)[7]，在施工時(shí)應(yīng)實(shí)時(shí)糾偏。

圖7 管棚立面布置圖

圖8 管棚剖面布置圖

4 穿越期間的施工控制

鑒于盾構(gòu)施工的地質(zhì)條件較差，根據(jù)盾構(gòu)施工要點(diǎn)，本項(xiàng)目主要采用以下措施保障施工質(zhì)量及既有線路安全。

（1）開倉換刀：盾構(gòu)在砂卵石地層中進(jìn)行掘進(jìn)，刀具發(fā)生嚴(yán)重磨損，磨損主要發(fā)生在外周和中心部位，尤其以大直徑滾刀磨損最為嚴(yán)重[8]。因此，在下穿前選擇適當(dāng)?shù)拈_闊位置開倉換刀是保證安全、連續(xù)、平穩(wěn)完成穿越的必要條件之一[9]。

（2）連續(xù)作業(yè)：盾構(gòu)穿越宜連續(xù)掘進(jìn)，不宜中斷，亦不宜選擇僅在地鐵停運(yùn)的“窗口期”作業(yè)，應(yīng)全天候連續(xù)作業(yè)。

（3）同步與二次注漿 ：在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中同步注漿，通過盾體徑向孔進(jìn)行注漿，填充開挖面與盾體形成的施工空隙，減小盾體與地層之間的摩擦力，有利于改善頂推力，使盾構(gòu)平穩(wěn)掘進(jìn)，減少對(duì)周圍土體的擾動(dòng)，并能夠有效控制盾體上方構(gòu)筑物及其本身新建隧道的沉降變形[10]。盾體注漿漿液主要經(jīng)1 或11 點(diǎn)位注入，每環(huán)約1.2 m3。二次注漿則是控制盾構(gòu)上方建構(gòu)筑物沉降變形的重要手段，如圖9 所示。待管片脫出盾尾與土壤接觸后，通過成形隧道管片上的徑向孔進(jìn)行注漿，注漿區(qū)域?yàn)楣芷鈴较?.5 m 的范圍，采用水泥單液漿，水灰比為1∶1，根據(jù)既有線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整注漿壓力，并將壓力控制在小于0.5 MPa，及時(shí)將隧道周圍土體填充密實(shí)。

圖9 二次注漿徑向地層加固示意圖

5 既有地鐵結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)方案

5.1 自動(dòng)監(jiān)測(cè)方法

項(xiàng)目構(gòu)建了地鐵沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)云平臺(tái)（如圖10所示），實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)既有地鐵4 號(hào)線下穿影響區(qū)域，及時(shí)了解既有線的變形情況，掌握施工控制措施的效果，以便對(duì)穿越施工關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行調(diào)整，為運(yùn)營(yíng)線路的安全和盾構(gòu)順利穿越提供可靠保障[11]。

圖10 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

穿越施工開始前，首先對(duì)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行“歸零”處理，確保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反映的變形僅為穿越施工對(duì)既有線路的影響。在盾構(gòu)穿越期間，采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)，以徠卡測(cè)量機(jī)器人（TM30）作為前端監(jiān)測(cè)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)既有線路，由傳送系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳送至監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)，依據(jù)監(jiān)測(cè)與分析系統(tǒng)的解算結(jié)果進(jìn)行結(jié)果數(shù)據(jù)的發(fā) 布和預(yù)警。為了及時(shí)了解既有線變形情況，施工過程中可靈活設(shè)置監(jiān)測(cè)頻率，本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)頻率設(shè)置為1次/小時(shí)。

5.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

既有線隧道監(jiān)測(cè)以監(jiān)測(cè)斷面的方式布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)。距離下穿區(qū)域1 倍盾構(gòu)洞徑的強(qiáng)烈影響區(qū)按間隔2.5 m布置一個(gè)斷面（如圖11 所示），顯著影響區(qū)按間距5 m 布置一個(gè)斷面。每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面均布置5 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于道床（2 個(gè)）、拱腰（2 個(gè)）、拱頂（1 個(gè)），如圖12 所示。

圖11 監(jiān)測(cè)斷面布置圖

圖12 斷面測(cè)點(diǎn)布置圖

6 既有線沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

6.1 關(guān)鍵監(jiān)測(cè)斷面沉降變形規(guī)律

為了更加直觀地反映盾構(gòu)穿越對(duì)既有線的影響，特選取強(qiáng)烈影響區(qū)內(nèi)新線盾構(gòu)區(qū)間與既有隧道區(qū)間水平交叉處中心的4 個(gè)監(jiān)測(cè)斷面作為關(guān)鍵斷面，關(guān)鍵斷面如表2 所示。

項(xiàng)目盾構(gòu)穿越分兩次進(jìn)行，前后歷時(shí)約30 天；新線右線盾構(gòu)穿越既有線完成約20 天后，新線左線再次穿越；兩次穿越后，各關(guān)鍵監(jiān)測(cè)斷面的沉降變形曲線，如圖13 所示。

表2 新線與既有線交叉處的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)斷面

圖13 既有線隧道關(guān)鍵監(jiān)測(cè)斷面沉降變形情況

根據(jù)監(jiān)測(cè)變形曲線可知，在兩次盾構(gòu)穿越后，強(qiáng)烈影響區(qū)內(nèi)以關(guān)鍵監(jiān)測(cè)斷面為代表的既有線發(fā)生了較大的沉降變形，最大沉降變形為-5.7 mm；依托監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)采取的系列注漿措施，既有線的變形整體控制在了-5.0 mm 左右。

6.2 盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度與既有線沉降變形規(guī)律

穿越既有線時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)是誘發(fā)既有線變形的直接原因。因此，研究既有線隨盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度的變形規(guī)律，掌握盾構(gòu)穿越施工對(duì)既有線的影響十分必要。為直觀展示盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度與既有線變形的關(guān)系，特以盾構(gòu)刀盤所在位置為基準(zhǔn)，將盾構(gòu)的穿越劃分為7 個(gè)連續(xù)的掘進(jìn)進(jìn)度，逐段對(duì)比沉降時(shí)態(tài)曲線，用以研究盾構(gòu)對(duì)既有線的影響，具體劃分段如圖14 所示。圖14 中標(biāo)記位置為盾構(gòu)刀盤所在位置（盾體長(zhǎng)度約為7.2 個(gè)管片寬度）。該項(xiàng)分析結(jié)果可為類似工程提供參考，在變形發(fā)生前預(yù)先采取措施控制既有線變形。

6.2.1 新線盾構(gòu)右線穿越既有線沉降規(guī)律

新線盾構(gòu)右線盾構(gòu)先行穿越既有線，即從標(biāo)記1掘進(jìn)至標(biāo)記8，依次穿越Y(jié)8 和Z8 監(jiān)測(cè)斷面；穿越期間盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度與既有線沉降變形曲線對(duì)照關(guān)系如表3 所示。部分既有線斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)態(tài)曲線如圖15所示。

表3 盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度與既有線沉降變形曲線對(duì)照關(guān)系

6.2.2 新線盾構(gòu)左線穿越既有線沉降規(guī)律

新線盾構(gòu)左線盾構(gòu)后穿越既有線，即從標(biāo)記A 掘進(jìn)至標(biāo)記H，依次穿越Y(jié)11 和Z11 監(jiān)測(cè)斷面；穿越期間盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度與既有線沉降變形曲線對(duì)照關(guān)系如表4 所示。部分既有線斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降時(shí)態(tài)曲線如圖16所示。

表4 盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度與既有線沉降變形曲線對(duì)照關(guān)系

6.2.3 既有線沉降變形的分析小結(jié)

分析盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度與既有線沉降變形曲線，可得到如下結(jié)論：

圖15 既有線隨盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度的沉降變形曲線

（1）根據(jù)掘進(jìn)進(jìn)度1 ～2、A ～B（接近既有線右線）和4 ～5、D ～E（接近既有線左線）可知，在砂卵石地層中，近距離盾構(gòu)下穿既有線的情況下，盾構(gòu)在距既有線水平距離約6 m 時(shí)對(duì)既有線產(chǎn)生擾動(dòng)。

（2）根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度2～4、B～D和5～7、E～G（盾構(gòu)進(jìn)入既有線正下方）可知，盾構(gòu)在既有線下方掘進(jìn)時(shí)，既有線沉降變形最為劇烈。

（3）根據(jù)盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度4 ～5、D ～F 和7 ～8、G ～H（盾尾脫出既有線正下方）可知，盾尾脫出后，既有線沉降速率變緩，沉降逐漸趨于穩(wěn)定。

（4）根據(jù)變形曲線可知，在一條盾構(gòu)穿越過程中，不僅自身上方的既有線有較大沉降，還影響臨近的另一條盾構(gòu)線路上方的既有線，兩者既有線沉降變化量之比約為5∶1。

6.3 顯著影響區(qū)沉降規(guī)律分析

選取穿越完成后強(qiáng)烈影響區(qū)及顯著影響區(qū)內(nèi)的監(jiān)測(cè)斷面（左線Z6 ～ZA13 斷面、右線Y6 ～YA13 斷面）進(jìn)行分析，繪制如圖17、圖18 的沉降曲線圖，該曲線圖沿既有線隧道方向繪制，即從隧道縱剖面方向觀察既有線沉降情況。

圖16 既有線隨盾構(gòu)掘進(jìn)進(jìn)度的沉降變形曲線

圖17 既有線左線沿隧道方向繪制的沉降曲線圖

圖18 既有線右線沿隧道方向繪制的沉降曲線圖

由沉降變形曲線可知，盾構(gòu)穿越后，既有線同一斷面內(nèi)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降較為均勻，各斷面間沉降大小略有差異，整體呈U 形沉降槽。強(qiáng)烈影響區(qū)內(nèi)兩條新線隧道間的土體，經(jīng)盾構(gòu)擾動(dòng)應(yīng)力擴(kuò)散，無法為既有線提供足夠支撐力，使得區(qū)域上方的既有線發(fā)生沉降，進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)烈影響區(qū)內(nèi)的既有線沉降均勻，既有線沿軌道方向的最大差異沉降向遠(yuǎn)離盾構(gòu)新線兩側(cè)偏移。

7 結(jié)論

本文以砂卵石地層不良地質(zhì)條件下大直徑盾構(gòu)近距離穿越既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)項(xiàng)目為例，以保護(hù)既有地鐵結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)穿越施工控制措施進(jìn)行了研究，對(duì)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)獲取的實(shí)時(shí)變形數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，獲得了施工過程與沉降變形的規(guī)律，為安全施工和運(yùn)營(yíng)提供了有力保障。主要結(jié)論如下：（1）既有素混凝土樁及采取的袖閥管注漿措施能夠有效固結(jié)既有線周圍的土體，對(duì)砂卵石地層的成拱性及盾構(gòu)出土量的控制有促進(jìn)作用；（2）施作管棚及袖閥管時(shí)，需注意打設(shè)的角度及深度，應(yīng)避免角度偏差破壞既有運(yùn)營(yíng)線，以及打設(shè)深度過深侵入新線盾構(gòu)掌子面，影響新線掘進(jìn)等問題；（3）盾構(gòu)在既有線正下方掘進(jìn)時(shí)，對(duì)既有線的影響最為劇烈，掘進(jìn)過程中應(yīng)該格外控制出土量、及時(shí)注漿對(duì)空隙予以填充；（4）既有線自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能有效指導(dǎo)施工，應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采取洞內(nèi)注漿措施并適當(dāng)調(diào)整注漿壓力來控制甚至減少既有線的變形，保障既有線的結(jié)構(gòu)及運(yùn)營(yíng)安全。