劉 陽 王 凡 趙星星

(1.中鐵四局集團(tuán)第二工程有限公司，江蘇 蘇州 215000；2.浙江杭海城際鐵路有限公司，浙江 海寧 314400)

目前，我國已有的城市地鐵運(yùn)營線路數(shù)量眾多，但城市的交通需求仍然不斷增加，城市地鐵的建設(shè)依然在大力發(fā)展[1-3]。作為城市地鐵建設(shè)的主流工法，盾構(gòu)技術(shù)面臨的地質(zhì)條件和工況也越來越復(fù)雜，不可避免地出現(xiàn)臨近始發(fā)或接收端盾構(gòu)近距離下穿運(yùn)營地鐵隧道的工況[4-6]。盾構(gòu)近距離下穿既有運(yùn)營線時(shí)極易因土體擾動造成既有運(yùn)營隧道不均勻沉降，從而導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)開裂滲水、軌道變形及移位等風(fēng)險(xiǎn)，影響運(yùn)營列車的行車安全[7-9]；臨近隧道接收端，且地層為富水粉砂層時(shí)，盾構(gòu)在進(jìn)洞過程中可能出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)、盾尾漏水、洞門涌水涌砂、接收井涌水等風(fēng)險(xiǎn)[10-11]。

為解決盾構(gòu)下穿既有線、地鐵隧道盾構(gòu)接收的施工問題，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)進(jìn)行了一些研究。陳瑞文[12]等結(jié)合杭州地鐵6號線區(qū)間隧道下穿錢江二路公路隧道工程，介紹了盾構(gòu)接收端頭土體加固技術(shù)、沉降控制措施及現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)；朱紅霞[13]等以武漢地鐵3號線穿越既有2號線工程為背景，提出了在含承壓水粉細(xì)砂層中近距離下穿既有隧道的加固技術(shù)和土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)；肖衡[14]等依托長沙地鐵一號線黃興廣場站盾構(gòu)鋼套筒接收工程，使用無加固鋼套筒盾構(gòu)技術(shù)順利完成接收；溫良濤[15]以福州地鐵2號線某區(qū)間盾構(gòu)接收施工為背景，研究了軟弱富水砂層地質(zhì)條件下盾構(gòu)接收技術(shù)，介紹了盾構(gòu)接收端頭加固、降水施工、盾構(gòu)接收姿態(tài)控制、二次注漿等施工工藝。由以上研究可以看出，目前依托實(shí)際工程的盾構(gòu)接收施工技術(shù)及控制措施研究較多，但涉及小凈距下穿地鐵運(yùn)營線進(jìn)行盾構(gòu)接收施工的情況尚無案例。

杭州至海寧城際鐵路余杭高鐵站—許村鎮(zhèn)站區(qū)間盾構(gòu)隧道在富水粉砂層地質(zhì)中進(jìn)行施工，新建隧道下穿并且接收端靠近地鐵1號線，盾構(gòu)的安全接收、周邊建筑物的保護(hù)、地面沉降控制以及地鐵運(yùn)營線的保護(hù)是施工中的重難點(diǎn)。本文以該小凈距下穿地鐵運(yùn)營線盾構(gòu)接收施工為背景，研究了盾構(gòu)下穿地鐵運(yùn)營線時(shí)，對既有線的沉降控制及保護(hù)措施和盾構(gòu)接收施工技術(shù)，為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

杭州至海寧城際鐵路余杭高鐵站—許村鎮(zhèn)站區(qū)間隧道工程，在距離余杭高鐵站接收端約44m位置下穿地鐵1號線余杭高鐵站—南苑站區(qū)間隧道。杭海線盾構(gòu)管片外徑6700mm，內(nèi)徑6000mm，新建隧道穿越地鐵1號線處隧道覆土埋深18.5m，接收端頭覆土埋深約18m。

杭州地鐵1號線于2012年11月24日建成投入運(yùn)營，杭州地鐵1號線余杭高鐵站—南苑路站區(qū)間為地下盾構(gòu)區(qū)間，區(qū)間呈南北走向，區(qū)間隧道埋深為7.7～11.4m。地鐵1號線隧道內(nèi)徑5500mm，外徑6200mm。

新建隧道與地鐵1號線豎向凈距3.2～3.5m(見圖1)。地鐵1號線距離新建隧道接收端頭左線、右線分別為53.8m、44.6m(見圖2)?？梢钥闯觯陆ㄋ淼琅c地鐵1號線凈距較小，同時(shí)新建隧道接收端距離地鐵1號線的左線及右線距離也較近。

圖1 盾構(gòu)下穿地鐵1號線剖面

圖2 盾構(gòu)下穿地鐵1號線平面

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

1.2.1 工程地質(zhì)

工程地貌類型為杭嘉湖沖湖積平原，地勢較低，地形平坦，現(xiàn)地面標(biāo)高約 3.2～6.3m。局部場地受城鎮(zhèn)建設(shè)、河道水塘開挖與回填等人類活動的影響，場地微地形上略有起伏(地表以下各主要地層的基本物理力學(xué)參數(shù)見表1)，其中盾構(gòu)穿越地層主要為⑤4粉砂層。

1.2.2 水文地質(zhì)

本工程地表水屬上塘河水系，場地地貌單元為沖湖積平原，場地內(nèi)及周邊范圍內(nèi)河網(wǎng)密布，互相連通。涉及地表水體主要以小型河流為主，主要為場地西側(cè)的喬司港。地下水主要為第四系松散土類孔隙潛水和孔隙微承壓水，其中地下水位埋藏淺，地下水位埋深為0.1～3.0m，動態(tài)變幅一般在1.0～1.5m左右，承壓水水位為地面下6.5m左右，水頭標(biāo)高為-0.467m。

1.3 既有地鐵運(yùn)營線現(xiàn)狀

杭州地鐵1號線2016—2017年區(qū)間隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，新建隧道盾構(gòu)穿越影響范圍內(nèi)，既有隧道上下行線道床沉降最大值3.7mm，收斂變化值在2mm以內(nèi)，變形基本穩(wěn)定。綜合評定1號線區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)整體服役狀態(tài)等級為Ⅱ級：性能退化，但不影響正常功能，綜合評定隧道結(jié)構(gòu)安全狀況等級為Ⅱ級。

綜合考慮既有運(yùn)營線現(xiàn)狀，本項(xiàng)目施工對區(qū)間隧道附加變形控制值取水平位移±5mm、豎向位移±10mm，相對收斂為±5mm。

表1 地層基本物理力學(xué)參數(shù)

2 工程風(fēng)險(xiǎn)分析

結(jié)合本工程的施工特點(diǎn)及地質(zhì)環(huán)境，本區(qū)間盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)主要為下穿施工使既有線隧道變形產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)以及盾構(gòu)接收施工時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1 盾構(gòu)下穿施工對既有運(yùn)營線風(fēng)險(xiǎn)

a.本次工程新建隧道下穿既有線，與既有線豎向凈距僅3.2～3.5m，盾構(gòu)施工不可避免地會造成既有線的地基沉降，進(jìn)而導(dǎo)致軌道豎向變形，在列車荷載的反復(fù)作用下，對列車的行車安全構(gòu)成極大風(fēng)險(xiǎn)隱患。

b.盾構(gòu)下穿地層為富水粉砂層，該地層自穩(wěn)能力較差，且容易出現(xiàn)涌砂、涌水的情況，盾構(gòu)施工容易造成坍塌，導(dǎo)致既有線隧道結(jié)構(gòu)開裂、滲水。

c.盾構(gòu)在向前掘進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)上方的土體受到擠壓會產(chǎn)生橫向移動，進(jìn)而帶動既有線地基及鋼軌橫向移動，最終導(dǎo)致既有線鋼軌橫向移位及變形。

d.盾構(gòu)施工時(shí)的地層損失會導(dǎo)致既有線地層的沉降，需通過同步注漿和二次注漿進(jìn)行控制。當(dāng)注漿量不足時(shí)會造成沉降變形過大；而當(dāng)注漿量過多、注漿壓力過大時(shí)則會導(dǎo)致盾構(gòu)上方土體的隆起，從而引起既有線鋼軌的彎曲、上抬。

2.2 盾構(gòu)接收施工風(fēng)險(xiǎn)

a.本次盾構(gòu)下穿地鐵1號線地層主要位于粉砂層，地層為微承壓水層，滲透性強(qiáng)，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中易發(fā)生螺旋機(jī)噴涌現(xiàn)象，噴涌處理不當(dāng)將易造成掌子面失穩(wěn)、坍塌風(fēng)險(xiǎn)。

b.盾構(gòu)穿越地層地下水壓大，導(dǎo)致同步注漿壓力增大，在超出尾刷耐壓極限后形成漏水通道，增大盾構(gòu)接收時(shí)洞門漏水風(fēng)險(xiǎn)。

c.接收端頭井位于富水粉砂層，加固效果較難保證，在接收前洞門鑿除過程中，如若加固效果不佳，易出現(xiàn)洞門漏水、漏砂現(xiàn)象。

d.余杭高鐵站盾構(gòu)接收端地下水埋深較淺，且隧道所處地層為含承壓水的粉砂層，盾構(gòu)在進(jìn)入接收井的過程中，地層中水土易沿洞圈與盾殼之間的間隙涌入到接收井內(nèi)。

e.盾殼脫離洞門的時(shí)候，由于間隙突然增大，極容易發(fā)生大量土體涌入，盾構(gòu)接收后，洞門封環(huán)如注漿不及時(shí)或注漿效果不佳，將導(dǎo)致后方泥水涌入接收井。

3 盾構(gòu)接收前準(zhǔn)備措施

3.1 端頭井加固

為避免盾構(gòu)機(jī)接收時(shí)泥土及地下水涌入工作井，保證盾構(gòu)接收段地層有良好的自穩(wěn)性和密實(shí)性，使洞口土體在盾構(gòu)經(jīng)過該段時(shí)不造成坍塌，對洞口土體進(jìn)行加固，盾構(gòu)接收端頭加固長度為12m。

盾構(gòu)接收端頭的加固，采用旋噴樁配合攪拌樁的方式進(jìn)行：加固體采用三軸攪拌樁，攪拌樁與車站圍護(hù)結(jié)構(gòu)間空隙采用三管旋噴樁加固。加固體分為兩個(gè)區(qū)域，其中三軸攪拌樁加固指標(biāo)為加固一區(qū)的水泥摻量8%，加固二區(qū)的水泥摻20%，旋噴樁水泥摻量不小于35%。土體加固強(qiáng)度指標(biāo)為加固一區(qū)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu≥0.5MPa，加固二區(qū)的無側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu≥1.0MPa，同時(shí)確保加固土體的均勻性，密封性和自立性。

如果加固區(qū)土體的自立性仍較差，則應(yīng)再進(jìn)行補(bǔ)注漿加固措施，可采用雙液漿進(jìn)行補(bǔ)注漿，雙液漿配比為水∶水泥∶水玻璃=0.5∶1∶1，注漿壓力為0.2～0.3MPa，初凝時(shí)間為5～10min，漿液流量為10～15L/min，補(bǔ)注漿后能夠有效止住泥水滲漏現(xiàn)象。

3.2 降水井布置

為確保盾構(gòu)接收期間的安全，無滲水、流砂出現(xiàn)，結(jié)合車站主體結(jié)構(gòu)基坑降水經(jīng)驗(yàn)，在加固區(qū)外布置降水井，降水至隧道底1m以下。降水井布置見圖3。

圖3 降水井示意圖(單位：mm)

3.3 接收測量

盾構(gòu)機(jī)距離洞門前100m時(shí)，對接收洞門中線進(jìn)行再次復(fù)測，確定洞門中心精確位置。根據(jù)測量結(jié)果，調(diào)整盾構(gòu)機(jī)自動測量系統(tǒng)，盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)最后50環(huán)過程中，根據(jù)定向測量和聯(lián)系測量成果，盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)糾偏嚴(yán)格按照小量多次的原則進(jìn)行，使盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)控制在水平±15mm以內(nèi)，垂直方向在+20～+30mm，以保證隧道的順直度。

然而，中國研發(fā)投入仍存在兩個(gè)比較突出的問題，一是基礎(chǔ)研究投入比重較低，只占研發(fā)投入的5.1%，源頭創(chuàng)新能力不足；二是領(lǐng)先的創(chuàng)新型企業(yè)比較少，企業(yè)研發(fā)投入強(qiáng)度普遍偏低。在全球排名前2 500的企業(yè)的研發(fā)總投入中，中國僅占8%（美國39%），特別是在全球研發(fā)強(qiáng)度最高的制藥和生物技術(shù)產(chǎn)業(yè)，中國尚無具有代表性的企業(yè)。這些不足將嚴(yán)重影響中國科技發(fā)展的持續(xù)創(chuàng)新能力和中國企業(yè)在全球市場的競爭力。

盾構(gòu)機(jī)距離洞門前50m時(shí)，開始加密各項(xiàng)測量次數(shù)，做盾構(gòu)機(jī)進(jìn)洞前的姿態(tài)檢測、托架坐標(biāo)檢測等。若測量結(jié)果不符合要求，及時(shí)調(diào)整自動導(dǎo)向系統(tǒng)參數(shù),確保隧道標(biāo)準(zhǔn)貫通，并提前復(fù)測接收洞門坐標(biāo)，根據(jù)洞門坐標(biāo)偏差值調(diào)整掘進(jìn)姿態(tài)，并根據(jù)實(shí)測洞門中心坐標(biāo)放置接收架，接收架標(biāo)高按比實(shí)際軸線低1～2cm控制。

3.4 施工監(jiān)測

3.4.1 既有運(yùn)營線監(jiān)測布點(diǎn)及監(jiān)測頻率

盾構(gòu)穿越施工期間，加強(qiáng)對地鐵1號線的監(jiān)測，采用高精度(0.1mm)的自動監(jiān)測方法，每15min提供一組數(shù)據(jù)。既有運(yùn)營線監(jiān)測區(qū)域及監(jiān)測頻率見表2。

表2 既有運(yùn)營線監(jiān)測區(qū)域及監(jiān)測頻率

3.4.2 地表監(jiān)測布點(diǎn)及監(jiān)測頻率

地表監(jiān)測布點(diǎn)見圖4、圖5，穿越期間，盾構(gòu)下穿1號線加密的監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測頻率為2次/d，當(dāng)沉降速率過大超出預(yù)警值時(shí)每日測量3～4次，并應(yīng)根據(jù)實(shí)際變形情況及時(shí)調(diào)整。

圖4 地面監(jiān)測點(diǎn)剖面(單位：mm)

圖5 地面監(jiān)測點(diǎn)平面

3.4.3 拼裝隧道內(nèi)監(jiān)測布點(diǎn)及監(jiān)測頻率

拼裝隧道內(nèi)監(jiān)測分為隧道拱頂和拱底監(jiān)測以及襯砌環(huán)收斂監(jiān)測。隧道拱頂和拱底監(jiān)測的布置為10m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測斷面。隧道收斂(兩腰位置)直線段布置為10m設(shè)置一個(gè)監(jiān)測斷面，曲線段適當(dāng)加密，監(jiān)測斷面應(yīng)在已設(shè)置隧道隆沉和偏移測點(diǎn)處布設(shè)(見圖6)。

拼裝隧道內(nèi)監(jiān)測頻率：在車架后20環(huán)范圍內(nèi)為1次/d，車架后20～50環(huán)為1次/2d，車架后50環(huán)以外為1次/周。

4 盾構(gòu)接收施工控制措施

4.1 鋼套筒輔助接收

盾構(gòu)體接收采用鋼套筒輔助接收(見圖7)，筒體部分長10400mm，外徑7850mm，內(nèi)徑7450mm，分5段，每段又分為上、下兩塊。每段筒體的外周焊接縱、環(huán)向筋板形成網(wǎng)狀以保證筒體剛度，每段筒體的端頭和上、下兩段圓弧接合面均焊接連接法蘭，上、下兩段連接處以及兩段筒體之間均采用螺栓連接，并在中間加橡膠墊，以保證密封效果。

圖7 鋼套筒現(xiàn)場施工

盾構(gòu)進(jìn)鋼套筒掘進(jìn)時(shí)，推力設(shè)置在8500kN以下。盾構(gòu)進(jìn)入鋼套筒后，從管片上的拼裝孔向管片外側(cè)注雙液漿，防止盾尾后的水進(jìn)入盾尾前方。鋼套筒內(nèi)掘進(jìn)過程中，以實(shí)際測量的鋼套筒安裝中心線為準(zhǔn)控制盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，將中心線偏差控制在±2cm之內(nèi)。在洞門雙液漿凝固后，開始拆除鋼套筒。

4.2 洞門鑿除

在鑿除洞門前先打設(shè) 9個(gè)觀察孔，呈米字形分布，觀察孔外土體加固情況，當(dāng)加固土體達(dá)到設(shè)計(jì)所要求的強(qiáng)度、滲透性、自立性等技術(shù)指標(biāo)后，方可進(jìn)一步進(jìn)行洞門鑿除。

洞門鑿除工作分三層進(jìn)行，先鑿除外層鋼筋保護(hù)層，由下而上進(jìn)行鑿除并割除外層鋼筋及預(yù)埋件；再鑿除中間混凝土部分，從上而下進(jìn)行鑿除，最后留150mm厚混凝土及外排鋼筋；鑿除最后一層前，觀察先前9個(gè)探孔的滲漏水情況，再按先上部后下部順序鑿除，待混凝土塊清理完畢盾構(gòu)機(jī)迅速頂進(jìn)洞門。

4.3 洞門密封

在原洞門環(huán)板預(yù)埋板的基礎(chǔ)上，鋼套筒與洞門環(huán)板之間設(shè)置過渡連接板，洞門環(huán)板與過渡連接板采用燒焊連接，鋼套筒的法蘭端與過渡連接板采用螺栓連接，洞門環(huán)板與過渡板全部密貼后將過渡板滿焊在洞門環(huán)板上。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)至加固體時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增大同步注漿量，并及時(shí)進(jìn)行二次注漿，填充盾體與加固體之間的空隙，防止加固體外的地下水進(jìn)入前方。盾尾進(jìn)入加固體后，向管片外側(cè)注入雙液漿，并檢查是否漏漿。

4.4 洞內(nèi)深孔注漿

盾構(gòu)穿越既有線后，在既有線影響范圍采用鋼花管深孔注漿加固，確保地層的承載能力，同時(shí)減少對既有線的沉降影響。深孔注漿加固剖面見圖8。

圖8 洞內(nèi)深孔注漿加固剖面(單位：mm)

注漿過程中鋼管采用φ38鋼管，間距150mm，梅花形布置。注漿漿液采用雙液漿，水灰比1∶1，注漿壓力0.5～1MPa，水玻璃用水稀釋(1∶3)，水泥漿∶水玻璃=1∶1。

4.5 施工參數(shù)控制

盾構(gòu)掘進(jìn)至即將到達(dá)接收端時(shí)，將盾構(gòu)推進(jìn)分為加固體掘進(jìn)和進(jìn)鋼套筒掘進(jìn)兩個(gè)階段(見圖9)。第一階段為盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至加固體范圍，但刀盤尚未抵達(dá)鋼套筒，在第一階段的盾構(gòu)掘進(jìn)施工中，盾構(gòu)推進(jìn)速度設(shè)置為1～2cm/min，并控制盾構(gòu)切口的姿態(tài)，控制目標(biāo)為水平±15mm、垂直+10～+20mm之間，同時(shí)土艙壓力控制在1bar以內(nèi)。盾構(gòu)推進(jìn)過程加強(qiáng)盾尾油脂的壓注，防止盾尾漏漿，同時(shí)向管片外側(cè)注入雙液漿防止盾尾漏水。當(dāng)?shù)侗P中心刀進(jìn)入加固體12m時(shí)，準(zhǔn)備進(jìn)入第二階段的推進(jìn)。在鋼套筒掘進(jìn)階段，盾構(gòu)推進(jìn)速度控制在5mm/min以內(nèi)，同時(shí)盾構(gòu)推力控制在8500kN以內(nèi)，盾構(gòu)姿態(tài)控制為中心線偏差在±2cm之內(nèi)。土艙壓力根據(jù)鋼套筒頂部的壓力表數(shù)值進(jìn)行調(diào)整，避免推進(jìn)壓力過大，鋼套筒密封處出現(xiàn)滲漏狀況。盾構(gòu)進(jìn)入鋼套筒后，向管片外側(cè)注入雙液漿，避免盾尾后的水進(jìn)入鋼套筒內(nèi)。

圖9 盾構(gòu)到達(dá)接收端劃分區(qū)域示意圖

5 現(xiàn)場接收效果

5.1 既有線監(jiān)測分析

新建隧道盾構(gòu)掘進(jìn)期間，經(jīng)監(jiān)測，既有線隧道道床豎向位移最大值為-1.8mm，水平位移最大值為1.2mm，軌間高差最大值為1.2mm，隧道水平收斂最大值為0.9mm，均符合既有線隧道變形控制標(biāo)準(zhǔn)，表明采取洞內(nèi)深孔注漿的措施，可有效減少盾構(gòu)下穿施工對既有線隧道的沉降影響。

5.2 地表監(jiān)測分析

根據(jù)地表監(jiān)測數(shù)據(jù)，新建隧道左線盾構(gòu)穿越期間地表沉降最大值9.82mm，右線盾構(gòu)穿越期間地表沉降最大值6.51mm，滿足地表變形控制要求。

5.3 拼裝洞內(nèi)監(jiān)測分析

新建隧道盾構(gòu)施工期間，隧道拱頂、拱底沉降和襯砌環(huán)收斂變化速率均在±3mm/d以內(nèi)，隧道拱頂、拱底沉降均在20mm以內(nèi)，襯砌環(huán)收斂均在12mm以內(nèi)，滿足新建隧道盾構(gòu)施工變形控制要求。

5.4 接收總體情況評價(jià)

盾構(gòu)接收施工時(shí)鋼套筒處無漏漿情況，鋼套筒內(nèi)注漿加固效果良好，洞門鑿除時(shí)沒有出現(xiàn)明顯的涌砂、涌水現(xiàn)象，盾構(gòu)順利完成接收施工。

6 結(jié) 語

本文以杭海城際鐵路余杭至許村區(qū)間盾構(gòu)下穿地鐵1號線及接收工程為例，首先分析了盾構(gòu)下穿既有線以及盾構(gòu)接收的風(fēng)險(xiǎn)，由于盾構(gòu)下穿以及盾構(gòu)接收的風(fēng)險(xiǎn)疊加，故根據(jù)工程現(xiàn)場情況針對性地采取了盾構(gòu)接收前準(zhǔn)備措施和盾構(gòu)接收施工控制措施。由監(jiān)測結(jié)果可知，洞內(nèi)深孔注漿措施可有效保護(hù)既有線的運(yùn)營安全，減小盾構(gòu)下穿對既有線隧道沉降影響，洞門密封及接收時(shí)施工參數(shù)等控制措施可確保盾構(gòu)接收時(shí)的施工安全，故以上準(zhǔn)備措施及施工控制措施的實(shí)施，有效確保了工程的順利完成，可為其他小凈距下穿地鐵運(yùn)營線盾構(gòu)接收工程提供一定的參考。