孫會良，胡盛斌，肖鵬飛，胡 敏

(1. 南寧軌道交通集團有限責(zé)任公司，廣西 南寧 530029； 2. 長沙理工大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

0 引言

隨著國內(nèi)城市軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展，新建地鐵線路下穿既有車站或區(qū)間的情況越來越多，往往成為整條線路工期控制的關(guān)鍵。當(dāng)新建地鐵隧道下穿既有地鐵結(jié)構(gòu)時，一旦處理不當(dāng)，不僅會影響既有結(jié)構(gòu)的服役安全，嚴重時還會危及列車運行安全。

目前，新建盾構(gòu)隧道下穿既有線相互影響方面已有較多的研究成果。郭慶昊等[1]分析了盾構(gòu)施工對既有車站的受力、變形和整體安全性的影響；楊廣武等[2]采用FLAC軟件分析盾構(gòu)穿越施工沉降的影響規(guī)律；李立等[3]通過方案比選和數(shù)值計算預(yù)測盾構(gòu)施工對既有線的影響；呂向紅等[4]介紹了全斷面卵石地層中盾構(gòu)近距離穿越地鐵既有線的技術(shù)措施；楊志勇等[5]分析了左右線盾構(gòu)下穿運營隧道施工過程和沉降疊加效應(yīng)影響；胡敏[6]基于分形理論探討砂卵石土的力學(xué)特性對地鐵盾構(gòu)施工的影響；蔣勝光等[7]采用有限元軟件模擬了圓礫層雙線盾構(gòu)施工的地表沉降特征；江華等[8]分析了新建雙線盾構(gòu)隧道近距離下穿施工過程中誘發(fā)的車站結(jié)構(gòu)變形特征；張瓊方等[9]研究了盾構(gòu)穿越施工過程中不同位置的既有隧道變形和位移變化規(guī)律；謝雄耀等[10]利用MIDAS GTS軟件研究了盾構(gòu)穿越火車站微擾動施工沉降變化規(guī)律；吳全立等[11]研究了盾構(gòu)近始發(fā)端頭下穿既有地鐵線路綜合技術(shù)；張潤峰等[12]研究了盾構(gòu)下穿既有建筑過程中盾構(gòu)施工參數(shù)及姿態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律；楊建烽等[13]建立了隧道施工的計算模型；劉新軍等[14]采用室內(nèi)模型試驗和MIDAS GTS NX軟件對雙線盾構(gòu)隧道掘進過程進行了動態(tài)模擬。然而，在多重障礙物和上軟下硬地層的復(fù)雜條件下，地鐵曲線接收段盾構(gòu)隧道近距離斜交穿越既有車站的情況并不多見。

本文以南寧市軌道交通5號線斜交穿越既有1號線廣西大學(xué)站工程為例，分析新建雙線盾構(gòu)隧道近距離下穿既有車站結(jié)構(gòu)的施工風(fēng)險，對特級風(fēng)險源進行現(xiàn)狀調(diào)查、數(shù)值模擬以及現(xiàn)場實測，并針對施工中遇到的難點提出素樁加固、地層加固、削磨樁墻、開艙換刀等相關(guān)技術(shù)方案和措施，動態(tài)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，實現(xiàn)了一次性成功穿越。

1 工程概況

南寧市軌道交通1號線廣西大學(xué)站為地下2層島式車站，車站全長465 m，站臺寬12 m。車站采用明挖法施工，站廳層預(yù)留換乘通道與5號線車站相連接。在車站基坑南、北兩側(cè)的穿越段，地下連續(xù)墻底部鋼筋改為玻璃纖維筋，墻厚0.8 m，采用C30P8混凝土，墻體長度為19.3～24.5 m，嵌入基巖深度不小于2 m。同時，加強了穿越段既有車站底板配筋，并對穿越段車站底板以下至泥巖層進行袖閥管注漿加固，為5號線盾構(gòu)穿越施工提供了預(yù)留條件。

南寧市軌道交通5號線新秀公園站—廣西大學(xué)站區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)，盾構(gòu)刀盤直徑為6.28 m，管片環(huán)外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，管片厚度為0.3 m，管片環(huán)寬度為1.5 m，注漿量取環(huán)形間隙理論體積的1.3～1.8倍，則每環(huán)注漿量為5.27～7.29 m3。盾構(gòu)從新秀公園站始發(fā)，在廣西大學(xué)站接收，穿越段總長為132 m，平面線型為緩和曲線，2‰坡度上坡。盾構(gòu)先后下穿1號線4號出入口、車站地下連續(xù)墻(2道)、臨時中立柱樁、遺留的降水井、換乘通道基坑以及5號線車站地下連續(xù)墻(1道)，如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)穿越既有車站平面圖

典型盾構(gòu)穿越段地質(zhì)剖面如圖2所示。左右線盾構(gòu)隧道斷面大多位于圓礫層、粉砂層，地層透水性強，地下水豐富，且地下水均位于隧道上方，盾構(gòu)姿態(tài)控制和注漿壓力控制難度大，盾構(gòu)穿越實施條件復(fù)雜。

圖2 典型盾構(gòu)穿越段地質(zhì)剖面圖

1.1 工程地質(zhì)

新廣區(qū)間隧道埋深為11.0～20.1 m，上覆土主要為①2素填土、②2-2粉質(zhì)黏土層、④4-2礫砂、⑤1-1圓礫、⑦1-2泥巖。其中，⑤1-1圓礫層厚1.40～16.60 m，呈灰色、灰白色、灰黃色等雜色，飽和，中密—密實狀，級配良好，粒徑一般為2～20 mm,磨圓度較好，以次圓狀、圓狀為主。

1.2 水文地質(zhì)

本項目工程影響范圍內(nèi)的地下水主要賦存于粉砂及圓礫地層中，圓礫滲透系數(shù)達70 m/d，水量大，補給快，且具有承壓性。穩(wěn)定水埋深為4.20～10.20 m，承壓水標高66.53～70.64 m，平均高程為68.50 m。圓礫層上部一般為黏性土、粉土層，圓礫層下部為第三系半成巖層，以泥巖為主，透水性弱，均為相對隔水層。

1.3 周邊環(huán)境

該換乘車站位于明秀西路與大學(xué)東路交叉路口。大學(xué)東路和明秀西路為城市主干道，地下管線復(fù)雜，周邊建筑物密集。主要影響區(qū)有磚混結(jié)構(gòu)臨街商鋪，距隧道邊16.9 m，次要影響區(qū)有多棟磚混結(jié)構(gòu)住宅樓，距隧道邊20.4～32.8 m。

2 工程重、難點及風(fēng)險分析

盾構(gòu)隧道依次在曲線半徑為400 m的緩和曲線段以55°斜穿1號線廣西大學(xué)站第1道玻璃纖維筋地下連續(xù)墻，然后削磨底板相連的臨時立柱樁和降水井，再次以55°斜向穿越第2道玻璃纖維筋地下連續(xù)墻，隧道頂部距車站底板最小距離僅為2.57 m，隨后穿越換乘通道加固區(qū)，最后削磨5號線車站地下連續(xù)墻后密閉套筒接收出洞。

盾構(gòu)在富水圓礫層長距離掘進和削磨地下連續(xù)墻，盾構(gòu)刀具會出現(xiàn)嚴重偏磨，造成盾構(gòu)掘進困難、姿態(tài)控制難度大，容易導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)偏離設(shè)計軸線等問題；盾構(gòu)隧道處于上軟下硬地層，掌子面不易穩(wěn)定，可能出現(xiàn)噴涌、密封滲漏、滯后沉降、盾構(gòu)姿態(tài)控制及注漿壓力控制難度大等問題；盾構(gòu)施工過程中容易出現(xiàn)掘進參數(shù)控制不當(dāng)、土艙壓力波動大、注漿充填不滿足要求、渣土改良效果不佳等情況，可能造成結(jié)構(gòu)底板下方脫空、盾構(gòu)開挖面失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)底板滲漏水等現(xiàn)象，從而影響既有線安全運營。

既有結(jié)構(gòu)施工時設(shè)置臨時中立柱樁(C30)，樁徑1.2 m，主筋為直徑25 mm的玻璃纖維筋。其中，臨時中立柱工字鋼插入底板以下約2 m，距盾構(gòu)隧道最小距離約1.03 m。盾構(gòu)削磨臨時中立柱樁時可能因推力過大或振動造成底板開裂滲漏。盾構(gòu)下穿臨時中立柱樁如圖3所示。

圖3 盾構(gòu)下穿臨時中立柱樁剖面圖(單位： mm)

新廣區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿換乘通道，換乘通道基坑深9.54 m，隧頂距離換乘通道底板凈距約為8.95 m。盾構(gòu)掘進施工擾動地層，對換乘通道施工安全有一定的影響。

3 既有車站現(xiàn)狀調(diào)查與安全評估

3.1 現(xiàn)狀調(diào)查

現(xiàn)場勘查既有線軌行區(qū)的裂縫、滲漏等現(xiàn)狀，車站側(cè)墻、底板局部存在收縮、干縮裂縫以及個別滲漏點。經(jīng)分析，判斷上述問題尚不影響車站主體結(jié)構(gòu)安全。

3.2 主要沉降控制指標

根據(jù)工程經(jīng)驗和相關(guān)規(guī)范[15-16]，考慮后期其他鄰近工程預(yù)留一定的安全儲備，確定各測項的黃色預(yù)警值為控制值的70%，橙色預(yù)警值為控制值的80%，紅色預(yù)警為控制值。本次穿越段重點監(jiān)測項目的變形控制指標見表1。

表1 穿越段既有結(jié)構(gòu)和出入口變形控制指標

3.3 安全評估

3.3.1 數(shù)值模擬計算

采用 MIDAS GTS NX有限元軟件，建立三維地層-結(jié)構(gòu)模型。三維計算的初始條件是1號線及5號線主體、換乘通道已施工，并且認為車站結(jié)構(gòu)及地層處于變形相對穩(wěn)定狀態(tài)?？紤]到施工過程中的時空效應(yīng)，既有站車站結(jié)構(gòu)、出入口、盾構(gòu)區(qū)間管片以及地下連續(xù)墻采用板單元模擬，車站柱采用梁單元，其余單元采用實體單元模擬。各巖土層力學(xué)指標見表2。

表2 各巖土層力學(xué)指標

計算范圍沿5號線長度方向取200 m，沿 1 號線長度方向取240 m，模型高50 m(見圖4)。計算模型共劃分了261 191個單元，49 855個節(jié)點。將土體視為彈塑性體，采用摩爾-庫侖模型，結(jié)構(gòu)均采用各向同性彈性模型。為充分研究盾構(gòu)掘進對既有結(jié)構(gòu)的影響，5號線盾構(gòu)區(qū)間長度取172 m，左、右線分別按照單次掘進1.5 m逐環(huán)模擬。

本次研究選取典型工況分析，每個工況中的變形均為累計變形，采用等代層的方法模擬注漿層。左線盾構(gòu)穿越后既有車站沉降云圖見圖5。

圖4 三維數(shù)值整體模型

圖5 左線隧道掘進完成時的沉降云圖(單位： m)

值得說明的是，文獻[17-18]指出車站變形縫兩端節(jié)間的差異變形體現(xiàn)明顯，但對車站整體的沉降值影響不大。同時，考慮到既有車站穿越段底板以下至泥巖層的整個區(qū)域已進行袖閥管注漿，以及緊鄰出入口的素樁加固區(qū)對地層的整體加固效果，減小了盾構(gòu)掘進對地層擾動，有利于不均勻沉降控制。因此，在本次建模中未考慮變形縫的設(shè)置。

計算結(jié)果表明： 由于受到兩側(cè)地下連續(xù)墻的約束作用，既有車站以沉降變形為主，水平位移較小，僅為0.4 mm，底板最大沉降為2.51 mm；穿越過程對南側(cè)2個開洞(薄弱部位)的影響較大，其中扶梯上支點的沉降值為1.65 mm，下支點的沉降值為2.42 mm；換乘通道底板下方進行了袖閥管注漿加固，穿越施工對換乘通道的影響較小，主要集中在中柱位置，最大沉降為1.93 mm。

穿越段既有車站底板沉降預(yù)測如圖6所示。經(jīng)計算分析，在未采取袖閥管注漿加固措施情況下，區(qū)間盾構(gòu)隧道下穿車站的變形沉降值不滿足車站主體結(jié)構(gòu)位移控制值的要求，而采取袖閥管注漿加固措施后基本滿足車站主體結(jié)構(gòu)位移控制值的要求。

3.3.2 結(jié)構(gòu)安全性驗算

選取典型斷面分析內(nèi)力變化，并采用荷載-結(jié)構(gòu)模型進行內(nèi)力分析與驗算。在施加水土壓力、自重的基礎(chǔ)上，對節(jié)點施加數(shù)值計算得到強制位移以核算截面強度與裂縫寬度。同時考慮既有車站沿車站全長采用地下連續(xù)墻抗浮壓頂，盾構(gòu)區(qū)間穿越局部地下連續(xù)墻、臨時中立柱樁后，抗浮承載力有所削弱，有必要進行抗浮穩(wěn)定性驗算。

(a) 未加固情況下的既有車站底板沉降預(yù)測

(b) 加固情況下的既有車站底板沉降預(yù)測

3.3.2.1 內(nèi)力分析與驗算

施加節(jié)點強制位移模擬盾構(gòu)穿越時車站結(jié)構(gòu)受力，以此計算車站結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化。經(jīng)驗算，施加節(jié)點強制位移對主體結(jié)構(gòu)軸力和剪力影響較小，但對底板跨中彎矩影響較大，基本組合時的彎矩為745 kN·m,施加強制位移后的彎矩為956 kN·m。穿越前后車站典型斷面彎矩變化如圖7所示。

既有車站結(jié)構(gòu)底板跨中支座底板的下部主筋為φ28@100+φ28@200，下部分布筋為φ25@100，上部主筋為φ28@100，上部分布筋為φ22@100，底板鋼筋等級全部為HRB400，采用C30P10混凝土，底板厚度為900 mm。

根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[19]，進行偏心受壓構(gòu)件配筋計算及裂縫驗算。主要設(shè)計參數(shù)如下：

(a) 基本組合

(b) 基本組合+強制位移

3.3.2.2 裂縫驗算

3.3.2.3 抗浮穩(wěn)定性驗算

既有車站穿越段覆土厚度為3.4 m，穿越段車站寬度為20.7 m，高度為13.3 m，頂板厚度為0.8 m，中板厚度為0.4 m，軌行區(qū)道床厚度為0.3 m，站臺板厚度為0.2 m，裝修層厚度為0.15 m，地下水位取頂板頂面位置，考慮盾心的最不利位置，地下連續(xù)墻剩余長度為17 m。驗算如下：

每延米浮力F=2 753.1 kN，上覆土自重G1=1 266.8 kN，結(jié)構(gòu)樓板與面層自重G2=1 086.8 kN，結(jié)構(gòu)側(cè)墻自重G3=392 kN，站臺板自重G4=70 kN，軌行區(qū)道床自重G5=56.1 kN，裝修層自重G6=136.6 kN，地下連續(xù)墻自重(浮重度)G7=408 kN，抗浮力T=G1+G2+G3+G4+G5+G6+G7=1 266.8 kN+1 086.8 kN+392 kN+70 kN+56.1 kN+136.6 kN+408 kN=3 416.3 kN?？垢“踩禂?shù)K=T/F=3 416.3 kN/2 753.1 kN≈1.24>1.05，滿足要求。

結(jié)果表明： 原設(shè)計配筋滿足承載力、裂縫以及抗浮穩(wěn)定性要求。在正常施工條件下，既有車站結(jié)構(gòu)安全可靠。

4 對策及主要技術(shù)措施

4.1 富水圓礫層降水沉降預(yù)測

根據(jù)有效應(yīng)力原理[20]，飽和土體受力后，土中某點的總附加應(yīng)力等于有效應(yīng)力與孔隙水壓力之和。在水位下降后，由于土體的靜水孔壓消失，這部分孔壓將轉(zhuǎn)換為地基土顆粒之間的有效應(yīng)力，地基土相對于原有應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生了附加應(yīng)力，導(dǎo)致土層發(fā)生沉降。另外，在富水圓礫層及粉砂層降水過程中，如果動水壓力達到或者超過一定數(shù)值,在地層中可能發(fā)生管涌現(xiàn)象。地層中的細顆粒被水帶走，逐漸在土層中形成空洞，空洞的突然坍塌或者滯后沉降，也將引起土層沉降。土層自重應(yīng)力

(1)

式中：ri為第i層土的重度，地下水位以下的土采用浮重度計算；hi為第i層土的厚度。

將該地層簡化為2層(粉砂層、圓礫層)進行水位下降引起的地面沉降計算，原水位與降水后水位之間的土體作為第1層，附加應(yīng)力為三角形分布，其變形量為s1；降水后水位以下的土體作為第2層，附加應(yīng)力為矩形分布，變形量為s2。根據(jù)分層總和法[21]計算沉降公式：

(2)

其中

(3)

(4)

式(2)—(4)中：σsi為第i層土的附加應(yīng)力平均值；hi為第i層土的厚度；σsihi為第i層土的附加應(yīng)力面積；Esi為第i層土的壓縮模量。

由于開艙換刀要求加固區(qū)降深不小于11.5 m(低于盾構(gòu)水平中心線位置)，根據(jù)現(xiàn)場降水試驗、表2以及降水影響范圍，取h2=3 m、Es2=25 MPa、h3=5 m、Es3=50 MPa。粉砂層固結(jié)沉降值s1=1.8 mm，圓礫層固結(jié)沉降值s2=3.0 mm，總沉降值s=s1+s2=4.8 mm。

此外，根據(jù)水文地質(zhì)勘察和群井降水試驗，結(jié)合《建筑基坑支護設(shè)計規(guī)程》[22]，承壓水含水層的影響半徑

(5)

式中：R為降水影響半徑；sw為井水位降深；k為滲透系數(shù)，取k=70 m/d。

當(dāng)加固區(qū)水位降深11.5 m時，求得降水影響半徑R≈962 m。

4.2 素樁加固+袖閥管帷幕+降水井

考慮到盾構(gòu)在富水圓礫層長距離掘進、連續(xù)穿越地下障礙物的刀盤磨損問題，以及在既有車站下方停機換刀作業(yè)存在的高風(fēng)險，有必要在既有車站穿越地下連續(xù)墻之前的合適位置作為開艙換刀點。從解決刀盤偏磨問題、成樁質(zhì)量控制以及整體止水效果等方面比選分析，采用素樁加固比旋噴樁或深層攪拌樁加固更安全可靠，最終選擇緊鄰南側(cè)地下連續(xù)墻區(qū)域在盾構(gòu)下穿既有車站前設(shè)置2個三角加固區(qū)，作為左右線盾構(gòu)開艙換刀首選位置，并采用“素樁加固+袖閥管帷幕+降水井”的施工方案，以此防范加固區(qū)內(nèi)長期降水掏空土體引起地層塌陷、盾構(gòu)栽頭以及刀盤偏磨、開艙換刀涌水涌砂風(fēng)險，如圖1和圖8所示。

圖8 盾構(gòu)穿越素樁加固區(qū)及障礙物剖面圖(單位： mm)

在素樁三角加固區(qū)內(nèi)共打設(shè)96根直徑1 m的C30素混凝土鉆孔樁，并排素樁加固，旋挖鉆機跳孔施工，樁底深入隧底2 m，形成2個三角形加固區(qū)，并保證短邊一側(cè)樁墻面與隧道線路垂直，盡可能消除刀盤前方軟硬不均的偏磨問題。同時,由于在三角加固區(qū)斜邊一側(cè)緊貼地下連續(xù)墻澆筑素樁，在三角加固區(qū)短邊外圍設(shè)置2排袖閥管，袖閥管間距不大于0.8 m，梅花形布置，水泥-水玻璃雙液漿進行預(yù)注漿，注漿范圍為地面以下4 m至隧底2 m，以此形成止水帷幕?？紤]到圓礫層滲透性強、地下水位高，以及可能來自素樁縫隙及素樁與地下連續(xù)墻縫隙的涌水，為保證開艙換刀作業(yè)安全，計劃在三角加固區(qū)周邊共設(shè)計14口φ400 mm、深26.7 m降水井和5口φ50 mm、深25.3 m水位觀測孔。盾構(gòu)進入三角加固區(qū)內(nèi)保壓停機換刀，并全面檢修和保養(yǎng)盾構(gòu)、液壓系統(tǒng)、后配套等設(shè)備，確保后續(xù)穿越施工時設(shè)備正常運行。

4.3 優(yōu)化盾構(gòu)刀盤刀具配置

為防止盾構(gòu)刀具磨損嚴重問題，優(yōu)化盾構(gòu)刀盤刀具配置，具體參數(shù)如下。

4.3.1 刀盤設(shè)計

刀盤的基本結(jié)構(gòu)采用準面板結(jié)構(gòu)設(shè)計，由6根主刀梁、6個牛腿、6根牛腿支撐梁以及外圈梁等組成。刀盤整體開口率為34%，中心開口率為38%，較大刀盤開口率滿足渣土流動性和防結(jié)泥餅的需要。

4.3.2 刀具配置

選用中國中鐵R81#、R82#新制刀盤，刀盤配備6把中心可更換撕裂刀(刀高175 mm)+6把正面單刃可更換撕裂刀(刀高175 mm)+16把正面單刃滾刀(刀高175 mm)+12把邊緣重型鑲斜齒滾刀(刀高175 mm)+40把刮刀(刀高135 mm)+24把邊刮刀(刀高135 mm)+12把焊接撕裂刀(刀高150 mm)+6把重型保徑撕裂刀(伸出量50 mm)。

4.3.3 磨損檢測

刀盤設(shè)置4個液壓式磨損檢測裝置，通過液壓油泄漏報警及時發(fā)現(xiàn)刀盤或刀具的磨損情況。

4.3.4 耐磨設(shè)計

刀盤前面板表面堆焊6.4 mm+6.4 mm復(fù)合鋼板，外圈梁外表面堆焊12.5 mm+12.5 mm復(fù)合鋼板，提高刀盤耐磨性。

4.3.5 臨時邊刀加高設(shè)計

刀盤臨時加高邊滾刀，擴大刀盤的開挖直徑，加高后單邊最大擴挖量可增加10 mm。

4.3.6 刀盤泡沫及膨潤土噴口

刀盤泡沫及膨潤土噴口總成從刀盤背面抽出，完全損壞或阻塞不能疏通時可在土艙內(nèi)抽出維修或更換。

4.4 動態(tài)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)

在左右線盾構(gòu)下穿既有車站前分別設(shè)60 m長試驗段，結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)、地質(zhì)條件、工程環(huán)境和施工實際情況，優(yōu)化調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，得出下穿盾構(gòu)掘進施工參數(shù)控制標準。在總結(jié)前期盾構(gòu)施工經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，穿越段盾構(gòu)施工遵循“小壓力、多循環(huán)、分區(qū)對稱”原則，嚴格控制注漿壓力，并采取多次復(fù)測雙支導(dǎo)線，重新校準盾構(gòu)姿態(tài)，提前進行姿態(tài)偏離控制，并逐環(huán)進行姿態(tài)交底，加密監(jiān)測管片拱頂沉降、上浮以及周邊收斂，避免既有車站的變形破壞。盾構(gòu)推進時嚴格按照既定的盾構(gòu)姿態(tài)掘進，充分考慮盾構(gòu)上浮、栽頭以及管片上浮等現(xiàn)象的發(fā)生。盾構(gòu)在400 m的緩和曲線上掘進時，土體對盾構(gòu)及隧道的約束力差，盾構(gòu)軸線控制較困難，采用放慢掘進速度、小幅度糾偏、減少超挖、加大注漿量及加強糾偏測量工作，以減少地層損失和地層沉降值。

同時，根據(jù)盾構(gòu)穿越障礙物的特點，動態(tài)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，具體如下。

4.4.1 盾構(gòu)削磨素樁和地下連續(xù)墻

在盾構(gòu)刀盤削磨素樁和地下連續(xù)墻時，密切關(guān)注墻體和刀盤的接觸情況，調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)和油缸千斤頂?shù)姆纸M受力情況。盾構(gòu)掘進參數(shù)如下： 上部土艙壓力100～130 kPa，下部土艙壓力130～150 kPa；出渣量45～49 m3；推進速度10～20 mm/min；推力12 000～15 000 kN；刀盤轉(zhuǎn)速1.3～1.5 r/min；刀盤轉(zhuǎn)矩3 500～3 700 kN·m；同步注漿壓力300～350 kPa，注漿量6.5～8.0 m3，并且在盾構(gòu)盾殼注入適當(dāng)?shù)目四嘈?，達到止水、充填和支撐的效果；管片脫出盾尾第3～5環(huán)后，及時進行二次注漿，確保管片背后填充密實，必要時注入雙液漿。在盾構(gòu)削磨地下連續(xù)墻時，每掘進0.3 m左右，刀盤反向轉(zhuǎn)動，將盾構(gòu)滾動角控制在5°以內(nèi)，盾構(gòu)姿態(tài)糾偏值控制在±9 mm，每環(huán)最大糾偏量控制在1～2 mm，避免盾構(gòu)姿態(tài)失控。盾構(gòu)削磨地下連續(xù)墻前10環(huán)管片采用10#槽鋼進行縱向拉緊，每拼裝1環(huán)加固1環(huán)，直到盾構(gòu)接收完，待后澆環(huán)梁澆注后再拆除管片之間的拉緊槽鋼。

4.4.2 盾構(gòu)側(cè)穿臨時中立柱樁和降水井

在查明臨時中立柱樁和遺留降水井的平面位置后，根據(jù)盾構(gòu)掘進情況動態(tài)調(diào)整掘進參數(shù)，提前做好削磨中立樁樁和降水井的準備。刀盤接觸臨時中立柱樁或降水井，以小貫入度(0～5 mm/rad)、中轉(zhuǎn)速(0.9～1.1 r/min)削磨中立柱樁狀態(tài)掘進；速度控制在0～5 mm/min，推力控制在8 000～10 000 kN，刀盤轉(zhuǎn)矩保持在2 500～3 500 kN·m，保持盾構(gòu)掌子面的穩(wěn)定。

4.5 袖閥管注漿預(yù)處理換乘通道地層

換乘通道區(qū)域盾構(gòu)穿越地層主要為富水圓礫層，為減少盾構(gòu)施工對地層擾動，保障換乘通道結(jié)構(gòu)安全，在盾構(gòu)下穿換乘通道施工前，嚴格按照設(shè)計文件對換乘通道下方地層進行降水作業(yè)和預(yù)注漿加固。即注漿加固前布設(shè)6口降水井，預(yù)先將加固區(qū)域地下水降至加固范圍以下1 m，并保持至注漿加固完成，然后在換乘通道施工前對換乘通道進行預(yù)注漿加固。注漿袖閥管1.5 m×1.5 m梅花形布置，主要采用水泥漿，輔以水泥-水玻璃雙液漿加固，注漿范圍為換乘通道底板至隧頂，隧道外輪廓外3 m以內(nèi)，檢測合格后盾構(gòu)方可下穿換乘通道。該加固區(qū)也作為盾構(gòu)預(yù)留開艙換刀位置，確保盾構(gòu)順利接收。

4.6 渣土改良、振動監(jiān)測等措施

根據(jù)該區(qū)間隧道下穿既有車站地質(zhì)狀況，結(jié)合區(qū)間隧道實際情況，選取左右線區(qū)間作為試驗段進行渣土改良試驗，最終通過渣土改良調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，特別是通過注入足夠的注漿量保證地層的密實性，以控制盾構(gòu)偏離掘進線路。同時，加強盾構(gòu)渣土改良與管理，通過添加泡沫劑、分散劑等外加劑來防止泥巖層刀盤結(jié)泥餅，以及富水圓礫層盾構(gòu)掘進過程中噴涌造成掌子面坍塌；盾構(gòu)掘進時對車站底板進行振動監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)振動異常，立即反饋信息調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，以防止因振動過大導(dǎo)致既有結(jié)構(gòu)受損開裂；盾構(gòu)超前注漿管注入衡盾泥，防止既有車站底板脫空及盾構(gòu)掌子面坍塌；螺旋機底部增加注入高分子聚合物管路，防止螺旋機噴涌造成地層坍塌；在管片脫出盾尾后，及時進行二次注漿，每3環(huán)注入雙液漿形成止水環(huán)；管片采用10#槽鋼縱向加固，確保盾構(gòu)姿態(tài)正常；在盾構(gòu)隧道貫通后，采用1.0～3.0 m長的φ50 mm鋼花管對盾構(gòu)隧道穿越段(出入口、既有車站、換乘通道)拱頂135°范圍進行深孔注漿，雙液漿配比為水泥∶水玻璃∶水=0.48∶0.2∶1，注漿壓力控制在100～200 kPa，以此扇形區(qū)域加固區(qū)減少既有車站結(jié)構(gòu)工后沉降；盾構(gòu)在三角加固區(qū)開艙換刀后開始下穿施工，施工單位編制了專項應(yīng)急預(yù)案，成立了應(yīng)急救援組織機構(gòu)，配備合理的管理及操作人員，安排領(lǐng)導(dǎo)24 h帶班作業(yè)，并與運營單位建立了良好的聯(lián)系機制，穿越期間運營地鐵列車降速運行，盡量避開運營高峰期施工。

5 綜合監(jiān)控量測措施

盾構(gòu)穿越施工期間，采用遠程自動化監(jiān)測結(jié)合人工監(jiān)測的方式，保證既有車站的結(jié)構(gòu)安全和正常運營，根據(jù)既有線結(jié)構(gòu)形狀和道床的監(jiān)測數(shù)據(jù)及時對盾構(gòu)掘進各項參數(shù)進行修正和調(diào)整，監(jiān)測重點為既有車站道床結(jié)構(gòu)沉降及差異沉降、道床與結(jié)構(gòu)剝離度、既有站底板結(jié)構(gòu)變形縫開合度等?，F(xiàn)場監(jiān)測項目及精度見表3。

表3 現(xiàn)場監(jiān)測項目及精度表

現(xiàn)場監(jiān)測點設(shè)置平面示意如圖9所示。車站結(jié)構(gòu)、道床人工沉降及差異沉降監(jiān)測點沿線路方向由密至疏每2～10 m 布置一斷面，車站與出入口之間的變形縫兩側(cè)布設(shè)測點，裂縫監(jiān)測布設(shè)在結(jié)構(gòu)有裂縫的位置，無縫線路鋼軌位移布設(shè)在受影響范圍的軌道兩端。自動化監(jiān)測主要針對地鐵運營期間隧道結(jié)構(gòu)、道床結(jié)構(gòu)的沉降及差異沉降和軌道幾何形位進行檢查，采用HC-D300液壓式靜力水準儀，測點沿上下行軌道方向每個變形縫兩側(cè)及軌道中線布置，布置在車站道床結(jié)構(gòu)軌枕下排水溝內(nèi)。傳感器具備數(shù)字濾波功能，采用無線組網(wǎng)技術(shù)建立網(wǎng)絡(luò)，確保系統(tǒng)協(xié)調(diào)同步監(jiān)測；其余人工監(jiān)測點依照測點斷面進行布設(shè)。

在盾構(gòu)穿越既有車站前，建立系統(tǒng)、完善的監(jiān)測網(wǎng)，在盾構(gòu)施工中進行變形監(jiān)測，及時反饋信息，并進行跟蹤注漿或補充注漿，做到信息化施工；在盾構(gòu)下穿既有車站時，除采用監(jiān)測儀器對既有地鐵結(jié)構(gòu)、地面以及管線等進行監(jiān)測外，定期巡視自動化監(jiān)測設(shè)備運行狀態(tài)及測點牢固情況，以保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性，以及巡查既有車站主體結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境安全狀態(tài)；在盾構(gòu)下穿換乘通道時，加強換乘通道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測和巡視巡查；在左右線盾構(gòu)密閉套筒接收后，各監(jiān)測項目的自動化監(jiān)測、人工監(jiān)測以及人工巡視持續(xù)約90 d，直至各監(jiān)測項目數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定為止，以保證該項目的安全施工及既有地鐵的安全運營。

圖9 現(xiàn)場監(jiān)測點平面布置圖

6 工程實施效果

右線盾構(gòu)于2020年4月11日至4月18日完成穿越出洞，左線盾構(gòu)于2020年5月25日至6月2日完成穿越出洞，左、右線盾構(gòu)穿越既有車站歷時近50 d。整個施工過程均嚴格按規(guī)范和設(shè)計要求進行，結(jié)合監(jiān)測預(yù)警和巡視預(yù)警，提前制定應(yīng)急預(yù)案，建立應(yīng)急聯(lián)絡(luò)機制，盾構(gòu)穿越施工得以順利完成。

6.1 沉降監(jiān)測

車站結(jié)構(gòu)、出入口及周邊建筑物的沉降曲線如圖10—12所示。左、右線盾構(gòu)穿越既有車站后，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示： 既有車站道床豎向位移比橫向位移更明顯，道床最大沉降值均小于2 mm，4號出入口最大沉降值為-4.49 mm，周邊建筑物最大沉降值為-4.84 mm，各監(jiān)測項目的沉降值均在可控范圍之內(nèi)。

各項監(jiān)測項目的沉降變形與模擬計算基本吻合。一方面,由于圓礫層粗顆粒骨架效應(yīng)，粗顆粒之間的應(yīng)力傳遞作用較強，強降水施工對地表沉降并不敏感，非穿越段未加固地層的沉降變形以降水引發(fā)的地表沉降為主，穿越段加固地層的沉降變形以盾構(gòu)施工擾動造成地層損失為主；另一方面,既有車站底板下方土體注漿加固以及素樁加固起到了一定作用，車站主體結(jié)構(gòu)沉降明顯小于出入口和換乘通道區(qū)域沉降，且靠近南側(cè)素樁加固區(qū)的車站結(jié)構(gòu)沉降明顯小于北側(cè)車站結(jié)構(gòu)沉降，同時也減小了左右線盾構(gòu)掘進對既有站的疊加影響。

6.2 降水效果

為保證開艙換刀期間的地下水位降至刀盤底以下，實際降水井和水位觀測孔的數(shù)量有所調(diào)整。實際完成21口φ400 mm的降水井和7口φ50 mm的水位觀測孔。在盾構(gòu)進入加固區(qū)之前，根據(jù)群井抽水試驗結(jié)果，三角加固區(qū)域14口降水井在144 h內(nèi)累計抽水約30 000 m3，出水含砂率小于0.1%，地下水位降深滿足設(shè)計要求;但盾體進入加固區(qū)后，由于盾構(gòu)對周邊地層擾動以及注漿漿液擴散到加固區(qū)周邊地層，單井抽水量和水位降深有明顯的減少，且出水變渾濁。及時采取空壓機洗井和更換部分降水井大功率水泵措施，并增加7口降水井和2口水位觀測孔，在增設(shè)降水井正常抽水后同時采取洞內(nèi)泄水處理，直至出水含砂率小于0.1%以及穩(wěn)定水位滿足開艙換刀水位要求。

6.3 刀具磨損

在三角加固區(qū)開艙換刀后，后續(xù)盾構(gòu)施工過程中未再次進行開艙換刀作業(yè)。盾構(gòu)安全接收出洞后，刀盤無泥餅，渣土改良效果良好；經(jīng)刀盤刀具的檢測分析，刀盤整體效果良好，磨損量較小，無偏磨。其中正面單刃滾刀磨損量為4～6 mm，撕裂刀磨損量為3～5 mm，邊緣單刃滾刀磨損量為5～7 mm，邊刮刀磨損量為2～4 mm，面板復(fù)合鋼板磨損量為2～3 mm，盾構(gòu)刀盤刀具配置合理。

圖11 4號出入口沉降曲線(2020年)

圖12 周邊建筑物沉降曲線(2020年)

7 結(jié)論與建議

由于盾構(gòu)隧道近距離下穿運營車站風(fēng)險較高，技術(shù)難度較大，采用現(xiàn)狀調(diào)查、數(shù)值模擬、風(fēng)險預(yù)控、設(shè)備維保、施工控制、注漿填充、監(jiān)控量測等方法和措施，確保了既有線安全運營和盾構(gòu)施工安全。

1) 通過建立三維有限元計算模型，對既有車站結(jié)構(gòu)進行附加變形、內(nèi)力計算和沉降預(yù)測分析，對于復(fù)雜條件下盾構(gòu)近距離斜穿既有線施工具有指導(dǎo)意義?，F(xiàn)場實測既有車站道床最大沉降變形均小于2 mm，出入口及周邊建筑物的最大沉降值也在可控范圍之內(nèi)，達到了風(fēng)險預(yù)控目標。通過設(shè)置素樁加固、袖閥管注漿、洞內(nèi)注漿、渣土改良等措施，近距離連續(xù)3次穿越地下連續(xù)墻、側(cè)穿臨時中立柱樁等障礙物，說明復(fù)雜環(huán)境下盾構(gòu)近距離斜交下穿既有車站的方案是可行的。

2)通過在緊鄰地下連續(xù)墻外側(cè)增設(shè)素樁加固區(qū)，不僅增加了穿越地層整體穩(wěn)定性，還可以有效解決盾構(gòu)刀盤偏磨問題。同時，在此區(qū)域?qū)嵤┤壕邓鳂I(yè)后進行開艙換刀作業(yè)，可以保證開艙換刀作業(yè)期間掌子面穩(wěn)定性，大大降低強透水地層開艙換刀突涌水風(fēng)險。而且強降水影響區(qū)的未加固地層實際沉降與理論計算結(jié)果基本吻合，說明了非穿越段未加固地層的沉降變形以降水引發(fā)的地表沉降為主，穿越段加固地層的沉降變形以盾構(gòu)施工擾動造成地層損失為主。

3)在上軟下硬地層盾構(gòu)長距離掘進和下穿多重障礙物時，盾構(gòu)刀盤刀具受力復(fù)雜，容易出現(xiàn)刀具磨損嚴重、刀盤結(jié)泥餅、地表沉降大等問題。根據(jù)穿越地層性質(zhì)和障礙物特點開展盾構(gòu)刀盤設(shè)計和刀具配置優(yōu)化工作，合理設(shè)置開艙換刀區(qū)域，有利于盾構(gòu)掘進效率和安全。

目前盾構(gòu)施工一定程度上依賴盾構(gòu)操作人員工程經(jīng)驗和技術(shù)水平，下一步研究的重點是如何能在大量工程案例的基礎(chǔ)上，結(jié)合自動化監(jiān)測和人工復(fù)測數(shù)據(jù)，針對不同地層、埋深、障礙物等情況動態(tài)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，實施盾構(gòu)標準化施工和信息化施工，提高地鐵施工效率，減少工程事故風(fēng)險。