陳堅鋒（上海宏波工程咨詢管理有限公司， 上海 201707）

0 引 言

盾構(gòu)法施工是現(xiàn)代城市軌道交通區(qū)間隧道施工的主要工法之一。近幾年，隨著城市軌道工程的不斷發(fā)展，盾構(gòu)法隧道施工中常出現(xiàn)下穿既有運營地鐵隧道的情況，盾構(gòu)掘進過程中會產(chǎn)生不同量值的“沉降槽”。在橫向沉降槽及縱向沉降曲線的雙重影響下，既有運營的地鐵隧道可能會出現(xiàn)不同程度的變形、損壞情況，嚴重威脅既有運營的地鐵隧道結(jié)構(gòu)安全。因此，在確保盾構(gòu)自身施工安全情況下，有效控制盾構(gòu)施工中的地層擾動，控制周邊土體變形和位移，減少對既有運營的地鐵隧道的影響，保證安全營運將更為重要。

1 工程概況

杭州某軌道交通工程下穿既有運營的地鐵隧道，與既有運營地鐵隧道相交，夾角約63°，疊交長度約為41 m，與既有運營的地鐵隧道最小豎向凈距為3.45 m，小于交疊隧道的最小安全距離4 m的規(guī)定。本區(qū)間隧道襯砌環(huán)管片外徑為6 900 mm，內(nèi)徑為6 100 mm，厚度為400 mm，環(huán)寬為1 500 mm；管片錯縫拼裝，采用彎螺栓連接。既有運營的地鐵隧道襯砌環(huán)管片外徑為6 200 mm，內(nèi)徑為5 500 mm，厚度為350 mm，環(huán)寬為1 200 mm；管片錯縫拼裝，采用彎螺栓連接。

2 工程地質(zhì)

下穿段盾構(gòu)區(qū)間隧道所處地層為⑦1、⑧1層粉質(zhì)黏土，既有運營地鐵隧道所處地層為④1淤泥質(zhì)黏土、④2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。④2層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為灰色，含有機質(zhì)，具有流塑及高靈敏度特點，局部夾薄層粉土，粉性較強。⑦1層粉質(zhì)黏土為灰黃、褐黃色，含鐵錳質(zhì)斑點，具有硬可塑、厚層狀、韌性中等、干強度中等特點。⑧1層（淤泥質(zhì)）粉質(zhì)黏土為灰色，呈細鱗片狀、絮狀，具有流塑～軟塑特點，工程性能接近于淤泥質(zhì)土，層間夾較多粉土和粉砂，該層自上而下性質(zhì)漸好，局部呈粉質(zhì)黏土夾粉砂狀。

3 周邊環(huán)境

與既有運營的地鐵隧道疊交段及周邊范圍內(nèi)存在年代已久的地下管線，管線類型多、材質(zhì)雜，包括給水、雨水、污水、燃氣、熱力、供電、路燈、通信等管線，其中壓力管線有爆裂、爆炸的風(fēng)險。

4 盾構(gòu)下穿施工風(fēng)險管控關(guān)鍵技術(shù)研究

4.1 盾構(gòu)下穿前的技術(shù)準備

（1）既有地鐵隧道及周邊環(huán)境調(diào)研評估。在盾構(gòu)穿越既有運營地鐵隧道前，對穿越影響范圍內(nèi)既有隧道的基礎(chǔ)資料進行調(diào)研，掌握隧道的幾何尺寸、隧道的功能、隧道的結(jié)構(gòu)形式、隧道周邊的土體特性以及隧道的建造年代和使用情況（包括現(xiàn)有損壞情況、歷史沉降、維修的難易程度以及歷史上是否出現(xiàn)過重大事故等）。詳細掌握下穿段及下穿前后30 m范圍內(nèi)的既有運營地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移、變形、管片的碎裂以及滲漏水等病害，同時還要確認設(shè)計條件、設(shè)計方法等。

了解被穿越地鐵的運營情況。了解所穿越區(qū)段的運營時刻表，客流量情況（歷史最大、最小和均值），歷年穿越窗口期客流量情況，列車運行速度以及各時速下列車對軌道、道床、管片及列車車廂的振動影響等。調(diào)研既有運營的地鐵隧道的運維歷史和歷史病害記錄，運營期間發(fā)現(xiàn)的其他問題等。

明確穿越相對位置關(guān)系。根據(jù)既有運營隧道的設(shè)計圖紙，明確被穿越區(qū)段的隧道是否靠近端頭井、聯(lián)絡(luò)通道等結(jié)構(gòu)重要的敏感區(qū)域，精準掌握新建隧道與既有運營隧道的相對位置關(guān)系及凈距。

了解穿越場地土體的擾動歷史，借助物探的方法對歷史勘探孔進行探查，掌握穿越區(qū)段的歷史地質(zhì)勘探孔位置、用途、是否封孔等。

對穿越節(jié)點周邊的地層情況環(huán)境條件進行排摸調(diào)查。對地層的分布情況進行相互核實與確認，要準確確定被穿越地鐵隧道所在的地層、下穿隧道所在的地層以及兩層隧道中間的地層情況，根據(jù)需要可以做補充勘探。此外，對新老勘探孔的位置及封堵情況進行詳細確認，防止勘探孔成為泥漿逃逸通道。

對緊鄰的管線埋深、走向、結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀以及運行狀態(tài)進行排摸；對緊鄰的房屋及其他構(gòu)筑物等委托獨立第三方開展現(xiàn)狀調(diào)查并出具報告。對重要管線及隧道邊線進行地面標識。

（2）根據(jù)設(shè)計及運營要求，對周邊環(huán)境、既有運營的地鐵隧道的變形控制進行全面的分析，明確變形控制的預(yù)警值和報警值（如表1所示），按照監(jiān)測方案布設(shè)監(jiān)測點并測取初始值，對下穿影響范圍內(nèi)的既有運營的地鐵隧道結(jié)構(gòu)進行全自動化監(jiān)測，為后續(xù)施工提供指導(dǎo)。

表1 項目變形控制的預(yù)警值、報警值表

（3）下穿前，對盾構(gòu)機的完好性進行全面檢查及維修保養(yǎng)，確保機況良好，主要檢查內(nèi)容包括：驅(qū)動動力系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)、渣土改良裝置、運輸系統(tǒng)，氣壓設(shè)備、鉸接密封及盾尾密封裝置，螺旋輸送機閘門等。

（4）穿越期間，列車需要限速行駛，確保運營安全。盾構(gòu)下穿前與交管部門對接，在盾構(gòu)通過下穿區(qū)域時對該路段過往車輛采取限速、限重措施。

4.2 盾構(gòu)下穿前模擬試驗段掘進

在下穿既有地鐵隧道前約90 m（60環(huán)）時進行模擬試驗段掘進，根據(jù)以往施工經(jīng)驗、前百環(huán)掘進參數(shù)及周邊環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)進行對比分析，通過Peck經(jīng)驗公式理論計算、分析、確定模擬試驗段掘進施工參數(shù)，主要包括土壓力、出土量、掘進速度、刀盤轉(zhuǎn)數(shù)及扭矩、注漿壓力和注漿量等；通過土體擾動與周邊環(huán)境變形量及地面豎向沉降關(guān)系進行分析，掌握此段區(qū)間盾構(gòu)掘進引起的土體變形、周邊環(huán)境沉降變化規(guī)律，以便正確設(shè)定下穿段的盾構(gòu)掘進參數(shù)，并通過對掘進參數(shù)的優(yōu)化來減少對既有地鐵隧道變形的控制。

在模擬試驗段掘進期間，在確保盾構(gòu)正面沉降控制良好的情況下，盡可能保證盾構(gòu)勻速通過，均衡施工，減少土體擾動，同時減少盾構(gòu)糾偏量和糾偏次數(shù)，使盾構(gòu)姿態(tài)良好。應(yīng)及時進行施工總結(jié)，對模擬試驗段的掘進數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)盾構(gòu)法施工引起土體變形規(guī)律，應(yīng)重點分析：盾構(gòu)切口到達之前土體變化情況，下穿過程中對土體擾動而產(chǎn)生變化情況，穿越后盾構(gòu)機脫出盾尾10環(huán)范圍內(nèi)的土體變形情況，渣土改良對盾構(gòu)掘進土壓力控制情況，同步注漿及二次注漿對地層損失控制情況。

此外，兩條盾構(gòu)法施工的區(qū)間隧道先后下穿既有運營地鐵隧道引起的變形會相互影響、疊加，且大多數(shù)情況下，第二條隧道所引起的變形大于第一條隧道引起的變形，因此，應(yīng)將第一條隧道掘進引起的變形量控制到最小，要更合理、更科學(xué)地確定掘進參數(shù)。

4.3 模擬試驗段掘進參數(shù)匯總

通過模擬試驗段掘進，結(jié)合地表監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況，尤其是刀盤前方10 m及隧道兩側(cè)2倍盾徑范圍內(nèi)最敏感區(qū)的監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況，總結(jié)模擬試驗段各項參數(shù)如下。

（1）土壓力。根據(jù)理論計算確定土壓力并結(jié)合地面監(jiān)測數(shù)據(jù)進行掘進，土壓力控制范圍為2.24 bar～2.40 bar時，地面沉降值控制較好。

（2）出土量。在土箱中做好刻度標識，掘進過程中每箱土測算一次實際出土量，并與該行程理論出土量進行比對，繪制出出土量QC表，形象分析當(dāng)前出土超欠挖情況。模擬試驗段掘進出土量為64.4 m3/環(huán)～66.5 m3/環(huán)，為理論出土量的94.7%～101.8%，在±10%的允許范圍內(nèi)。

（3）掘進速度。平常段掘進速度為30 mm/min～60 mm/min，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋，掘進速度過快，地面沉降明顯增大，推進速度為10 mm/min～20 mm/min時，地面沉降控制較好。

（4）刀盤轉(zhuǎn)速與扭矩。模擬試驗段刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.9 r/min，扭矩控制在1 300 kN·m～2 000 kN·m之間，推力控制在14 000 kN～16 000 kN之間時，地面沉降控制較好。

（5）同步注漿。模擬試驗段同步注漿量控制在4.4 m3～6.2 m3之間，注漿壓力控制在3.0 bar～4.5 bar之間，當(dāng)注漿量超過6.2 m3、注漿壓力超過4.5 bar時，地面隆起較大，因此，同步注漿壓力應(yīng)控制在4.5 bar以內(nèi)，注漿量以不超過6.2 m3為最佳控制指標。

（6）二次注漿。地面沉降有增大趨勢時，啟動二次注漿。注漿量為0.3 m3/次～0.5 m3/次，注漿壓力為2.5 bar～3.0 bar，能夠有效控制地面沉降。

（7）克泥效。下穿模擬試驗段采用克泥效，推進時在盾殼11點～1點位置注入克泥效，每環(huán)理論注入量為0.5 m3，注入率約為150%，即每環(huán)注入約0.75 m3，可有效填充刀盤與盾體之間的間隙，并有效控制早期沉降。

4.4 盾構(gòu)下穿掘進過程控制

4.4.1 嚴格設(shè)置盾構(gòu)切口土壓力，避免超挖、欠挖以，減少平衡壓力的波動

盾構(gòu)下穿過程中嚴格控制切口土壓力，使盾構(gòu)切口處的地層出現(xiàn)微小的隆起量來平衡盾構(gòu)背土?xí)r的地層沉降量。同時嚴格控制與切口平衡壓力有關(guān)的施工參數(shù)，如出土量、推進速度、總推力、土壓力差等。設(shè)置合理穩(wěn)定的土壓力在下穿既有運營的地鐵隧道是非常關(guān)鍵的，土壓力可以根據(jù)前面模擬試驗段數(shù)據(jù)、以往同類地層的施工經(jīng)驗及實時監(jiān)控的數(shù)據(jù)進行調(diào)整設(shè)置，從而可以確保盾構(gòu)機在合理穩(wěn)定的土壓力參數(shù)下勻速進行掘進。另外，防止過量超挖、欠挖也是減少平衡壓力波動的重要措施，因此，應(yīng)對每環(huán)的出土方量進行記錄。一旦盾構(gòu)掘進施工出土量沒有控制好，出現(xiàn)較大的超挖現(xiàn)象，會造成正面土體失穩(wěn)、坍塌，引起周邊沉降過大，應(yīng)及時進行同步注漿和二次壁后注漿，并根據(jù)施工中的變形監(jiān)測情況隨時調(diào)整注漿量及注漿壓力，從而使地層變形量降至最小。

4.4.2 嚴格控制盾構(gòu)掘進速度及糾偏量

在下穿掘進施工時，盾構(gòu)掘進速度不宜過快，過快時，切口斷面的地層受刀盤擠壓作用相對明顯，地層壓力不能及時釋放；過慢時，切口四周的土體受刀盤正反旋轉(zhuǎn)擾動相對明顯，容易造成更多的建筑空隙，所以掘進速度優(yōu)先控制均衡勻速，將平常段掘進速度由30 mm/min～60 mm/min減少至35 mm/min～45 mm/min以內(nèi)，并避免下穿期間有較長時間耽擱，特別是被動停機的可能。

在確保盾構(gòu)掘進速度均衡的情況下，減少糾偏動作，做到“勤監(jiān)測、勤糾偏、少糾偏”，避免大幅度糾偏。下穿掘進時應(yīng)根據(jù)隧道的設(shè)計軸線，通過檢查管片與盾殼的間隙，復(fù)核每環(huán)管片的超前量。盾構(gòu)機姿態(tài)重點控制推進油缸的行程，并合理控制各分區(qū)油缸的行程差。同時觀察滾動角的變化，及時根據(jù)盾構(gòu)機的滾動角度調(diào)整刀盤的轉(zhuǎn)動方向。

4.4.3 嚴格控制管片拼裝質(zhì)量

管片拼裝前認真測量已經(jīng)成環(huán)的管片姿態(tài)，根據(jù)盾構(gòu)隧道方向、推進千斤頂?shù)男谐滩?、盾尾間隙等條件合理選擇管片類型，拼裝過程中要注意管片優(yōu)先居中拼裝，以防盾構(gòu)與管片之間的建筑空隙過分增大，避免因管片拼裝偏差造成的盾構(gòu)機姿態(tài)的調(diào)整。

4.4.4 嚴格控制同步注漿和二次注漿

為有效控制盾構(gòu)掘進時所引起的地面沉降，下穿既有運營地鐵隧道時應(yīng)優(yōu)先采用早凝、早強的漿液，通過前期模擬試驗段的不斷調(diào)整優(yōu)化，使其具有縮短凝固時間、減小體積收縮、提高早期強度及填充飽滿的特點。

嚴格按照漿液配比進行漿液拌制并按要求做小樣試驗，確保漿液質(zhì)量。同步注漿應(yīng)保證漿液勻速、均勻、連續(xù)的壓注，注漿的流量與掘進速度相匹配，并在壓注過程中根據(jù)實際情況及時進行調(diào)整，防止推進尚未結(jié)束而注漿停止情況的發(fā)生。

作為同步注漿的補充，在下穿施工期間必須進行二次注漿，以單液水泥漿為主，必要時采用雙液漿。二次注漿遵循“多點、適量、多次、均勻、適時”的循序漸進的原則，控制隧道的變形量及變化速率。注漿壓力控制在0.3 MPa～0.4 MPa之間，并采取跳環(huán)注漿方式，減少和控制隧道結(jié)構(gòu)的相互影響。

土體經(jīng)掘進擾動后，即使掘進中同步注漿和二次注漿能夠及時跟進，地面還會持續(xù)產(chǎn)生沉降方式，因此還需進行跟蹤補充注漿。為提高注漿質(zhì)量，跟蹤補充注漿漿液采用與二次注漿相同的漿液。

4.4.5 采用“克泥效”工法

為有效減少盾構(gòu)在掘進過程中前盾及中盾部位的沉降，在掘進時同步采用克泥效工法?？四嘈Чしㄊ侵冈诙軜?gòu)機掘進時，通過盾構(gòu)機上的徑向注漿孔向盾體外壁同步注入克泥效，及時填充刀盤開挖空間與盾構(gòu)機盾體之間形成的間隙，保證盾體上方土體穩(wěn)定，從而減少第三階段盾構(gòu)掘進擾動引起的土體自然下沉及施工后續(xù)沉降的風(fēng)險。工作中，應(yīng)在盾構(gòu)機進行模擬試驗段掘進時即同步開展克泥效模擬試驗，注入孔布置在前盾徑向孔處，在11點～1點之間任意一點注入克泥效均可保證上方2/3圓范圍內(nèi)填充密實，使盾構(gòu)推進施工過程中產(chǎn)生的間隙得到有效的填充，為后續(xù)管片背后的同步注漿及土體加固注漿贏得關(guān)鍵時間。筆者對盾構(gòu)下穿既有運營地鐵隧道時采用的克泥效抑制沉降進行了對比分析，經(jīng)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證，克泥效能有效控制掘進時引起的地層變形，對將既有運營地鐵隧道沉降控制在允許范圍內(nèi)起到了良好的效果。

4.5 盾構(gòu)下穿環(huán)境監(jiān)測措施

監(jiān)測工作的重點是對既有運營地鐵隧道及周圍地表的沉降監(jiān)測，包括前期對既有運營地鐵隧道現(xiàn)狀進行系統(tǒng)調(diào)查，掘進時對隧道襯砌變形情況進行監(jiān)測，通過后對隧道變形進行評估等工作。采用遠程自動監(jiān)測與人工監(jiān)測相結(jié)合的方式，對既有運營地鐵隧道進行全自動化監(jiān)測，地面監(jiān)測采用人工方式24 h現(xiàn)場跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測范圍為與既有地鐵隧道疊交段及前后部分各外延50 m，最終得出盾構(gòu)下穿既有運營地鐵隧道地表關(guān)鍵點沉降數(shù)據(jù)。技術(shù)人員根據(jù)各項監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整施工參數(shù)，保證盾構(gòu)下穿既有運營地鐵隧道的安全。

5 結(jié) 語

通過對盾構(gòu)下穿前模擬試驗段掘進參數(shù)的采集分析、下穿掘進期間對各項施工參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整、采用“克泥效”工法抑制沉降、同時優(yōu)化同步注漿漿液質(zhì)量和注漿參數(shù)，并及時采取進行二次注漿、補漿等措施，采取遠程自動監(jiān)測和人工監(jiān)測相結(jié)合的方式，最終使盾構(gòu)順利下穿既有運營地鐵隧道，各項變形控制指標均符合設(shè)計及運營要求。