劉純LIU Chun

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300308）

0 引言

隨著城市軌道交通建設(shè)的蓬勃發(fā)展，地鐵線路網(wǎng)絡(luò)日漸密集，新建地鐵區(qū)間近距離下穿既有運營線路的情況越來越多。新建盾構(gòu)隧道在下穿既有地鐵區(qū)間過程中，不可避免對交疊處地層產(chǎn)生擾動，引起地層和既有運營區(qū)間結(jié)構(gòu)應(yīng)力重分布，產(chǎn)生一定的內(nèi)力變化和變形，對既有地鐵線路的運營安全產(chǎn)生威脅。許多科研和工程建設(shè)者對盾構(gòu)區(qū)間下穿既有線進行了大量研究[1-4]，也積累得較多的設(shè)計和施工經(jīng)驗，但在富水軟弱地層區(qū)域，由于地下水位高、土層壓縮性高、承載力低，盾構(gòu)區(qū)間下穿既有線的風險更大，更需有針對性地制定設(shè)計方案、采取有效的設(shè)計技術(shù)措施，確保既有線運營的安全。本文結(jié)合天津地鐵4 號線六緯路站～成林道站盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿既有9 號線區(qū)間工程，對該工程在設(shè)計過程中采用的關(guān)鍵技術(shù)進行論述。

1 工程概況

1.1 新建區(qū)間概況 天津地鐵4 號線六緯路站～成林道站區(qū)間南起六緯路與成林道交口的六緯路站，沿十四經(jīng)路北行，下穿既有9 號線區(qū)間后繼續(xù)向東北方向敷設(shè)，途經(jīng)津塘路、十一徑路后，沿成林道東行，最終到達成林道與紅星路交口的成林道站。區(qū)間左線長2538.7m，右線長2518.0m，線間距在12m～27.2m，頂部覆土為12.3m～27m，區(qū)間采用外徑6.2m、厚度0.35m 的盾構(gòu)管片。

1.2 既有運營區(qū)間概況 地鐵9 號線十一經(jīng)路站至直沽站區(qū)間為既有運營線路，該區(qū)間已開通運營，線間距約為13.0m。兩線均采用外徑6.2m、厚度0.35m 的盾構(gòu)管片。

4 號線盾構(gòu)區(qū)間下穿既有9 號線盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)，下穿范圍長度約為19m，距六緯路盾構(gòu)接收井平面距離約為46m。如圖1 所示。

圖1 區(qū)間下穿既有9 號線平面圖

1.3 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)概況 場地內(nèi)地層分布為雜填土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉砂，4 號線區(qū)間下穿既有區(qū)間范圍主要位于粉砂、粉質(zhì)粘土。場地類型為中軟土，直立性差。

場地內(nèi)地下水位高，靜止水位埋深0.4～1.8m，且存在2 層承壓含水層，各含水層之間的粘性土層為其相對隔水層，但各含水層之間均存在一定水力聯(lián)系。

2 工程重難點分析

2.1 下穿凈距小 受4 號線六緯路站埋深限制，導(dǎo)致六緯路站～成林道站穿越9 號線區(qū)間范圍埋深受到限制，不具備上跨9 號線區(qū)間的條件，只能下穿。在設(shè)計中，綜合考慮車站基坑深度和風險等，4 號線盾構(gòu)管片結(jié)構(gòu)頂距離9 號線區(qū)間結(jié)構(gòu)凈距約為1.8m。

2.2 地質(zhì)條件差 9 號線區(qū)間結(jié)構(gòu)頂覆土約為14.3m，主要位于粉質(zhì)粘土層；4 號線區(qū)間結(jié)構(gòu)頂覆土約為22.8m，主要為粉砂和粉質(zhì)黏土層，其中粉砂為承壓含水層。本場地屬于富水軟弱地層，地下水位較高，土層承載力低，土體變化比較敏感，兩線結(jié)構(gòu)間土體較薄，盾構(gòu)下穿時除自身風險較大外，易對既有運營區(qū)間結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大應(yīng)力變化和較大變形。

2.3 既有運營線保護要求高 天津地鐵9 號線作為正在運營中的地鐵線路，對地層變形和結(jié)構(gòu)變形控制要求極其嚴格，若產(chǎn)生較大變形將直接影響到既有線路的運營安全。既有區(qū)間控制指標和標準從結(jié)構(gòu)變形、隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、建筑限界三個方面來考慮，且一般采用變形控制指標作為主要控制指標。

參考相關(guān)規(guī)范規(guī)程及標準[5]，結(jié)合國內(nèi)類似工程經(jīng)驗，區(qū)間結(jié)構(gòu)變形控制值詳見表1。

表1 區(qū)間隧道變形控制標準

3 主要設(shè)計技術(shù)措施

基于以上工程重難點問題，主要采用了優(yōu)化工程籌劃、選取合理的盾構(gòu)掘進參數(shù)、盾構(gòu)區(qū)間下穿范圍內(nèi)采用多孔注漿環(huán)管片、既有結(jié)構(gòu)增設(shè)縱向拉緊聯(lián)系裝置以及對既有線采用自動化監(jiān)測等一系列設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)措施。

3.1 進行合理的工程籌劃 在不同的地層條件下盾構(gòu)機合理的掘進參數(shù)也不相同，一般在穿越風險源之前需要設(shè)置試驗段，積累本地層下盾構(gòu)機的最佳掘進參數(shù)。

結(jié)合本工程實際，4 號線盾構(gòu)區(qū)間下穿9 號線平面位置距離六緯路站僅46m，若從六緯路站始發(fā)，由于穿越區(qū)距離盾構(gòu)始發(fā)端頭距離太短，無法設(shè)置較長的試驗段，難以確定盾構(gòu)的合理掘進參數(shù)，增加下穿既有線的風險。因此，選取成林道站作為始發(fā)站，盾構(gòu)機掘進2.46km 后才到達9 號線區(qū)間下方范圍，此前較長的掘進距離為設(shè)置試驗段提供了重要的前提條件，可以充分利用前期掘進過程中的經(jīng)驗，確定本區(qū)間合理的盾構(gòu)機掘進參數(shù)，確保盾構(gòu)機順利穿越9 號線區(qū)間，在六緯路站順利接收。

3.2 盾構(gòu)掘進技術(shù)控制措施 參考天津地區(qū)已完成的2 號線、3 號線、5 號線、6 號線、9 號線盾構(gòu)區(qū)間工程，本區(qū)間選用土壓平衡式盾構(gòu)機。盾構(gòu)推進過程中，需嚴格控制和調(diào)整盾構(gòu)機的各項參數(shù)，主要包括：土倉壓力、出土量、推進速度、刀盤扭矩、螺旋機轉(zhuǎn)速、同步注漿壓力及注漿量等，使之對周圍環(huán)境的影響控制在安全、可靠的要求范圍內(nèi)。在盾構(gòu)機進入影響區(qū)域之前，盡量將盾構(gòu)機的姿態(tài)調(diào)整至最佳，嚴禁向上抬頭，嚴禁超量糾偏、蛇行擺動等。下穿時針對土層的變化設(shè)定合理的土倉壓力，盾構(gòu)機應(yīng)勻速通過既有線范圍，避免停機。

3.3 采用多孔注漿管片 盾構(gòu)掘進過程中由于開挖土體卸荷，會對周邊土體產(chǎn)生一定的擾動，產(chǎn)生空隙；盾構(gòu)機掘進中若同步注漿不及時或者注漿不飽滿，也會導(dǎo)致土體之間變形產(chǎn)生一定空隙；周邊土體間的空隙隨著時間變化，會產(chǎn)生應(yīng)力重分布和變形，土體空隙越大，變形越大，對臨近建構(gòu)筑物影響越大。因此，盾構(gòu)掘進過程中要盡量減少土體空隙，這就要求盾構(gòu)掘進過程中及時做好注漿工作，除了同步注漿之外，還要結(jié)合監(jiān)測情況做好二次注漿，必要時進行多次注漿。

常規(guī)的混凝土管片，利用吊裝孔可進行二次注漿和后續(xù)注漿，但是孔間距較大，難以保障二次注漿和后續(xù)注漿效果，因此，在穿越既有線一定范圍，設(shè)計考慮增加管片注漿孔，采用多孔注漿環(huán)管片，即每環(huán)除封頂塊外，其余各塊均增加兩個專用預(yù)留注漿孔，施工時配合監(jiān)測情況適時打開注漿孔進行二次注漿或多次注漿。多孔注漿環(huán)的應(yīng)用范圍主要是下穿9 號線區(qū)間范圍及兩側(cè)各40m，在9 號線左右線盾構(gòu)外面兩側(cè)各約40m 范圍，結(jié)合監(jiān)測情況及時做好后續(xù)注漿。本場地地下水豐富，且盾構(gòu)穿越區(qū)承壓水水頭較高，注漿孔位置易產(chǎn)生涌水、冒砂等現(xiàn)象，注漿管需使用止逆閥和螺旋管塞、密封墊圈進行防水，并對螺旋管塞進行二次擰緊。注漿完成后，注漿孔需要采用強度不低于C50 的混凝土及時進行填充封堵。

3.4 既有結(jié)構(gòu)增設(shè)縱向拉緊聯(lián)系裝置 天津地鐵9 號線盾構(gòu)管片環(huán)寬1.2m，環(huán)間采用螺栓連接，為了提高管片結(jié)構(gòu)的整體剛度、減少管片間差異沉降，在受4 號線盾構(gòu)穿越影響較大區(qū)域，即穿越區(qū)域及前后10m 范圍，在9 號線盾構(gòu)管片內(nèi)增設(shè)縱向拉緊聯(lián)系裝置。

拉緊聯(lián)系裝置采用14b 槽鋼，環(huán)向共設(shè)6 根，安裝位置可根據(jù)隧道內(nèi)現(xiàn)場實際情況調(diào)整，避開道床、接觸網(wǎng)等地鐵運營設(shè)施的位置，拉緊聯(lián)系裝置應(yīng)在盾構(gòu)下穿前完成安裝，安裝期間，注意對既有線管線和結(jié)構(gòu)的保護。

3.5 既有運營線自動化監(jiān)測 在區(qū)間下穿過程中，既有區(qū)間長期處于運營狀態(tài)，常規(guī)人工監(jiān)測存在時限性，無法滿足監(jiān)測頻率要求。施工過程中需要對既有區(qū)間進行自動化監(jiān)測，實現(xiàn)動態(tài)施工，及時掌握既有區(qū)間變形情況，必要時采取應(yīng)急處理措施，確保區(qū)間結(jié)構(gòu)安全和運營安全。既有區(qū)間自動化監(jiān)測項目主要包括隧道結(jié)構(gòu)豎向及水平位移、軌道結(jié)構(gòu)豎向及水平位移、軌距變化及變形縫差異沉降等監(jiān)測項目。監(jiān)測范圍為下穿區(qū)域及前后40m 范圍，其中下穿區(qū)域及前后10m 范圍為主要影響區(qū)，監(jiān)測斷面間距為5m；其余范圍為次要影響區(qū)，監(jiān)測斷面間距為10m。自動化監(jiān)測項目頻率：盾構(gòu)掘進至主要影響區(qū)時1次/30 分鐘；其余一般施工狀態(tài)1 次/2 小時。人工校核監(jiān)測和巡視為每周2 次。監(jiān)測時間自開工前一周至數(shù)據(jù)穩(wěn)定為止。

4 數(shù)值模擬計算及結(jié)果分析

4.1 計算模型及參數(shù)說明 由于既有運營區(qū)間變形要求高，需要準確計算盾構(gòu)下穿對既有線影響情況，本文采用Midas GTS 建立模型進行有限元計算分析[6]。模型中各土層均采用彈塑性模型，六面體實體單元，屈服準則采用Mohr-Coulomb 準則[7]；盾構(gòu)隧道管片采用彈性模型，shell單元模擬。水平與豎向邊界均采用位移約束邊界。模型如圖2 所示。

圖2 有限元模擬模型圖

4.2 模擬施工過程 按照實際施工步驟模擬施工過程，具體施工步驟：右線盾構(gòu)隧道開挖→施作管片→右線隧道施工完成，進行左線隧道施工→左線盾構(gòu)隧道開挖→施作管片→左線隧道施工完成。

4.3 模擬計算結(jié)果 根據(jù)有限元分析，各工況施工的計算結(jié)果如下：

①M4 右線盾構(gòu)區(qū)間施工完成（如圖3 所示）。

圖3 既有線結(jié)構(gòu)豎向變形圖

②M4 左線盾構(gòu)區(qū)間施工完成（如圖4 所示）。

圖4 既有線結(jié)構(gòu)豎向變形圖

4 號線盾構(gòu)區(qū)間右線穿越完成后，9 號線區(qū)間下沉量最大值為2.44；左線穿越完成后，9 號線區(qū)間下沉量最大值為2.85mm；穿越過程中既有線沉降變形在允許范圍內(nèi)。

4.4 施工實測數(shù)據(jù) 天津地鐵4 號線已于2021 年12月開通運營，六緯路站～成林道站區(qū)間右線下穿9 號線時間為2019 年12 月30 日～2020 年1 月2 日，根據(jù)施工過程中自動監(jiān)測情況，9 號線既有隧道結(jié)構(gòu)豎向位移變化如圖5 所示。

圖5 區(qū)間右線穿越既有隧道結(jié)構(gòu)豎向位移圖

六緯路站～成林道站區(qū)間左線下穿9 號線時間為2020 年5 月17 日～5 月20 日，根據(jù)施工過程中自動監(jiān)測情況，9 號線既有隧道結(jié)構(gòu)豎向位移變化如圖6 所示。

圖6 區(qū)間左線穿越既有隧道結(jié)構(gòu)豎向位移圖

根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，在盾構(gòu)穿越期間，距離4 號線最近的SD-1 整體呈下沉趨勢，右線盾構(gòu)通過后最大沉降約為1.2mm，左線盾構(gòu)通過后最大沉降約為3.2mm，滿足變形要求。

4.5 模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)對比分析 實測自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，既有區(qū)間的沉降滿足控制值范圍要求，不影響既有線安全正常運營。對比監(jiān)測值與模擬分析值，兩者相差較小，變形趨勢一致。

5 結(jié)論與建議

在富水軟弱地層，新建地鐵盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿既有運營線風險極大，筆者結(jié)合天津地鐵4 號線下穿既有運營9 號線區(qū)間項目，介紹了采取的關(guān)鍵設(shè)計措施：合理進行工程籌劃設(shè)計，設(shè)置試驗段確定合理的盾構(gòu)掘進參數(shù)；下穿既有線范圍采用多孔注漿環(huán)管片，結(jié)合監(jiān)測情況，必要時可加強注漿效果；在既有隧道結(jié)構(gòu)增設(shè)縱向拉緊聯(lián)系裝置，可有效增大既有區(qū)間結(jié)構(gòu)剛度，減少差異沉降；對既有線采用自動化監(jiān)測可實時監(jiān)測既有結(jié)構(gòu)變形情況。根據(jù)現(xiàn)場實測情況，各項監(jiān)測指標均控制在允許范圍內(nèi)，目前該區(qū)間已經(jīng)順利貫通，證明了所采取的設(shè)計措施安全有效，可為類似工程提供工程參考。