劉映晶， 閔加正， 張文宏， 王幸福， 劉松

(1.中天建設集團有限公司， 杭州 310000； 2.杭州市建設工程質量安全監(jiān)督總站， 杭州 310000)

在“交通強國”戰(zhàn)略的驅動下，中國城市軌道交通建設進入高速發(fā)展階段。截止到2020年，中國已有44個城市開通地下軌道交通，運營里程已超 6 500 km。地鐵工程的快速發(fā)展，避免不了會出現地鐵隧道交叉穿越的情況。穿越工程一般分為上穿、下穿和平行穿越，而施工難點和重點是如何確保既有地鐵線的正常運營[1]。尤其對于隧道穿越軟弱地層，施工對既有隧道結構會產生較大擾動，造成隧道不均勻沉降甚至影響地鐵的正常運營。

針對盾構穿越既有地鐵線路的研究，中外學者已開展了相關研究。高洪吉等[2]以北京新機場線9 m直徑土壓平衡盾構隧道為背景,對不同覆土厚度下的地表最大沉降、沉降槽寬度、地層損失率進行了對比分析,并用Peck公式進行擬合。趙宇鵬[3]采用理論分析與數值模擬相結合的方法，對盾構近距離上跨既有隧道的施工因素和卸荷因素等對隧道變形規(guī)律進行分析，并給出了對應的加固措施。田帥等[4]依托鄭州市某市政管廊上跨地鐵區(qū)間隧道項目，對復雜環(huán)境下基坑上跨運營地鐵隧道的關鍵因素進行分析，提出了施工的最優(yōu)方案。許永泰[5]以北京地鐵10號線某區(qū)間為研究對象，通過數值模擬和現場監(jiān)測分析了暗挖施工對既有盾構隧道的結構和地表變形，并對既有隧道保護措施進行了方案優(yōu)化。江華等[6]采用數值模擬和自動化監(jiān)測相結合的方法，研究了盾構隧道上跨施工引起的既有線水平和豎向的變形規(guī)律，并分析了土壓力對既有線變形的影響。張盛紅[7]通過數值模擬和現場監(jiān)測相結合的方法，分析了地鐵隧道盾構下穿施工對既有線路的影響規(guī)律，并總結了下穿施工不同階段地層損失率的計算方法。趙文等[8]通過數值模擬，研究了大跨度卸荷對既有盾構隧道管片及接頭的影響，并對實際工程中坑底堆載保護措施進行研究。付春青等[9]以北京地鐵12號線西三區(qū)間盾構穿越機場專線為工程背景，提出了適合既有運營隧道縱向剛度折減的修正等效連續(xù)模型。Wu等[10]提出隧道縱向結構變形模式分為彎曲變形和錯臺變形并提出等效彎曲剛度的計算公式。朱建峰等[11]結合離心試驗，研究軟土地層中盾構長期沉降規(guī)律。王希元等[12]以既有隧道上方挖方工程為背景,運用離心模型試驗方法,研究了砂質黃土地層中既有隧道襯砌圍巖壓力在上方挖方時的變化規(guī)律。金大龍等[13]通過離心模型試驗方法,分析了小凈距隧道群施工對周圍土體應力影響規(guī)律,揭示了盾構多次近距離穿越施工引起既有線變形及受力變化機理。Jin等[14]對深圳地鐵9號線下穿4號線的隧道受力和變形進行了監(jiān)測，分析了既有隧道在下穿過程中的變形特性。

基于此，依托杭州地鐵7號線近距離上跨1號線工程為背景，對既有隧道的病害進行統(tǒng)計并對安全情況進行評估，提出盾構施工的控制措施；隨后，結合現場試驗，研究盾構掘進過程中盾構控制參數的變化規(guī)律，并分析既有隧道道床沉降、隧道水平收斂、拱頂沉降和地表沉降在新建隧道施工期間的變化情況，驗證本文提出控制方案的可行性和優(yōu)越性。研究結果可為后續(xù)類似工程提供參考和依據。

1 工程概況

1.1 工程及地質情況

如圖1所示，杭州地鐵七號線江城路站～城站區(qū)間(江城區(qū)間)在里程YDK2+855～+883段上跨已運營地鐵1號線婺城區(qū)間，兩隧道軌面標高差約為8.147 m，最小凈距約為1.947 m，線間距15.8 m。區(qū)間主要穿越段地層為粉砂、砂質粉土和粉砂夾雜砂質粉土等軟土地層，具有抗剪強度低、含水量高、孔隙比大、高壓縮性和流變性等工程特性，具體參數見表1。盾構管片外徑6.2 m、內徑5.5 m，單環(huán)長度1.5 m。

圖1 上穿施工示意圖

表1 土體參數

1.2 既有1號線地鐵隧道隱患情況

既有地鐵1號線婺城區(qū)間存在一定隱患，主要為隧道沉降變形、管片收斂變形、環(huán)縱縫輕微滲漏水、管片局部裂縫、破損及道床脫開等隱患，增加了施工的風險。在2020年6月8日對婺城區(qū)間段進行實地查勘時發(fā)現：上行線破損10環(huán)，滲漏水12環(huán)，下行線破損1環(huán)，滲漏水24環(huán)，如表2所示；破損及漏水情況如圖2所示。

圖2 管片破損及滲漏水情況

表2 婺城區(qū)間隧道破損及滲漏水統(tǒng)計表

1號線左線(下行線)收斂值超過30 mm的共有3處，離本項目的影響源約40～45 m。斷面收斂最大值為34.3 mm，處于K10+477.624里程附近，離本項目的影響源約50 m。區(qū)間隧道左線對應7號線上穿段范圍內的收斂值均未超過25 mm，最大值22.3 mm，處于K10+542.793里程附近。

1號線右線(上行線)收斂值超過30 mm的共有21處，超過35 mm的共有5處，距本項的影響源約40 m。斷面收斂最大值為41.0 mm，處于K10+603.545里程附近，距本項的影響源約35 m。區(qū)間隧道右線對應7號線上穿段范圍內的收斂值未超過25 mm，最大值為22.6 mm，處于K10+543.250附近(表3)。

表3 最大斷面收斂值

根據相關規(guī)范規(guī)程，結合對現有婺江路～城站區(qū)間隧道現狀的了解，初步認定本項目施工影響范圍的既有地鐵1號線的盾構結構安全狀況為Ⅱ類。

2 盾構穿越期間施工控制措施

由于1號線既有隧道自身存在一定的質量缺陷，根據地質水文情況、覆土深度及結合前期類似工程的盾構姿態(tài)和各項盾構掘進參數，在新建隧道盾構掘進期間及時跟蹤調整相關參數，減少盾構掘進對周圍土體的擾動，進而降低地表沉降。

2.1 盾構掘進控制技術

(1)劃分影響區(qū)范圍：第1～14環(huán)為前影響區(qū)，第15～46環(huán)為穿越段，第47～82環(huán)為后影響區(qū)。施工前對1號線的盾構結構標高進行實測，詳細掌握1號線盾構結構有無病害等相關事項。核實7號線與1號線的關系及凈距。

(2)在第19～64環(huán)管片增設注漿孔，對盾構周圍1.5 m范圍進行雙液漿未擾動加固，注漿管擴散半徑為0.6 m，必要時在1號線區(qū)間隧道停運時間增設注漿孔進行注漿加固。同時將7號線管片螺栓強度提高到8.8級，加大管片配筋，確保區(qū)間隧道結構安全。

(3)在7號線盾構前方布置深層沉降觀測點，加強施工監(jiān)測。根據監(jiān)測數據合理設置土壓力值，減少盾構的超挖和欠挖，使盾構勻速推進，減少對土體擾動。采用同步雙液注漿工藝，確保漿液填充滿盾尾管片與土體間的建筑空隙，盾構推進時控制地層損失率小于等于2‰。

(4)新建隧道施工期間，對既有1號線進行全自動化監(jiān)測，情況如圖3所示。施工期間根據監(jiān)測數據決定是否調整盾構推進的主要施工參數以及調整量的大小。

圖3 地鐵隧道自動化監(jiān)測

2.2 盾構掘進現場試驗

本次穿越涉及盾構一始發(fā)就上跨正在運營的地鐵1號線，施工難度大。本文中參考該區(qū)間相鄰城四區(qū)間的掘進施工試驗，初步確定右線施工上跨段盾構推進速度、刀盤轉速、正面土倉壓力、出土量以及同步注漿量等施工參數，并在施工過程中根據盾構機姿態(tài)和周邊環(huán)境監(jiān)測數據不斷優(yōu)化調整，確保工程的安全推進。本區(qū)間采用土壓平衡盾構，掘進初步施工參數如表4所示。

表4 施工參數

根據現場試驗的實測數據，主要施工參數隨盾構掘進環(huán)數的變化規(guī)律，如圖4所示。當盾構機掘進30～40環(huán)時，土壓力出現明顯上升，后趨于穩(wěn)定。掘進總推力在掘進40環(huán)時開始變大，掘進刀盤扭矩在掘進10環(huán)時開始下降，在掘進40環(huán)時驟然變大，而掘進速度基本趨于穩(wěn)定。此外，試驗段的掘進參數平均推力為1 725 t，刀盤平均扭矩為2 008 kN·m，平均掘進速度為35 mm/min，土壓力隨著盾構埋深略有增大(8.82～11.18 m)，最大土壓力達到220 kPa。

1 bar=100 kPa

同步注漿的效果主要由漿液凝固時間、強度、稠度、體積率以及泌水率等各項指標決定。基于上述參數，對同步注漿漿液進行現場試驗，根據現場試驗結果，確定同步砂漿漿液的最優(yōu)配比(質量比)見表5。

表5 砂漿配合比

在初次注漿的基礎上，通過注入水泥+水玻璃雙液漿進行二次補漿，加快上部漿液凝結時間可以盡早固定管片，同時也補充了同步注漿的飽滿程度，結合現場試驗，注漿壓力控制在0.2～0.4 MPa為宜。二次注漿漿液的配合比(質量比)，見表6。

表6 二次注漿配合比

2.3 施工過程重要參數控制

2.3.1 盾構機掘進速度

盾構機掘進速度隨盾構環(huán)數變化曲線如圖5所示。前10環(huán)范圍內盾構機掘進速度呈線性增加趨勢，在10環(huán)處最大速度為25 mm/min；10～40環(huán)范圍內呈整體穩(wěn)步增加，逐漸趨于勻速推進，速度穩(wěn)定在30～35 mm/min。40環(huán)以后，掘進速度再次增加，隨后掘進速度穩(wěn)定在45 mm/min左右。

圖5 掘進速度

2.3.2 土倉壓力控制

土倉壓力統(tǒng)計值隨著盾構掘進的變化曲線如圖6所示?？芍谱用嫔舷峦羵}壓力均在10環(huán)范圍內呈現增加趨勢，后續(xù)穩(wěn)定在150～200 kPa。因此應維持頂部土倉壓力，避免因7號線盾構施工出土以及1號線盾構頂部卸載造成1號線隆起；同時避免因土倉壓力不足對地層造成擾動，導致后期工后沉降。

圖6 土倉壓力

2.3.3 出土量控制

出土量隨盾構掘進環(huán)數的變化規(guī)律如圖7所示?？芍?，前40環(huán)內理論出土量和實際出土量基本一致；40環(huán)之后，實際出土量略低于理論出土量。

圖7 出土量

3 既有隧道1號線結構變形控制效果

上述左線盾構施工的控制措施為右線施工提供借鑒，本章對左線施工措施應用在右線后，盾構對既有1號線的變形控制效果進行分析。

3.1 道床沉降控制效果

道床沉降是地鐵能否安全運營的關鍵指標。由圖8可以看出，新建盾構隧道右線施工導致道床的豎向變形范圍為-1.9～2.7 mm，符合《地鐵設計規(guī)范》中的要求。分析發(fā)現，上行線累計最大沉降為2.7 mm，位于第465環(huán)位置，累計最大隆起為1.6 mm，位于第530環(huán)位置。下行線累計最大沉降為2.6 mm，位于第465環(huán)，累計最大隆起為1.9 mm，位于第520環(huán)位置，如表7所示。

表7 道床變形統(tǒng)計

圖8 上、下行線道床豎向位移

隨著新建隧道盾構施工，1號線道床先發(fā)生隆起變形，后發(fā)生沉降變形，最后又變成隆起變形直至趨于穩(wěn)定，且隆起變形隨著時間的推移先增大后減小，沉降變形隨著時間的推移先減小后增大。上行線在第510環(huán)處開始發(fā)生沉降變形，在第550環(huán)后變?yōu)槁∑鹱冃?。下行線在第480環(huán)處開始發(fā)生沉降變形，在第535環(huán)后變?yōu)槁∑鹱冃?。分析原因在于土體開挖引起下方土體應力重分布，導致土體回彈，進而導致既有隧道出現一定的上?。缓笃诙軜嬎淼拦芷唇油瓿刹皇芏軜嫷挠绊?，由于自重產生些微沉降。此外上行線道床豎向位移呈現出明顯的階段性特征，分界點約在第525環(huán)左右。

3.2 隧道水平控制效果

如圖9所示為上行線和下行線的道床水平位移圖。破除洞門以來，1號線上行線累計水平位移最大值是3.8 mm，位于第515環(huán)；下行線累計水平位移最大值是3.6 mm，位于第530環(huán)，如表8所示。上行線及下行線累計沉降數值均小于規(guī)范值。1號線道床水平變形隨著時間的推移逐漸增大，但增加幅度較小，且水平變形先發(fā)生膨脹變形后收縮變形，最后又發(fā)生輕微膨脹變形，且上行線水平變形出現明顯的階段性特征，分界點在第525環(huán)左右。

圖9 上、下行線水平位移圖

表8 隧道變形統(tǒng)計

3.3 盾構收斂控制效果

如圖10、圖11所示為上行線和下行線的盾構管片收斂情況。由圖11可知，破除洞門以來，1號線上行線累計收斂最大值是2.4 mm，位于第555環(huán)。下行線累計收斂最大值是2.3 mm，位于第565環(huán)。上行線及下行線累計沉降數值均小于規(guī)范值的±3 mm。此外，隨著盾構掘進環(huán)數的增加，盾構管片收斂值先增大，后減小，在第560環(huán)左右達到最大收斂值，且盾構管片的收斂值隨著時間的推移，逐漸增大。

圖10 上、下行線盾構管片收斂值

圖11 盾構管片收斂示意圖

3.4 盾構管片姿態(tài)控制效果

盾構管片拼裝完成后，組織對7號線江城區(qū)間右線現場成型管片進行復測，盾構管片成型姿態(tài)變化如圖12所示。由圖12可知，成型隧道管片姿態(tài)可控，豎向變形最大值為-29 mm，水平變形最大值為27 mm。盾構掘進0～20環(huán)時，管片變形呈增加趨勢；之后縱向管片姿態(tài)趨于穩(wěn)定，而橫向管片變形逐漸減小，直至40環(huán)時趨于穩(wěn)定，且盾構管片在前40環(huán)姿態(tài)變化最明顯，后趨于穩(wěn)定。

圖12 7號線管片成型姿態(tài)

4 結論

提出杭州地鐵7號線上跨既有地鐵隧道1號線工程的施工控制措施，既有運營地鐵的道床變形、管片收斂及病害擴張等均得到有效控制，且7號線施工過程中的地表沉降、管片姿態(tài)等均在允許范圍內。對類似盾構近距上跨既有地鐵盾構區(qū)間施工有一定的指導意義。

(1)采取的施工控制措施包括，對盾構周圍1.5 m范圍進行雙液漿未擾動加固，對盾構施工重要參數進行控制，對施工過程實施監(jiān)測。

(2)施工過程中，既有隧道1號線道床先發(fā)生隆起變形，后發(fā)生沉降變形，最后又變成隆起變形直至趨于穩(wěn)定；隧道水平先發(fā)生膨脹變形后收縮變形，盾構收斂先增大，后減小，且變形均控制在允許范圍內。

(3)基于本文中控制措施及監(jiān)測數據研究結果表明，道床最大變形2.7 mm，隧道水平最大變形3.8 mm，管片收斂最大值為2.4 mm，成型隧道管片姿態(tài)可控，該工程對類似工程具有一定的指導意義。