劉文，游關軍，姚翔川，袁立斌，楊擎

（1.中交第二航務工程局有限公司，湖北 武漢 430040；2.長大橋梁建設施工技術交通行業(yè)重點實驗室，湖北 武漢 430040；3.交通運輸行業(yè)交通基礎設施智能制造技術研發(fā)中心，湖北 武漢 430040）

0 引言

隨著近年來城市建設的高速發(fā)展以及軌道交通的普及，地鐵換乘站點的建設越來越多，地鐵建設中如何有效保證既有地鐵運營的問題也越來越突出。目前國內(nèi)外也有不少學者針對該類問題做出研究。

蔡小培等[1]針對盾構下穿高速公路對上部既有線路影響進行了研究，結果表明高速公路變形隨著下穿施工的進行而不斷加劇，當盾構開挖面處于高速公路下方時，軌道沉降速率、鋼軌間的沉降差以及鋼軌水平位移呈最大值，之后隨開挖面的逐步施工而逐漸減小。鄧指軍[2]在上海地鐵2號線下穿既有線時采用微擾動注漿方法減小既有線沉降，并通過對比試驗確定了合適的施工參數(shù)。劉新軍等[3]通過對南京地鐵5號線下穿既有地鐵1號線為背景，對比分析了管棚+水泥土攪拌樁+袖閥管注漿聯(lián)合加固軟土、微擾動注漿加固以及MJS加固地層等方法的優(yōu)劣；并研究了土倉壓力和注漿壓力對既有隧道位移的影響。喬世杰等[4]以北京地鐵19號線為背景，利用FLAC3D軟件建立三維工程計算模型，對未采取加固措施的橋樁沉降和采取了地層加固措施后的橋樁沉降進行對比分析，分析結果顯示進行注漿加固、盾構掘進參數(shù)的標準化控制、渣土排放的優(yōu)化改良能對橋樁和地表沉降產(chǎn)生積極影響。馮曉九等[5]以常州地鐵2號線下穿河流為背景，利用ABAQUS計算得到控制切口水壓在1.10～1.15 kPa內(nèi)、進行壁后注漿時沉降能得到有效控制。彭紅霞等[6]針對南京地鐵3號線下穿箱涵群樁的實際工況，選擇基底加固后箱涵托換+劈裂注漿的方法加固地層，有效控制了下穿引起的地表沉降。譚嘯峰等[7]結合廣州地鐵14號線土壓平衡盾構，提出富水砂層隧道下穿密集建筑群不同加固方案間可行性、技術難易程度、工期及造價的區(qū)別，并驗證了MJS樁隔離加固方案的加固效果。陳濤等[8]采用數(shù)值仿真方法對盾構隧道近距離側穿橋梁樁基進行研究，結果表明采取旋噴隔離墻保護可以有效減小盾構掘進對橋梁樁基的影響。

1 工程概況

廣州市軌道交通12號線官洲站—大學城北站區(qū)間線路全長1.18 km，雙線起迄里程為ZDK43+626.350—YDK44+806.746，采用1臺開挖直徑6 700 mm復合式土壓平衡盾構機進行雙線施工，區(qū)間左線大小里程下穿區(qū)域及右線小里程下穿區(qū)域官洲站底部埋深約為17.2 m，右線大里程下穿區(qū)域官洲站底部埋深約為14.5 m。

12號線官洲站—大學城北站區(qū)間下穿既有4號線，左右線盾構均需2次穿越原4號線車站主體圍護樁。圍護樁樁底埋深22.8 m，盾構隧道頂部埋深約20.2 m，樁底部約3 m范圍影響盾構掘進。兩線位置關系如圖1和圖2所示。此處位于螺旋大道以北、寰宇三路以南之間的星際二路正下方，周邊寫字樓、城市綠地密集，環(huán)境敏感，盾構掘進過程中沉降需嚴格控制。

圖1 12號線與4號線平面關系圖Fig.1 Planar relation diagram of Line 12 and Line 4

圖2 盾構隧道斜穿既有圍護樁示意圖Fig.2 Schematic diagram of shield tunnel slanting through existing retaining piles

2 工程地質分析

2.1 工程地質情況

官洲站—大學城北站區(qū)間左右線盾構下穿既有官洲站及既有4號線區(qū)域地層主要為：＜5Z-2＞硬塑狀砂黏性土、＜6Z＞全風化混合花崗巖兩層。其中硬塑狀砂黏性土透水性較弱，主要由混合花崗巖風化殘積而成，粒徑大于2 mm的顆粒約占10%～15%，遇水易軟化、崩解，僅有殘余結構強度，巖芯砂土狀，極易破碎，遇水易軟化、崩解。

2.2 工程水文情況

盾構下穿地層中地下水位埋深約為0.0～15.0 m，部分地層含有塊狀基巖裂隙水，不同部位水量差別較大，地層間透水性變化較大。從埋藏條件分析，該地區(qū)基巖裂隙水為承壓水。隧道下穿部位富水性差，透水性弱。

3 盾構磨樁處理方法

3.1 盾構機針對性設計

下穿4號線官洲站采用1臺新購盾構機進行掘進施工。此盾構機結合廣州地層特點及圍護樁，主要針對刀盤開口率，刀盤、盾體開孔、螺旋機等進行適應性設計。

1）刀盤改造

刀盤結構：盾構機刀盤的開口率為35%，可使磨樁后鋼筋順利排出。刀盤采用6輻條+6面板式的復合結構，輻條采用鋼板焊接而成，材料采用Q345B，材料的力學性能穩(wěn)定可靠，可以保證刀盤具有足夠的強度與剛度，同時能夠實現(xiàn)較高的掘進效率。

刀盤耐磨設計：經(jīng)過廣州在建盾構項目實地調(diào)研，采用復合鋼板的耐磨形式要優(yōu)于HARDOX板，因此，本項目對刀盤耐磨形式進行優(yōu)化改進，刀盤耐磨板采用復合板代替了原先的HARDOX板形式，比原先HARDOX板的耐磨效果更好。

刀盤面板正面及刀盤錐面全部覆蓋12 mm厚的復合板，刀盤外周采用50 mm厚的耐磨合金塊全覆蓋，增加耐磨性。保證磨樁掘進過程中刀盤的耐磨性能。同時，刀盤圓弧段輻條間增加格柵，防止切樁時卡刀盤。

2）刀具的選型

為了適應始發(fā)破樁施工，初裝刀配楔齒滾刀和焊接型重型撕裂刀，主刀設計考慮低刃口、大合金塊設計，提高主刀在硬巖地層掘進時的使用壽命。主刀和重型撕裂刀采用大合金塊設計，滾刀刀體表面有耐磨硬化層，提高刀體的耐磨性能，以適應破樁掘進。

3）推進系統(tǒng)配備慢速推進功能

保持較低的推進速度和刀盤轉速，可最大效率地將樁磨碎，產(chǎn)生長鋼筋和斷樁的可能性將大大降低，故本盾構機推進系統(tǒng)設計有慢速推進功能，在磨樁過程不允許快速掘進的情況下，可以啟用慢速推進模式，最大限度地降低對地層的擾動，減少地層沉降，滿足2～10 mm/min左右推進速度。

4）螺旋機的設計

螺旋輸送機采用軸式螺旋形式，利用液壓馬達進行驅動，具有正反轉功能，其外殼采用分段式設計，最前端通過焊接的方式連接在盾構機切口環(huán)的下部，螺旋輸送機由2個筒體組成，2個筒體相互套接，并用液壓油缸進行連接，使筒體可以相互伸縮，螺旋輸送機的最大行程為800 mm，葉片螺距為680 mm，葉片直徑為840 mm，單邊通過最大塊體尺寸為φ300 mm×640 mm。針對盾構穿樁進行了螺旋機耐磨性設計，為了使螺旋機適應磨樁要求，需要進行螺旋機葉片耐磨設計和筒體耐磨設計。

3.2 盾構下穿前措施

盾構磨除官洲站洞門處圍護樁前，完成對4號線隧道的管片拉緊工作。4號線管片拉緊共10環(huán)，每環(huán)拉緊5處。

拉緊采用耳板+聯(lián)系條的方式，如圖3所示，通過耳板將相鄰環(huán)間拉結，耳板上提前焊接有螺栓，通過螺栓將14b通條槽鋼與耳板連接在一起，共需50塊拉緊耳片，5條通長槽鋼，單條槽鋼長約13.5 m，實際施工時，根據(jù)施工空間進行分段螺栓連接。

圖3 耳板拉緊示例圖Fig.3 Example drawing of lug plate tensioning

3.3 盾構下穿過程措施

1）掘進參數(shù)調(diào)整

隧道頂部與車站底板底凈距約3 m，距離下反梁底約2.1 m凈距，且盾構直接穿越4號線車站圍護樁。若在盾構掘進時施工參數(shù)產(chǎn)生異常波動，則會對既有圍護樁的受力造成較大的影響，圍護樁所受土壓力進行重新分布，進而影響既有地鐵車站產(chǎn)生相應的變形。因此，在下穿過程中需要對掘進參數(shù)進行微調(diào)，并根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)整掘進參數(shù)，實現(xiàn)精細化、標準化控制。通過試掘進15 m的試驗段，初步擬定了盾構下穿地鐵車站圍護樁時的掘進參數(shù)，如表1所示。

表1 盾構下穿段主要掘進參數(shù)Table 1 Main tunneling parameters of undercrossing section of shield

2）優(yōu)化渣土改良參數(shù)

下穿區(qū)域地層為全斷面風化巖層及磨樁段，切磨出的渣土既有風化巖層又有含有鋼筋的混凝土圍護樁，兩者渣土的流動性及強度具有明顯區(qū)別，單一渣土改良方法難以適應2種渣土，不當?shù)脑粮牧挤椒〞е鲁鲈щy，進而引起開挖面失穩(wěn)等問題，既會增加盾構掘進自身的安全風險又對附近既有軌道交通產(chǎn)生不良影響。施工中針對2種差異性較大的地層進行分段處理，對全斷面風化巖層段采用泡沫+水的方法進行渣土改良，對磨樁段采用膨潤土+泡沫+水的方法進行渣土改良。全斷面風化巖層所用泡沫溶液濃度為3%，發(fā)泡倍率為10～15，注入率為30%～40%，泡沫稀釋液注入量為1 200～1 600 L/環(huán)；磨樁段所用膨潤土黏度為30 s，泡沫溶液濃度為5%，發(fā)泡倍率為12～18，注入率為40%～50%，泡沫稀釋液注入量為1 500～2 000 L/環(huán)。保證渣土可以達到流動狀態(tài)，提高渣土攜帶鋼筋的能力。

3）惰性漿注漿施工

盾構機下穿過程中為保證盾構施工時既有4號線地鐵車站的安全，需在盾構施工時同步進行盾體注漿，通過惰性漿注漿的方法填充開挖面與盾體間的縫隙。惰性漿一般采用石灰、粉煤灰、細砂、膨潤土以及水配置而成，每環(huán)注漿量約0.8 m3，注入點位為中盾頂部附近的徑向孔。

4 現(xiàn)場監(jiān)測

4.1 推力與扭矩監(jiān)測

在左右線盾構下穿過程中盾構機的推力及扭矩見圖4，盾構機在第14環(huán)剛剛接觸第1排樁時推力與扭矩的變化不明顯，當?shù)竭_第16環(huán)即第1排中間位置后扭矩急劇上升，推力也在緩慢增加，當盾構機到達車站底部26環(huán)加固位置時開倉對倉內(nèi)泥餅和鋼筋進行清理后推力與扭矩慢慢恢復正常。切磨圍護樁過程中推力最大達到2 200 t，相較于正常切削全風化混合花崗巖最大推力提升了15.8%，磨樁最大扭矩為6 480 kN·m，相較于正常切削全風化混合花崗巖最大扭矩提升了75.1%，滿足推力及扭矩的控制值要求。

圖4 推力及扭矩監(jiān)測結果Fig.4 Monitoring results of thrust and torque

4.2 既有4號線沉降監(jiān)測

在左右線盾構隧道下穿圍護樁過程中對既有地鐵4號線進行了沉降監(jiān)測，結果如圖5所示。從圖中可以看出，盾構下穿過程中既有4號線地鐵車站整體呈下降趨勢，圍護樁磨樁完成后既有4號線最大沉降為4.54 mm，磨樁完成后既有線沉降有所回升，分析其原因主要是由于在盾構掘進后期中增加了同步注漿量和二次注漿量，導致既有線產(chǎn)生輕微抬升。

圖5 既有4號線沉降監(jiān)測結果Fig.5 Settlement monitoring results of existing Line 4

4.3 既有4號線水平位移監(jiān)測

將既有4號線距離下穿隧道較近的監(jiān)測點作為典型斷面，對盾構下穿時既有4號線的水平位移進行分析，結果如圖6所示。從圖中可知，在磨樁過程中既有地鐵車站整體呈沿盾構掘進方向偏移的趨勢，最大水平位移為3.5 mm，這主要是由于盾構切磨圍護樁使得既有車站受到盾構掘進的水平力，通過同步注漿及二次注漿穩(wěn)定盾構掘進時周邊被擾動的土體及圍護樁，避免既有4號線持續(xù)偏移，在切磨樁完成后尚保留了部分同步注漿及二次注漿參數(shù)，導致既有4號線車站產(chǎn)生較小回彈偏移。

圖6 既有4號線水平位移監(jiān)測結果Fig.6 Monitoring results of horizontal displacement of existing Line 4

5 結語

通過施工方法的討論以及工程實踐的驗證，得到如下結論：

1）進行盾構隧道下穿既有地鐵車站圍護結構時，對盾構機進行適應性設計，從刀盤改造、刀具選型、慢速推進、葉片耐磨設計和筒體耐磨設計方面進行調(diào)整，減小盾構掘進參數(shù)的波動。

2）除進行盾構機適應性設計外，還需要對盾構下穿前和盾構下穿時進行精細化控制，通過管片拉緊措施減小切磨圍護樁時對原有管片的影響；通過掘進參數(shù)調(diào)整、優(yōu)化渣土改良參數(shù)以及惰性漿注漿等方法使切磨圍護樁時姿態(tài)平穩(wěn)出渣順利。

3）通過現(xiàn)場監(jiān)測顯示，雙線貫通后既有地鐵的沉降最大值為4.54 mm，水平位移最大值為3.5 mm，均滿足沉降位移控制要求，可見采用盾構機針對性設計以及盾構下穿精細化控制后對既有地鐵車站沉降起到了很好的控制效果。