随着城市化进程的加快, 城市轨道交通迅速发展, 新建线路逐渐增多, 不可避免出现新建线路与既有线路的交叉设置, 新建线路上跨、下穿既有线路的施工技术应运而生, 其中盾构施工技术尤为突出, 不断刷新国内交叉线路最小间距的纪录。张宏伟等^[1]通过在盾构上跨既有线施工前进行有限元数值模拟分析、地层预加固, 上跨过程中控制掘进参数, 进行自动化监测等措施, 确保施工及既有线的安全;宫媛媛^[2]分析了盾构上跨铁路直径线并同时下穿既有地铁站的设计方案, 给出了相应的改进措施及优化建议;昝子卉^[3]通过将盾构上跨既有线施工前的数值模拟数据与上跨施工过程中自动化监测采集数据进行比对, 验证了数值模拟计算的合理性;李建设等^[4]通过既有线上方地层加固技术、盾构掘进控制技术、既有隧道内自动化监测技术, 实现了盾构安全上穿;吴同昌^[5]介绍了盾构侧穿并上跨既有运营线路的成功经验;谢银龙^[6]分析比较了盾构下穿既有线的施工方案, 介绍了4项施工关键技术, 解决了盾构下穿过程中尽早达到土压平衡的难题, 有效控制了既有线隧道的结构变形。本工程盾构上跨既有线最小间距仅为0.12m (刀盘与隧道净距) , 在国内绝无仅有, 与前述工程研究相比, 风险更高、难度更大。通过采取“内外兼修、双管齐下”的施工理念, 既从盾构掘进本身着手, 研究掘进线路设计、土压力设定、推力及扭矩选取、渣土改良等参数及措施, 又从客观条件着手, 提前采取地层加固、设置临时钢支撑、自动化实时监测等辅助手段, 最终成功跨越。

某城市地铁10号线 (简称“新建线”) A站至B站区间基本位于道路下方, 线路出A站后上跨既有运营地铁2号线 (简称“既有线”) 矿山法隧道区间、侧穿高架桥及多栋房屋、下穿小桥桥桩后到达B站。区间隧道左线全长1 220.245m, 右线全长1 234.533m, 线间距12.0～15.0m, 覆土厚度5.9～17.8m, 最小平面曲线半径450m, 最大纵向坡度27‰, 其间设2座联络通道。

区间隧道为单洞单线圆形断面, 盾构法施工, 预制钢筋混凝土管片结构 (C50P10) , 管片外径6.0m、内径5.4m、厚度0.3m、环宽1.2m。采用1台土压平衡盾构机自A站始发, 沿左线掘进至B站, 在B站调头后沿右线返回至A站吊出, 完成区间双线施工任务。

场地地层主要由第四系全新统和更新统黏性土、砂类土及碎石类土组成。区间隧道主要在砾砂层中通过, 勘察期地下水位埋深9.4～12.0m, 抗浮水位埋深6.4～9.0m。始发及上跨位置由于受邻近工程降水影响, 实测水位位于隧道底部以下, 属于无水砾砂层。

新建线左线隧道上跨既有线双线隧道, 距离右线0.20m, 距离左线0.67m;新建线右线隧道上跨既有线双线隧道, 距离左线1.36m, 距离右线1.44m。因B站为暗挖车站, 不具备盾构始发条件, A站为盖挖车站, 仅左线能够提供始发条件, 一定程度上增加了施工难度。

新建线盾构自A站沿左线以27‰大坡度爬坡始发, 掘进23.4m时, 先后上跨既有线右线、左线, 之后掘进至B站;盾构自B站沿右线返回距离A站26.1m时, 先后上跨既有线左线、右线, 之后到达A站接收。

既有线隧道为马蹄形断面, 矿山法施工, 复合式衬砌。标准段初期支护厚度250mm, 二次衬砌厚度350mm, 人防段初期支护厚度300mm, 二次衬砌厚度500mm。

选取4次上跨中盾构距离既有线最近的1次, 即以盾构始发23.4m后上跨既有线右线为例进行施工关键技术研究, 如图1所示。

1) 周围环境复杂 始发及上跨位置处于繁华街区交通要道, 地面车辆及行人川流不息, 且邻近运营地铁站、医院、学校, 建 (构) 筑物较多。

2) 地下管线较多 沿隧道走向存在1条300铸铁燃气管线、1条900铸铁给水管线、1条1 200混凝土排水管线, 施工风险大。

3) 地质情况复杂 始发及上跨位置主要位于砾砂层, 该地层矿物成分以石英、长石为主, 混粒结构, >2mm颗粒占总质量的25%～45%, 最大粒径80mm。对刀具磨损较严重, 对渣土改良要求高。

盾构以27‰的大坡度爬坡始发, 掘进23.4m后, 以0.12m的超近距离 (盾构刀盘与隧道净距) 上跨既有线。既要满足27‰坡度的“起飞”状态, 又要预留始发后扎头的“跌落量”;既要保证始发机体不擦碰洞门, 又要按预定轨道上跨;既要满足隧道拱部测量允许限界, 又要避免碰撞下卧的运营线路。施工风险极大, 对施工的要求极高。

新建线与既有线交叉位置最小距离仅为0.20m, 因此, 需要选择开挖直径相对较小、质量相对较轻、调整姿态相对灵活、对地层适应性更强的盾构机。

综合比选后, 选取日本JTSC6 140土压平衡盾构机 (开挖直径6.17m, 刀盘外缘距既有线最小间距0.12m) 。其主要参数:盾体总长8.98m, 包括后配套总长65m, 分为盾构机主机 (重约263t) 和后配套设备两大部分, 后配套设备分别安装在6节后续台车上。最小平面曲线转弯半径250m, 最大掘进坡度30‰, 辐条式刀盘, 开口率65%, 主动型铰接, 盾尾间隙25mm, 最大掘进速度90mm/min, 最大推力40 000kN, 额定扭矩5 236kN·m, 脱困扭矩6 200kN·m。

相邻标段类似地层条件下, 采用相同型号的盾构机已平稳完成1条隧道的掘进任务, 其间所获取的经验参数可作为本区间盾构施工的参考依据。

同时, 进行以下加强型改造:加密刀盘面板上的耐磨条纹;加厚刀盘正面贝壳型撕裂刀刀尖合金头, 以增强耐磨性;将中心鱼尾刀、周边刮刀由原设计的普通型刀具更改为加强型刀具;增加1倍数量的边缘保径刀, 确保刀盘的开挖直径。

采用计算机仿真模拟技术对盾构以0.12m超近距离上跨过程进行数值计算分析。选取6 140土压平衡盾构机为计算模型 (见图2～4) , 盾构机简化为圆柱形外壳, 采用壳单元模拟。土体采用莫尔-库仑弹塑性模型, 结构采用线弹性模型, 施工区间与既有区间走向夹角为90°, 模型宽度为60m, 高度为50m, 盾构隧道施工方向长度为60m。地层主要参数如表1所示。

经计算得出:在各项技术措施落实到位的基础上, 盾构施工引起既有线位移在变形控制标准范围之内, 结构内力变化幅度较小, 裂缝宽度满足结构要求, 满足既有线运营需求。同时, 提出以下建议。

1) 盾构超近距上跨既有线施工, 挤压及剪切作用较明显, 充分考虑这种作用对既有线水平位移的影响。上跨施工前根据监测结果及时调整盾构掘进参数, 并判断是否需采取措施降低盾构与土体侧摩阻力, 必要时采取对交叠区域进行注浆加固再通过。

2) 根据计算分析, 掌子面附加推力和盾壳摩阻力对既有线水平位移影响较为敏感, 采取有效措施确保掌子面推力稳定, 避免过大波动, 盾构停机再启动将导致掌子面附加推力增幅较大, 对前方土体挤压作用非常明显, 上跨既有线期间加强机械保养, 尽量避免盾构停机。为降低盾构推进过程盾壳摩阻力, 必要时可以向超挖间隙内注入减阻泥浆 (克泥效) 。

3) 严格控制盾构掘进参数, 并做好应急准备。

在既有线矿山法隧道内实地测量拱顶标高, 并根据隧道初期支护、二次衬砌厚度反推外轮廓标高, 初步计算与在建隧道的距离。因距离较近, 且考虑到矿山法施工工艺对反推计算的影响, 为确保数据的准确性, 采取人工挖孔方式到达既有线隧道顶部进行实测, 确定既有线初期支护超前小导管侵入盾构开挖范围。

为确保盾构施工安全, 需对侵入盾构施工影响范围内的既有线隧道初期支护32×3.25超前小导管进行割除处理。经数值计算分析确定安全可行性后, 在地面采用倒挂井壁法施工临时竖井, 由于受地下管线影响, 临时竖井井口内净空3.5m×2m, 通过地下管线影响段后扩大为3.5m×4m。竖井开挖至既有线初期支护拱部后, 对暴露的超前小导管进行割除处理。

由于临时竖井开挖导致既有线隧道结构内力发生变化, 拱顶正弯矩变为负弯矩, 拱肩弯矩增大较多, 因此需尽快进行竖井回填。自下而上逐榀拆除盾构施工影响范围内的竖井格栅, 边拆除边回填原地层砂体并辅以注浆加固, 回填过程中避免竖井周边过多堆载。

为降低盾构施工偏差, 确保盾构顺利上跨既有线, 同时为加强对既有线结构的保护, 利用临时竖井提前对上跨既有线区域一定范围内的土体进行注浆加固。在盾构上跨过程中严格控制盾尾同步注浆, 充盈地层土体损失空隙, 并及时利用管片预留注浆孔对隧道周围土体进行二次注浆加固。

盾构施工前, 采用工字钢桁架对既有线隧道4m长范围内进行支顶加固, 桁架间距500mm, 采用I16焊接而成, 钢架与地面及隧道侧墙采用膨胀螺栓固定, 盾构通过后且结构稳定, 可进行拆除。

盾构上跨既有线施工过程中, 既有线隧道内地铁正常运营, 因此主要采用全站仪对盾构施工影响范围内的既有线隧道结构、道床结构进行自动化监测, 分析位移变化情况, 进而判断对地铁运营的影响。

盾构施工主要影响区内每隔3～5m布设1个监测断面, 其他部位每隔8～10m布设1个监测断面, 在既有线隧道结构变形缝两侧增设2个监测断面, 总计16个监测断面, 长度86m。

自动化实时监测数据显示, 既有线隧道变形主要分盾构到达既有线隧道前、盾构驶入既有线隧道上方及盾构完全驶出既有线隧道后3个阶段。盾构到达既有线隧道前 (刀盘距隧道结构外缘1倍洞径范围内) , 既有线的水平位移沿盾构推进方向逐渐增加, 竖向位移无明显变化趋势;盾构驶入既有线隧道上方时, 初期既有线水平位移变形持续增大, 竖向略微下沉后缓慢隆起, 后期水平位移变形趋于平缓, 竖向位移隆起趋势变大;随着盾构完全驶出既有线隧道后 (盾尾离开隧道结构) , 既有线水平位移变形趋于稳定, 竖向隆起趋势持续增大, 之后渐渐趋于平缓。选取典型监测断面 (S4) 描绘水平及竖向位移变化曲线。

由监测结果可知, 既有线隧道最大水平位移为0.99mm (沿盾构掘进方向) , 最大竖向位移为1.63mm (隆起) , 与盾构上跨前的数值模拟相比, 总体趋势一致, 实测位移变化数据均小于模拟数据。

监测到的拱顶最大沉降值为1.26mm (隆起) , 净空最大收敛值为0.28mm, 均符合控制值要求, 未发现异常情况。实测的地面最大累计沉降为27.44mm (小于控制值30mm) , 管线最大累计不均匀沉降值为6.71mm (小于控制值10mm) , 地面建 (构) 筑物沉降与倾斜等其余监测项目监测数值也均在控制范围之内。

经过科学的理论指导及严格的实践管控, 盾构上跨既有线取得成功, 证明0.12m的超近距离可以进行盾构法跨越施工, 同时建议如下。

1) 盾构施工过程的模拟一般建立在理想状态下, 即理想的姿态、土压力、推力、同步及二次注浆控制等, 难以分析施工中不可预料的异常情况。在超近距离条件下, 如何确保各项参数控制正常, 特别是姿态的控制正常是决定上跨施工成败的关键。因此, 必须加强施工过程管控, 将技术指令不折不扣落到实处, 并充分判断可能遇到的异常情况, 加强设备维护保养、储存易损件等, 提前做好各种预防措施。

2) 始发端头至上跨位置仅23.4m的距离经历了3种不同地层, 即端头旋喷加固区、无水砾砂层、隧道交叉深孔注浆加固区。试验段选取较短, 且地层复杂, 存在2种加固区与无水砾砂层的交替, 试验段不能完全模拟反映出上跨施工的真实情况, 取得的掘进参数需要进一步分析优化指导施工。同时, 要求施工人员具有丰富的理论知识与施工经验, 能够处理突发事件。

3) 本工程未研究的方案:将隧道交叉位置的深孔注浆加固区取消, 始发端头至上跨位置23.4m的地层变成始发端头加固区与无水砾砂层2种地层, 或将23.4m的地层全部变成注浆加固区, 减少地层间的交替, 创造盾构掘进地层的单一性。