随着城市地铁建设规模的不断扩大,新建地铁线路常与既有地铁结构之间相互影响,近距离甚至“零距离”穿越既有结构的建设问题突出,其设计和施工难度大^[1,2,3] 。然而,新建浅埋暗挖隧道的施工不可避免要引起邻近既有地铁隧道结构和轨道结构的变形和内力增加,超过其承受能力或允许值时,就可能引起结构破坏,甚至危及列车运营安全在既有线正常运营的情况下顺利地完成施工,并确保运营和施工安全是该类工程所面临的重要技术难题^[4,5] 。因此,新建浅埋暗挖隧道近距离下穿既有地铁隧道施工时,必须采取科学的方案和有效措施以减小新建隧道周围土体和既有地铁结构的变形^[6] ,不仅要保证工程自身安全,同时还要保证不对既有结构造成破坏性影响,确保既有地铁的安全运营。

本文以某市地铁7号线新螃区间实际工程为例,针对施工过程中可能出现的风险进行分析,通过具体的预控措施,对各种风险进行控制,进而让施工能按照计划进行,同时也达到安全施工的目的,为类似工程提供有益参考。

某市轨道交通7号线新螃区间从新河街站出发沿友谊大道敷设,下穿2号线螃蟹岬站后接入7号线螃蟹岬站。2号线螃蟹岬站东西向布置,与7号线斜交,为地下2层岛式车站,已投入运营,车站围护结构为钻孔灌注桩+桩间旋喷桩,区间隧道下穿通过时需截除影响穿越的部分钻孔桩。具体方案为:在2号线北侧设置明挖竖井,作为盾构段接收井及暗挖区间的施工竖井,隧道过既有2号线采用CRD法施工,同步截除影响7号线区间穿越的围护桩。暗挖段长度为36.27m,隧道顶部埋深约16.9m。

本区间施工工法由北向南依次为盾构法、明挖法(竖井部分)、暗挖法(下穿2号线)。暗挖段位于友谊大道、中山路及公正路交汇处。现友谊大道道路红线宽60m,中山路及公正路规划道路红线宽50m,均已实现规划。暗挖段西北角为某区人民政府,东北角为某区地方税务局,东南角为某核电有限公司,西南角为某医院。位置关系如图1所示。

区间暗挖段所处地貌单位表现为Ⅰ级阶地与Ⅲ级阶地过渡段。拟建暗挖隧道穿越地层主要为可塑~硬塑状态的黏性土层,围岩分类基本以V,VI为主,底板主要位于⑨黏土混砾石碎石层、局部为⑦₄粉质黏土夹粉土层、2_0a-1强风化粉砂质泥岩中,其岩土力学强度均能满足设计荷载要求,故可直接采用天然地基。

暗挖段场地地下水主要为上层滞水,无孔隙承压水。上层滞水主要赋存于①人工填土层中,接受大气降水及周边生活用水垂直补给,无统一自由水面。

暗挖隧道洞身主要位于⑦₁粉质黏土层、⑨黏土混砾石碎石砾石层中,上述地层渗透系数较小,可视为隔水层。局部位于⑦₄粉质黏土夹粉土层中,其中粉土透水率不高,其赋存有层间水,不能视为完全有效的隔水层,施工时需采取有效的排水措施。

暗挖隧道为平顶直墙矩形截面,单洞开挖断面尺寸为7.3m(宽)×7.7m(高),复合式衬砌(初期支护+二次衬砌)。初喷支护由350mm厚C25喷射混凝土钢筋网及型钢钢架组成;二次衬砌为C35P10模筑钢筋混凝土,混凝土强度等级C35P10,衬砌厚度为750mm,初衬与二次衬砌之间敷设防水层。

结合本区间工作内容、施工特点、工程地质水文及区间周边环境等因素,本区间施工风险主要为以下几点。

1)区间隧道采用矿山法施工,下穿既有地铁2号线,对既有线路的运营安全存在较大影响,风险等级为一级。

2)马头门处围护桩的截断及暗挖施工中中隔壁拆除时受力体系转换是区间暗挖段施工控制的重点。

1)施工时加强对开挖过程的控制,缩短作业面暴露时间,区间断面各掌子面控制合理间距以减小相互干扰。施工中严格遵守“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针,及时封闭成环,及时进行回填注浆,控制结构变形。

2)采用CRD工法,将单个区间断面分成4个小导洞进行开挖。严格按施工组织设计确定的隧道开挖方法及每一循环作业的掘进长度、开挖断面尺寸进行施工操作。隧道土方开挖、格栅安装、结构和支撑施工、安装完成后及时进行中间验收,验收不合格的工序不得转入下道工序。

3)初期支护采用刚度较大的型钢钢架。初期支护结构钢筋格栅及钢筋网加工、安装以及喷射混凝土作业和质量符合如下要求:钢筋格栅和钢筋网在工厂加工制作,钢筋格栅第1榀制作好后进行试拼,控制平面翘曲≤2cm,检验合格后方可进行批量生产。钢筋焊接是本工程的重点,为了保证焊接质量,焊接人员必须持证上岗,坚持先试焊,焊接合格后方可实施焊接操作。

4)实施信息化监测,根据监测情况及时调整开挖步距、台阶长度、封闭时间等施工参数。隧道施工前,根据埋深、地质、地面环境、开挖断面和施工方法等拟定监控量测方案。监控量测测点的初始读数,在开挖循环节后24h内,并在下一循环节施工前取得,其拱顶下沉测点距开挖工作面不得大于3m。量测数据准确、可靠,并及时绘制时态曲线,当时态曲线趋于平稳时,及时进行回归分析,并推算出最终值。

5)选取施工经验丰富的队伍进行施工,凿除洞门时从上到下分块依次凿除,沿马头门拱顶外轮廓打设超前小导管进行超前支护。施工时控制每次拆中隔板的长度,竖向中隔壁暂不拆除,待右侧二衬混凝土模板拆除后,增设竖向临时钢管撑,同时中隔板与二衬顶紧,确保受力体系平稳转换。

本隧道左、右线共需要凿除2道地下连续墙、6道围护桩,由于隧道分上、下导洞开挖,所以地下连续墙和围护桩破除时应分两步进行,先破除上导洞围护桩,待上导洞初衬完成3m后,封闭掌子面,再破除下导洞围护桩。施工时先进行超前小导管注浆加固,再进行初支,后施工二衬,施工步序如下(见图2)。

开挖前,从掌子面对暗挖隧道底板位置处(9)黏土混砾石碎石层进行斜向超前注浆加固,注浆区横断面范围是隧道开挖面两侧各3m范围及(9)黏土混砾石碎石层及其上、下各1m范围,纵向加固长度36.27m。同时,沿马头门拱顶外轮廓打设第1排小导管进行超前支护(超前小导管的覆土段)。超前导管支护、注浆加固施工中,钻孔的孔径控制在比钢管直径大30~40mm。

左、右线隧道依次进行开挖,开挖面纵向步距保持在6m以上。单线隧道又划分为4个导洞进行开挖,每个小导洞采用上下台阶法进行施工,上下台阶的步距保持在3m左右。首先施工右侧上部小导洞的初期支护、临时中隔壁、中隔板,在上台阶脚部设置锁脚锚管。同一侧导洞开挖面的纵向步距≥6m。

采用台阶法开挖右侧下导洞,及时施工初期支护、临时中隔壁、中隔板,在下导洞脚部设置锁脚锚管。

待右侧导洞封闭后,再采用台阶法开挖左侧上导洞,施作初支及临时中隔板,初支顶部需与既有车站结构底板紧贴。在上台阶脚部设置锁脚锚管。

采用台阶法开挖左侧下导洞,施作初支结构,在下台阶脚部设置锁脚锚管。待下穿既有线隧道贯通后,监测数据显示地铁结构稳定,则开始防水及二衬施工。

逐步分段(长度≤6m)拆除临时中隔壁,边拆除边向初衬背后进行补充填充注浆。敷设底板和部分侧墙防水层,施作底板防水保护层,绑扎钢筋,浇筑二衬。

待浇筑完的二衬达到设计强度的80%后,拆除模板,设置临时横向支撑,纵向3m/根,将下部二衬顶紧,逐步分段(长度≤6m)拆除临时中隔板。敷设剩余部分侧墙和顶板防水层,绑扎钢筋,浇筑二衬。

监测的目的在于掌握施工过程中各种可能出现的风险,及时分析、处理监测所反馈的信息,并根据监测信息指导施工,确保周边环境安全,保证整个工程安全顺利地进行。暗挖段主要监测内容包括地表沉降、结构收敛、轨面沉降、既有结构沉降等。监测点布置如图3所示。

暗挖下穿施工过程中,应实时观测沉降和收敛变化情况,当监测达到报警值时,必须立即进行报警,及时通报基坑工程参与各方及有关部门,并应对基坑支护结构和周边环境所保护对象采取相应应急措施,必要时停止施工,做好相关防范工作,避免出现意外。

主要取右线开挖段上方监测点Z02,Z03,Z04,Z05,Z06监测数据来说明其监测数据的变化情况,并进行统计分析,具体取2016年1月15日—2016年2月18日这一时间段的监测数据来进行分析。

此时间段的监测频率大致为1次/15d,通过数据反映的情况,暗挖段施工对地表沉降影响较小,最大累计值为-1.77mm,累计沉降量没有超过预警值,其安全状态良好。

主要取右线开挖段上方监测点DB01-07~DB01-11监测数据来说明其监测数据的变化情况,并进行统计分析,具体取2016年1月7日—2016年2月4日这一时间段的监测数据来进行分析。

此时间段的监测频率大致为1次/d,通过数据反映的情况,暗挖段施工对地表沉降影响较小,最大累计值为-12.36mm,累计沉降量没有超过预警值,其安全状态良好。监测数据分析显示,开挖段上方地表沉降监测数据DB01-08有明显增大趋势,采取及时锚喷支护措施后监测数据趋于稳定。

主要取监测点SL02(3),SL03(6),SL04(9),SL05(12)监测数据来说明其监测数据的变化情况,并进行统计分析,具体取2016年1月7日—2016年2月4日这一时间段的数据来进行分析。

此时间段的监测频率大致为1次/2d,通过数据反映的情况,暗挖段施工对洞内收敛影响较小,最大累计值为-5.61mm,累计沉降量没有超过预警值,其安全状态良好。

根据对2号线既有线轨面沉降、地表沉降和洞内收敛进行分析发现,暗挖施工时对暗挖段上方2号线运营轨道和车站地表影响较小。

结合某市地铁7号线新螃区间下穿2号线既有车站预埋暗挖段情况,对盾构穿越既有轨道线施工技术进行综合的风险控制分析,有利于施工的正常有序进行,同时还可以为将来类似的工程提供施工经验,具有重要的指导意义,通过分析得出以下几点结论。

1)区间隧道下穿既有2号线车站底板采用CRD法隧道施工,可有效控制既有车站轨道及周边地层的位移,显著减少支护结构应力,故建议下穿既有车站的矩形区间隧道采用CRD法施工。

2)加强对2号线螃蟹岬站轨面和周边地表监测,保证信息化指导施工,应采取监测精度小、能连续进行观测的仪器,监测数据的连续观测对其施工过程将要出现的风险进行一个很好的反馈,同时现场备好应急物资,能让现场施工人员及时采取处理措施,可以有效避免险情发生。

3)暗挖段开挖土方,严格按照设计图纸进行施工,施工中严格遵守“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的十八字方针,同时开挖时置留核心土,注意上下台阶错开步距,下台阶土方开挖完毕后及时将上下格栅进行封闭,同时及时施作临时仰拱,并及时喷射混凝土,这样可以对施工风险起到一个良好的控制作用。