随着中国“十三五”期间地铁施工的整体大规划, 各个城市地铁施工进入一个全新的发展阶段。而已有运营地铁线路的城市新地铁线路建设过程中, 不可避免地会出现新建线路侧穿、上跨或下穿既有线路的情况, 加上地下工程地层的复杂性和不稳定性的特点, 地铁施工不可避免地会对附近地层进行干扰, 使其失去原有的平衡状态, 引起地层内部应力重分布, 进而发生变形等而产生不利影响, 危及既有地铁运营线路。因此确保既有线路正常运营以及盾构安全顺利穿越变得尤为重要, 这对盾构施工提出了更高要求。本文结合某城市地铁9号线西延线科技城站~红树湾站区间盾构侧穿、上跨既有运营线路11号线的成功经验, 对盾构施工过程中的控制措施进行探讨分析。

某城市地铁9号线西延线科技城站~红树湾站区间左线长1 993.2m, 右线长1 994.8m。穿越地段线路平面如图1所示。区间隧道采用2台6 280mm盾构机进行施工, 成环隧道外径为6.0m, 内径为5.4m, 中心环宽1.5m, 厚0.3m。隧道主要穿越中粗砂、粉质黏土、全风化及微分化花岗岩。左线隧道埋深11.6~24.31m, 右线隧道埋深10.92~24.44m。

盾构井始发井位于11号线附近, 刚始发就侧穿、上跨11号线。端头临近11号线既有线路:始发端头井左侧距11号线最小水平间距为2.31m, 右侧距11号线最小水平间距为1.57m。西延线科技城站~红树湾站区间左线0~21环侧穿11号线, 21~51环上跨11号线, 最小垂直间距为1.99m。隧道区间地层分布如表1所示, 穿越地段地质纵剖面如图2所示。

1) 施工距离近, 从11号线既有运营隧道上方穿越, 最小垂直距离约为1.99m。

2) 盾构井位于11号线附近, 刚始发就侧穿、上跨11号线, 施工要求高。

3) 穿越前未对穿越区域11号线隧道的上覆土层进行地基加固, 地面和地下基本无加固条件。

4) 工程地质、水文地质条件差, 运营的11号线隧道所在地层为⑥_-1可塑状砾砂质黏土、⑥_-2硬塑状砾砂质黏土层, 施工的9号线西延线所在地层为③_-5砾砂层。

5) 附近地层受多次扰动, 先后经过9号线红树湾南站施工、11号线红树湾站~后海站区间施工、红树湾物业开发基坑施工、盾构始发井施工。在盾构施工前地层已经受扰动, 地层的自稳能力降低。盾构施工不可避免地对11号线继续产生影响。

由于区间盾构一始发便开始侧穿11号线, 且盾构隧道处于全断面砂层范围内, 砂层敏感性强、流动性大、含水量丰富, 在前期基坑施工过程中, 已对11号线造成不同程度的影响, 因此始发的风险较高。

与业主进行协商后, 在原设计基础上增加钢套筒始发技术, 从而将始发阶段对土体的扰动和变形控制到最小, 确保11号线隧道的安全。盾构密闭始发工法原理如图3所示。

钢套筒始发的优势如下。

1) 钢套筒始发可以有效保证盾构始发前期减压, 主动控制周边土体变形, 减小对11号线成型隧道的扰动, 将影响程度降到最低。

2) 钢套筒能安全阻断涌水、涌砂路径, 将安全风险降到最低, 避免富水砾砂层始发涌水涌砂的风险。

左右线盾构一始发便距11号线成型隧道较近, 加强地面监测频率, 根据地面沉降等各种反馈的数据, 不断调整优化推进参数。

盾构机推进时速度不宜过快, 设定约为30mm/min, 为防止滚刀磨损严重, 扭矩应保持在1 000~1 200k N·m, 刀盘转速设置在1.0r/min。将推进速度控制在最小幅度, 使盾构机保持匀速掘进, 尽量减小对地层的扰动。

根据本工程前50环盾构隧道覆土深度 (约12m) , 盾构掘进过程中土压力控制在1.2~1.4bar (1bar=0.1MPa) 。土压力过高或过低对既有11号线隧道都会存在不利影响, 极易造成既有隧道的位移和变形, 所以在掘进过程中要严格控制土压力, 尽量保证土压力波动较小, 保持掘进面的稳定, 并根据地面及11号线隧道内实时监测数据及时调整。根据现场试验数据确定土压力波动控制在±0.2bar范围之内较为合理, 并合理使用泡沫等软土压, 以便有效防止地下水的流失。盾构处于停机时, 盾构司机在主控室密切注意土压力的变化, 超过土压力波动范围时及时采取相应措施。

盾构掘进过程中土压力控制也要保持均匀性, 尽量控制在±0.2bar的波动范围内, 切忌土压力变动频繁。这就要求盾构司机在操作过程中密切关注推进速度、螺旋机转速、刀盘转速的相互匹配。同时土压力的控制要通过信息化手段来确定, 密切联系地面监测的沉降数据, 监测数据显示地面隆起报警时需适当降低土压力, 反之则适当提高土压力。通过地面监测的信息化手段指导施工, 为盾构司机及时调整土压力控制提供有利帮助。

盾构隧道每环理论出渣量 (实方) V=πD²L/4=3.14×6.28×6.28/4×1.5=46.5m³;根据实际情况动态调整掘进参数, 严格控制出土量, 尽量保持欠挖状态, 同时需密切注意地表沉降、隆起情况。

施工过程中, 采用同步注浆、二次补注浆相结合的综合措施, 使隧道穿越阶段及其工后的沉降控制取得预期效果。

为减小对既有运营地铁线路的沉降影响, 须严格进行同步注浆操作, 注浆材料宜选用收缩率小、凝结时间合适、具有一定强度的浆液, 浆液注入时要及时、均匀、足量, 确保开挖间隙得到及时和足量的充填, 将沉降控制在合理范围内。同步注浆量采用对注浆量及注浆压力进行双控, 考虑到浆液径向渗透, 同步注浆量控制在理论建筑空隙的180%~200%, 注浆压力控制为2.5bar。

同步注浆的浆液在充填建筑空隙时, 可能会存在一定的空隙, 且浆液的收缩变形也是造成既有线路变形的隐患之一, 因此在隧道掘进的同时, 要根据既有隧道自动化监测数据进行二次补浆。浆液材料采用双液浆, 以便快速补偿可能存在的空隙。二次补浆须严格控制注浆压力, 以注浆压力不大于2.5bar为宜, 切忌猛注。注浆过程中密切关注既有隧道自动化监测数据, 以监测数据指导二次补浆施工, 每次注浆量宜以地铁隧道隆起或沉降控制在-2.0~2.5mm为限。

整个穿越既有地铁线路的施工过程中, 监测措施主要采用了地面监测及既有隧道内自动化监测2种手段。施工监测平面布置如图4所示。

区间地面监测, 每天至少监测2次, 每天出1份监测报告, 监测数据及时反馈至盾构司机, 以指导盾构司机合理掘进。

9号线西延线区间盾构施工过程中, 为确保11号线成型隧道稳定, 采用自动化监测手段, 在11号线成型隧道内布设监测断面, 布设原则为:侧穿段隧道间距9m范围内, 每5m布设1个监测断面;重叠段每5m布设1个监测断面;穿出段隧道间距20m范围内, 每10m布设1个监测断面;由于红树湾站始发端头距离11号线较近, 故在端头地基加固范围内每5m布设1个监测断面, 布设断面如图5所示。

项目自动化监测频率如表2所示。

科技城站~红树湾站区间左线盾构, 自2016年10月26日始发, 2016年10月30日掘进至17环, 正式开始上跨11号线, 历经7d, 于2016年11月6日掘进至53环, 顺利上跨11号线, 上跨11号线重大风险源解除。11号线自动化监测, 各监测点无异常监测值。地面沉降监测无异常监测值, 巡视未发现异常信息。

通过精心施工, 合理设定各项掘进参数, 严格控制出土量, 仔细调整控制盾构姿态, 及时进行同步注浆、二次注浆, 加强变形监测, 采用信息化施工等综合技术措施将盾构法施工对11号线成型隧道的扰动降低到最小, 使本次盾构成功侧穿、上跨既有运营线路, 对后续相似工程起到一定的借鉴意义。