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摘要：文章结合杭州地铁2号线中河北路站至凤起路站区间下穿已运营的地铁1号线区间隧道工程实施情况，主要对既有运营隧道保护、主要技术方案和措施、下穿施工过程盾构机参数、应急与联动管理等关键技术进行了阐述和分析。在该技术措施指导下，成功进行了穿越，且达到了既有运营隧道保护要求，确保了1号线运营安全，对于类似工程具有一定的借鉴和参考价值。
关键词：地铁；盾构；下穿；运营地铁隧道；施工技术
1.引言
近年来，各地地铁建设空前发展，经常会在既有建（构）筑物附近、上方或下方进行地铁隧道工程的施工。地铁新建隧道采用盾构法施工具有诸多优势已形成共识，在复杂施工环境下，确保新建隧道施工质量和进度的同时，控制盾构施工所引起的周围环境的扰动及保护邻近建（构）筑物的安全尤为重要。随着城市地铁线网的逐步完善，今后将越来越多的出现新线盾构施工下穿或上跨既有运营地铁隧道的情况。因此，对此项施工关键技术进行研究、总结具有非常重要的意义。
2.工程概况
2.1 地铁2号线盾构下穿1号线运营隧道情况
杭州地铁2号线中河北路站至凤起路站区间为盾构施工，线路出中河北路站后，沿凤起路道路下方向西敷设，过延安路口后进入凤起路站。区间在凤起路延安路口与地铁运营1号线武林广场站至凤起路站盾构区间近距离立体交叉，净距最近处为2.46m。区间与1号线立体交叉段设11.058‰的纵坡进入凤起路站，此处2号线区间隧道埋深约17.2m，1号线隧道埋深8.5m。
该区间采用两台土压平衡盾构机施工，其中上行线从中河北路站始发，穿越1号线隧道后磨除过街通道地连墙，进入2号线凤起路站；下行线从2号线凤起路站始发，磨除过街通道地连墙，穿越1号线隧道，掘进至中河北路站接收。盾构掘进断面6340mm，管片外径 6200 mm、内径5500mm，管片宽 1.2m。两线区间隧道的相互关系见图1～图2。
图1盾构穿越1号线运营隧道平面图
图2盾构穿越1号线运营隧道立体示意图
2.2工程地质
2号线区间隧道穿越地层主要为：④4淤泥质粉质粘土及⑤2层粉质粘土隧道底为⑤2层粉质粘土；2号线区间与1号线区间之间所夹土层为④2淤泥质粉质粘土夹粉土层与④4淤泥质粉质粘土层，土层物理力学性质较差，地质条件较复杂。上述土层均属高含水量、高压缩性、低强度、低渗透性的饱和软粘性土，具有较高的灵敏度和触变特性，在动力作用下极易破坏土体结构，使土体强度骤然降低，变形量增加，1号线隧道下卧层或持力层均为软弱粘性土，隧道运行期间，软弱粘性土在长期动荷载的作用下，土体易发生较大的次固结变形，引起隧道长期沉降。
2.3已运营隧道保护要求
杭州地铁1号线自2012年7月开始运营长期监测至2015年12月2号线盾构下穿施工前，监测数据显示1号线最大变形量为上行线沉降7.6mm，下行线沉降12mm。考虑到地铁1号线所处地层为软弱土层，易受扰动变形，通过参建各方、运营方和专家对运营隧道的现状调查、计算、评估，确定了本次2号线上、下行线穿越施工阶段1号线隧道保护变形控制要求，具体数据详见下表1：
表1 运营隧道变形控制值一览表
2.4工程特点和风险分析
2号线下行线盾构在刚始发即进入穿越运营隧道影响区，施工难度大、工程风险高，该工程主要的风险点为：（1）2号线凤林路站为地下三层站，基坑开挖深度26.2m，且距离1号线隧道最近距离仅13m。车站端头井施工阶段已对1号线该段区间隧道结构进行了扰动，诱发1号线发生了水平和竖向位移，根据监测数据，在盾构穿越前已有最大达12mm的变形，在这种情况下进行盾构穿越施工，更加增大了难度和风险，变形控制要求十分严格。（2）由于地铁1号线隧道距离2号线始发端仅13 m，且在8.3m处有一道过街通道施工用围护地连墙，下行线盾构机始发后还未完全进洞就要磨地连墙，地连墙磨穿后立即进入下穿重点影响区，此时若土压建立不起来，将立即造成1 号线隧道变形超限。
3.盾构下穿施工主要技术方案和措施
3.1 管棚加固技术措施
原1号线隧道施工时因条件限制未对2号线穿越区域土体实施预加固。盾构下穿前，采用管棚加固保护既有隧道，即在1号线隧道下方、2号线盾构上方施工一层管棚，对管棚内进行注浆填充，在既有隧道和盾构之间形成了隔离。单个隧道管棚数量为22根，长度为跨过1号线隧道，达45米，直径为Φ159mm。管棚设计采用1.2%的斜坡，施工时首先采用跟管钻进方法，然后在自动化监测下，通过管棚内注浆，管棚和土体可以形成有效的粘结对保护既有线起到一定的“兜底”效果。当盾构通过时，如果局部位置压力不足，拱形的管棚与土体混合结构能提供一定的支撑保护作用，对1号线的沉降会起到良好的控制作用，保证其正常营运。管棚设计见图3～图4。
图3管棚纵断面图
图4管棚横断面图
3.2短型钢套筒洞门密封
下行线盾构在凤起路站始发，在磨除距洞门8.3m处的过街通道围护地连墙后，盾构机未完全进洞，要在土仓内建立起压力，只依靠洞门帘幕橡胶板和扇形铰链板对洞门进行密封是不可靠的，风险较大。因此考虑采用了特殊的短型钢套筒洞门密封技术。在盾构始发井洞门钢圈加800mm长的短型钢套筒，内径与端墙预留洞口相同为6700 mm，钢套筒与井壁连成一体，钢套筒后端设有密封装置，，筒体上设置两道钢丝刷密封，盾构机进入洞门开始磨除过街通道地连墙或磨除完成开始进入下穿区域时，通过钢丝刷与盾构外壳形成密封，消除了盾构机与洞门钢圈之间间隙水土的流失风险，同时土仓内土压力能够提前建立，确保了安全。短型钢套筒结构见图5。
图5 短型钢套筒结构图
3.3盾构机刀盘道具配置
区间主要地质为④4淤泥质粉质粘土及⑤2层粉质粘土，其中下行线盾构从凤起路站始发，穿过加固区后需要磨除过街通道600mm厚素混凝土地连墙，然后下穿运营1号线；上行线盾构从中河路站始发，需先下穿运营1号线后，紧接着磨除600mm厚素混凝土地连墙进入加固区，最后到达凤起路站接收。鉴于上述地质情况和工况，在盾构机刀盘刀具配置上作了专题论证，并根据论证结果对刀盘刀具进行了改造，在满足原盾构刀盘刀具适应软土土层要求的同时，进行加装切削C50混凝土刀具，且加装了先行刀。中心刀采用双面鱼尾刀，增加中心部分切削性能；仿形刀增加合金刀刃，并且在本体部分进行硬质合金堆焊，改制后仿形刀最大超挖直径Φ6560mm；增加贝壳型先行刀、外周刮刀保护刀、外露注浆管包管保护刀等（高度50～65mm）；刀具间距设置为8cm布置。
3.4下穿阶段盾构掘进控制措施
3.4.1 设置试验段
下行线从凤起路站始发即穿越车站地连墙、加固体、过街通道地连墙，然后下穿运营1号线，由于1号线隧道对变形的要求十分严格，在还没有摸清盾构施工参数时即开始穿越1号线，若参数设置不合理，将导致运营1号线隧道随着土体的变形超标。因此在上行线临近穿越1号线前，在基本相同的埋深和地质情况下，设置试验段，通过在各种模式和参数条件下盾构机推进的控制，从而总结出盾构穿越时的最佳施工参数。试验段设置为80环，掘进完成后，对采集到的每一环各项参数进行全面分析，主要分析盾构通过时盾构姿态偏差、推力、土仓压力、推进速度、刀盘转速、刀盘扭矩、同步（二次）注浆量和注浆压力等相关数据与地面监测日变化率、累积沉降量的对应变化关系，确定在该区间地质情况下，满足沉降控制量时盾构施工的各项参数，为上行线盾构下穿运营1号线和下行线始发即穿越1号线时盾构机各项参数的设定提供指导，为安全下穿运营1号线隧道打下良好基础。
3.4.2 掘进参数控制
（1）推力和扭矩。在盾构穿越运营1号线隧道过程中应匀速、连续、均衡施工，通过试验段经验总结，盾构总推力、刀盘扭矩根据推进速度进行控制，总推力优先控制在15000KN之内，刀盘扭矩控制在1200KNm之内。
（2）掘进速度。盾构隧道穿越运营1号线地段隧道穿越洞身范围为粉质粘土，穿越此类地层的经验推进速度为：20～30mm/min，为保证下穿既有1号线隧道施工的安全，穿越期间的推进速度控制在15～20mm/min，保持连续均衡的掘进，加上管片拼装等时间，平均推进1环时间控制在3～4小时，平均约6环/天。
（3）紧盯土仓压力
下穿运营1号线段地层较为均匀，无太大变化，可保持相对恒定的土仓压力，掘进过程中始终保证土仓压力与作业面水土压力及附加应力的动态平衡。采用水土合算法计算静止土压力，拟定土仓压力略高于静止土压力和附加应力的0.02～0.03MPa。理论计算公式为：
隧道上部侧压力：P =K0（q1+ q2+ q3）
其中：K0——静止侧压力系数，取0.57；
q1——掌子面覆土竖向应力，q1=∑γiHi；
q2——1号线隧道自重产生的竖向应力；
q3——地铁列车活载，即“中-活载”；
①掌子面覆土竖向应力q1计算：
隧道拱顶以上地层分为8层，根据每层土的天然容重及层厚进行计算，经计算：q1=∑γiHi =423.58KN/m2
②1号线隧道自重的竖向应力q2计算：
根据相关图纸计算，1号线隧道内部为空腔结构，1号线隧道产生的自重于同体积土体产生自重的差值为：
③既有1号线隧道列车活载q3计算：
“中-活载”计算简图如下图6。
图6 中-活载计算简图
作用在1号线隧道上的荷载取最大值=92KN
按照《铁路桥涵设计规范》取动力系数1+μ=1.149
F=1.149×92=106KN
P =K0（q1+ q2+ q3）=0.57×（423.58-72+17）=0.21MPa
综上：取土仓压力理论设定值为 0.23～0.24MPa
上述土压力为理论指导设定值，具体根据监测数据情况，结合施工推进参数优化，及时动态调整切口土压力。
（4）严格控制出土量
每环理论出土量：π/4×D2×L=3.1415×40.2×1.2/4=37.89m3
其中：D—盾构外径（m）；L—管片长度（m）。
考虑松散系数，盾构掘进时的实际出土体积约为40m3/环。由于盾构机的特殊构造，使其无法观察掌子面情况，我们只能通过出土量的大小来推算掌子面情况，出土量过大，掌子面就可能出现了坍塌，所以必须控制好出土量。根据理论出土量计算37.9m3/环，在实际推进过程中，结合试验段的经验，现场用订制土箱对出土量实施严格量测，以及严格对油缸伸出长度（油缸伸长量为1200mm）进行控制；对出土量能准确的进行判断，防止超挖引起的地面沉降。
（5）严格落实同步注浆
在盾构施工中，当管片脱离盾尾后，在土体与管片之间会形成70mm的环型空隙。在管片脱出盾尾时应保证同步注浆及时、足量填充，并根据运营1号线的变形情况控制好注浆压力。结合地层特性控制浆液的容重不小于19，失水率不大于5％。注浆必须严格做到“掘进与注浆同步，不注浆、不掘进”的原则；通过控制同步注浆压力和注浆量（注浆压力控制在0.3～0.35Mpa之间，每环注浆量3.5～4m3）双重标准来确定注浆时间；暂定注浆量控制在3.5m3左右，具体在实际掘进中，根据自动化监测数据及时优化施工参数，以及调整合理的注浆量和注浆压力，尽可能减少对土体扰动。在确保压浆工序施工质量的前提下，方可进行下一环的推进施工。
3.5信息化施工措施
在盾构穿越运营1号线隧道的施工过程中，充分贯彻了信息化施工的原则和指导思想，采用了现代化测量和通讯设备。提前在地铁1号线隧道结构和轨道分别布置了多个自动化监测点，制定了详细的信息监测、传递、分析和反馈机制。通过自动化实时监测的实施，掌握在施工过程中既有地铁工程结构的变化，为各参建方和地铁运营方提供及时、可靠的数据和信息，评定施工对既有地铁工程结构的影响，及时判断既有地铁工程的结构安全，对可能发生的事故提供及时、准确的预报，根据地铁隧道监测指标，优化盾构施工参数，保证运营安全。同时，在1号线隧道内实施远程实施视频监控，随时掌握隧道内影像情况。根据穿越实际工况，在运营1号线左、右线对应隧道主要影响区域60环拟按2环间距布设沉降、位移、收敛监测断面，次要影响区域按4环布设一个监测断面，各向外延伸20环，采用钻孔的方式，将监测小棱镜埋设于隧道道床及管壁位置。具体布设点位见附图7。
图7 全自动检测项横断面布置示意图
3.6应急与各方联动管理
盾构穿越运营1号线隧道为I级风险，建立完善的应急预案，实现各方联动非常重要。一是要制定专项保护方案；二是要严格执行各参数的交底和现场监督制度；三是成立应急领导小组和具体工作机构，确保发生紧急情况时有序开展救援；四是要备齐应急物资和设备；五是参建各方会同运营方指定详细的应急措施。
盾构穿越运营1号线隧道是一个系统性工程，需要多方联动。首先建设单位、施工单位、运营管理单位需签订安全协议，在下穿期间，需委托专业单位对隧道、轨道实施每日检查维保，确保每天凌晨开出的地铁车辆安全；其次，万一出现施工导致运营隧道结构或轨道变形超标，需及时对车辆进行限速或利用其他交通方式接驳乘客；再次是，建设方面和运营方面的应急救援队伍应随时待命，一旦发生险情，立即按预案进行响应。
4.结语
本文详细阐述了运营隧道保护控制指标、盾构下穿施工管棚加固技术措施、短型钢套筒洞门密封措施、盾构机刀盘道具配置、下穿阶段盾构掘进参数控制、信息化施工措施、制定应急预案与多方联动管理。从实施效果看，运营隧道各项变形指标均在控制值以内，2号线上、下行线均成功穿越了1号线运营隧道，工期可控、质量有保证。该施工技术可供将来越来越普遍的盾构穿越运营筑物施工技术和管理人员参考借鉴。
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作者简介：宋跃均，男，大学学士，工程师，主要从事轨道交通工程建设技术与管理工作，287206521@qq.com
论文作者:宋跃均
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第16期
论文发表时间:2018/9/11
标签：盾构论文; 隧道论文; 地铁论文; 压力论文; 区间论文; 注浆论文; 管片论文; 《建筑模拟》2018年第16期论文;