盾構(gòu)隧道斜交下穿地鐵車站的影響與監(jiān)測探究

黃超

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南長沙 410000）

0 前言

近幾年，國內(nèi)大部分城市均選擇對地鐵進行興建，由此而帶來的問題，便是在盾構(gòu)隧道施工期間，較易遇到和原有車站斜交或正交的情況。要想將隧道施工給原有車站產(chǎn)生的影響降至最低，關(guān)鍵是要提前推測影響范圍，結(jié)合監(jiān)測結(jié)果確定實際影響，這也是本文研究的主要內(nèi)容，相關(guān)人員應對此引起重視。

1 工程項目概況

在現(xiàn)代化進程持續(xù)推進的當下，城市地鐵交通發(fā)展速度較過去有所加快，希望能夠在為居民帶來便利的基礎上，使城市發(fā)展所提出需求得到極大地滿足。國內(nèi)諸多大中型城市都選擇對地鐵進行交叉設計與施工，新舊隧道互相影響的情況時有發(fā)生[1]。如何保證新建線路能夠安全、快速地穿越原有線路，現(xiàn)已成為社會各界關(guān)注的焦點，此外，利用盾構(gòu)技術(shù)開展施工也成為大勢所趨，與盾構(gòu)施工可能造成的土層位移問題、施工期間附近環(huán)境受到影響相關(guān)的研究數(shù)量與日俱增。

某新建隧道對應高程范圍的地層以粉土層、粉細砂層和黏土層為主，地下水則由潛水、地表滯水構(gòu)成。結(jié)合現(xiàn)場情況，有關(guān)人員指出應利用盾構(gòu)法對其進行建設，新建隧道直徑應被控制在6000mm左右，其結(jié)構(gòu)為常規(guī)襯砌環(huán)結(jié)構(gòu)，各環(huán)寬度均為1200mm，由數(shù)塊鋼筋混凝土管片通過錯縫拼裝的方式構(gòu)成。該隧道區(qū)間對應線路中間距數(shù)值為13m，期間需要穿越既有車站南側(cè)，在施工過程中，要求有關(guān)人員按照自東向西的方向進行掘進，保證施工效果達到預期。

2 盾構(gòu)施工說明

盾構(gòu)施工是同步開展掘進機掘進、鋪設隧道支撐管片的施工方法。在實際施工環(huán)節(jié)，通常需要有關(guān)人員借助盾構(gòu)機對隧道進行掘進，其工作原理可被概括如下：沿隧洞軸線邊推進圓柱鋼組件，由此達到挖掘土壤的目的。鋼組件殼體又被稱為護盾，其主要作用是對已完成挖掘施工但沒有進行襯砌的部分進行支撐，在承受土層壓力和地下水壓的基礎上，阻斷地下水進入隧洞的途徑。

目前，可供選用的盾構(gòu)機種類較多，既有常規(guī)的半敞開盾構(gòu)機和機械切削盾構(gòu)機，還有針對性較強的擠壓盾構(gòu)機與網(wǎng)格盾構(gòu)機，不同盾構(gòu)機分別適用于不同工況，在實際施工階段，有關(guān)人員應結(jié)合現(xiàn)場情況進行選用。半敞開盾構(gòu)機適合被用來對地質(zhì)條件理想的隧道進行挖掘，開挖順序為由上至下，如果土層條件不理想，施工方可借助撐板及千斤頂，確保開挖面能夠得到有效支撐，其優(yōu)點是施工速度快，但較易使地層受到擾動[2]。機械切削盾構(gòu)機又分為有封板盾構(gòu)機、無封板盾構(gòu)機兩類，后者的使用頻率較高，在對超挖進行糾偏和對障礙物進行清除方面，其效果往往無法達到半敞開盾構(gòu)機，這點需要引起重視。擠壓盾構(gòu)機給地層所產(chǎn)生擾動較大，在實際施工中，施工方應遠離地面既有建筑，通過對出土量加以控制的方式，使施工效果達到預期。網(wǎng)格盾構(gòu)機的特點是將開挖面劃分成多個網(wǎng)格，要求施工方以土體性質(zhì)為依據(jù)，對網(wǎng)格實際開孔面積進行更改，同時采取切實可行的手段，以免出現(xiàn)盾構(gòu)后退或是地表沉降等問題。

3 推測影響范圍

現(xiàn)階段，國內(nèi)諸多學者均選擇對既有隧道和新建隧道間存在的影響作用進行研究，戴宏偉以縱向變形為切入點，研究了地面新施工形成荷載給附近地鐵隧道造成的影響，他指出地鐵隧道結(jié)構(gòu)位移最大值應被控制在20mm以內(nèi)，若隧道中心和荷載中心間的直線距離達到32m以上，施工所帶來位移的最大值通常能夠得到有效控制。李東海以北京五號線為例，對需要下穿二號線的雍和宮站進行研究，在實時監(jiān)測淺埋暗挖隧道施工情況的前提下，結(jié)合監(jiān)測所得數(shù)據(jù)展開分析，明確各施工階段既有結(jié)構(gòu)所處變形程度，建議此類項目對施工全過程進行精確監(jiān)測。

對于新建線路需要斜向下穿原有線路的狀況，通常要從兩個方面分析施工可能造成的影響：①原有線路出現(xiàn)縱向變形的程度；②縱向變形問題波及的范圍。除特殊情況外，對前者進行預測的方法均為類比模擬，后者則需要利用Terzaghi公式加以計算，將新建線路外輪廓線上方45°存在的斜線作為隧道出現(xiàn)破裂滑移問題的載體，將其與原有線路相交，便能夠明確新建線路施工給原有線路造成的影響，項目施工所造成影響的范圍在32m左右。

對條形基礎所具有極限承載力進行計算的前提如下：①地基地面較為粗糙，地基與基礎間形成的摩擦力較大，一旦地基被破壞，地基土楔體所處狀態(tài)便會轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥云胶猓藭r，基礎地面和邊界面之間所形成夾角與地基土摩擦角相等[3]；②基礎底面上方地基土均可利用均布荷載進行替代，除特殊情況外，無須對地基土強度加以考慮。由于基礎底面無法達到完全光滑的狀態(tài)，其和地基土表面所形成摩擦力往往極大，Terzaghi選擇結(jié)合上述基本假定，對更接近實際情況的公式進行推導，即：

式中：q-基礎兩側(cè)超載，kPa；b-基地寬度，m；d-基地埋置深度，m；Nc、Nq和Nγ均代表無量綱承載力相關(guān)因數(shù)，其取值通常由內(nèi)摩擦角所決定。該公式提出假設如下：①需要承載鉛直均布荷載所施加作用力的條形基礎，其基地相對粗糙；②基礎埋深較淺；③地基土整體分布均勻，同時要對地基土自重給極限承載力所產(chǎn)生影響加以考慮；④荷載與極限值持平的工況下，地基整體剪切將被破壞。

4 實時監(jiān)測沉降

4.1 施工情況

2021年7月初，本項目暫停施工，有關(guān)人員便著手準備下穿地鐵車站施工。待前期準備工作告一段落，便可開始掘進施工，該環(huán)節(jié)所耗費時間為10d，出于全方位控制既有線路變形程度的考慮，有關(guān)人員決定通過注漿的方式進行補強，同時配合開展實時監(jiān)測等工作，將不必要問題出現(xiàn)的概率降至最低。項目計劃利用盾構(gòu)法進行施工，要想使地鐵變形程度得到有力控制，關(guān)鍵是要做到科學選擇掘進參數(shù)。地鐵對運行線路所具有幾何形態(tài)的要求極高，只有嚴格控制結(jié)構(gòu)變形，才能將安全事故發(fā)生概率降至最低。為達成上述目標，有關(guān)人員以科學設定土壓為前提，通過勻速推進配合同步注漿的方式，對參數(shù)偏差進行控制，施工結(jié)果表明，項目所選取參數(shù)具備應有的科學性及合理性，可供其他項目參考。

4.2 布置監(jiān)測點

根據(jù)行業(yè)規(guī)范所提出要求，對監(jiān)測點進行布置，保證監(jiān)測所得數(shù)據(jù)可如實反映車站結(jié)構(gòu)變形程度[4]。項目分別在變形縫、車站四角和柱基上方對監(jiān)測點進行了布置。

4.3 實施現(xiàn)場監(jiān)測

項目的風險源分級為特級，對施工全過程進行監(jiān)測自然很有必要。在具體施工中，有關(guān)人員選擇將蔡司水準儀作為主要監(jiān)測工具，要求水準儀的精密度達到0.3mm/km，監(jiān)測頻率也較常規(guī)監(jiān)測更高，若距離穿越面達到12m，監(jiān)測頻率為每天一次，如果已進入穿越范圍，將監(jiān)測頻率調(diào)整為每環(huán)一次，完成穿越后，以沉降數(shù)據(jù)所出現(xiàn)變化為依據(jù)，改為每三天一次，待穿越結(jié)束三個月，通常只需每月進行一次監(jiān)測即可。

5 數(shù)據(jù)分析討論

5.1 西側(cè)墻

實地勘測結(jié)果表明，車站東側(cè)墻和西側(cè)墻所出現(xiàn)結(jié)構(gòu)沉降情況大致相同，由于盾構(gòu)隧道和地鐵車站的位置關(guān)系為斜交，隧道穿越西側(cè)墻的位置自然和東側(cè)墻不同，這也決定了二者在結(jié)構(gòu)沉降方面表現(xiàn)出的特點存在一定差異。

在施工區(qū)域未到達79環(huán)時，車站結(jié)構(gòu)整體沉降速率偏低，其沉降程度自然并不明顯，沉降最大值在2.3mm左右。對80環(huán)進行施工時，沉降速率有所加快，通常在4mm/d，這一過程持續(xù)了約24h，在此期間，沉降最大值由2.3mm增加至7mm左右。受二次補漿影響，次日的監(jiān)測結(jié)果說明車站結(jié)構(gòu)沉降有所回升，此時，沉降最大值上升至6.6mm，但結(jié)構(gòu)整體仍呈下沉趨勢，下沉速率也未能得到有效控制，通常在1～2mm/d。在盾構(gòu)施工結(jié)束后，沉降最大值高達10.6mm，后期沉降減緩明顯。后期，有關(guān)人員選擇在西墻外側(cè)1m處開展加載施工，堆載覆土的規(guī)格約為2m×12m×14m，覆土規(guī)格和結(jié)構(gòu)荷載大致相同，由此而帶來的問題，便是西墻南側(cè)有所下沉，該區(qū)域的沉降量較之前增加2mm左右，直至施工結(jié)束，各監(jiān)測點所得到沉降速率數(shù)值均未達到0.01mm/d，沉降最大值在13.8mm左右。對西墻結(jié)構(gòu)沉降進行描述的曲線，整體呈懸臂撓曲形，這表明在一側(cè)受力工況下車站結(jié)構(gòu)所出現(xiàn)變形情況，其原因主要是隧道穿越位置為結(jié)構(gòu)西南側(cè)。

5.2 東側(cè)墻

在首次穿越掘進期間，由于車站結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)掘進面之間的距離較遠，車站結(jié)構(gòu)的沉降速度較慢，整體沉降程度并不明顯，沉降最大值在2.4mm左右。待施工進行到約75環(huán)時，車站結(jié)構(gòu)的沉降速度有所加快，此時，最大沉降速率在2.5mm/d左右，在此后的24h內(nèi)，車站結(jié)構(gòu)始終維持著2.5mm/d左右的沉降速率，沉降最大值也由2.4mm增加到了5.8mm。受二次注漿影響，次日監(jiān)測結(jié)果表明車站結(jié)構(gòu)有所回升，由于注漿所產(chǎn)生作用有限，結(jié)構(gòu)仍處于緩慢下沉的狀態(tài)，其下沉速率約為2mm/d，在停止推進盾構(gòu)后，結(jié)構(gòu)沉降最大值高達8mm，此后，沉降速率明顯減慢，僅在個別時間極少數(shù)監(jiān)測點存在速率偏大的情況，多數(shù)監(jiān)測點所得到監(jiān)測數(shù)據(jù)均未達到1mm/d。車站南側(cè)有一處結(jié)構(gòu)出現(xiàn)9.8mm的沉降，為項目沉降最大值。直至施工完全結(jié)束，南側(cè)墻各監(jiān)測點所得到監(jiān)測數(shù)據(jù)均在0.01mm/d以下。待施工完成，有關(guān)人員參考監(jiān)測數(shù)據(jù)及現(xiàn)場情況，得出以下結(jié)論：①結(jié)合沉降結(jié)構(gòu)斷面既有角度可知，車站結(jié)構(gòu)筏形基礎的整體性極強，斷面曲線早期所呈現(xiàn)出形狀更接近較陡半槽形，隨著施工的推進，該半槽形逐漸變得平滑；②西側(cè)墻與東側(cè)墻在沉降值、沉降速率方面均有明顯差異存在，這說明對盾構(gòu)隧道進行穿越施工時，車站結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)程度極大且扭轉(zhuǎn)方向為縱向，但監(jiān)測結(jié)果表明，車站結(jié)構(gòu)無全新裂縫出現(xiàn)，由此可證，車站既有框架的整體性較為突出。

5.3 分析結(jié)果

上文以某新建隧道為例，結(jié)合監(jiān)測所得數(shù)據(jù)展開系統(tǒng)且深入的分析，對項目施工與地鐵車站變形間的關(guān)系進行了探究，現(xiàn)將研究所得結(jié)論歸納如下：①對下穿施工項目進行設計時，要想使車站結(jié)構(gòu)沉降程度得到有力控制，關(guān)鍵是要做到合理確定下穿位置，在此基礎上，對既有結(jié)構(gòu)進行最大限度的利用，以免由于沉降速率過快或沉降值過大，導致項目安全性受到負面影響；②對此類項目而言，結(jié)合現(xiàn)場情況對施工參數(shù)加以確定同樣十分重要。若項目計劃采取斜交下穿或正交下穿的施工方式，同時地鐵車站和新建隧道間的直線距離較短，則需要對土體壓力進行調(diào)整，通過加快下穿施工速度，對施工所產(chǎn)生擾動進行減小，確保變形控制和后續(xù)環(huán)節(jié)均具有更符合預期的施工空間[5]；③參考實時監(jiān)測所得數(shù)據(jù)可知，在下穿位置不同的情況下，車站結(jié)構(gòu)所出現(xiàn)變形程度往往存在一定的差異，如果選擇車站西側(cè)墻進行下穿，對車站沉降程度進行描述的曲線通常呈懸臂撓曲形，有關(guān)人員可通過該曲線對結(jié)構(gòu)受力情況加以了解。若選擇車站東側(cè)墻進行下穿，對應沉降曲線通常呈半槽形，這表明車站結(jié)構(gòu)整體性較為理想，此時，有關(guān)人員可在保證施工質(zhì)量的前提下，對施工速度進行提升；④在新建隧道施工中，有關(guān)人員可通過實時監(jiān)測的方式，對車站結(jié)構(gòu)所出現(xiàn)變形情況加以明確，酌情引入二次注漿或其他方法，對變形速率加以控制，使車站變形程度始終處于可控狀態(tài)，事實證明，這樣做既能夠確保施工按照預期速度開展，又能夠?qū)⑹┕そo車站結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響降至最低，使日后類似項目具有可供參考的理論數(shù)據(jù)和實踐經(jīng)驗。

6 結(jié)論

本文以工程實例為依據(jù)，對斜交下穿施工所涉及參數(shù)和變形監(jiān)測工作進行分析，重點討論參數(shù)選擇給車站帶來的影響，指出對盾構(gòu)參數(shù)加以控制，視情況對土壓力、推進力進行設定，酌情引入二次補漿以及同步注漿技術(shù)，可使車站變形程度得到有力控制。此外，對監(jiān)測所得數(shù)據(jù)進行分析可知，車站結(jié)構(gòu)變形所遵循規(guī)律固定，有關(guān)人員應結(jié)合變形曲線對斜交位置加以確定，以免盾構(gòu)施工給車站及地鐵運行所具有安全性造成負面影響。