盾構(gòu)隧道斜交下穿地鐵車站的影響與監(jiān)測(cè)探究

黃超

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410000）

0 前言

近幾年，國(guó)內(nèi)大部分城市均選擇對(duì)地鐵進(jìn)行興建，由此而帶來(lái)的問(wèn)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(cè)影響范圍，結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果確定實(shí)際影響，這也是本文研究的主要內(nèi)容，相關(guān)人員應(yīng)對(duì)此引起重視。

1 工程項(xiàng)目概況

在現(xiàn)代化進(jìn)程持續(xù)推進(jìn)的當(dāng)下，城市地鐵交通發(fā)展速度較過(guò)去有所加快，希望能夠在為居民帶來(lái)便利的基礎(chǔ)上，使城市發(fā)展所提出需求得到極大地滿足。國(guó)內(nèi)諸多大中型城市都選擇對(duì)地鐵進(jìn)行交叉設(shè)計(jì)與施工，新舊隧道互相影響的情況時(shí)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(huì)各界關(guān)注的焦點(diǎn)，此外，利用盾構(gòu)技術(shù)開(kāi)展施工也成為大勢(shì)所趨，與盾構(gòu)施工可能造成的土層位移問(wèn)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(duì)應(yīng)高程范圍的地層以粉土層、粉細(xì)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(chǎng)情況，有關(guān)人員指出應(yīng)利用盾構(gòu)法對(duì)其進(jìn)行建設(shè)，新建隧道直徑應(yīng)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(guò)錯(cuò)縫拼裝的方式構(gòu)成。該隧道區(qū)間對(duì)應(yīng)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(guò)程中，要求有關(guān)人員按照自東向西的方向進(jìn)行掘進(jìn)，保證施工效果達(dá)到預(yù)期。

2 盾構(gòu)施工說(shuō)明

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

目前，可供選用的盾構(gòu)機(jī)種類較多，既有常規(guī)的半敞開(kāi)盾構(gòu)機(jī)和機(jī)械切削盾構(gòu)機(jī)，還有針對(duì)性較強(qiáng)的擠壓盾構(gòu)機(jī)與網(wǎng)格盾構(gòu)機(jī)，不同盾構(gòu)機(jī)分別適用于不同工況，在實(shí)際施工階段，有關(guān)人員應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行選用。半敞開(kāi)盾構(gòu)機(jī)適合被用來(lái)對(duì)地質(zhì)條件理想的隧道進(jìn)行挖掘，開(kāi)挖順序?yàn)橛缮现料?，如果土層條件不理想，施工方可借助撐板及千斤頂，確保開(kāi)挖面能夠得到有效支撐，其優(yōu)點(diǎn)是施工速度快，但較易使地層受到擾動(dòng)[2]。機(jī)械切削盾構(gòu)機(jī)又分為有封板盾構(gòu)機(jī)、無(wú)封板盾構(gòu)機(jī)兩類，后者的使用頻率較高，在對(duì)超挖進(jìn)行糾偏和對(duì)障礙物進(jìn)行清除方面，其效果往往無(wú)法達(dá)到半敞開(kāi)盾構(gòu)機(jī)，這點(diǎn)需要引起重視。擠壓盾構(gòu)機(jī)給地層所產(chǎn)生擾動(dòng)較大，在實(shí)際施工中，施工方應(yīng)遠(yuǎn)離地面既有建筑，通過(guò)對(duì)出土量加以控制的方式，使施工效果達(dá)到預(yù)期。網(wǎng)格盾構(gòu)機(jī)的特點(diǎn)是將開(kāi)挖面劃分成多個(gè)網(wǎng)格，要求施工方以土體性質(zhì)為依據(jù)，對(duì)網(wǎng)格實(shí)際開(kāi)孔面積進(jìn)行更改，同時(shí)采取切實(shí)可行的手段，以免出現(xiàn)盾構(gòu)后退或是地表沉降等問(wèn)題。

3 推測(cè)影響范圍

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)諸多學(xué)者均選擇對(duì)既有隧道和新建隧道間存在的影響作用進(jìn)行研究，戴宏偉以縱向變形為切入點(diǎn)，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(yīng)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(dá)到32m以上，施工所帶來(lái)位移的最大值通常能夠得到有效控制。李東海以北京五號(hào)線為例，對(duì)需要下穿二號(hào)線的雍和宮站進(jìn)行研究，在實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)淺埋暗挖隧道施工情況的前提下，結(jié)合監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)展開(kāi)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(xiàng)目對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行精確監(jiān)測(cè)。

對(duì)于新建線路需要斜向下穿原有線路的狀況，通常要從兩個(gè)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(wèn)題波及的范圍。除特殊情況外，對(duì)前者進(jìn)行預(yù)測(cè)的方法均為類比模擬，后者則需要利用Terzaghi公式加以計(jì)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(wèn)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(xiàng)目施工所造成影響的范圍在32m左右。

對(duì)條形基礎(chǔ)所具有極限承載力進(jìn)行計(jì)算的前提如下：①地基地面較為粗糙，地基與基礎(chǔ)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(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)閺椥云胶猓藭r(shí)，基礎(chǔ)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(chǔ)底面上方地基土均可利用均布荷載進(jìn)行替代，除特殊情況外，無(wú)須對(duì)地基土強(qiáng)度加以考慮。由于基礎(chǔ)底面無(wú)法達(dá)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(duì)更接近實(shí)際情況的公式進(jìn)行推導(dǎo)，即：

式中：q-基礎(chǔ)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(wú)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(shè)如下：①需要承載鉛直均布荷載所施加作用力的條形基礎(chǔ)，其基地相對(duì)粗糙；②基礎(chǔ)埋深較淺；③地基土整體分布均勻，同時(shí)要對(duì)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)沉降

4.1 施工情況

2021年7月初，本項(xiàng)目暫停施工，有關(guān)人員便著手準(zhǔn)備下穿地鐵車站施工。待前期準(zhǔn)備工作告一段落，便可開(kāi)始掘進(jìn)施工，該環(huán)節(jié)所耗費(fèi)時(shí)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(guò)注漿的方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，同時(shí)配合開(kāi)展實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等工作，將不必要問(wèn)題出現(xiàn)的概率降至最低。項(xiàng)目計(jì)劃利用盾構(gòu)法進(jìn)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(xué)選擇掘進(jìn)參數(shù)。地鐵對(duì)運(yùn)行線路所具有幾何形態(tài)的要求極高，只有嚴(yán)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(dá)成上述目標(biāo)，有關(guān)人員以科學(xué)設(shè)定土壓為前提，通過(guò)勻速推進(jìn)配合同步注漿的方式，對(duì)參數(shù)偏差進(jìn)行控制，施工結(jié)果表明，項(xiàng)目所選取參數(shù)具備應(yīng)有的科學(xué)性及合理性，可供其他項(xiàng)目參考。

4.2 布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)

根據(jù)行業(yè)規(guī)范所提出要求，對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行布置，保證監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)可如實(shí)反映車站結(jié)構(gòu)變形程度[4]。項(xiàng)目分別在變形縫、車站四角和柱基上方對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行了布置。

4.3 實(shí)施現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)

項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)源分級(jí)為特級(jí)，對(duì)施工全過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)自然很有必要。在具體施工中，有關(guān)人員選擇將蔡司水準(zhǔn)儀作為主要監(jiān)測(cè)工具，要求水準(zhǔn)儀的精密度達(dá)到0.3mm/km，監(jiān)測(cè)頻率也較常規(guī)監(jiān)測(cè)更高，若距離穿越面達(dá)到12m，監(jiān)測(cè)頻率為每天一次，如果已進(jìn)入穿越范圍，將監(jiān)測(cè)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(gè)月，通常只需每月進(jìn)行一次監(jiān)測(cè)即可。

5 數(shù)據(jù)分析討論

5.1 西側(cè)墻

實(shí)地勘測(cè)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(diǎn)存在一定差異。

在施工區(qū)域未到達(dá)79環(huán)時(shí)，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(duì)80環(huán)進(jìn)行施工時(shí)，沉降速率有所加快，通常在4mm/d，這一過(guò)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(bǔ)漿影響，次日的監(jiān)測(cè)結(jié)果說(shuō)明車站結(jié)構(gòu)沉降有所回升，此時(shí)，沉降最大值上升至6.6mm，但結(jié)構(gòu)整體仍呈下沉趨勢(shì)，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(dá)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(kāi)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(lái)的問(wèn)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(cè)點(diǎn)所得到沉降速率數(shù)值均未達(dá)到0.01mm/d，沉降最大值在13.8mm左右。對(duì)西墻結(jié)構(gòu)沉降進(jìn)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(jìn)期間，由于車站結(jié)構(gòu)和盾構(gòu)掘進(jìn)面之間的距離較遠(yuǎn)，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(jìn)行到約75環(huán)時(shí)，車站結(jié)構(gòu)的沉降速度有所加快，此時(shí)，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(cè)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(jìn)盾構(gòu)后，結(jié)構(gòu)沉降最大值高達(dá)8mm，此后，沉降速率明顯減慢，僅在個(gè)別時(shí)間極少數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)存在速率偏大的情況，多數(shù)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所得到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均未達(dá)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(xiàng)目沉降最大值。直至施工完全結(jié)束，南側(cè)墻各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所得到監(jiān)測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)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(chǔ)的整體性極強(qiáng)，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(jìn)，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(shuō)明對(duì)盾構(gòu)隧道進(jìn)行穿越施工時(shí)，車站結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)程度極大且扭轉(zhuǎn)方向?yàn)榭v向，但監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，車站結(jié)構(gòu)無(wú)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(cè)所得數(shù)據(jù)展開(kāi)系統(tǒng)且深入的分析，對(duì)項(xiàng)目施工與地鐵車站變形間的關(guān)系進(jìn)行了探究，現(xiàn)將研究所得結(jié)論歸納如下：①對(duì)下穿施工項(xiàng)目進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，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(chǔ)上，對(duì)既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行最大限度的利用，以免由于沉降速率過(guò)快或沉降值過(guò)大，導(dǎo)致項(xiàng)目安全性受到負(fù)面影響；②對(duì)此類項(xiàng)目而言，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況對(duì)施工參數(shù)加以確定同樣十分重要。若項(xiàng)目計(jì)劃采取斜交下穿或正交下穿的施工方式，同時(shí)地鐵車站和新建隧道間的直線距離較短，則需要對(duì)土體壓力進(jìn)行調(diào)整，通過(guò)加快下穿施工速度，對(duì)施工所產(chǎn)生擾動(dòng)進(jìn)行減小，確保變形控制和后續(xù)環(huán)節(jié)均具有更符合預(yù)期的施工空間[5]；③參考實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(jìn)行下穿，對(duì)車站沉降程度進(jìn)行描述的曲線通常呈懸臂撓曲形，有關(guān)人員可通過(guò)該曲線對(duì)結(jié)構(gòu)受力情況加以了解。若選擇車站東側(cè)墻進(jìn)行下穿，對(duì)應(yīng)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(shí)，有關(guān)人員可在保證施工質(zhì)量的前提下，對(duì)施工速度進(jìn)行提升；④在新建隧道施工中，有關(guān)人員可通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的方式，對(duì)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(duì)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(shí)證明，這樣做既能夠確保施工按照預(yù)期速度開(kāi)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(xiàng)目具有可供參考的理論數(shù)據(jù)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

6 結(jié)論

本文以工程實(shí)例為依據(jù)，對(duì)斜交下穿施工所涉及參數(shù)和變形監(jiān)測(cè)工作進(jìn)行分析，重點(diǎn)討論參數(shù)選擇給車站帶來(lái)的影響，指出對(duì)盾構(gòu)參數(shù)加以控制，視情況對(duì)土壓力、推進(jìn)力進(jìn)行設(shè)定，酌情引入二次補(bǔ)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(duì)監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)進(jìn)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(yīng)結(jié)合變形曲線對(duì)斜交位置加以確定，以免盾構(gòu)施工給車站及地鐵運(yùn)行所具有安全性造成負(fù)面影響。