0 引言
随着我国社会经济的快速发展，城市化进程不断加快，城市地面交通拥堵情况严峻，各大中城市纷纷通过修建地铁来缓解城市人口日益增长带来的交通压力。盾构作为地铁隧道施工的专用机械，具有施工速度快、对周围地层扰动小等优点，在城市地下隧道建设中被广泛采用，上海、北京、南京、广州、深圳、天津和重庆等城市的地铁及各种地下管道施工都大量使用了盾构法［1 － 3］。
盾构施工不可避免要扰动周围的土层进而引起相关的土层变形，势必会引起周遭一定范围内建( 构) 筑物的变形和不均匀沉降，使既有结构承受一定的附加应力，进而产生变形［4 － 6］。在盾构下穿既有结构工程中，尤其是下穿既有地铁车站和区间隧道，保证既有线的正常运营是工程施工的出发点和基本保证，因此需对下穿工程的各项施工措施提出严格的要求，制定相应的变形沉降控制措施，同时还需加强实时的监测，通过监测反馈，进一步指导相关施工措施［7 － 8］。
盾构穿越既有地铁在多个城市的盾构施工中有很多的案例，但在承压水粉细砂层中近距离( 约2． 07 m)下穿施工仍无相关经验。本文以武汉地铁3 号线王家墩北站—范湖站盾构区间为背景，研究在未进行加固承压水粉细砂层中近距离下穿既有隧道的施工和量测技术，提出对既有线路隧道进行的补充加固体系及相应的参数，同时提出土压平衡盾构在下穿既有地铁线隧道的掘进参数体系和控制难点。
1 工程概况
1． 1 线路概况
武汉地铁3 号线王—范区间里程范围为右DK16 +550． 461 ～ 右DK17 + 256． 00，右线全长705． 539 m，王—范区间隧道埋深约为18 m; 本文研究下穿段里程范围为3 号线左线右DK17 + 210． 790 ～ + 224． 730; 3 号线右线右DK17 + 217． 760 ～ +231． 920。3 号线王—范区间左线隧道与2 号线范—汉区间左、右线隧道水平角度为114°，右线隧道与2 号线范—汉区间左、右线隧道水平角度为115°，范—汉区间隧道结构底为10． 1 m，隧道间净距为2． 07 ～2． 5 m。3 号线王—范区间与2 号线范—汉区间平面关系如图1 所示。
图1 3 号线王—范区间与2 号线范—汉区间平面关系图
1． 2 工程环境和地质条件
1) 下穿段工程距离范湖站接收井口里程右DK17 + 256． 000 处24． 08 ～ 45． 21 m( 线路中线交点距离) ，对应地表位置为青年路范湖转盘。
2) 场地内〈3 － 3〉淤泥质粉质黏土层和〈3 － 4〉粉质黏土夹粉土层易发生软土剪切破坏而产生深层滑动，内摩擦角6 ～ 15°，抗剪强度低。2 号线被下穿段隧道位于该地层软土中，基本承载力为85 ～ 105 kPa，隧道底板为软基，工程运营过程中车辆震动有可能产生震陷，隧道施工时易发生塑性破坏增加隧道衬砌的难度，区间隧道顶板有较厚软土可能使地表沉陷值增大。3 号线下穿段隧道全断面位于〈4 － 1〉粉细砂层中，基本承载力150 kPa，隧道顶部与2 号线隧道底间地层约1． 5 m〈3 － 5〉层，0． 8 m〈4 － 1〉层。
3) 区间隧道穿越〈3 － 5〉粉土、粉砂互层和〈4 －1〉粉细砂层时，因透水性强，在一定的动水压力作用下易产生坍塌、管涌等现象，可能导致掘进面的不稳定; 且上述土层推进阻力较大，具有承压性，在掘进过程中易发生承压水突涌。
4) 承压水主要赋存于本标段全新统粉质黏土、粉土、粉砂互层、砂土及砂卵石层中，含水层厚度一般为20 ～40 m，含水层渗透性一般随深度递增，承压水侧压水位绝对标高一般为15． 0 ～ 20． 0 m( 黄海高程) ，与长江、汉江水有密切水力联系，呈压力传导互补关系，勘察测得I 级阶地承压水水位标高为18． 2 ～18． 5 m。3 号线王—范区间与2 号线范—汉区间地质断面如图2 所示。
图2 3 号线王—范区间与2 号线范—汉区间地质断面图
1． 3 工程技术难点
1) 新建地铁与下穿的既有运行线最小净距2． 07m，盾构掘进对既有运行线影响较大。
2) 根据规定，运营线路轨道竖向变形± 6 mm，控制指标严格，设计要求竖向变形± 5 mm，水平位移≤5mm，轨道沉降差＜ 6 mm，相邻两轨高差＜ 6 mm，相邻两股钢轨三角坑＜ 5 mm，管片附加纵、横径变形≤5mm，地表沉降≤15 mm。对盾构掘进控制要求高。
3) 盾构掘进位于〈4 －1〉承压水粉细砂层，施工隧道与既有线交点距离出洞洞门最近24 m( 隧道中线交点) 。
2 盾构隧道下穿既有隧道施工准备
2． 1 施工顺序和超前准备
施工顺序为既有隧道注浆加固—既有隧道钢环加固—既有线内监测点及监测系统布置—盾构试验段掘进( 确定掘进参数) —盾构下穿既有隧道及监控测量—下穿完成—补充注浆加固及监控测量—稳定。
除常规的和业主、设计方洽商，技术方案、交底准备外，还应超前准备如下工作:
1) 与既有线运营单位协调，对既有线隧道预加固，布设监测系统;
2) 下穿影响范围内预制特殊管片( 配筋加强、注浆孔增加) 。
2． 2 盾构施工准备重点
1) 盾构选型要求王—范盾构区间在策划时，结合公司盾构调配计划进行了盾构选型工作，主要考虑了以下因素:
①工期紧迫。左、右线穿越位置掘进距离分别为660． 329、667． 3 m，右线10 月4 日始发，12 月28 日前必须完成下穿，即自始发到右线盾尾脱出2 号线左线隧道结构外边线每天需要掘进5． 4 环。
②刀盘配置复杂。策划土中进洞，因此刀盘配置应选择面版式并安装滚刀以破除地连墙C35 水下混凝土; 同步注浆系统功能强大，系统故障率低，可持续正常掘进。
综合考虑工期、地质条件、施工环境及盾构的具体情况，拟定投入海瑞克S346、S439 型盾构。
2) 主要部件及后配套准备盾构进入下穿影响范围前，按照论证后的专项方案进行停机检查，主要参考因素包括:
①主机工况。推进系统、液压系统、拼装机、同步注浆系统、盾尾密封和测量等系统设备正常运行及检修管理。
②掘进参数复核。土压传感器准确性复核; 推力、舱压、扭矩和刀盘转速等数据的匹配性; 类似地层出土量与同步注浆量、注浆压力与地表沉降的关联情况; 渣土改良添加剂种类及添加量; 同步注浆浆液配合比。
③后配套设施。编组列车工况及轨道; 龙门吊工况及故障排除; 拌合站检修。
3 既有线路隧道加固体系及相应参数
对既有线路隧道进行的补充加固体系及相应参数，主要为软弱基底上的隧道二次注浆加固和隧道内钢结构整体加固。
3． 1 既有线注浆加固
1) 主要加固位置。在2 号线隧道内对与3 号线相交范围的管片靠近道床的左右两侧共4 个吊装孔进行二次注浆，对〈3 － 4〉、〈3 － 5〉软弱地层进行加固，提高地层密实度、整体性和承载力，减小后期施工对隧道的影响。
2) 加固范围及参数。2 号线左线49 ～ 70 环，右线44 ～ 66 环，左右线共计45 环，每环如图3 所示4个点位。加固参数: 双液浆水玻璃使用模数2． 4 ～2． 8，浓度35 ～ 40 Be'，使用42． 5Ｒ 硅酸盐水泥，双液浆配合比为1∶ 1． 15。
3) 加固顺序。由下向上，由中间向两侧进行。
4) 注浆压力。控制在0． 3 ～ 0． 5 MPa; 单孔注浆量1 ～ 2 m3。
图3 隧道内二次注浆加固示意图( 单位: mm)
3． 2 既有线管片加固
3 号线下穿既有的2 号线隧道，2号线隧道会因3号线施工对周围承载的土体扰动造成局部应力集中而产生管片或结构破损，因此，应增加2 号线隧道整体稳定性来抵御盾构施工产生的应力变化，减小管片或结构变形量。主要采取以下措施:
1) 螺栓检查及复紧。
2) 防止环与环间错台的管片环向加固。2 号线左线40 环到70 环( 31 环) ，右线45 环到74 环( 30环) ，左右线共计61 环，采用25 mm 钢板制作成内径为2． 7 m，长、宽为0． 5 m 的弧形钢板，分成26 块进行拼装( 每块质量65． 84 kg) ，安装在相邻两环管片的接缝中间，防止管片不均匀沉降使管片螺栓拉断，如图4 所示。
3) 防止隧道轴线方向拉伸的管片纵向加固。2号线左线41 环到78 环( 38 环) ，右线36 环到74 环( 39 环) ，左右线共计77 环，利用管片的吊装孔固定槽钢将受影响区域管片拉结为整体。根据隧道内管线的安装情况，可有6 个螺栓孔( 管片一周16 个点位) 进行16b 槽钢管片拉结，可使得出现沉降较大位置的管片沉降在相邻管片的拉结下能均匀沉降，以减少隧道管片出现变形较大及破坏的风险，加固示意图见图5。
4 下穿既有隧道土压平衡盾构掘进参数体系
高水头承压水粉细砂层中土压平衡盾构施工掘进参数主要包括土压力、出土量、同步注浆压力及注浆量、二次注浆压力及量的参数控制，以及渣土改良技术。在下穿段推进过程中除考虑常规掘进各环节之外，还应根据电子水平尺监测情况重点控制掘进速度、土舱压力和同步注浆( 二次注浆) 等。
4． 1 下穿段掘进参数
1) 盾构推进速度对既有隧道的隆沉变形影响较大，推进速度须综合考虑土舱压力等因素，匀速通过。穿越期间不间断监测盾尾间隙，不断复核盾构纠偏量，并结合监测数据及时调整施工参数，每10 环测量一次管片姿态，杜绝大幅度纠偏，以减少地层损失和周围土体的挠动，降低对既有隧道的影响。
图4 隧道管片环向加固示意图( 单位: mm)
图5 隧道内型钢加固
2) 开挖面维持土压平衡模式，土压力的波动值控制在± 0． 02 MPa，严格控制出土量。
3) 选取合适的同步浆液配合比，采用注浆量和注浆压力双控的模式进行浆液的压注。
根据线路埋深及地质物理性能，对盾构推力、推进速度、刀盘转速、土压力、出土量和注浆量等参数进行详细计算，确定的各项推进参数如表1 所示。
4． 2 掘进过程控制要点
1) 严控土舱压力。土舱压力主要根据电子水平尺监测数据、埋深确定。在本工程下穿过程中，由于电子水平尺每5 min 读取数据一次，精度0． 01 mm，且按埋深确定土压时需考虑上部隧道挖空部分，因此主要参考沉降监测值确定土压力。土舱压力波动值以监测沉降值0． 5 mm 变化量为参考，并在整环推进的过程中及拼装期间，土舱压力最大、最小值相差不宜大于0． 04 MPa。本工程实践土压力范围0． 18 ～ 0． 22 MPa。
表1 推进情况参数表
2) 合理选用注浆工艺
①同步注浆。管片脱出盾尾后，在土体与管片之间会形成一道宽度为115 ～ 140 mm 的环型空隙。为了尽快填充环形间隙使管片尽早支撑地层，防止地层变形过大而危及2 号线安全需要进行注浆。同步注浆采用盾尾壁后注浆方式。注浆要做到“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”，通过控制同步注浆压力和注浆量( 注浆压力控制在0． 3 ～ 0． 5 MPa，每环注浆量8 m3左右) 双重标准来确定每环推进时间。具体注浆参数根据电子水平尺监测情况进行确定。注浆配合比如表2 所示，在施工过程中酌情对配合比进行调整。
②二次注浆。在盾构下穿前提前做好隧道二次注浆的准备工作，盾体通过后立即采用水泥－ 水玻璃双液浆加固处理，根据地面及隧道的变形监测结果采用多次少量的注浆方式，直至沉降及变形稳定后停止二次注浆; 注浆位置以盾尾后方20 环以外位置，防止浆液损坏、击穿盾尾密封或窜入土舱，注浆压力≤1MPa。二次注浆配合比如表3 所示。
表2 同步注浆配合比
表3 二次注浆配合比
③注浆孔布置。根据设计图纸，在距3 号线下穿2 号线的前8 环管片至距范湖站端头10 m 的管片，A型管片、B 型管片每块增设4 个注浆孔，即每环增设20个注浆孔，一环共计26 个注浆孔( 左线39 环，右线35环) ，见图6。
图6 增设注浆孔的管片
④孔位选择。重点注浆环号: 3 号线左线439 ～446、449 ～ 456; 3 号线右线439 ～ 447、450 ～ 456。注浆孔位: 管片的14 ～ 2 点位( 共16 个点位) 。
⑤方式选择。可根据沉降监测数据大小、盾尾与沉降最大点相对应位置、盾尾与浆液类型等关系选择同步注浆系统管路连接二次补浆、二次注浆机注双液浆或单液浆。
5 监控量测和数据分析
5． 1 监控测量手段及控制标准
为了确保能及时掌握隧道变形监测数据，工程采用隧道纵/横向沉降( 电子水平尺) 自动监测+ 隧道收敛( 激光) 实施监测，见图7 和8。具体监控布设见图9和10。
本工程依据地铁设计相关规范［9 － 13］，以及前期数值模拟预测结果最终确定沉降变形控制指标，如表4 所示。
5． 2 穿越期间沉降数据分析
5． 2． 1 电子水平尺监测结果
本次自动化监测数据表明，盾构穿越对已运营隧道的扰动影响主要表现为隧道的竖向位移，自动监测可以连续记录位移变化，因此本文以电水平自动监测数据来分析。
图7 2 号线内测距仪安装示意图与实际安装效果图
图8 隧道沉降( 电水平尺) 自动监测系统安装实例
图9 2 号线隧道内电水平尺布置示意图
图10 2 号线隧道内收敛点布置示意图
3 号线左线: 盾构刀盘抵达2 号线右线影响区，2号线右线隧道开始下沉，分析认为，盾构推进时，导致穿越区内2 号线下方地层损失，而后随着盾构的持续推进，2号线的沉降量进一步加大，穿越结束后，施工单位开始注浆，隧道开始上抬，经过一段时间后，趋于稳定，具体情况如图11 所示。3 号线盾构穿越2 号线左线的沉降变化与右线大致相同，3 号线盾构刀盘到达2 号线左线时，由于地层损失的影响而开始明显下沉。3 号线右线: 下穿期间与左线对2 号线影响趋势相同。穿越后期由于采取注浆措施，隧道的沉降得以控制，如图12 所示。
表4 监测允许值和预警值
从图12 监测的数据来看: 测点自盾构进入保护区到盾构顺利穿过既有的2 号线，纵向沉降累计最大达到5． 20 mm( 2 号线左线测点ZC31) 。
5． 2． 2 变化最大点纵向变化规律
在地铁3 号线盾构穿越2 号线的整个时段，在单一测点上的沉降变化可以反映隧道随盾构推进的纵向变化规律，见图13。在盾构到达进入影响区之时，由于盾构开挖掘进引起2 号线下方土层的损失，导致2号线隧道下沉，而后随着盾构持续推进，2号线隧道进一步下沉，当盾构离开2 号线隧道投影区后，沉降量达到最大，施工单位采取了注浆措施，各测点开始上抬，经过一段时间后，趋于稳定。
图11 3 号线穿越2 号线左、右线横向电水平监测沉降曲线图
图12 3 号线下穿过程中2 号线左右线横向电水平监测沉降曲线图
图13 3 号线穿越2 号线左、右线电水平变化最大点监测沉降曲线图
5． 2． 3 收敛自动化监测变化规律
在地铁3 号线盾构穿越2 号线的过程中，随着盾构的持续推进，2号线左、右线隧道由于下方土体的损失，导致隧道下沉，后期因注浆加固土体稳定后收敛值趋于稳定，表明注浆加固的必要性，具体情况如图14所示。
图14 2 号线收敛激光自动监测曲线图
5． 3 穿越完成隧道稳定后数据分析
王—范区间左线隧道完成下穿以后，经电子水平尺监测2 号线隧道沉降最大为2． 74 mm。王—范区间右线隧道完成下穿以后，经电子水平尺监测2 号线隧道沉降最大为3． 2 mm，具体情况如图15 所示。
图15 3 号线下穿完成后2 号线整体沉降变化曲线图
5． 4 施工工况与监测结果相对关系
由上述数据分析可知，盾构隧道在穿越既有线时，选择合理的掘进参数、保证充足的注浆量至关重要。掘进过程中，监测信息及时反馈，从而进一步调整合理的掘进参数，确保盾构掘进时既有线的安全。
6 结论与体会
通过研究武汉地铁3 号线穿越既有2 号线工程，分析穿越过程中的施工技术和监测结果，得到了以下体会:
1) 本工程在软弱地层中下穿相距2． 07 m 既有隧道，使得盾构掘进对既有运行线影响较大，为了确保既有隧道的安全，提出对既有线路隧道进行补充加固体系及相应的参数; 对于盾构隧道的掘进，提出了土压平衡盾构在承压水粉细砂层中下穿既有地铁线隧道的掘进参数体系，同时要求根据监测情况重点控制掘进速度、土舱压力和实行同步注浆等。
2) 采用既有线内沉降监测及隧道结构收敛监测技术对既有隧道纵向沉降变形的影响过程和特点进行了分析，得出: 3 号线左线盾构下穿影响2 号线左线沉降2． 7 mm，3 号线右线盾构进洞影响2 号线右线沉降3． 2 mm。
3) 根据既有隧道较小的沉降监测结果可知，本工程采取的对既有隧道的加固措施和土压平衡盾构掘进参数体系可以有效地控制既有隧道的沉降和变形，确保既有隧道的安全，可以为类似地质条件的下穿既有隧道施工和监测提供借鉴。
摘自：隧道建设