盾构隧道斜交下穿地铁车站的影响与监测探究

黄超

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410000）

0 前言

近几年，国内大部分城市均选择对地铁进行兴建，由此而带来的问题，便是在盾构隧道施工期间，较易遇到和原有车站斜交或正交的情况。要想将隧道施工给原有车站产生的影响降至最低，关键是要提前推测影响范围，结合监测结果确定实际影响，这也是本文研究的主要内容，相关人员应对此引起重视。

1 工程项目概况

在现代化进程持续推进的当下，城市地铁交通发展速度较过去有所加快，希望能够在为居民带来便利的基础上，使城市发展所提出需求得到极大地满足。国内诸多大中型城市都选择对地铁进行交叉设计与施工，新旧隧道互相影响的情况时有发生[1]。如何保证新建线路能够安全、快速地穿越原有线路，现已成为社会各界关注的焦点，此外，利用盾构技术开展施工也成为大势所趋，与盾构施工可能造成的土层位移问题、施工期间附近环境受到影响相关的研究数量与日俱增。

某新建隧道对应高程范围的地层以粉土层、粉细砂层和黏土层为主，地下水则由潜水、地表滞水构成。结合现场情况，有关人员指出应利用盾构法对其进行建设，新建隧道直径应被控制在6000mm左右，其结构为常规衬砌环结构，各环宽度均为1200mm，由数块钢筋混凝土管片通过错缝拼装的方式构成。该隧道区间对应线路中间距数值为13m，期间需要穿越既有车站南侧，在施工过程中，要求有关人员按照自东向西的方向进行掘进，保证施工效果达到预期。

2 盾构施工说明

盾构施工是同步开展掘进机掘进、铺设隧道支撑管片的施工方法。在实际施工环节，通常需要有关人员借助盾构机对隧道进行掘进，其工作原理可被概括如下：沿隧洞轴线边推进圆柱钢组件，由此达到挖掘土壤的目的。钢组件壳体又被称为护盾，其主要作用是对已完成挖掘施工但没有进行衬砌的部分进行支撑，在承受土层压力和地下水压的基础上，阻断地下水进入隧洞的途径。

目前，可供选用的盾构机种类较多，既有常规的半敞开盾构机和机械切削盾构机，还有针对性较强的挤压盾构机与网格盾构机，不同盾构机分别适用于不同工况，在实际施工阶段，有关人员应结合现场情况进行选用。半敞开盾构机适合被用来对地质条件理想的隧道进行挖掘，开挖顺序为由上至下，如果土层条件不理想，施工方可借助撑板及千斤顶，确保开挖面能够得到有效支撑，其优点是施工速度快，但较易使地层受到扰动[2]。机械切削盾构机又分为有封板盾构机、无封板盾构机两类，后者的使用频率较高，在对超挖进行纠偏和对障碍物进行清除方面，其效果往往无法达到半敞开盾构机，这点需要引起重视。挤压盾构机给地层所产生扰动较大，在实际施工中，施工方应远离地面既有建筑，通过对出土量加以控制的方式，使施工效果达到预期。网格盾构机的特点是将开挖面划分成多个网格，要求施工方以土体性质为依据，对网格实际开孔面积进行更改，同时采取切实可行的手段，以免出现盾构后退或是地表沉降等问题。

3 推测影响范围

现阶段，国内诸多学者均选择对既有隧道和新建隧道间存在的影响作用进行研究，戴宏伟以纵向变形为切入点，研究了地面新施工形成荷载给附近地铁隧道造成的影响，他指出地铁隧道结构位移最大值应被控制在20mm以内，若隧道中心和荷载中心间的直线距离达到32m以上，施工所带来位移的最大值通常能够得到有效控制。李东海以北京五号线为例，对需要下穿二号线的雍和宫站进行研究，在实时监测浅埋暗挖隧道施工情况的前提下，结合监测所得数据展开分析，明确各施工阶段既有结构所处变形程度，建议此类项目对施工全过程进行精确监测。

对于新建线路需要斜向下穿原有线路的状况，通常要从两个方面分析施工可能造成的影响：①原有线路出现纵向变形的程度；②纵向变形问题波及的范围。除特殊情况外，对前者进行预测的方法均为类比模拟，后者则需要利用Terzaghi公式加以计算，将新建线路外轮廓线上方45°存在的斜线作为隧道出现破裂滑移问题的载体，将其与原有线路相交，便能够明确新建线路施工给原有线路造成的影响，项目施工所造成影响的范围在32m左右。

对条形基础所具有极限承载力进行计算的前提如下：①地基地面较为粗糙，地基与基础间形成的摩擦力较大，一旦地基被破坏，地基土楔体所处状态便会转变为弹性平衡，此时，基础地面和边界面之间所形成夹角与地基土摩擦角相等[3]；②基础底面上方地基土均可利用均布荷载进行替代，除特殊情况外，无须对地基土强度加以考虑。由于基础底面无法达到完全光滑的状态，其和地基土表面所形成摩擦力往往极大，Terzaghi选择结合上述基本假定，对更接近实际情况的公式进行推导，即：

式中：q-基础两侧超载，kPa；b-基地宽度，m；d-基地埋置深度，m；Nc、Nq和Nγ均代表无量纲承载力相关因数，其取值通常由内摩擦角所决定。该公式提出假设如下：①需要承载铅直均布荷载所施加作用力的条形基础，其基地相对粗糙；②基础埋深较浅；③地基土整体分布均匀，同时要对地基土自重给极限承载力所产生影响加以考虑；④荷载与极限值持平的工况下，地基整体剪切将被破坏。

4 实时监测沉降

4.1 施工情况

2021年7月初，本项目暂停施工，有关人员便着手准备下穿地铁车站施工。待前期准备工作告一段落，便可开始掘进施工，该环节所耗费时间为10d，出于全方位控制既有线路变形程度的考虑，有关人员决定通过注浆的方式进行补强，同时配合开展实时监测等工作，将不必要问题出现的概率降至最低。项目计划利用盾构法进行施工，要想使地铁变形程度得到有力控制，关键是要做到科学选择掘进参数。地铁对运行线路所具有几何形态的要求极高，只有严格控制结构变形，才能将安全事故发生概率降至最低。为达成上述目标，有关人员以科学设定土压为前提，通过匀速推进配合同步注浆的方式，对参数偏差进行控制，施工结果表明，项目所选取参数具备应有的科学性及合理性，可供其他项目参考。

4.2 布置监测点

根据行业规范所提出要求，对监测点进行布置，保证监测所得数据可如实反映车站结构变形程度[4]。项目分别在变形缝、车站四角和柱基上方对监测点进行了布置。

4.3 实施现场监测

项目的风险源分级为特级，对施工全过程进行监测自然很有必要。在具体施工中，有关人员选择将蔡司水准仪作为主要监测工具，要求水准仪的精密度达到0.3mm/km，监测频率也较常规监测更高，若距离穿越面达到12m，监测频率为每天一次，如果已进入穿越范围，将监测频率调整为每环一次，完成穿越后，以沉降数据所出现变化为依据，改为每三天一次，待穿越结束三个月，通常只需每月进行一次监测即可。

5 数据分析讨论

5.1 西侧墙

实地勘测结果表明，车站东侧墙和西侧墙所出现结构沉降情况大致相同，由于盾构隧道和地铁车站的位置关系为斜交，隧道穿越西侧墙的位置自然和东侧墙不同，这也决定了二者在结构沉降方面表现出的特点存在一定差异。

在施工区域未到达79环时，车站结构整体沉降速率偏低，其沉降程度自然并不明显，沉降最大值在2.3mm左右。对80环进行施工时，沉降速率有所加快，通常在4mm/d，这一过程持续了约24h，在此期间，沉降最大值由2.3mm增加至7mm左右。受二次补浆影响，次日的监测结果说明车站结构沉降有所回升，此时，沉降最大值上升至6.6mm，但结构整体仍呈下沉趋势，下沉速率也未能得到有效控制，通常在1～2mm/d。在盾构施工结束后，沉降最大值高达10.6mm，后期沉降减缓明显。后期，有关人员选择在西墙外侧1m处开展加载施工，堆载覆土的规格约为2m×12m×14m，覆土规格和结构荷载大致相同，由此而带来的问题，便是西墙南侧有所下沉，该区域的沉降量较之前增加2mm左右，直至施工结束，各监测点所得到沉降速率数值均未达到0.01mm/d，沉降最大值在13.8mm左右。对西墙结构沉降进行描述的曲线，整体呈悬臂挠曲形，这表明在一侧受力工况下车站结构所出现变形情况，其原因主要是隧道穿越位置为结构西南侧。

5.2 东侧墙

在首次穿越掘进期间，由于车站结构和盾构掘进面之间的距离较远，车站结构的沉降速度较慢，整体沉降程度并不明显，沉降最大值在2.4mm左右。待施工进行到约75环时，车站结构的沉降速度有所加快，此时，最大沉降速率在2.5mm/d左右，在此后的24h内，车站结构始终维持着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。受二次注浆影响，次日监测结果表明车站结构有所回升，由于注浆所产生作用有限，结构仍处于缓慢下沉的状态，其下沉速率约为2mm/d，在停止推进盾构后，结构沉降最大值高达8mm，此后，沉降速率明显减慢，仅在个别时间极少数监测点存在速率偏大的情况，多数监测点所得到监测数据均未达到1mm/d。车站南侧有一处结构出现9.8mm的沉降，为项目沉降最大值。直至施工完全结束，南侧墙各监测点所得到监测数据均在0.01mm/d以下。待施工完成，有关人员参考监测数据及现场情况，得出以下结论：①结合沉降结构断面既有角度可知，车站结构筏形基础的整体性极强，断面曲线早期所呈现出形状更接近较陡半槽形，随着施工的推进，该半槽形逐渐变得平滑；②西侧墙与东侧墙在沉降值、沉降速率方面均有明显差异存在，这说明对盾构隧道进行穿越施工时，车站结构的扭转程度极大且扭转方向为纵向，但监测结果表明，车站结构无全新裂缝出现，由此可证，车站既有框架的整体性较为突出。

5.3 分析结果

上文以某新建隧道为例，结合监测所得数据展开系统且深入的分析，对项目施工与地铁车站变形间的关系进行了探究，现将研究所得结论归纳如下：①对下穿施工项目进行设计时，要想使车站结构沉降程度得到有力控制，关键是要做到合理确定下穿位置，在此基础上，对既有结构进行最大限度的利用，以免由于沉降速率过快或沉降值过大，导致项目安全性受到负面影响；②对此类项目而言，结合现场情况对施工参数加以确定同样十分重要。若项目计划采取斜交下穿或正交下穿的施工方式，同时地铁车站和新建隧道间的直线距离较短，则需要对土体压力进行调整，通过加快下穿施工速度，对施工所产生扰动进行减小，确保变形控制和后续环节均具有更符合预期的施工空间[5]；③参考实时监测所得数据可知，在下穿位置不同的情况下，车站结构所出现变形程度往往存在一定的差异，如果选择车站西侧墙进行下穿，对车站沉降程度进行描述的曲线通常呈悬臂挠曲形，有关人员可通过该曲线对结构受力情况加以了解。若选择车站东侧墙进行下穿，对应沉降曲线通常呈半槽形，这表明车站结构整体性较为理想，此时，有关人员可在保证施工质量的前提下，对施工速度进行提升；④在新建隧道施工中，有关人员可通过实时监测的方式，对车站结构所出现变形情况加以明确，酌情引入二次注浆或其他方法，对变形速率加以控制，使车站变形程度始终处于可控状态，事实证明，这样做既能够确保施工按照预期速度开展，又能够将施工给车站结构产生影响降至最低，使日后类似项目具有可供参考的理论数据和实践经验。

6 结论

本文以工程实例为依据，对斜交下穿施工所涉及参数和变形监测工作进行分析，重点讨论参数选择给车站带来的影响，指出对盾构参数加以控制，视情况对土压力、推进力进行设定，酌情引入二次补浆以及同步注浆技术，可使车站变形程度得到有力控制。此外，对监测所得数据进行分析可知，车站结构变形所遵循规律固定，有关人员应结合变形曲线对斜交位置加以确定，以免盾构施工给车站及地铁运行所具有安全性造成负面影响。