摘要：文章通过上海轨道交通18号线民生路站～昌邑路站盾构区间穿越运营车站为背景，分析了不同介质条件下盾构施工应考虑的因素，从盾构设备的选型及优化设计、施工参数的控制、变形缝环管片的设置等方面提出了应对措施，不仅很好得管控住在建隧道的质量，对运营车站及周边环境的影响也极为有限，为类似工程提供了参考。
关键词：轨道交通；盾构隧道；穿越运营车站；施工对策
1 工程概况
上海轨道交通18号线民生路站～昌邑路站盾构区间下行线隧道长893.434 m；上行线隧道长894.264 m，采用两台盾构机从民生路站先后始发推进至昌邑路站接收。盾构始发14 m后即穿越运营6号线民生路车站，与车站的最小竖向净距1.72 m，该车站在规划设计时未考虑后续线路穿越，车站围护结构采用600 mm厚钢筋混凝土地下连续墙，同时下行线穿越段涉及6 根直径1 000 mm钻孔灌注桩，盾构穿越前需对穿越段内车站围护结构以及6 根钻孔灌注桩进行清障。
为完成清障在原车站围护结构两侧共设置4座清障工作井，在清障井内采用“水平冻结，矿山法暗挖”的方法进行清障，清障完成后在通道及工作井内回填泡沫混凝土，清障通道因为只需将桩基处理，所以开挖断面即回填断面为7.1 m高×3.1 m宽，盾构在车站下方穿越时断面内即包括泡沫混凝土又有自然化冻中的冻土。
同时为顺利穿越新建的清障工作井，其外侧围护结构采用C15低标号混凝土+玻璃纤维筋，穿越前穿越断面外扩1 m完成爆破处理。
盾构穿越6号线民生路站的过程中盾构穿越介质不断发生变化，从原状土-爆破地连墙-全断面泡沫混凝土-泡沫混凝土+自然化冻中的冻土-全断面泡沫混凝土-爆破地墙-原状土。不仅要确保在建隧道工程质量，还要兼顾对上方运营车站及周边环境的影响。
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图1 6号线车站穿越段平面图
2 盾构机设备的选型及针对性设计
盾构机穿越6号线民生路站过程中不仅需要穿越爆破地墙，也有可能遇到未探明的障碍物（如降水井、格构柱等），所以盾构机必须具备较高的推力、扭矩以及遇到障碍物情况下应急处理的能力。采用的盾构机额定推力47 781 kN，最大推力55 747 kN，额定扭矩5 700 kN·m，脱困扭矩6 300 kN·m。
1）刀盘刀具
刀盘刀具由1 把中心刀，26 把贝壳刀，82 把切刀组成，考虑到穿越地墙过程中会加剧刀盘刀具的磨损，刀盘面板每个切削轨迹另增加一把撕裂刀，在刀盘外弧面增加6 把保径刀和2 把仿形刀，同时为保护刀盘正面注水口加设5把注水保护刀，并且设2个磨损检测装置。刀盘面板外缘和中心部分、刀具堆焊耐磨材料；在刀盘每个进料口的周边进行硬化处理，周边采用背拆式可更换刀箱。
2）螺旋机
螺旋机具备可伸缩功能并配备前闸门系统，一旦大块孤石或其他障碍物进入螺旋机造成螺旋机卡转可以收缩螺旋机并关闭前闸门后进行常压下的除障，降低施工风险。
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图2 螺旋机前闸门系统
3）人闸及气平衡系统
盾构机配备双室人闸，最大工作压力为3bar，控制模块及阀组采用samson系统，一旦在穿越过程中出现刀盘卡转或刀盘刀具磨损严重无法继续推进等情况可以采取气压进仓清障或修复。
4）改良系统
针对穿越过程中地层介质的不同，配备了加泥加水和发泡剂两套改良系统。
3 施工技术[1]
3.1 穿越爆破地连墙
1）后靠体系
盾构穿越爆破地连墙时其推力较之普通地层要大很多，但本工程中盾构穿越时盾构仍处于始发阶段，所以需对后靠体系进行改良加固以满足穿越要求。
支撑体系一侧靠在车站结构侧墙，另一侧通过3 道609钢围檩斜撑将力传至结构底板，为了增强钢围檩斜撑的稳定性，钢围檩斜撑之间设置连接杆。根据受力计算，该体系可满足28 000 kN的受力要求。盾构机在控制该推力极值的情况切磨地连墙。
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图3 后靠支撑体系
2）正面改良
穿越地墙时，土体改良采取压注钠基膨润土浆液，以在切削下的混凝土碎块及渣土表面形成一层泥膜，可以起到增加切削体的流塑性，降低刀盘扭矩，并冷却、保护刀盘刀具。
3）土压力及出土量控制
地连墙采用乳化炸药完成爆破，其破碎颗粒大小根据天津地铁5号线天津宾馆站～文化中心站区间工程经验，最大颗粒可控制在20 cm以内，普遍颗粒大小为2 cm以内，爆破后的颗粒较为均匀，但仍具有较高的强度[2]，所以盾构机在爆破后的地连墙中推进以出土量控制为主，土压力控制为辅，土压力越高则所需的盾构推力越大，对盾构设备及后靠体系的负荷也越大。
3.2 穿越清障工作井中
清障工作井中由泡沫混凝土填充，该产品可在较短的时间内形成强度，但后期强度增长缓慢，同时其弹性模量较低，对冲击荷载具有较好的吸收和分散作用，其密度仅有600 Kg/m3，具有较高的压缩性[3]。根据实验参数泡沫混凝土在10小时左右初凝，3 d抗压强度达到1 MPa，14 d抗压强度达到1.5 MPa，不超过2 MPa。穿越清障井过程中施工参数设置及控制重点需有所调整。
1）土体改良
针对泡沫混凝土的改良采用泡沫改良[4]，泡沫剂可以将泡沫混凝土颗粒包裹分离，降低其黏性，改善塑流性，同时泡沫剂气泡具有较强的压缩性可以降低土压力波动，起到稳压的作用，对控制周边环境有利。
2）土压力及出土量控制
泡沫混凝土其低密度、高压缩性的特征在实际推进过程中的出土量控制必须经过试验才能确定，根据实验可知在模仿刀盘旋转碾压泡沫混凝土的过程中，实验体较容易的化为粉状物，溶于水后，水增加的体积与实验体体积的变化比例即可理解为盾构推进引起泡沫混凝土体积的变化，对比五组数据压缩性约3倍。
所以在实际盾构推进过程中出土量控制在至少常规段的1/3以上，同时因泡沫混凝土有一定的强度及自立性，土压力的设定略高于该埋深条件下的水头压力。
3）盾构姿态控制
泡沫混凝土表现为具有一定的抗压强度，但其抗剪强度非常差，盾构在推进切削盾构下方泡沫混凝土时容易引起盾构机磕头，所以浇筑时应提高底部泡沫混凝土的强度，同时在穿越前需将盾构姿态尽量向上调整。
3.3 穿越车站
穿越车站这一阶段盾构断面内土层为泡沫混凝土+自然化冻中的冻土，同时也是对车站影响最大的阶段，竖向净距仅1.72m。
1）盾构姿态控制
由于断面内土层软硬不均，车站穿越段盾构姿态的控制为隧道质量控制的关键，该阶段中不仅要求操作者有较高的技能水平，测量数据的及时性与准确性同样重要，采用自动测量结合人工实时复核的方式作为质量控制的第一步，控制推进速度，匀速慢速推进降低对地层的扰动，同时穿越期间的纠偏必须做到勤纠缓纠。
2）土压力及出土量控制
为降低对6号线民生路站的影响，需严格控制土压力及出土量，土压力的计算需考虑车站结构自重产生的土压力增值以及盾构上覆土产生土压力。
（1）车站结构自重产生的土压力增值P1
P1＝（内部结构自重+围护结构自重）/站宽+车站设备、人员等均载；
（2）盾构上覆土产生土压力P2
盾构与车站结构之间土体覆土与车站结构上覆土带来的土压力值。
根据计算穿越车站期间的土压力设定值为0.18 MPa。
3）变形缝环设置和环箍注浆
为了避免因隧道、车站后期沉降变形引起隧道管片与地墙之间刚性接触造成管片结构的损坏，穿越段每5 环设置1 环变形缝环管片，以削弱局部应力集中影响，在地墙对应位置设置4道环箍注浆，稳定隧道结构并形成保护。
4）融沉注浆
开挖通道在回填泡沫混凝土后，泡沫混凝土发生水化反应，冻结加固体吸收热量后会加速化冻，所以融沉注浆的时机非常重要，当盾尾露出一定环数时应立即在车架顶部进行第一次的融沉注浆，车架段过了穿越段后再根据监测数据进行融沉跟踪注浆，确保上部车站的稳定。
4 实施效果
4.1 隧道稳定性
穿越后监测得到的隧道存在一定的上浮量，最大上浮量30 mm，但逐渐趋于稳定，这也符合一般地质条件下的隧道位移变形规律。在经过环箍注浆后后期基本无明显变化。
4.2 民生路车站沉降
对运营车站的结构监测包括沉降监测、墙体倾斜监测，采用电水平尺[5]自动监测结合人工复核方式进行。上下行线投影范围76m，每2m布设1个纵向隧道沉降自动化监测点，上下行线各布设38个纵向自动化监测点，上下行隧道穿越中心线位置各布设1个横向隧道沉降自动化监测点，共计布设38×2+1×4=80个沉降监测点。
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图5 民生路站电水平尺监测布点图
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图6 民生路站电水平尺监测数据
由上图可知，穿越引起的6号线民生路站最大的累计沉降值为+1.8 mm，控制值为±10 mm，对车站的影响非常小。
5 结论
通过对不同穿越介质特性的研究，制定出针对性的技术措施，不仅确保在建隧道的质量安全，对运营车站及周边环境的影响也极为有限。而随着各地轨道交通建设的快速发展，将出现越来越多穿越既有车站的情况，相关技术措施不仅对现实工程有指导意义，对类似工程也有一定的借鉴作用。
参考文献：
[1]王 凯.盾构连续穿越运营地铁隧道与车站的施工技术[J].建筑施工.2019，（9）：1713～1716.
[2]韩志友.盾构法隧道穿越地连墙爆破清障技术[J].盾构隧道科技.2017，（2016增刊）：1～3.
[3]俞佳美，邵梦婷，王震，周永进，朱稼峰.轻质泡沫混凝土材料性能研究[J].科技创新导报.2019，（28）：48～49.
[4]孟宪雷.土压平衡盾构区段粉质黏土渣土改良技术探讨[J].现代城市轨道交通.2020，（2）：54～57.
[5]张启斌.运营轨道竖向位移自动化监测技术[J].城市道桥与防洪.2013，（12）：187～188+18.
论文作者:吴伟锋
论文发表刊物:《基层建设》2020年第1期
论文发表时间:2020/4/14
标签：盾构论文; 车站论文; 混凝土论文; 泡沫论文; 隧道论文; 压力论文; 结构论文; 《基层建设》2020年第1期论文;