杭州地铁4号线官河站—火车东站站区间下穿既有运营1号线隧道, 下穿地层地基承载力为60~80k Pa, 孔隙比为1.0~1.2, 饱和度为95%~96%, 具有高含水率、高压缩性、低强度、高灵敏度和触变特性的特点 (见表1) , 在动力作用下极易破坏土体结构, 使土体强度骤然降低, 变形量增加。盾构下穿既有运营隧道垂直净距最小仅2.1m, 为隧道直径的1/3, 下穿隧道和既有运营隧道平面夹角约为22°, 为小角度斜交下穿。地面位置为火车站地下广场, 无地面监测条件 (见图1) 。

下穿施工前, 首先对既有运营隧道采用钢环加固, 该钢环采用20mm钢板制作成外径为2.75m, 长、宽为0.5m的弧形支撑钢板, 安装在管片内弧面 (尽量避开环缝) , 防止管片不均匀沉降使管片螺栓拉断。加固钢环 (见图2) 共分28块, 其中标准件25块, 异形件1块, 基座2块;钢环每块之间通过3根直径18mm的8.8级螺栓连接, 钢环通过锚栓与管片固定, 底座固定点位4个, 其他固定点为2个;纵向加固采用[16b按纵向6道拉结布置, 具体位置以避开隧道内管线为原则布设, 槽钢与钢环之间采用焊接连接。

在既有运营隧道内下穿区域前后50~100m的范围设置自动化监测点, 主要包括沉降、水平位移和收敛3项指标, 监测系统 (见图3) 的主体由全站仪、计算机、自动变形监测软件、通信和供电设备、仪器墩、基准点和监测点的棱镜组成, 每个监测点自动化监测频率≥1次/10min。

在有地面监测条件的位置设置试验段, 根据地面沉降监测数据调整土仓压力、出土量、推进速度、总推力、刀盘扭矩、同步注浆配合比、同步注浆压力及同步注浆量等主要施工参数, 以确定下一步盾构下穿既有运营隧道的指导性施工参数。将累计沉降最大值控制在5mm内、沉降日变量控制在3mm内所选取的施工参数作为下一步指导性施工参数的基准值, 若地面覆土厚度、地层类型、地下水压力等条件发生变化时, 应根据情况进行相应调整。

根据试验段所确定的指导性施工参数基准值, 确定下穿段施工参数。推进速度、出土量、刀盘扭矩、同步注浆配合比均按照基准值进行控制, 土仓压力、总推力、同步注浆压力及同步注浆量需进行调整, 将土仓压力在基准值基础上降低0.02~0.05MPa, 总推力在基准值基础上降低2 000~5 000 k N, 同步注浆压力在基准值基础上降低0.02~0.04MPa, 同步注浆量在基准值基础上降低20%~30%, 以此确定下穿施工的指导性施工参数。

根据步骤4所确定的指导性施工参数指导下穿施工, 结合自动化监测数据进一步判断施工参数的合理性, 若沉降或水平位移变化速率>3mm/d, 或收敛变形>2mm/d, 则需调整施工参数, 具体调整土仓压力、总推力、同步注浆量和同步注浆压力4个参数。根据盾构机的位置确定需调整的参数, 若盾构机位于穿越区域的前段, 则重点调整土仓压力的总推力, 若盾构机位于穿越区域的后段, 则重点调整同步注浆压力和同步注浆量。具体方法为:若隧道变形的方向和盾构机产生的压力方向相同, 则降低土仓压力、总推力、同步注浆量、同步注浆压力;反之则提高土仓压力、总推力、同步注浆量、同步注浆压力, 压力调整至按照0.02MPa/次进行控制, 若能满足变形控制指标则调整完成, 若不能满足变形控制指标则继续调整, 直至满足变形控制指标为止。

正常情况下盾构施工用管片每环的注浆孔数量为6个, 在下穿区及前后20m的区域采用特殊管片增设注浆孔, 每环管片注浆孔数量增加到16个, 以进行分阶段补偿注浆。在盾构机盾尾脱出下穿区域后, 进行分阶段补偿注浆, 根据自动化监测数据, 对水平位移或沉降累计值>8mm的位置进行注浆, 注浆在现有隧道内, 选择离既有运营隧道最近的注浆孔进行注浆, 由于注浆和监测数据的滞后性, 每次注浆量宜控制在0.3~0.5m³, 注浆压力宜控制在0.2~0.4MPa, 间隔4~6h后, 根据监测数据判断是否继续注浆。补偿注浆需持续15~20d, 注浆次数为20~30次, 最终将水平位移和累计沉降控制在10mm以内。

4号线官河站—火车东站站区间左右线2次下穿既有运营1号线隧道, 最终将既有1号线隧道变形及沉降控制在10mm以内, 最大沉降量5mm, 最大变形量8mm, 穿越过程中未对1号线隧道造成行车影响, 1号线隧道管片未出现错台、开裂、渗漏水等情况;4号线隧道在施工过程中, 依据既定参数施工, 效果良好, 盾构机姿态控制稳定, 管片拼装质量符合标准, 掘进完成后的成型隧道各项指标满足要求。

通过既有隧道钢环加固、自动化监测技术、试验段确定指导性施工参数、下穿施工参数控制、跟踪补偿注浆等措施, 实现了无地面监测条件下的富水软土地层中盾构小净距斜交下穿既有运营隧道的成功实施。