地铁双线盾构近距下穿既有盾构隧道施工沉降控制

地铁双线盾构近距下穿既有盾构隧道施工沉降控制

郭彬栋

中铁建昆仑地铁投资建设管理有限公司

摘要：随着地铁的网络化发展，在换乘节点、线路交叉处将不可避免地出现新建地铁盾构穿越既有盾构隧道的工程。并且，盾构施工一般只能通过调整掘进参数来减小施工对既有邻近建筑物的影响，因此，本文依托某工程，讨论双线盾构先后穿越施工影响下既有隧道的沉降规律，总结控制沉降的盾构施工参数经验及沉降控制措施，以期能为相关工程提供参考。

关键词：地铁；双线；盾构；近距离；下穿；盾构隧道；施工沉降控制

1.引言

现如今，城市人口数量越来越多，地铁工程快速发展，地铁隧道下穿既有线路状态也随之增加。在实际施工中由于地理环境、施工质量、土层复杂性等因素的影响，在实际施工过程中易出现不同程度的地表变形问题。本文结合地铁双线盾构下穿既有盾构隧道的工程实例，通过对既有隧道沉降的数值模拟，结合现场监测数据及盾构施工参数的分析，总结控制沉降的盾构施工参数经验，分析了盾构先后穿越施工影响下的既有隧道沉降规律，验证沉降控制措施的有效性，对于地铁安全运行具有很强的现实意义。

2.工程概况

本工程盾构区间（左线长823.842m，右线长链0.202m，右线长821.940m），该区间沿一环路北四段下方进行敷设，在一环路北四段东侧进入始发站。始发后即下穿位于大里程端头的既有运营的3号线，下穿既有3号线里程范围为YCK31+202.578～YCK31+240.578。既有3号线与车站主体端墙外侧距离为8m，正穿长度为20m；下穿处盾构隧道埋深20.39m，与3号线既有盾构隧道竖向净距约为4.065m。

图1：6号线下穿3号线平面图图2：6号线下穿3号线断面图

根据钻孔揭示，施工范围内上覆第四系人工填土层（Q4ml）；其下为第四系系上更新统冲洪积层（Q3al+pl）黏土、粉质粘土、粘质粉土、粉细砂、中砂、卵石土，下伏基岩为白垩系上统灌口组（K2g）泥岩。6号线下穿3号线地层均位于饱和、中密卵石层，地质条件自稳性差，区间处于岷江水系冲积平原一级阶地，地表水为府河水。地下水主要有三种类型：一是赋存于黏性土层之上填土层中的上层滞水，二是第四系砂、卵石土层的孔隙潜水，三是基岩裂隙水。

新建隧道的施工采用铁建重工土压平衡式盾构机，刀盘直径6.28m，盾体直径6．25m。新建隧道与既有隧道均为双线，始发平曲线为直线段，竖曲线处于2‰的上坡段，实测洞门中心沿掘进方向水平向左偏移3cm，竖向无偏移。管环由6块管片组成，外径6．0m，环宽1．2m，管片厚0．3m。

3.端头降水及加固

按照梯度降水原理在车站端头布设3口降水井，在3号线左侧远离基坑一侧设置1口降水井、井深37m，降点位置至既有线距离为5m。始发前，静水位将至开挖隧道高程1米以下。

端头地面采用Φ42@1000mm袖阀管注浆加固。平面加固范围：由主体围护桩外侧沿掘进方向纵向长度4m，横向宽度16m，即加固平面范围为4m*16m。竖向垂直加固范围：由地面至洞身隧道中部整个竖向高度范围24m。注浆浆液为水泥浆，水灰比为0.8:1~1:1，注浆压力为0.2~0.4Mpa，打设注浆34孔，注浆水泥用量为12吨。

洞门处采用94×10mm+Φ146×10mm（共72根）管棚进行管棚群超前支护：在洞门范围打设4层管棚，上部两层Φ146×10mm管棚打设长度为30米，下部两层194×10mm管棚打设长度为33米。Φ194管棚竖向偏移均向上偏移，最大施工偏移量为+133cm，水平偏移量最大为+10cm和-19cm；Φ146管棚竖向偏移均向上偏移，最大施工偏移量为+122cm；管棚偏移满足既有线安全距离及不侵入盾构开挖界限。Φ194管棚注浆量0.8~1.3方（理论填充量0.74方），Φ146管棚注浆量1.2~1.3方（理论填充量0.37方）。

图3：管棚群洞门处断面布置图图4：管棚群与既有线位置关系图

4.数值模拟分析

4.1数值模型

施工前依据设计和施工方案，通过数值模拟分析了穿越施工对既有隧道的影响。考虑施工影响范围、模型边界效应等因素，采用ANSYS有限元软件，建立长度沿新建隧道方向102m、垂直新建隧道方向118m、深度30m的模型。土体采用Solid45单元，符合Druck－Prager屈服准则，隧道采用Shell63单元。模型上表面自由，四周及底部为法向约束。以环为单位，采用刚度迁移法模拟盾构掘进。刚度迁移法将盾构掘进过程看作荷载及刚度的迁移。盾构隧道结构及等代层的参数如表1所示，设定土仓压力0.1MPa，顶推力8000kN~1200kN，注浆压力0.3MPa。既有盾构隧道考虑错缝拼装，横向刚度折减0.3。

表1盾构结构参数名称

4.2数值模拟结果

4.2.1地表沉降分析

穿越施工结束后地表沉降等值线图如图5所示。由图3可知，沿新建隧道方向的地表沉降以穿越中线为轴呈槽状对称分布，其中10～25m及－10m～－25m区域内等值线密集，沉降变化较快。

4.沉降监测与现场施工

始发前委托施工监测单位除过在新建隧道上方地面埋设地表沉降监测点和分层沉降监测点外，还在既有隧道沉降明显区域布置了35个断面175个自动化沉降监测点（监测点位置布设如图4所示），进行实时自动化监测，通过无线网络将数据传输至地面监控室，根据沉降数据的实时变化来调整掘进参数与注浆量，并通过改进管片设计以及优化掘进速度、土仓压力、同步注浆初凝时间等关键参数，以减小穿越施工对既有隧道的影响。第一，改进管片设计、优化注浆方案。利用预埋的注浆孔和吊装孔径向注浆，加固新建隧道顶部180°、深度3.0m范围内的土层，二次注浆采用双液浆，双液浆采用水玻璃和水泥浆配置而成，配比为1:1，注浆浆液浓度：水泥浆水灰比为0.8:1。水玻璃的波美度为35-40，双液浆凝结时间为30s，达到在注点附近就可凝固的效果，同时严格控制压力，不超过0.3Mpa，二次注浆机设置在台车连接桥处，配有2个0.5m³储存桶，在盾构机盾尾完全进入钢筒后，掘进至+3环开始进行二次注浆，顶部开孔检查二次注浆饱满度，掘进过程中在盾尾第3环跟随注浆，压力不超过0.4Mpa。第二，设置聚氨酯隔离环。盾构掘进区段在穿越段前端及末端各5环、穿越段每间隔4环，隧道全断面360°注入瞬凝型聚氨酯材料，防止穿越段同步注浆浆液窜流，保证注浆效果。第三，及时封堵洞门。盾构始发段地下水丰富，需要在正环第三环脱离盾尾时即刻注入瞬凝型聚氨酯材料止水，同时注入注浆孔型管片B2型管片，B1型管片内径R=2700外径,R=3000。

图5：施工结束后地表沉降等值线

图6：自动化监测断面及既有线内监测点布置示意图

5.新建左线盾构施工及结果

左线盾构机先行施工，结合数值模拟结果，确定参数为:顶推力8000kN，掘进速度50mm/min，出土量55-57m3/环，土仓压力0．02～0．2MPa，纠偏不超过1%。同步注浆采用水泥砂浆(砂子375kg、水泥145kg、粉煤灰170kg、膨润土43kg、水320kg)，浆液初凝时间6-8h，注浆量7-8m3/环，同步注浆压力0.15-0.3MPa。左线盾构机在第6-19环下穿既有隧道。

左线盾构施工中，既有隧道受盾构机顶推力影响，前期产生轻微上浮;随着盾构施工，沉降增大，沉降曲线呈V形，峰值位于新建左线隧道上方。施工结束后，既有左、右线隧道最大累计沉降分别为3.91mm、4.42mm。随后右线盾构施工，右线隧道上方的既有隧道沉降增大,既有隧道最终沉降呈W形。

6.新建右线盾构施工及结果

参考数值模拟计算的结果，优化右线盾构施工参数:顶推力提高到12000kN;掘进速度提高到60-80mm/min;出土量减小到53m3/环;土仓压力提高到0.12-0.16MPa;同步注浆浆液中水泥增加25kg、粉煤灰增加25kg，每环加入10kg白灰，初凝时间缩短到4h，注浆量提高到7m3。为及时填充盾体与土层间空隙，在5-26环施工时通过径向注浆孔注入惰性浆液，注入量为2000L/环，注浆压力为0.3MPa。右线盾构机施工过程中0-10环，由于左线隧道施工，测点已产生了少许沉降，其值在1.5mm上下波动;11-26环，从距离既有隧道右线盾构施工参数1.1倍洞径开始，到刀盘侵入既有右线线隧道直至脱出，断面测点的沉降速率增大，在右线隧道施工扰动的基础上产生了较大沉降;盾构机脱出既有右线隧道后，随即侵入既有左线隧道，断面测点的沉降速率增大;在盾构机脱出既有隧道后，测点的沉降速率明显减小，沉降逐渐趋稳。如图7所示，既有左、右隧道最大沉降分别为5.01mm、5.50mm。通过将数值模拟数据和自动化监测数据进行对比，发现数值模拟较为准确地预测了既有隧道的沉降。

图7：自动化断面监测竖向位移时态曲线

7.结束语

伴随着科学技术的进步与社会经济的发展,地铁建设得到了空前重视，因此开展此类工程的沉降控制措施研究对确保既有地铁安全运营有着较大的工程意义。为研究双线盾构下穿时既有地铁盾构隧道的沉降规律及控制措施，采用数值模拟、现场监测等手段，阐明既有隧道的沉降规律，优化、总结了盾构施工参数及沉降控制措施，同时盾构始发管棚群、盾体径向注浆孔注入惰性浆液对既有线沉降的控制起到了很好作用，可以为后期类似施工提供经验。

参考文献:

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