盾构近距离下穿既有地铁线路施工方法浅析

盾构近距离下穿既有地铁线路施工方法浅析

吴飞     

     中铁一局集团第二工程有限公司

摘要：盾构施工工法以其高效、对环境影响较小、适应范围较广的优点被广泛的应用于地铁及地下管廊施工。盾构法施工场地，大多位于建构筑物稠密地区，周边环境复杂、狭小，施工场地条件有限，设计线形多数会穿越建筑物，对施工风险控制要求严格。本文以沈阳电力隧道四区间盾构区间下穿既有地铁一号线为例，主要阐述了盾构下穿既有地铁线路施工工艺方法。

关键词：盾构施工；下穿既有地铁；施工方法

1引言

随着经济的发展，城市常驻人口不断增加，城市交通发展迅猛，各区域对地铁及市政管廊的需求逐渐增大，盾构施工工法得以在地铁及地下管廊工程领域大放异彩。

近年以来，盾构施工下穿建筑物和既有地铁线路产生的沉降以及施工安全性问题越来越多。因此，在盾构施工过程中，盾构掘进下穿既有地铁线路对原有地铁的影响问题得到了各方面的显著关注。因此，进行如何降低盾构施工对原有地铁影响的探究，研讨施工过程采用何种施工方法，对提升盾构施工的安全稳定性是有研究价值的。

图1.1 电力隧道下穿既有地铁线路图

本文以沈阳盛京~滂江220KV电缆线路工程4区间（5号盾构井~4号盾构井）盾构隧道下穿沈阳地铁1号线滂江街站~黎明广场站为工程背景，进行降低盾构下穿地铁对原有地铁影响的研究。研究结论可以为本工程以及今后类似工程的设计施工提供技术指导和理论支撑。

2工程概况

本段电力隧道位于沈阳市大东区，四区间起终点里程区间长度905.936米，主体隧道采用盾构施工，覆土深度12.5~23.1米，最大坡度28.8‰，最小坡度22.75‰，最大曲线半径1000m，最小曲线半径300m。区间结构型式为盾构区间标准断面，区间结构采用预制管片拼装而成，预制管片衬砌参数：内径 5400mm，外径 6000mm。

盾构下穿的既有地铁线路为双向隧道，区间暗挖段断面为马蹄形断面，线间距由13m逐渐变为7.945m，暗挖段最小覆土厚度5.10m，最大覆土厚度11.29m，地铁隧道底板标高约为30.8米，电力隧道顶板距离既有地铁区间竖向距离为5.4m。电力隧道在穿越前到达缓和曲线，电力隧道以缓和曲线穿越既有地铁。

图2 盾构穿越1号线滂江街站~黎明广场站区间平面图

3盾构下穿地铁重难点分析

1、盾构下穿既有地铁线路过程中，盾构顶部距离地铁结构底部净空仅有5.4m的距离，且在该段电力隧道设计轴线为22.75‰下坡转向28.8‰上坡转换缓冲段，在富含水的圆砾不利地层中确保盾构正常施工，控制地铁线路内道床结构沉降与不均匀沉降、轨道沉降变形、道床与结构的剥离度等控制指标在控制范围内，并保障既有地铁安全运营是施工的重点。

2、穿越段地下水位在隧道拱顶以上9.1~11.5m，地下水位较高，含水土层渗透性较强，在掘进过程中易出现螺旋机喷涌问题，如何防止该问题并控制好出渣量是施工的重点。

3、渣土改良的成功与否直接关系到盾构施工过程中能否正常出土，在富水的圆砾地层中，若经改良的渣土的流塑性不能保证盾构正常排土，则可能导致刀盘过快磨损，甚至造成盾构无法正常推进。因此，确定合理的渣土改良方式是盾构施工的重、难点。

4盾构下穿地铁施工工艺

1、在穿越地铁段前设置试验段，根据变形控制指标，监测地面变形，对盾构施工参数进行实验，确定穿越时的掘进参数。

2、调查1号线区间隧道施工资料及区间隧道裂缝、漏水情况。盾构穿越前应对1号线区间隧道的变形情况进行预先监测，查明现状并做好原始记录。在1号线区间隧道布置沉降监测点并加强监测，为及时反应现有地铁沉降数据，指导现场实际施工，采用自动化监测技术对穿越地铁段进行监测。

3、使用克泥效工法以及二次深孔注浆辅助措施，降低盾构掘进对周边土体的影响。

4、严格控制掘进参数，避免发生大幅度波动；要求同步注浆及二次注浆严格控制注浆压力，且应根据1号线区间隧道变形监测结果随时进行调整。

5、在盾构下穿1号线区间隧道过程中，要求发现异常情况必须及时通知盾构司机并采取相应措施，必要时应停止掘进并进行土仓保压，减少对地层的扰动。

6、在进入下穿影响区之前对盾构机进行全面检修，避免在影响区内停机。

5施工工艺技术分析

5.1 设置试验段

为确定盾构下穿地铁的掘进参数，选定穿越地铁1号线影响区的前100m作为试验段，得出盾构穿越地铁1号线的最合理盾构掘进参数。根据试验段单环掘进参数及沉降监测值确定盾构机穿越地铁段的最优参数组合，由于单环注浆量固定、膨润土等改良剂注入量及压力相对稳定，故相选取盾构掘进中的掘进推力、推进速度、土仓压力、单环出土量控制、注浆压力等5个参数与地面沉降监测值进行分析。

1、计算模型

监测点布置为每10m一个监测断面，选择监测断面前后各5m范围内的掘进参数平均值为基础数据。

表5.1.1 盾构下穿地铁试验段参数表

使用多元线性回归分析法计算地表沉降值与以上5个掘进参数的关系，经计算得：

表5.1.2 多元线性回归分析计算表

可得地面沉降值与盾构机掘进参数之间的计算模型为：

2、计算验证

对计算模型进行相关性计算及残差验算可知，该计算模型的R2=0.81＞0.775，拟合效果较好，可以根据此计算模型指导盾构施工掘进参数。本计算模型相关参数及与相关参数残差见下表。

表5.1.3 多元线性回归验证参数

3、参数优化

根据实际施工经验及监测测量规范，将地面沉降值控制在1mm范围内，通过遗传算法对上述计算模型进行求解，得到如下参数：

表5.1.4 掘进最优参数组合

根据试验段计算模型参数可知，盾构正常掘进段将掘进参数控制在以下范围对地面沉降影响最小，掘进推力控制在17500KN；掘进速度控制在56mm/min；土仓压力控制在1.40bar；单环出土量控制在40.1m³；注浆压力需要控制在3.8~3.9bar。故以此对盾构下穿地铁段掘进参数进行指导。

5.2 自动化监测

下穿一号线滂江街站～黎明广场站区间，直接影响地铁区间范围6m，监测范围由直接影响里程向两侧外延，本次地铁保护监测范围为上、下行，计66米。

盾构穿越地铁区间时，对既有地铁监测采用自动化监测，由第三方监测单位专项实施，并将监测数据成果每2h向施工现场及工程参建方反馈，参建方根据实时监测数据指导现场盾构掘进作业。

1、监测点布置及监测频率

在监测范围内主要影响区内每隔3m，布设一个监测断面，次要影响区及可能影响区每隔5m～10m布设一个监测断面，上、下行线共布设22个监测断面，每个监测断面安装4个监测棱镜（道床上2个，结构上2个）。

图5.2.1 盾构穿越1号线滂江街站~黎明广场站自动化监测点布置图

采用自动化监测对盾构掘进施工影响范围内的既有地铁线区间隧道结构及道床进行监测，原结构水平位移、垂直位移等参数可以实时显示，可以及时的为盾构机掘进提供参数指导，引导盾构机安全、顺利穿越既有地铁线路。根据自动化监测系统可以得知，在盾构下穿盾构穿越1号线滂江街站~黎明广场站区间时，原有地铁最大垂直沉降为1.2mm，最大水平位移为0.4mm，均在允许范围之内，且变形量较小，自动化监测技术对盾构下穿既有地铁沉降控制具有相当重要的作用。

图5.2.2 盾构下穿地铁原有地铁沉降监测图

5.3 克泥效工法及深孔二次注浆

1、克泥效工法

由于盾构机本体自重较大，且刀盘开挖直径大于盾体，盾构机在掘进过程中盾体与周边土体之间存在30~50mm的间隙，单环掘进1.2m理论会产生0.35m3的空腔，及时填充处理此空腔会降低盾构机对土体的影响。

本区间在穿越1号线区间隧道时采用克泥效工法，在盾构机掘进的同时采用克泥效浆液( 克泥效与水混合)和催化剂(水玻璃)两液，混合后形成粘稠膏状物从前盾左上与右上部的径向注浆孔注入盾体外部，用以填充盾体与土体之间的空腔。

克泥效工法采用A，B两液混合注入方式。A液为克泥效浆液，配合比为:克泥效∶水=280:125（质量比），B液为水玻璃原液，A液∶B液=20∶1(体积比)，每掘进一环注入0.8m3的克泥效混合物。

2、深孔二次注浆

盾构穿越1号线区间时在电力隧道4区间内对一、四号线区间夹层土进行径向二次深孔注浆加固，穿越地铁段采用16孔特殊管片，用以进行深孔注浆，以提高周边土体的强度和稳定性，降低后期沉降量。

为降低注浆压力过高对土体造成的影响，注浆作业应以“多点注浆、低压注浆、单点少量注浆”为原则。浆液扩散半径为1.5m~2m，注浆圈有效厚度大于2m。注浆压力根据自动化检测系统实时调整，控制在0.4~0.8Mpa。深孔注浆作业在管片脱出盾尾5环后启动。

5.4 盾构下穿地铁掘进参数控制

1、主要掘进参数控制

结合“快速、安全、高效”穿越地铁的原则和沈阳地铁施工类似经验，以及下穿地铁前100m试验段掘进参数计算模型所得优化参数，确定盾构机下穿地铁段参数控制指标，有以下参数。

表5.4 盾构下穿地铁段参数控制指标

其中土仓压力适当降低，是考虑到电力隧道四区间与1号线隧道间净空仅有5.4米，过高的土压可能造成1号线区间隧道隆起变形，则实际推进时土压应控制在1.35~1.4bar。

通过对既有地铁和地面进行监测，可知地铁最大垂直位移为1.2mm；地面最大沉降为1.36mm，均在允许范围之内。

2、同步及二次填充注浆

（1）同步注浆：

为及时填充管片与土体之间的间隙，降低地面沉降、使管片与周边土体一体化固结，在盾构机掘进的同时进行同步注浆。

①注浆配合比：浆液每方材料配合比：水泥：粉煤灰：膨润土：砂：水=100kg：215kg：75kg：220kg：260kg。试验段期间逐步对配合比进行优化，尽量缩短浆液初凝时间并兼顾浆液的可注入性。

②注浆量：同步注浆量理论上是充填盾尾建筑空隙，但同时要考虑盾构推进过程中的纠编、浆液渗透（与地质情况有关）及注浆材料固结收缩等因素。注浆量可用下式进行计算：

式中：

——注浆量（m³）；

——注浆率（取2，其它地段根据实际情况选定）；

———盾尾建筑空隙（m³），

式中：

——盾尾外径（6.23m，由于穿越期间采用克泥效辅助工法，管片脱出盾尾前开挖面与盾尾间间隙已有克泥效浆液填充）

——管片外径（6m）；

——管片宽度（1.2m）；

根据本区间的地质及线路情况，注浆量一般为理论注浆量的2倍，并应通过地面变形观测来调节。则： =5.3m³/环。

（2）二次注浆

根据监测数据，如发现1号线监测数据有明显变化，迅速调整同步注浆、二次注浆参数，对其进行压力和注浆方量双控。

为获得最佳充填效果，二次注浆采用水泥-水玻璃双液浆进行填充，配比为水灰比1:1，水泥浆与水玻璃体积比1:1。

（3）渣土改良

渣土和易性是判定渣土改良成效的最重要标准，和易性较好的表现为，土水不分离、且流动性较好，渣土稠度在12～20。本标段主要穿越土层为中粗砂和圆砾，采用渣土改良效果较好的高分子聚合物作为改良剂，此外，高分子聚合物还能起到减小刀盘扭矩、保持土压稳定的效果。

高分子聚合物的配合比为高分子聚合物原材：水=0.5～0.8‰，使用时只需与水拌制均匀，无需膨化，可随拌随用，每环混合液用量约为3.5m³。高分子聚合物采用分子量不低于800的产品，推进时与泡沫配合使用。

（4）盾构机姿态

在盾构机穿越之前，尽量将盾构机的姿态调整至最佳。

盾构施工过程中，工程技术人员需根据地质变化、隧道埋深、地面荷载、地表沉降、盾构机姿态、刀盘扭矩、千斤顶行程等各种勘探、测量数据信息，正确下达每班掘进指令，及时跟踪调整。

盾构姿态垂直偏差控制10mm之内，平面偏差控制在15mm内，盾构机操作人员须严格执行指令，谨慎操作，对初始出现的小偏差应及时纠正。

调整盾构机千斤顶组合进行纠偏，相对称区域的千斤顶油压差应﹤5Mpa，伸出长度差应﹤2cm，以防止盾构机纠偏过大（一次纠偏量不大于5mm），减少对地层的扰动，为管片拼装创造好的条件。

6结束语

本次盾构下穿既有地铁线路，设置了100m试验段，试验段结合监测数据、地质条件、工程环境和施工实际情况等，通过多元线性回归分析和遗传算法优化调整盾构施工参数确保盾构机顺利穿越原有地铁段。采取自动化监测对既有地铁线路进行实时监测，可为盾构机掘进提供及时的参数指导，确保盾构机掘进参数可控。使用克泥效工法和深孔二次注浆及时对已掘进土体空隙进行填充和加固，降低了盾构机掘进对土体的影响。本次盾构施工穿越地铁的参数控制标准以及施工方法对后续施工及相似工程项目具有指导性意义。

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