盾構近距下穿既有地鐵盾構隧道施工參數控制

馬文輝， 彭 華， 楊成永

(北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044)

盾構隧道施工時可以通過調整掘進速度、排土量、土倉壓力、同步注漿及二次補漿等關鍵參數減小穿越施工對既有鄰近建筑物的影響.目前，針對北京地層環境條件下盾構穿越既有地鐵盾構隧道的工程經驗極少，開展此類工程的盾構施工參數研究對保證既有地鐵正常運營具有較大的工程意義.

國內外學者利用理論分析、數值模擬、模型試驗、現場監測等方法，對盾構穿越施工引起既有隧道的變形規律及其控制措施已經開展過一定程度的研究.文獻［1］提出了地下工程施工引起地表沉降的經驗計算公式，可用于計算盾構施工引起的地表二維沉降.文獻［2］通過引入角度系數修正了Peck的經驗計算公式，所得公式可直接計算盾構斜交下穿施工引起的既有隧道沉降.文獻［3］以上海地鐵新建4號線盾構下穿既有2號線隧道為依托，根據隧道受荷機理和彈性力學原理推導了盾構工作面壓力理論公式，提出了盾構土倉壓力分步臺階控制的方法.文獻［4］針對廣州地鐵3號線盾構上下重疊施工，采用數值模擬和模型試驗方法，考慮剛度等效折減，定性地分析了盾構下穿施工引起上部已建隧道的變形和附加內力.文獻［5］通過模型試驗探討了隧道開挖引起的地層損失與其上方管線變形的關系.文獻［6-8］針對上海地鐵新建11號線盾構上下疊交穿越既有4號線隧道的特殊工況，采用數值模擬并結合實測數據，分析了不同盾構穿越施工次序對既有隧道及地層的影響規律，討論了新舊隧道凈距、土倉壓力、注漿壓力對既有隧道變形影響的權重，對比了不同土倉壓力、注漿壓力、配重量及其范圍對既有隧道變形的影響.文獻［9-10］針對杭州地鐵新建4號線盾構斜交下穿既有1號線隧道，根據實測數據，討論了盾構在到達前、通過時、通過后3個盾構施工階段對既有隧道的擾動程度及規律，分析了推力、土倉壓力、排土量等盾構施工參數對既有隧道變形的影響.文獻［11］結合上海地鐵新建7號線盾構下穿既有2號線隧道的實測數據，分析了既有隧道的變形規律及受施工影響的范圍.

目前研究成果多局限于盾構穿越施工引起的既有隧道變形規律以及對盾構施工參數的預測分析，缺少對北京地區典型地層條件下，盾構穿越既有盾構隧道施工中隧道變形規律與盾構施工參數控制的分析研究，同時也缺少已運營地鐵盾構隧道病害整治方法的研究.

北京市南水北調配套東干渠工程輸水隧洞采用盾構法施工，先后穿越9條地鐵線路，其中，下穿地鐵8號線盾構隧道工程位于北京典型的砂卵石、黏性土地層中，施工期間既有左線隧道沉降23.9 mm，右線隧道沉降 4.8 mm，沉降差異明顯，產生徑向錯臺超限1處，管片接縫及螺栓孔滲水27處，病害嚴重.本文通過分析左右線隧道沉降差異較大的原因，總結了施工參數經驗，按照監測數據闡述了盾構隧道受穿越施工擾動的沉降規律;提出了盾構隧道病害的整治方法，為類似工程提供參考.

1 工程背景

新建東干渠隧洞為外徑6 m、內徑4.6 m的圓形暗涵，一次襯砌為C50預制管片(幅寬1.2 m，厚0.3 m)，二次襯砌為 C35模筑鋼筋混凝土(厚0.4 m).施工采用小松Φ6 340加泥式土壓平衡式盾構機，盾殼厚70 mm，盾尾間隙30 mm，主機全長(刀盤中心刀刀頭到盾尾)11.4 m;面板式盾構，刀盤開口率40%，刀盤開挖直徑6.37 m.

既有地鐵8號線某盾構區間隧道頂板埋深16.3 m;C50預制管片拼裝，外徑6 m，厚度0.3 m;中心線間距12 m.

如圖1，穿越處東干渠半徑為R=400 m曲線段，縱坡0‰，頂板埋深9.6 m.既有線路為直線段，右線縱坡 5.90‰，左線縱坡 5.95‰，頂板埋深6.3 m.東干渠與既有隧道交角 24°24'49″，豎向最小凈距7.3 m.新建盾構隧道747～767共計21環管片位于既有左線隧道下方，768～790共計23環管片位于既有右線隧道下方.

穿越位置地層由現代河道新近沉積地層、第四系沖洪積地層組成.新建隧道位于礫黏雙層地層和礫黏礫多層地層，分布巖性主要為⑤粉質黏土、⑥1卵礫石、⑦層粉質黏土.

圖1 穿越工程平面Fig.1 Planar graph of traversing construction

2 數值模擬分析

施工前基于設計圖紙及施工參數，通過數值模擬評估了下穿施工對既有隧道的影響.

2.1 數值模型

考慮盾構施工影響范圍，采用ANSYS有限元分析軟件建立了沿新建隧道長度方向120 m、垂直隧道方向160 m、深度51 m的數值模型，如圖2所示.土體采用Solid45單元，符合Druck-Prager屈服準則.既有隧道采用Shell63單元.模型上表面自由，四周及底部施加法相約束.

圖2 三維有限元模擬模型Fig.2 3D finite element model

土層參數見表1，盾構結構參數見表2.設定頂推力為14 000 kN，土倉壓力為0.27 MPa，注漿壓力為0.5 MPa.既有隧道剛度受管片錯縫拼裝的影響，須乘以剛度折減系數，其中，橫向剛度折減系數取0.7，縱向剛度折減系數取 0.01［4，12］.

表1 土層參數Tab.1 Soil parameters

表2 盾構結構參數Tab.2 Shield structure parameters

由于受到盾構刀盤的擾動以及盾尾注漿的充填，管片周圍一定厚度范圍內的土體特性將發生變化，在數值模型中，需要建立勻質等厚的“等代層”模擬這一變化過程.等代層的彈性模量、泊松比、密度、厚度等參數的取值通常根據經驗推定，本文根據文獻［13-17］并結合盾構掘進試驗段參數擬定.

采用剛度遷移法［8］模擬新建盾構隧道721～820環的施工過程，如圖3所示.考慮盾構機長度和管片寬度，每個步序瞬時掘進1.2 m(1個管片寬度)，總計100步，其中第n步的模擬內容如表3.

圖3 盾構施工模擬過程Fig.3 Simulation processes of shield construction

表3 模擬內容Tab.3 Simulation contents

2.2 數值模擬結果

(1)既有隧道沉降槽曲線

選擇施工過程中8個典型環片施工結束后既有隧道的沉降結果，如圖4.隨盾構機逐步接近、穿越、駛離，既有隧道沉降逐漸增大，沉降最大位置逐漸向穿越中心移動;在模擬結束時，新建隧道拱頂部位土體沉降為12.90 mm，既有左線隧道沉降為5.90 mm，右線隧道沉降為5.30 mm，最終的沉降槽寬度約為110 m，地層及隧道的變形云圖如圖5.由于盾構機斜交下穿既有隧道，既有隧道沉降呈現非對稱的分布規律，這一結果與文獻［2］結論類似.

圖4 既有隧道沉降槽曲線Fig.4 Settlement curves of existing tunnels

圖5 變形云圖Fig.5 Deformation nephogram

(2)隧道底板沉降時程曲線

繪制穿越中心既有隧道底板沉降的時程曲線，如圖6.

在盾構機到達穿越位置前，穿越中心處既有隧道受擾不明顯，在盾構機刀盤距離隧道1.0D(D為盾構機外徑)時，隧道稍有沉降;在穿越過程中，沉降速率逐漸增大，直至盾構機刀盤駛離既有隧道.隨著盾尾脫出，沉降速率逐漸減小，盾尾駛離隧道2.5D時，沉降趨于穩定.

圖6 隧道底板沉降時程曲線Fig.6 Time-history settlement curves of tunnel floors

3 現場施工及沉降監測

穿越施工中為及時地反映既有隧道沉降規律，預判、控制潛在風險，結合數值模擬給出的沉降槽寬度，在施工影響范圍內的左右線隧道各布設13組監測點，分別監測隧道及軌道結構沉降，如圖7，圖中:JG代表結構，如JG－106表示第6個隧道結構沉降監測點;DC代表道床，如DC－101表示第1個道床結構沉降監測點.穿越中心兩側的9組監測點間距為5 m，其余4組間距為10 m.在施工影響范圍外布設1組基準點，采取自動化監測方式觀測，監測頻率為30 min/次.因正常運營的既有地鐵列車振動會對自動化監測數據采集產生擾動，為了規避該擾動的影響，在采集的數據與之前的數據相比發生突變時，電腦自動在接下來的1 min內再重復采集3次，由操作人員選用其中的1組數據.

圖7 自動化監測布點Fig.7 Arrangement of automatic monitoring

3.1 穿越既有左線隧道施工及結果

2014年1月17日23:00～1月19日16:30，盾構機進行既有左線隧道正下方747～767環管片的掘進與拼裝，結合工前試驗段經驗，同時參考數值模擬結果，確定盾構施工參數為:盾構推力13 000 kN;平均掘進速度 8 mm/min;排土量41 m3/環;土倉壓力 0.27 MPa;注漿量 5.82 ～6.38 m3/環，注漿壓力 0.3 MPa.

實際每環施工的關鍵參數如下:

(1)掘進速度

如圖8(a)所示，穿越既有左線隧道實際平均掘進速度為 10.3 mm/min.

(2)排土量

如圖8(b)所示，穿越既有左線隧道實際平均排土量為 40.93 m3/環.

(3)土倉壓力

如圖8(c)所示，747～750 環為0.280 MPa，751～7 64 環為0.260 MPa，765～767 環為0.270 MPa.

(4)同步注漿量

如圖8(d)所示，穿越既有左線隧道實際平均同步注漿量為60.03 m3/環.

既有左線隧道的沉降最大監測點JG-106數據如圖9所示.由圖9可知，當盾構機完成767環拼裝后，沉降達到 18.5 mm.

圖8 施工關鍵參數Fig.8 Key parameters of construction

圖9 既有左線隧道沉降時程曲線Fig.9 Time-history settlement curve of existing left tunnel floor

典型環片拼裝完成時既有左線隧道沉降槽曲線見圖10.由于新建隧道與既有隧道是斜交，沉降槽具有非對稱性.

圖10 既有左線沉降槽曲線Fig.10 Settlement curves of existing left tunnel in typical stages

既有左線隧道沉降過大，遠超出數值模擬預測結果，究其原因如下:

圖11 施工關鍵參數Fig.11 Key parameters of construction

(1)土倉壓力在穿越施工初期保持在0.280 MPa，穿越既有左線隧道施工中急劇下降至0.260 MPa.土倉壓力急劇變化造成開挖面失穩，導致既有隧道沉降增大.在黏性土中，土倉壓力調整級差不宜大于 0.005 MPa［18］.(2) 同步注漿壓力未達到數值模擬要求的0.50 MPa，也未采取二次補漿措施，導致建筑空隙充填不密實.(3)新建隧道位于半徑R=400 m的曲線地段，當掘進速度過快且波動較大時，盾構糾偏量、土倉壓力及注漿質量不易控制，導致土層受擾過大且不能得到及時抑制.

3.2 穿越既有右線隧道施工及結果

吸取穿越既有左線隧道失敗的經驗教訓，對盾構施工參數作出如下調整:盾構推力提高2 000 kN達到15 000 kN;同步注漿壓力提高0.2 MPa達到0.5 MPa;增加二次補漿措施:漿液為水泥-水玻璃雙液漿，補漿位置距拼裝管片6～8環，注漿量1.00～1.50 m3/環，注漿壓力 0.20～0.35 MPa;掘進速度、土倉壓力必須嚴格執行既定方案.

2014年1月19日16:30～1月22日5:00盾構機完成既有右線隧道正下方768～790環管片的掘進與拼裝.實際每環施工的關鍵參數如下:

(1)掘進速度

如圖11(a)所示，穿越既有右線隧道實際平均掘進速度為 7.80 mm/min，較之前減慢了 2.50 mm/min.

(2)排土量

如圖11(b)所示，穿越既有右線隧道實際平均排土量為40.97m3/環，與之前一致.

(3)土倉壓力

如圖11(c)所示，始終保持在0.270 MPa.

(4)同步注漿量

如圖11(d)所示，穿越既有右線隧道實際平均同步注漿量為60.06 m3/環，與之前一致.

既有右線隧道沉降最大監測點JG-207數據如圖12所示，當盾構機掘進完成790環拼裝后，沉降達到 1.8 mm.

圖12 既有右線隧道沉降時程曲線Fig.12 Time-history settlement curve of existing right tunnel floor

典型環片拼裝完成時既有右線隧道沉降槽曲線見圖13，由于隧道沉降較小，沉降槽未呈現明顯的非對稱性.

圖13 典型階段既有右線隧道沉降槽曲線Fig.13 Settlement curves of existing right tunnel in typical stages

3.3 穿越既有左右線隧道施工結果總結

歸納了盾構機掘進到不同位置時既有左右線隧道沉降值如表4.

總結分析盾構穿越施工參數及監測數據，得到如下結論:

(1)采用合理的盾構施工參數是控制既有隧道沉降的關鍵:宜在合理范圍內提高頂推力;土倉壓力調整級差不宜大于0.005 MPa;宜在合理范圍內提高注漿量和注漿壓力，同步注漿壓力為0.5 MPa，二次補漿壓力為 0.20～0.35 MPa，嚴格保證二次補漿質量;適當減緩掘進速度，有利于精確控制糾偏量和土倉壓力、提高注漿施工質量.

表4 盾構掘進至不同位置時既有隧道沉降值Tab.4 Settlement of existing tunnels when shield tunnels to different locations mm

(2)數值模擬可準確評估穿越施工對既有隧道影響程度.盾構機穿越既有右線隧道時嚴格依照了原定施工參數且略有加強，故其沉降規律與數值模擬結果一致，且沉降值略小于預測值.

(3)綜合圖 9、12，雖然既有左線隧道沉降23.90 mm，右線沉降 4.80 mm，沉降差異明顯，但其隨盾構機掘進的沉降規律較為一致.盾構機到達隧道外緣前，既有隧道受到了一定程度的擾動，在0上下產生小幅波動;盾構機距離隧道外緣0.5D～1.0D時，沉降速率緩慢增大;盾構機抵達隧道下方直至盾尾脫出期間，沉降速率達到極值;盾尾脫出隧道外緣2.0D～2.5D后，沉降速率方逐漸減小;待盾尾脫出隧道外緣4.5D～5.5D后，沉降方趨于穩定.總體規律與數值模擬分析結果較為吻合.

4 隧道產生的病害及整治

盾構機駛離影響范圍后，既有隧道由于沉降新增了如下病害:

(1)盾構管片接縫處及螺栓孔處發現27處滲漏水，如圖14;(2)左線軌道幾何尺寸偏差超出了綜合維修管理值［19］;(3)道床表面新增18條橫向裂縫，寬度在0.50～1.69 mm，深度在 50～195 mm，長度在 0.13～1.7 m.

因運營地鐵夜間天窗作業時間短，治理設計方案必須針對盾構管片接縫漏水、螺栓孔漏水以及道床裂縫快速處置.

圖14 典型滲漏照片Fig.14 Typical tunnel leakage photos

4.1 盾構管片接縫滲漏水治理

管片接縫滲水不同于結構裂縫滲水，不能通過直接封堵或下半圓鐵片封堵.考慮到流動水條件，需要采取化學材料注漿止水.具體方法是在確定的滲漏部位兩端布設限定終止孔(孔深至止水條)，終止孔范圍內的拼縫采用速凝水泥外封，終止孔之間沿拼縫埋注漿鋁管，孔徑 80 mm，孔深 50～80 mm，孔距 350～400 mm，速凝水泥嵌縫埋管.采用環氧樹脂注漿，壓力 0.3～0.4 MPa，次日檢查孔口管，及時補漿.

4.2 盾構螺栓孔滲漏水治理

螺栓孔滲漏處理需要拆卸螺栓孔螺帽，同時清除螺栓的泥垢、銹跡.類似接縫滲漏水的治理方法，采用阻塞球堵塞螺栓孔一端，另一端插入小鋁管，采用早強水泥密封，在對拉螺栓兩側鉆終止孔，孔徑6 mm，孔深80 mm，采用環氧樹脂注漿，壓力0.3～0.4 MPa，次日檢查孔口管，及時補漿，5～7 d后拆管和拔出塞球，清除螺栓孔中的早強水泥，涂上環氧樹脂漿液，并安裝螺栓帽.

4.3 道床結構裂縫治理

考慮到道床始終受動荷載影響，為滿足裂縫處理后伸縮要求，裂縫化學注漿處理采用壓力注膠器壓注高韌性、低收縮的AB-4可撓型灌漿樹脂，抗壓強度大于 70 MPa(韌性)、拉伸強度大于10 MPa、粘接強度大于3 MPa、延伸率為30～50%.

對寬度小于0.5 mm的裂縫直接壓入樹脂，其余的裂縫采用樹脂加入可滑石粉進行灌注，樹脂與可填充物的比例不小于20%.注漿后恢復混凝土結構完整性，填充樹脂的抗拉、抗壓強度須大于原混凝土強度.

滲漏及裂縫病害的整治結束后至今已有3 a，原滲漏的接縫和螺栓孔未再發現濕漬;道床裂縫充填密實，未再開裂.

5 結 論

結合盾構穿越既有地鐵盾構隧道實例，采用數值模擬、現場監測等方法，分析了既有隧道沉降監測數據以及盾構施工參數，分析了既有左右線隧道沉降差異較大原因，得出如下結論:

(1)受穿越施工影響，雖然既有左右線隧道沉降差異明顯，但沉降規律較為一致.在充分考慮盾構施工參數前提下，數值模擬可準確評估穿越施工對既有隧道影響程度.

(2)盾構穿越施工中尤其需要注意控制土倉壓力，適當提高注漿壓力，確保同步注漿及二次補漿充填質量，曲線段適當減緩掘進速度.

(3)針對施工結束后既有隧道出現的管片接縫和螺栓孔滲漏水、道床結構裂縫等病害，考慮到運營地鐵維修作業時間短，宜通過化學注漿治理滲漏水;考慮到道床受動荷載影響，為滿足裂縫處理后的伸縮要求，宜通過壓力注膠充填可撓型樹脂治理裂縫.

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