盾構近距離下穿既有鐵路隧道沉降控制技術研究

李孝譚

摘 要：以深圳地鐵某區(qū)問盾構下穿既有鐵路隧道工程為背景，運用FLAC3D軟件對施工過程進行模擬，結合現(xiàn)場實時監(jiān)測數據對沉降進行分析，并通過對盾構近距離下穿既有鐵路隧道的整個施工過程進行調查、研究與分析，提出盾構下穿既有鐵路隧道沉降控制的有效技術措施。結果表明：1）設置試驗段，根據試驗段監(jiān)測反饋對施工方案進行調整，對穿越段施工有極大的參考意義;2）適當增大推進土壓，提升推進速度，可提高沉降控制效果;3）在盾尾設置雙液漿隔離環(huán)和盾體注入厚漿，在沉降控制中起到了十分積極的作用。

關鍵詞：盾構隧道;近距離;下穿既有鐵路;數值模擬;沉降控制

伴隨我國城市軌道交通建設的發(fā)展，新建地鐵線路將越來越多地穿越重要建筑物及隧道，施工所面對的環(huán)境條件越來越復雜。如果盾構在復雜環(huán)境中的掘進對已有結構的穩(wěn)定性影響較大，導致其安全及使用功能無法保障，將造成巨大的損失和不良的社會影響，故如何控制隧道開挖對既有線路穩(wěn)定性的影響，是近年來盾構法施工面臨的一個重要問題。

目前針對盾構近距離下穿既有隧道的措施多采用既有隧道超前預加固的方式，但存在工程造價高的問題。本文以深圳某地區(qū)地鐵隧道近距離下穿既有鐵路隧道為背景，借助數值模擬軟件進行模擬分析，結合實際監(jiān)測數據，在未對既有隧道采取超前預加固的前提下提出比較合理的盾構施工方法，以最大程度地減小盾構施工對既有隧道穩(wěn)定性及地表沉降的影響。

一、工程概況

新建地鐵隧道采用土壓平衡式盾構機，線路間距12m，最大坡度28‰，盾構管片外徑6.7m，內徑6m。新建地鐵隧道與既有穗莞深鐵路隧道近距離下穿，既有隧道為盾構施工隧道，沉降控制標準6mm，地表沉降控制標準30mm。下穿影響區(qū)域內，與穗莞深鐵路隧道凈距僅4米，主要穿越的地層為中風化混合花崗巖和微風化混合花崗巖。

二、數值模擬分析

（一）計算模型的建立

本文運用數值模擬的方法，采用FLAC3D軟件建立的三維模型進行分析計算。根據數值模擬計算結果，得出地鐵盾構下穿既有鐵路隧道的擾動程度，以指導施工，從而確保已運營地鐵隧道的安全。

（二）模型分析結果

1、城際鐵路隧道結構豎向位移

地鐵區(qū)間隧道施工模擬完成后，選取評估斷面，得到地表、城際鐵路隧道拱頂及拱底縱向沉降位移曲線，可以得到以下結論：

1.1隨著距新建隧道對稱面距離的增加，不同位置的沉降均逐漸減小，且各沉降槽曲線形式基本相同，符合高斯沉降曲線特征;

1.2隨著距地表距離的增加，即逐漸靠近新建隧道，沉降槽曲線逐漸變得越來越深，寬度越來越窄，峰值增加;

1.3新建區(qū)間雙幅隧道施工完成后，管片底部位置沉降槽曲線具有“雙峰”性，峰值點分別位于新建隧道中心線位置。但隨著距新建隧道距離的增加，這一特征發(fā)生變化，拱頂和地表位置沉降槽曲線表現(xiàn)出“單峰”性，峰值出現(xiàn)在新建隧道的對稱面上;產生此結果的原因是越靠近新修隧道受影響越大。

1.4評估斷面地表最大沉降值為0.424mm，拱頂位置最大沉降值為0.588mm，拱底位置具有兩個峰值，分別為0.412mm和0.509mm，因此城際鐵路隧道拱底位置最大沉降出現(xiàn)在區(qū)間右線隧道中心位置處。

由以上結論可知城際鐵路隧道沉降位移滿足城際鐵路隧道變形控制標準。

2、城際鐵路隧底差異沉降

本著隧道底部的差異沉降與道床一致性要求，通過分析隧底的差異沉降來反映道床的差異沉降規(guī)律。城際鐵路隧道左右線隧底沉降槽曲線具有“雙峰”性，而且沉降基本集中在峰值前后10～15m范圍內，根據《城市軌道交通結構安全保護技術規(guī)范》規(guī)定，差異沉降評估弦長取10m，允許差異沉降為4mm，而由上節(jié)數據可知，左右線最大差異沉降值為0.496mm，因此，差異沉降滿足規(guī)范要求。

3、城際鐵路隧道結構水平位移

區(qū)間隧道施工模擬完成后，得到城際鐵路隧道拱腰縱向水平位移曲線，可以得到以下結論：

3.1城際隧道左右線位置處水平位移曲線規(guī)律性不強，隧道周圍土體受擾動顯著，但是整體趨勢一致;

3.2距新建隧道左右線線中間點（斷面）的距離為40m范圍外，管片中部位置處的水平位移逐趨近于0;

3.3左右線管片中部水平位移峰值分別為0.191mm和0.193mm。

由以上結論可知城際鐵路隧道結構整體水平位移值較小，滿足城際鐵路隧道變形控制標準。

三、施工措施

（一）盾構區(qū)間穿越在建穗莞深隧道風險區(qū)劃分

為加強穿越工程中的過程控制，實施差別化管理，并為正式穿越施工提供可靠的各項技術參數，對穿越工程實施穿越掘進風險分析。

結合相關工程經驗，并考慮到本工程特點，分區(qū)設置如下：

1、左線分區(qū)：自349環(huán)→382環(huán)為預警區(qū)，自383環(huán)→426環(huán)（下穿段）為施工高風險區(qū)，自427環(huán)→460環(huán)為預警區(qū);

2、右線分區(qū)：自372環(huán)→405環(huán)為預警區(qū)，自406環(huán)→445環(huán)（正式下穿段）為施工風險區(qū)，自446環(huán)→479環(huán)為預警區(qū);

（二）下穿前準備工作

1、穗莞深隧道調查

盾構始發(fā)前，聯(lián)合監(jiān)理、業(yè)主及穗莞深施工單位對穗莞深隧道表面、滲漏點和裂縫等及隧道的現(xiàn)狀情況進行詳細檢測并記錄。

2、技術準備

根據對在建隧道的調查與補充地質勘探成果，緊密結合工程條件，評估盾構施工的特點和水平，提前編制施工技術方案，并通過內部討論、專家會審等程序對技術方案進行優(yōu)化。

3、物資準備

按照施工方案、技術交底以及應急預案做好施工所需物資準備。

4、監(jiān)控量測

采用人工監(jiān)測，在穗莞深隧道內采用實時監(jiān)測采集數據系統(tǒng)數據為依據，分別對垂直沉降、水平位移、隧道斷面收斂變形等進行詳細監(jiān)測，做到數據的快速采集、確保及時的反饋。

（三）盾構施工參數控制

1、土倉壓力

土壓平衡式盾構機掘進的原理是建立在開挖面前后的水土壓力平衡。在盾構掘進的不同階段，土壓力設定是變化的，施工中考慮不同地質和隧道覆土的變化，結合環(huán)境監(jiān)測數據不斷調整。因此，平衡土壓值的設定是土壓平衡式盾構施工關鍵，通過計算理論土壓力與實際設定土壓力進行比較，判斷土壓力是否滿足施工需要，設定土壓力。

2、出土量

土壓平衡盾構是以切口環(huán)做為密閉土倉，盾構推進中切削后土體進入密閉土倉，隨著進土量增加建立一定的土壓力，在通過螺旋輸送機完成排土，而土倉壓力值是通過出土量進行控制。因此，出土量的多少、快慢與設定的土壓力值密切相關，操作人員可通過每環(huán)理論出土量與實際每環(huán)出土量進行比較，判斷出土量

3、掘進速度

盾構掘進速度主要受盾構設備進、出土的限制，若進出土速度不協(xié)調，極易出現(xiàn)正面土體失穩(wěn)和地表沉降等不良現(xiàn)象，因此，應盡量保持均衡勻速連續(xù)組織掘進作業(yè)。當出現(xiàn)異常情況時，應及時停止掘進，封閉正面土體，查明原因后采取相應的措施處理。

4、千斤頂推力

盾構是依靠安裝在支撐環(huán)周圍的千斤頂推力向前推進，推力的大小與盾構掘進所遇到的阻力有關，正確地使用千斤頂是盾構是否能沿設計軸線（標高）方向準確前進的關鍵。因此，在每環(huán)推進前，應分析盾構趨勢，正確的選擇千斤頂編組，合理的進行糾偏。

5、注漿措施

同步注漿時要求在地層中的漿液壓力大于該點的靜止水壓及土壓力之和，做到盡量填補同時又不產生劈裂。注漿壓力過大，管片周圍土層將會被漿液擾動而造成后期地層沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑漿;而注漿壓力過小，漿液填充速度過慢，填充不充足，會使地表變形增大，本標段即0.3～0.45Mpa.

6、二次注漿

二次注漿通過二次注漿泵將漿液通過管片吊裝孔注入管片與周圍土體之間，二次注漿采用壓力控制，壓力控制在0.5MPa之間。二次注漿泵安裝在移動平臺上，可對脫出盾尾4環(huán)后的管片進行二次注漿。

7、盾體上注厚漿

本工程選用海瑞克盾構機，為減少該階段沉降，應盡量縮短盾體通過時間，因此需保證盾構能連續(xù)掘進，防止盾構機發(fā)生不必要的停機。

8、渣土改良技術

土壓平衡盾構在上軟下硬地層掘進時，渣土改良是保證盾構安全、順利、快速的一項不可或缺的重要技術手段。本工程選用法國唐達特泡沫劑進行土體改良。

四、變形數據分析

新建區(qū)間隧道中心線與穗莞深隧道相交正穿范圍沿成型穗莞深隧道方向按6m間距向兩側布設監(jiān)測點，兩邊次影響范圍按照10米間距向兩側布設監(jiān)測點，點位布設在隧道側壁的管片上，各監(jiān)測點用埋點元件配合觀測連接桿和圓棱鏡，測點元件錨固于監(jiān)測位置的側壁中，每條隧道共布設20個斷面。

在數據監(jiān)測中設定警戒指標，監(jiān)測點預警分析情況，當變形速率或變形量達到相關指標時，監(jiān)控人員馬上發(fā)出警戒信息，及時向有關各方匯報，并加強監(jiān)測頻次，加強隧道結構巡查。

（一）沉降數據統(tǒng)計

由于南北方向水平位移較小，本次只統(tǒng)計分析穗莞深城際線東西方向水平位移及垂直沉降數據。本次下穿最大沉降2.2mm。

（二）沉降數據分析

1、盾構推進對前方鐵路隧道結構影響范圍大約在30m范圍內。從圖上可知，對于前方鐵路隧道結構的沉降為微微隆起+0.4mm。但是持續(xù)的時間較長，沉降是在一個緩慢的過程中完成的，并且有發(fā)生地表隆起的現(xiàn)象。

2、盾構推進對后方土體擾動沉降的影響范圍主要在0～10m范圍內，所以本階段沉降一般會有突然變化，且變化速率最大，為-1.5mmm，為最大沉降值的35%。

3、盾構通過和盾尾脫出階段鐵路隧道結構沉降同樣較大，是最大沉降值的45%。因此，盾構通過和盾尾脫出階段是沉降的主要階段。要控制最大沉降，必須從以上兩個階段著手。

4、固結沉降是一個較長期的過程，為沉降值的15%，二次注漿對鐵路隧道結構最終沉降有著較大的影響，通過二次注漿，可以使鐵路隧道結構最大沉降值減小，不僅使后期沉降大大減小，而且使沉降有所回升。

五、結論和建議

就盾構施工而言，軟硬不均地層條件下穿越鐵路隧道的確是盾構法施工中的重大難題，施工風險高，控制難度大。就目前所具有的技術水平來看，這個難題是可以克服的，其風險也是可控的，主要應做好以下幾點：

1、對盾構下穿施工工程本身的特點、難點、重點，如工程地質、水文地質及其對工程的影響，內外環(huán)境的影響，工程風險等，對其全面、深刻的認識和理解是克服施工難題、控制風險的前提。

2、盾構選型設計制造合適的盾構機，確保其功能、技術性能的適應性和可靠性，保證盾構機能夠適應工程的地質和環(huán)境條件，是克服施工難題、控制施工風險的基礎。

3、完善的監(jiān)測手段、合理的監(jiān)測頻率、及時的信息反饋和動態(tài)調整是確保工程安全的關鍵，也是實現(xiàn)“人-盾構-環(huán)境”復雜系統(tǒng)自我調節(jié)、自我完善的保證。

4、“管理高于技術”，優(yōu)秀的組織管理，確保現(xiàn)場按照方案和技術手段落實，精心策劃、科學組織、規(guī)范施工、嚴格過程管理控制是克服施工難題、控制施工風險的基礎。

5、充分估計困難和風險，采取必要的輔助措施，并充分準備應急預案，做到有備無患，是克服施工難題、控制施工風險的必要手段。

6、由于盾構下穿既有線工程的復雜性，針對具體工程加強技術研究和攻關，積極運用新技術、新設備和新裝備，對安全順利的下穿既有線施工是很有必要的。