卵石地層中地鐵盾構近距下穿盾構隧道施工沉降控制

馬文輝，楊成永，彭 華，程 霖，車敬珂，王永剛

(1.北京交通大學 土木建筑工程學院，北京 100044；2.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082；3.中鐵一局集團有限公司北京分公司，北京 100176)

盾構法廣泛應用于基礎建設領域，隨著地鐵網絡的形成與發展，盾構施工穿越既有盾構隧道的工程愈來愈多，然而針對北京卵石地層環境條件下類似工程及其經驗總結極少。為了減小盾構穿越施工對既有隧道的影響，確保地鐵的安全運營，有必要開展盾構施工影響規律及參數控制方面的研究。

許多學者針對盾構穿越施工對地表及既有建(構)筑物沉降的影響及其控制方法做了一定的研究。在盾構穿越施工對地表沉降影響方面：宮亞峰等[1]依托長春地鐵2號線盾構施工工程，通過數值模擬和現場實測，探討了雙線盾構施工影響下地表沉降的規律。CHAKERI et al[2]通過理論分析、數值模擬及現場實測等方法，研究了盾構施工時的隧道埋深、圍巖壓力以及土倉壓力等參數變化與地表沉降的內在聯系。ZHANG et al[3]通過數值模擬，研究了雙線盾構施工引起的刀盤上方及其前方的地層變形規律。在盾構穿越施工對既有建(構)筑物沉降影響方面：張潤峰等[4]依托杭州地鐵2號線盾構下穿既有建筑工程，通過現場實測，研究了盾構施工影響下建筑物沉降的規律。廖少明等[5]、李磊等[6]、ZHANG et al[7]依托上海地鐵11號線盾構上下疊交穿越既有4號線隧道工程，通過數值模擬和現場實測，分析了盾構施工影響下既有隧道沉降的規律。盧岱岳等[8]考慮了土倉壓力和盾尾土體損失等因素，推導了盾構施工引起的周圍土體位移的解析表達式，進而計算了平行、正交以及重疊等形式下盾構施工引起的既有隧道附加位移。張曉清等[9]通過模型試驗和數值模擬，分析了多線疊交盾構隧道在多種穿越形式下地表和既有隧道沉降的規律。同時一些學者討論了盾構主要施工參數的變化對既有隧道沉降的影響：SZE et al[10]依托新加坡地鐵盾構下穿既有隧道工程，通過現場實測，研究了盾構施工的關鍵參數及其變化對既有隧道的影響。張瓊方等[11]依托杭州地鐵4號線盾構下穿既有1號線隧道工程，通過現場實測，分析了盾構施工影響下既有隧道沉降的規律，探討了頂推力、土倉壓力等施工參數的選取與優化。劉建國等[12]依托深圳地鐵5號線盾構上穿既有11號線隧道工程，闡述了參數設置和施工監測等軟土地區盾構穿越施工經驗。

目前研究成果多偏重于盾構穿越施工影響下地表和既有隧道沉降規律的分析與總結。缺少針對卵石地層條件下，結合盾構穿越施工參數的既有盾構隧道沉降規律的研究。

依托北京西部地區典型的卵石地層中地鐵16號線雙線盾構施工近距下穿既有4號線盾構隧道工程，本文討論了適合卵石地層的盾構特征，分析了盾構穿越施工影響下既有隧道沉降的規律，總結了調控盾構施工參數的經驗，可為類似工程提供參考。

1 工程背景

盾構施工采用了曾承擔南寧地鐵1號線施工的中鐵裝備CTE6650土壓平衡式盾構機，盾體直徑6.64 m，輻條刀盤直徑6.68 m.

如圖1所示，新建隧道與既有隧道均位于R=350 m的曲線段。既有隧道中心線間距14.0 m，新建隧道中心線間距17.0 m.隧道均由6塊襯砌管片組成，既有隧道外徑6.0 m，環寬1.2 m，管片厚0.3 m；新建隧道外徑6.4 m，環寬1.2 m，管片厚0.3 m.

圖1 穿越施工平面圖Fig.1 Planar graph of traversing construction

如圖2所示，既有隧道頂部埋深13.5 m，新建隧道位于其下方3.99 m，隧道間交角51°.

圖2 穿越施工剖面圖Fig.2 Profile of traversing construction

穿越施工位于永定河沖洪積扇北部，地貌為典型的第四紀沖洪積平原，地層依次為①填土、②5卵石、③粉質黏土、⑦卵石、⑧粉質黏土、⑧3粉細砂、⑨4粉質黏土，見表1.既有隧道位于粉質黏土層，而新建隧道位于卵石層。

表1 地層參數Table 1 Stratum parameters

新建左線隧道先于右線隧道施工。如圖1所示，新建左線隧道第196～246環和右線隧道第179～229環屬于穿越施工的影響段，其中左線隧道第208～218環、第223～233環和右線隧道第191～203環、第208～218環位于既有隧道正下方。

新建與既有隧道的凈距僅為3.99 m，此時必須針對卵石地層特點對土壓平衡盾構機進行升級改造，準確地預判施工的影響程度及其范圍，嚴格地控制盾構施工參數，加強洞內注漿、補漿措施，方能在確保既有地鐵安全且不限速運營的同時，順利完成左右線隧道先后2次的穿越施工。

2 盾構適應性改造

施工采用的土壓平衡盾構機曾承擔南寧地鐵1號線某標段的施工作業，其技術參數適合粉土、泥巖等地層的掘進。而新建隧道位于北京典型的卵石地層，卵石粒徑40～60 mm，最大粒徑100 mm，粒徑大于20 mm顆粒的質量占總質量的65%～75%，亞圓形，母巖成分為中粗砂充填的灰巖、安山巖、石英砂巖、白云巖。卵石地層力學不穩定地層，開挖面反應靈敏，易坍塌；卵石顆粒塑流性差，土渣外排較難，土壓平衡不易形成[16]；盾構施工時刀盤、刀具易磨損，而開倉換刀難度大。

為了使盾構機充分地適應卵石地層的掘進，盾構機整體性能需要從以下幾方面改造提升。

2.1 耐磨性能

盾構刀盤確定為六牛腿、六輻條結構的Φ6 680 mm輻條刀盤，刀盤開口率60%.刀盤面板及外圈梁選用耐磨性能優越的耐磨復合板覆蓋，未覆蓋區域焊接耐磨網格。刀盤圈梁靠近切口環處鑲焊耐磨保護刀具。

盾構采用內徑800 mm的螺旋輸送機，軸式葉片，螺距630 mm，最大出渣粒徑達到Φ300 mm×560 mm.螺旋軸的取土端外殼焊接耐磨合金條，螺旋葉片邊緣焊接硬質合金塊，受碴土摩擦一側葉片的堆焊接硬質合金條紋如圖3所示。

圖3 螺旋輸送機的耐磨合金條紋Fig.3 Wear resistant alloy stripe of screw conveyor

2.2 脫困性能

盾構主驅動在原有驅動基礎上，新增1組馬達和1組減速機，共計9組馬達，提高額定扭矩至6 650 kN·m，脫困扭矩至8 100 kN·m.

2.3 注漿及泡沫系統性能

盾構除常規兩側布置的注漿管外，在盾尾上方增設2根同步注漿管，直接對拱頂部位同步注漿，進一步抑制地層沉降。

為了改善土體粒狀構造，增強卵石顆粒流動性，減小刀盤磨損，盾構增設4路采取預混合方式的單泵單管單噴口泡沫注入系統，通過刀盤上6個注入口注入。

3 數值模擬分析

在施工前依據初步的設計方案，采用Ansys軟件建立有限元模型，逐步序地模擬盾構掘進過程，以掌握盾構施工對既有隧道的影響范圍、程度和規律，為隧道沉降監測布點和盾構施工參數的確定提供依據。

3.1 數值模型

考慮模型邊界效應[17]，建立長度垂直新建隧道方向200 m，沿新建隧道方向160 m，高度50 m的有限元模型。隧道采用Shell63單元，土體采用Solid45單元，符合Druck-Prager屈服準則，如圖4所示。模型的四周及底部均為法向約束，上表面自由。

圖4 三維有限元模擬模型圖Fig.4 3D finite element model

盾構逐環掘進的過程采用剛度遷移法[13-15]模擬。盾構隧道結構及等代層的參數如表2所示，設定頂推力9 600 kN，土倉壓力0.11 MPa，注漿壓力0.2 MPa.既有盾構隧道考慮錯縫拼裝，橫向剛度折減0.3.

表2 盾構結構參數Table 2 Shield structure parameters

3.2 數值模擬結果

圖5為關鍵施工階段的既有隧道底部沉降的曲線。

首先左線盾構先行施工，既有隧道在施工前期有輕微上浮；隨著盾構施工，既有隧道的沉降增大，最大沉降位于左線盾構上方，沉降曲線呈“V”型；左線盾構施工結束后，既有左右線隧道最大沉降分別為1.95 mm、2.08 mm.隨后右線盾構施工，位于右線盾構上方的既有隧道沉降逐步增大，最終沉降曲線呈“W”型。根據隧道沉降槽的型式、寬度、反彎點等要素初步確定沉降監測點的布點位置如圖5所示。既有左右線隧道雖有先后受擾之分，但最終的沉降形態一致，最大沉降均發生在新建隧道的上方，最終沉降分別為2.38 mm、2.49 mm.

4 現場施工與沉降監測

為實時了解穿越施工過程中既有隧道的沉降趨勢，預判工程風險，考慮新建與既有隧道間的位置關系，參照數值模擬計算的施工影響范圍，最終確定自動化沉降監測點的布點位置及其間距，其中在既有隧道沉降較大區域布置14個監測點，在施工影響區域外布置2個監測基準點，如圖6所示。

圖5 既有隧道沉降曲線Fig.5 Settlement curves of existing tunnels

圖6 自動化監測布點Fig.6 Arrangement of automatic monitoring

為確保穿越施工中既有地鐵隧道結構及運營的安全，盾構需要在預設參數基礎上，根據監測數據實時優化掘進速度、土倉壓力、同步注漿等關鍵參數以減小穿越施工中既有隧道的沉降。

4.1 左線盾構施工及結果

依據盾構先期施工經驗，參考數值模擬結果，確定盾構穿越施工參數：頂推力9 600 kN、掘進速度50 mm/min、出土量47 m3/環、土倉壓力0.11 MPa，糾偏不超過1%.

同步注漿采用水泥砂漿(水泥100 kg、粉煤灰450 kg、膨潤土150 kg、砂子150 kg、水520 kg)，漿液初凝時間6～8 h，注漿量5 m3/環，同步注漿壓力0.2～0.3 MPa.

盾構施工參數受施工現場諸多因素影響，實測數據較為離散。在繪制圖7和圖9時，盾構每環的施工參數以散點標示，同時采用多項式擬合的方法，繪制參數擬合曲線，以更為直觀的方式揭示施工參數的變化趨勢。

從2016年5月22日21:15開始至5月24日20:57止，左線盾構完成穿越施工，實際施工參數如下：1) 如圖7(a)所示，頂推力逐步降低，平均頂推力為9 544 kN；2) 如圖7(b)所示，隨著頂推力的逐步降低，扭矩也逐步降低，平均扭矩為2 235 kN·m；3) 如圖7(c)所示，掘進平均速度為55 mm/min；4) 如圖7(d)所示，平均出土量為49 m3/環；5) 如圖7(e)所示，平均土倉壓力為0.11 MPa；6) 如圖7(f)所示，平均注漿壓力為0.22 MPa，平均注漿量為6.1 m3/環。

圖7 施工參數Fig.7 Construction parameters

通過處理新建隧道與既有隧道中心線交點處的JCZ3、JCY3、JCZ5、JCY5測點在穿越施工中的沉降監測數據，得到既有隧道沉降的時程曲線，如圖8所示。

圖8 既有隧道沉降時程曲線Fig.8 Time-history settlement curves of existing tunnel floors

左線盾構施工中測點的沉降分析如下：

第196～207環，即盾構到達既有右線隧道前，JCY5測點波動上浮，最大上浮0.62 mm.第208～218環，即盾構穿越既有右線隧道過程中，施工對既有隧道下方土層的擾動較大，隨著盾構施工參數的調整，JCY5測點達到最大上浮0.75 mm后隨即快速下沉，最大沉降-1.42 mm.

第196～222環，即盾構到達既有左線隧道前，JCZ5測點波動上浮至0.33 mm后下浮至0.30 mm.第223～233環，即盾構穿越既有左線隧道過程中，JCZ5測點快速下沉至-1.52 mm.

在左線盾構施工結束后，既有左右線沉降分別為-1.68 mm、-1.73 mm.根據實時的監測數據，既有右線隧道在左線盾構到達前產生了較大程度的上浮，盾構施工參數隨即進行了調整：逐步減小頂推力至9 400 kN，提高出土量至48 m3，減小土倉壓力至0.10 MPa，從而有效地減小了既有左線隧道的上浮。從圖7(f)也能反映出，在穿越影響段同步注漿量及注漿壓力有所提高，充分地填充了空隙，通過抑制土層的沉降使得既有左線隧道的沉降較右線隧道減小約0.3 mm.

4.2 右線盾構施工及結果

在總結左線盾構施工經驗的基礎上，調整優化了右線盾構穿越施工參數，進一步地減小了施工對既有隧道的影響：1) 頂推力提高至9 400 kN；2) 出土量提高至49 m3/環；3) 土倉壓力降低至0.10 MPa；4) 保證二次補漿質量，漿液配合比為水泥150 g、水60 mL、水玻璃108.4 mL，初凝時間2 min 40 s.

從2016年6月6日9:50開始至6月9日10:43止，右線盾構完成穿越施工，實際施工參數如下：1) 如圖9(a)所示，頂推力逐步提高，平均頂推力為9 807 kN；2) 如圖9(b)所示，刀盤扭矩隨著頂推力的逐步提高，扭矩也逐步降低，平均扭矩為2 866 kN·m；3) 如圖9(c)所示，掘進平均速度為46 mm/min；4) 如圖9(d)所示，平均出土量為47 m3/環；5) 如圖9(e)所示，平均土倉壓力為0.11 MPa；6) 如圖9(f)所示，注漿平均壓力為0.26 MPa，平均注漿量為5.8 m3/環。

右線盾構施工過程中JCY3、JCZ3測點的沉降情況如圖8所示。

盾構到達既有隧道前，JCY3、JCZ3測點由于左線盾構施工影響，已產生了-0.39 mm、-0.30 mm的沉降。

第179～190環，即右線盾構到達既有右線隧道前，JCY3測點繼續波動下沉，最大沉降-0.58 mm.第191～203環，即盾構穿越既有右線隧道過程中，JCY3測點快速下沉至-1.65 mm.

第179～207環，即盾構到達既有左線隧道前，JCZ3測點波動下沉至-0.35 mm.第208～218環，即盾構穿越既有左線隧道過程中，JCZ3測點快速下沉至-1.58 mm.

雖然右線盾構根據左線盾構施工經驗調整了參數設定值，但根據監測數據，既有右線隧道在右線盾構到達前，產生了一定程度的下沉。隨即調整了施工參數：逐步提高頂推力至9 700 kN、降低出土量至47 m3，土倉壓力提高至0.11 MPa.在盾構離開穿越影響段后，依然保持了較高的同步注漿量及注漿壓力，注漿量雖比左線盾構施工時略有降低，但注漿壓力的提高確保了注漿質量，從而抑制了既有隧道的沉降。

圖9 施工參數Fig.9 Construction parameters

從圖8中可以直觀地看到，右線盾構施工過程中，既有隧道的沉降速率明顯小于左線盾構施工時的沉降速率；右線盾構施工對JCZ5、JCY5的擾動小于左線盾構施工對JCZ3、JCY3的擾動。

在穿越施工結束后，既有左右線隧道沉降分別為-1.74 mm、-1.91 mm.受到右線盾構二次穿越施工的影響，JCY5測點產生了-0.18 mm沉降。數值模擬與監測結果比較可知，數值模擬準確地預判了穿越施工對既有隧道的影響程度，由于在施工現場，盾構施工參數實時根據沉降監測數據調整優化，既有隧道沉降監測值略小于預測值。

在穿越施工現場，盾構刀盤性能穩定，區間掘進中未進行過換刀作業，盾構接收后刀具磨損情況也不嚴重，僅需要更換個別的刀具；同時也未出現過大粒徑卵石顆粒將螺旋輸送機卡死的現象，證明了盾構適應性改造滿足了卵石地層中的施工需求。

5 結論

結合工程實例，采用數值模擬、現場監測等手段，總結了適應卵石地層的盾構改造要點，分析了盾構先后穿越施工影響下既有隧道沉降的規律以及調控盾構施工參數的經驗，得到如下結論：

1) 為保證在卵石地層條件下順利施工，盾構須提高刀盤面板、圈梁以及螺旋輸送機的耐磨性能，增設耐磨保護刀具，提高盾構脫困性能，優化增設同步注漿和泡沫注入系統。

2) 既有隧道在盾構穿越施工的先期和后期產生的沉降較小，在盾構通過時產生了較大且快速的沉降；既有隧道沉降受盾構先后穿越施工的再次擾動影響顯著。

3) 盾構施工參數應根據監測數據實時調控，保持較高的頂推力、土倉壓力可有效地抑制既有隧道的沉降；適當提高注漿壓力、縮短注漿漿液的初凝時間，確保注漿質量，可有效地減小既有隧道的工后沉降。