盾構隧道下穿既有線施工控制技術研究

楊曉明

（中鐵二十局集團南方工程有限公司，陜西 西安 710000）

0 引言

盾構法在地鐵隧道的施工中十分常見，能夠較好地適應不同地層條件，在復雜的地質條件下具有明顯的優勢。由于盾構法對環境的影響較小，通過有效的控制技術，能夠降低隧道施工對既有線路的影響[1]。盾構隧道的施工無法避免對于既有結構產生的影響，由于不同的施工條件對盾構隧道施工產生的地層位移的影響具有明顯的差異，因此，在下穿既有線路的施工中需要采取相應的控制技術。

1 盾構施工設備選型與參數設定

考慮盾構隧道下穿既有線施工的地層條件和實際施工環境情況，盾構施工設備的選型應在安全可靠的基礎上進行，同時控制對鐵路既有線運行和土體的擾動影響。合理的盾構施工設備選型，是下穿既有線施工質量的保障，因此，在施工設備選型中，應充分考慮施工設備的性能能夠維持削掘面穩定，并滿足線性掘進要求，適應工程長度[2]?？紤]到盾構隧道的地層具有較大的滲水性，因此本文選擇封閉式盾構土壓平衡盾構機進行施工。由于本文工程的施工條件較為復雜，因此盾構機刀盤的選型，綜合考慮到復合的地層條件，采用復合型刀盤結構適應地層的整體掘進，刀盤中的主要配置為單刃滾刀，以此破碎混凝土，并選擇刮刀為輔助刀具，刮落混凝土碎塊，配合螺旋運送機將碎塊運出，以前后滾刀布置，留出破巖臨空面[3]。設定盾構機的總推力在8000～10000kN，刀盤扭矩800～1600kN·m，刀盤轉速0.8～1.2r/min，掘進速度20～50mm/min，土倉壓力0.10～0.20MPa，螺旋機轉速5～15rpm，出渣量50～60m3。

2 盾構施工軸線控制

2.1 盾構軸線控制

盾構施工過程中，在下穿既有線施工時，必須預先進行盾構姿態的控制，以避免管片在施工后產生裂縫和滲漏水的現象，另外，還需嚴格控制軸線偏差在預警值范圍內。首先，將盾體前段水平姿態控制在+10～30mm 之間，前點姿態控制在-20～0mm，在使用盾構機掘進的過程中，為避免管片受到不均勻的千斤頂應力，需要及時對千斤頂壓力進行適當的收縮調整[4]。調整盾構機的掘進軌道軸線與隧道管片的軸線重合，控制軸線和夾角度數變化在0.5%以下；檢查管片的超前量，控制和掌握盾構單次糾偏的幅度，姿態調整不易過快過大。在糾偏時應遵循緩糾慢糾的原則，減少蛇形掘進，并及時調整糾偏方式，糾偏量控制在每環5mm 以下，使糾偏均勻穩定，避免因糾偏對周圍土體產生過大的影響。若在糾偏過程中的盾構姿態出現波動，應該及時制止糾偏，避免情況進一步惡化?？刂沏暯佑透椎男谐滩睿暯佑透卓刂贫荏w趨勢。在糾偏中應實時關注盾構施工的軸線趨勢是否好轉，防止因盾構機掘進過程中的軸線偏差過大，而產生不均勻間隙的情況。上力過大容易栽頭，下力過大容易前點上翹，因此，應嚴格控制盾構姿態，實時動態調整。

2.2 穿越地下管線施工控制

由于研究區域內的地下管線眾多，且埋深深度具有明顯差異，因此，在進行盾構下穿施工中，會不可避免地對管線產生影響，為了防止管線出現損壞的情況，應將管線沉降值控制在允許范圍內，各管線允許的不均勻沉降，見表1 所示。

由表1 可知，地下管線允許的沉降值，針對不同管線與隧道的不同位置關系，本文對管線破壞進行了預測，并提出了相應的控制技術。在盾構穿越污水管時，應嚴格控制盾構正面的切口平衡壓力，實時監測切口壓力相關的施工參數，避免因平衡壓力值波動對土體造成過多擾動。對下穿區域雷達進行孔洞探測，使用加強型管片應對地鐵運行時的沖擊荷載，結合地面監測數據，進行泥土塑化改造。

表1 管線允許不均勻沉降值

3 注漿加固施工技術

3.1 同步注漿施工

盾構隧道施工注漿，首先控制同步注漿，通過同步注漿進行隧道加固，控制隧道土層間隙和管片裂縫。每環理論壓漿量為5m3，而實際的注漿量通常高出理論注漿量25%～75%，考慮到上文對于軸線控制進行的姿態調整，其具體漿液注入量進行動態控制，隨時調整注漿量，注漿速度應注意與掘進速度相協調。按盾構完成一環1.5m，在掘進時間內完成同步注漿，并確定其平均注漿速度[5]?？偨Y穿越段合理有效的注漿量，避免由于注漿量過多或過少，導致盾構機前方隆起問題。同步注漿主要以控制注漿量為主，根據現場施工的實際情況不斷優化注漿參數，根據試驗段注入壓力的數據，實際的注漿壓力0.1～0.3MPa，注漿壓力要保證漿液克服水土壓力順利注入，又要使隧道土體與管片間隙填充充分。

3.2 二次注漿加固

在盾構推進的同步注漿過程中，土層裂隙滲透可能存在一定間隙，在漿液收縮時，也會使地面出現變形，因此應根據施工現場的實際情況，通過二次注漿填充管片的建筑空隙。對本文盾構隧道施工進行檢測，發現在完成同步注漿后，局部土體仍存在一定間隙，因此，需要進行二次注漿加固隧道土體。漿液主要為水泥單液漿，若注漿未滿足施工要求，則應暫停盾構推進，根據地面監測情況進行二次注漿的調整，從而控制地面出現過大變形量。采用多點位注漿，注漿漿液使用雙液漿，通過隧道襯砌管片吊裝和預留孔注入，注入速率在20～30L/min，對整備線拱頂部分進行注漿加固。

3.3 隧道施工風險控制

對本隧道下穿既有線盾構區間施工進行風險評估，本文工程盾構機始發和接收時，難以建立盾構土壓，出渣量容易超方，具有重大風險，其既有線路及整備風險等級，見表2 所示。

表2 下穿既有線及整備風險等級表

由表2 可知工程風險影響范圍，因此需要控制盾構推進情況，避免施工對地表建筑結構安全造成影響。地鐵的運行對軌道間的差異沉降具有嚴格要求，在掘進作業前做好勘查，根據開挖圖的級配以及透水性等參數確定施工材料，并調整材料中的砂石土體黏粒含量，為了有效減少砂石間的摩擦力，可向開挖土層中加入泡沫，改變刀盤扭矩。

4 施工監測

上行線和下行線盾構在掘進過程中需進行現場實時監測,本工程設置的1 處下穿既有線段為試驗段，試驗段長198m，對工程的監測數據進行分析。控制技術對試驗段施工產生的土體分層沉降和水平位移，以及地表沉降數據。在地表沉降的監測試驗段中，每隔20m 布設1 個監測斷面，共10 個斷面，在既有線斷面中，設置每個斷面5 個監測點，在線路相交段的斷面中，布設水平位移測點和道床測點共2 個，為了避免對隧道頂部的接觸網產生影響，因此在拱頂測點的布設上，選擇側拱部位置進行布設。在分層沉降的每個監測面上，在掘進軸線上方和掘進斷面分別設置1 個監測孔，掘進軸線在孔內立面設置2 個監測點，掘進斷面的監測孔內設6 個監測點，通過多點位移計自動進行實時監測數據的采集。對盾構施工前，盾構掘進時和盾構施工后三個時期的監測數據進行整理，選擇68～76 之間的5 個環號數據，具體監測數據如表3 所示。

由表3 可知，盾構隧道試驗段的地表沉降數據基本穩定在-5～-16mm 之間，其中，74 環的累積沉降量最大，為-15.69mm，基本滿足要求，由于地表沉降的預警值在-15mm，因此，還應進一步優化。根據監測數據分析，盾構機在掘進時的盾體位置有一定沉降，刀盤前有少許隆起?？紤]到刀盤隆起和中心易結泥餅現象，對泡沫系統的管路進行改良，將部分管路的壓注泡沫改為注水，改善渣土流動性，增加中心區域泡沫注入孔數量，對土體改良效果如圖1所示。

圖1 推力變化曲線

表3 監測數據匯總表

由圖1 可知，對比正常施工段與改良段的改良效果發現，通過本文對土體的改良，采取合理控制措施后，渣土流塑性得到明顯改善，有利用正常排土與盾構推進，土倉壓力能夠控制在0.03～0.06MPa 之間，土倉壓力波動明顯減小并趨于穩定，減少了泡沫注入量和土體改良的成本。經過改良施工后，土倉內泥餅現象減少，對刀盤及刀具的保護作用明顯。在復合底層施工時，由于開挖地層具有一定的自穩能力，導致開挖面不能及時收斂，管片在自重作用下容易產生沉降位移，情況嚴重時會影響管片的襯砌結構，難以保證注漿效果，需要對隧道施工的各個階段進行監測與管理，在對施工結果進行監測與質量檢驗的過程中發現，盾體和管片存在50mm 間隙，出現的沉降量較大，將不同環號的監測數據進行對比顯示，過高的土壓設置會導致盾構前方出現隆起，在盾構施工完成后的累積沉降量較大，注漿量和注漿壓力較小的情況下，會導致注漿的不飽滿，進而造成地表較大沉降。因此，在地面施工結束后，應進行土體加固保護，進行二次注漿，控制漿液凝固收縮時產生的間隙以及管片上浮量。在施工完成后，對管片的上浮現象進行復測，分析盾構施工結束后和二次注漿時的管片上浮量，具體結果如圖2 所示。

由圖2 可知，根據復測結果，盾構管片在上軟下硬地層容易產生管片上浮現象，上浮量在30～50mm 之間。管片上浮主要在盾構掘進完成后的脫尾期間，上浮量為20～35mm。經過本文方法進行控制與加固后，管片上浮量具有明顯降低，在10～20mm 之間。經過復測，地表沉降量均在15mm 以內，滿足盾構隧道下穿既有線的施工控制技術要求，證明本文方法具有安全可靠性。

圖2 管片上浮試驗結果

5 結束語

本文通過對盾構施工設備進行選型，設定相應參數，控制盾構施工軸線，進行注漿加固施工，監測施工情況，得到監測數據并分析，取得了一定的研究成果。由于時間和條件的限制，本文研究還存在著諸多不足，有待于在今后的研究中深入探討，如，未涉及到本文盾構隧道下穿既有線的安全風險評估。隨著我國地下隧道與地質環境越來越復雜，應充分考慮不同地層的土層加固控制，進一步研究盾構機始發到達方式，為地下工程的技術問題提供新的解決方法，保證盾構隧道下穿鐵路既有線施工的安全和質量。