新建隧道下穿既有地鐵區間試驗段關鍵因素研究

鄭立鋼

(北京市軌道交通建設管理有限公司 北京 100068)

1 引言

截至2021年底，作為地鐵運營線路最多的城市北京已開通地鐵共27條，其運營里程達到約783 km。軌道交通的快速發展為人們的出行提供了便利，但地鐵建設也面臨越來越復雜的環境。

地鐵的主要施工方法主要有明挖法、暗挖法及盾構法三種。在無法大量占用地面資源前提下，對于地鐵建設中的區間工程，盾構法具有安全、效率高、對周邊環境影響小、對地下水的適應能力強等特點，越來越被廣泛選用。

由于新建地鐵線路經常會與既有地鐵線路發生“上跨、下穿或平行側穿”等關系，新建隧道建設勢必會對既有線路產生影響。盾構機在掘進過程中造成土體的變形沉降，其周邊的應力場重新分布，作用在既有結構上的附加荷載對其產生了不利影響。既有結構變形、開裂、不均勻沉降等引發的安全性事故每年都在發生。

大量研究發現盾構施工的掘進參數與既有線變形沉降有著極大關聯性。周路鳴[1-3]等總結了盾構隧道下穿既有線的施工控制技術；荀亮亮[4]等通過有限元分析模擬了盾構區間下穿地鐵U型槽結構的影響并提出有效防治措施；魏綱[5-6]等運用最小勢能原理對既有盾構隧道在新建隧道穿越時的結構變形進行了分析預測；祝思然[7-9]等提出盾構下穿既有隧道沉降控制的有效技術措施；姜海剛[10-12]等對不同地質條件下新建地鐵盾構隧道穿越既有線監測進行了研究。這些研究為盾構隧道安全下穿既有線施工奠定了良好的基礎，確保了既有線的正常運營。

鑒于盾構穿越施工對既有地鐵區間結構存在較大影響，為了保證地鐵運營安全，在穿越前應設置試驗段，以保證良好的掘進速度、控制出渣量及刀盤扭矩，靈活調整掘進參數，摸索出適合此種地層的最佳組合參數。同時通過對試驗段施工相關參數及沉降數據的分析及總結，進一步優化初步設定的相關參數，最大限度地減小盾構施工對既有線的影響，保證穿越施工對既有線的影響在控制值內。

2 盾構穿越既有線試掘進試驗

2.1 工程概況

北京地鐵12號線工程西壩河站-三元橋站區間采用6.4 m外徑盾構，以122°平面角度下穿既有10號線三元橋站-亮馬橋站區間。10號線區間采用6 m外徑盾構，穿越處地面為首都機場高速公路。12號線與10號線左線區間最小垂直距離僅約2.18 m，在國內近距離穿越工程中案例不多。區間主要穿越土層為粉細砂、粉土及粉質黏土層，位于地下水(三)以下。作為“國門第一路”，首都機場高速公路具有極高的政治意義，在高速路下方穿越不僅要減少對既有線隧道沉降影響，更要確保首都機場高速公路安全正常平穩運營。周邊環境平面和剖面如圖1所示。

圖1 結構周邊環境

2.2 試掘進參數確定影響因素分析

2.2.1 主控因素

(1)掘進速度:掘進速度的快與慢均會對土體產生較大影響，進而帶來附加地質沉降。因此，在施工過程中通過盾構機刀盤扭矩及出渣量的增減及時調整掘進速度，根據統計數據分析總結出影響最小的最佳掘進速度。

(2)刀盤扭矩:盾構機的推力、土壓和渣土改良(泡沫及膨潤土)是影響盾構機刀盤扭矩的主要因素。因此，掘進過程中采用合理的渣土改良參數并對土壓和推力合理控制是保證最佳掘進速度的前提。

渣土改良的成效通過渣土和易性進行判定。正常的和易性應土水不分離、具有很好的流動性，可使切削下來的渣土順利快速進入土倉，并通過螺旋輸送機順利排土，同時降低渣土粘結在刀盤上從而結成泥餅的風險。

(3)刀盤轉速:根據掘進速度、刀盤扭矩及出渣量等綜合考慮選擇最優參數。

(4)推力:根據掘進速度和刀盤扭矩設定。

(5)土壓:根據北京已建地鐵工程施工經驗，盾構掘進過程中土壓是非常重要的掘進控制參數。建立合理的土壓平衡可對掌子面及拱頂沉降有很好的控制，開挖面處土體壓力可根據開挖面深度、地下水位高度及地層的土體特性等參數確定。為降低穿越過程中掌子面發生垮塌的風險，在確定土倉壓力時還需重點考慮土體應力重分布情況，對壓力值進行0.2～0.3 bar的適當擴大。在試驗段處地面應設置沉降監測點(其中部分沉降監測點為深層測點，可更好模擬穿越過程中既有線處沉降變化)，掘進時根據出渣量和沉降值調整土壓力，收集數據分析總結出最適合的土壓值。

(6)出渣量:根據地表沉降及掘進狀態的變化情況分析總結最合適的出渣量，并推算出地層的松散系數，在后續掘進中不斷完善試驗數據。

2.2.2 輔助因素

(1)同步注漿:主要是針對開挖空間與管片之間的間隙進行的第一次填充，要求填充密實且凝固時間較快。在試驗段施工過程中調配漿液比例，使砂和水泥占比達到最大化。

(2)徑向注漿:管片脫出盾尾后上部要立即進行徑向注漿，及時調整漿液配比，使凝固時間在15 s以內。試驗段應掌握漿液配比，熟悉打孔操作流程及防止漿液流竄到盾體，把控好注入壓力參數。

(3)施工監測:利用監測點沉降變化值總結注漿壓力大小，確保穿越過程中注漿壓力不會對既有線產生影響。

(4)管片拼裝:拼裝管片時司機應時刻關注土倉壓力的變化，油缸按需求收回，拼裝完成一塊，頂緊之后再收下一塊拼裝管片的油缸(根據拼裝管片時土倉壓力的變化，可適當調高推進油缸低壓模式的油壓)。

(5)減阻措施:通過試驗段提前做好高濃度的泥水材料和塑強調整劑(水玻璃)配比，調配出高黏度塑性的膠化體注入盾體徑向注入孔中，對盾體前行起到潤滑減阻并對盾體與土體間隙起到填充支護的作用(見表1)。

表1 試驗段主控及輔助因素參數調整原則

3 試掘進沉降分析及參數確定

3.1 試驗段確定

3.1.1 試驗段設置情況

為總結盾構施工參數，降低盾構施工對既有線的影響，在盾構隧道穿越既有10號線前設置試驗段，在試驗段完成且滿足沉降要求條件下，進行下穿施工。試驗段長100 m，共分三個循環，管片環號為55～145環，地質情況與下穿既有線處地質情況基本相同。其中循環1:55～85環，以調整土壓為目的；循環2:85～115環，調整土壓及掘進參數增加二次補漿量為目的；循環3:115～145環，增加減阻措施施工為目的。

3.1.2 試驗段位置及監測點布置

試驗段位于首都機場高速公路東南側綠地內，在正常布置基礎上增設加密點滿足試驗段需求，具體見圖2。

圖2 試驗段及監測點布置

3.2 試驗段沉降分析

12號線西壩河站-三元橋站地鐵區間盾構機于2020年9月19日始發，10月29日完成55～145環試驗段掘進。

(1)試驗段1掘進參數設定及沉降數據

循環1掘進參數設置為:土倉壓力1.0～1.3 Bar、總推力1 600～1 800 t、掘進速度40～65 mm/min、松散系數1.2、刀盤扭矩3 000～5 000 kN·m、同步注漿量3.5 m3/環，渣土改良采用泡沫劑；循環1不采取減阻措施。

按照上述參數進行盾構掘進施工，沉降監測點數據總結如下:監測點DB-04-07沉降值為-11.06 mm，DB-04-09沉降值為-11.38 mm(見圖3)。

圖3 試驗段1監測點沉降曲線

通過對55～85環推進過程沉降數據觀測，沉降值達到-11.06～-11.38 mm，數據較大。結合沉降時程曲線可發現，地表沉降監測點在盾構機通過后呈直線下降趨勢，故需對推進參數進行調整。

參數調整使用Midas/GTS進行三維建模輔助分析。上邊界為地表，豎向取50 m，長取280 m，寬取220 m。地表取為自由邊界，其他三個面均約束其法向變形。共劃分38 116個單元，計16 626個節點，如圖4所示。計算中采用不同本構模型模擬不同的材料，各層土體均采用莫爾-庫侖(M-C)模型，新建地鐵12號線隧道區間結構和既有地鐵10號線隧道區間結構采用彈性模型。

圖4 計算模型

結合上文所述掘進參數調整原則，在掌子面處增加附加荷載模擬增加土倉壓力，同時調整應力釋放系數模擬減阻措施，通過沉降曲線(見圖5)可發現，沉降變化由直線下降變為先微小隆起后下降，地面沉降值也同時減小，據此對試驗段后續階段掘進參數進行調整。

圖5 沉降曲線對比

(2)試驗段2掘進參數設定及沉降數據

循環2掘進參數設置為:土倉壓力1.5～1.7 Bar、總推力1 500～1 700 t、掘進速度30～50 mm/min、松散系數1.2、刀盤扭矩3 500～4 500 kN·m、同步注漿量3.75 m3/環，渣土改良采用泡沫劑；循環2仍不采取減阻措施。

按照上述參數進行盾構掘進施工，沉降監測點數據總結如下:監測點DB-02-06沉降值為-2.74 mm，DB-03-06沉降值為-3.29 mm(見圖6)。

圖6 試驗段2監測點沉降曲線

通過對盾構掘進參數及時調整，盾構機在85～115環掘進過程中沉降數據得到大幅改觀，監測點沉降數據為-2.74～-3.29 mm，沉降相比循環1得到有效控制。

(3)試驗段3掘進參數設定及沉降數據

循環3掘進參數設置為:土倉壓力1.6～1.7 Bar、總推力1 500～1 700 t、掘進速度30～50 mm/min、松散系數1.2、刀盤扭矩3 500～4 500 kN·m、同步注漿量4 m3/環，渣土改良采用泡沫劑；減阻措施為0.4～0.6 m3/環。

在循環3中，盾構掘進參數基本沿用循環2的掘進參數，同時增加了減阻措施。減阻措施采用惰性漿液，每環增加量約為0.4～0.6 m3。

按照上述參數進行盾構掘進施工，沉降監測點數據總結如下:監測點DB-04-11沉降值為-2.24 mm，DB-04-12沉降值為-2.52 mm(見圖7)。

圖7 試驗段3監測點沉降曲線

在延續循環2的盾構掘進參數前提下，適當增加減阻措施可對沉降進行進一步控制。在盾構機115～145環掘進過程中，監測點沉降數據為-2.24～-2.52 mm，相比循環2進一步降低，可滿足下穿既有線控制指標要求。各循環推進參數對比見表2。

表2 各循環推進參數對比

3.3 掘進參數確定

綜合以上分析，根據試驗段對比各項推進數據，確定盾構下穿既有線參數如下:土倉壓力1.6～1.7 Bar、總推力 1 500～1 700 t、掘進速度 40～60 mm/min、刀盤扭矩≤4 500 kN·m。12號線西壩河站-三元橋站區間盾構機于2020年11月10日～2020年12月23日完成對既有10號線三元橋站-亮馬橋站區間穿越，在嚴格按照試驗段確定的掘進參數前提下，既有10號線區間在單線穿越完成后最大沉降值為-0.8 mm，雙線穿越完成后最大沉降值為-1.4 mm(見圖8)。穿越過程中沉降值滿足既有線控制要求且變形平緩，對既有線產生影響較小。

圖8 既有線沉降曲線

4 結論及建議

本文結合12號線下穿10號線區間工程試驗段，確定了盾構下穿施工過程中的盾構推力、土壓、扭矩等參數的選取原則及調整方法。

(1)從試驗段三個循環階段的盾構機土壓、掘進速度及沉降數據可以看出，土倉壓力與推進速度是引起刀盤前方地層沉降變形的主要控制因素。試驗段循環1中土倉壓力設置較小，刀盤前方地層沉降較大，隨著盾構機通過導致沉降值進一步累加，達到-11 mm左右。后續試驗段將土倉壓力增大使地表有一微小隆起，隨著盾構機掘進通過土體應力得到釋放，隆起值回落后地表開始緩慢沉降，注漿后趨于平衡。

(2)本區間試驗段穿越范圍地層變化不大，掘進過程中推力波動變化不大。在渣土改良較好的情況下刀盤扭矩和總推力維持在穩定的區間，從而獲得比較理想的推進速度和出土量。經試驗在該土層掘進過程中，推力維持在1 500～1 700 t、扭矩維持在3 500～4 500 kN·m、刀盤轉速0.9～1.1 r/min、速度30～50 mm/min比較合適。

(3)管片在脫離盾尾后，地層在1周之內會發生明顯沉降，管片脫離盾尾時的同步注漿可有效控制地面下沉。因此，及時進行同步注漿及二次補充注漿可對沉降起到良好的控制作用。

(4)各參數之間相互影響程度以及盾構施工所引起的地表變形需進一步深入研究。