盾構超凈距下穿既有10號線特級風險源微沉降控制技術研究

王秋生，張 功，王賀旺，李 皓，胡祖軍，楊 超

（北京住總集團有限責任公司軌道交通市政總承包部，北京市 100029）

0 引言

隨著近年來軌道交通建設的高速發展，超大型城市如北京、上海、廣州等地的軌道建設面臨的施工風險越來越大，多次穿越地鐵線路已經逐漸成為常態化的設計與施工。以北京為例，根據規劃2050年前后北京市軌道交通建設線路中節點車站和區間穿越段數量高達118處。北京作為政治、文化中心，對地鐵建設及運營的安全風險管控等級極高。由于新建隧道施工過程中對周圍土體產生擾動引起外力及支撐條件改變，導致已有建筑（構）物發生沉降、變形及附加應力的增加，甚至出現坍塌事故。因此，對于盾構施工穿越既有線結構等特、一級風險源，如何控制好新建線路對既有線路的影響，將既有線隧道結構的隆起、沉降值精細化管控確保線路的正常運營安全，成為當前盾構施工研究的重點課題。

國內外學者對盾構穿越施工引起的沉降變形及控制措施進行了大量研究，主要以理論模型、數值分析、現場及模型試驗研究為主并形成了大量的成果用于指導實踐施工[1-7]。汪洋等[8]廣州地鐵3號線區間盾構隧道為課題背景，通過數值模型分析計算以及相似模擬試驗手段，對隧道施工正交下穿既有線路期間引起的應力及變形進行研究，得到了正交下穿過程中既有隧道結構的變形規律。楊廣武[9]等以北京地鐵10號線下穿13號線芍藥居站為例，通過采用FLAC3D模型進行模擬分析發現土壓增大能夠起到控制地表沉降的效果，但是壓力過大也會造成土體地層負損失，地表發生隆起。翟和明[10]等以地鐵昌八聯絡線盾構施工下穿既有8號線工程案例，新建線路與既有線路凈距為3.18 m，通過提出優化掘進參數，細化同步注漿配比、速度及二次補漿的壓力、注漿量、凝結時間等措施，確保穿越既有8號線的安全。趙林[11]針對深圳地鐵7號線盾構下穿既有1號線，通過Midas軟件模擬分析，洞內注漿加固可以有效減少既有隧道沉降變形，并預測了施工過程對既有線的變形影響。王立新[12]等以西安5號線盾構下穿2號線為例，研究分析了黃土地質條件下隧道穿越施工對既有線的變形影響規律和沉降控制標準。金大龍[13]等通過離心模型試驗研究分析了深圳地鐵7、9號線凈距（2.78-2.97）下穿1號線時施工過程對既有隧道的影響規律。多條隧道穿越施工引起的群洞效應將加劇沉降變形，且沉降峰值出現在隧道中心位置，并通過離心模型試驗得到驗證。

盾構下穿既有線隧道結構施工受地質水文條件及位置關系影響，尤其對于超凈距穿越工程，精確控制施工引起的既有線結構變形對于其運營安全至關重要。本文以北京地鐵12號線西壩河站—三元橋站盾構區間超凈距（2.18 m）下穿既有線10號線盾構區間工程為背景，通過數值模擬分析及現場掘進參數優化研究穿越既有線微沉降控制技術，通過合理的技術參數優化及實施確保盾構區間下穿既有線10號線的運營安全，為今后類似超凈距下穿施工提供了寶貴的施工經驗。

1 工程概況

1.1 盾構區間工程概況

地鐵12號線西壩河站—三元橋站區間東起三元橋站，沿北三環東路向西北敷設，在三元橋東北先后下穿10號線、機場線區間，然后在機場高速路前左線以R-380 m曲線、右線以R-400 m曲線調整線路走向并擴大線間距，下穿三元橋匝道橋后沿三環方向向西，從三元西橋兩側繞行通過，到達西壩河站。

區間起始點里程為右CSK116+631.637～右CSK118+112.650，總長度1481.013 m，區間線路線間距為19.2 m～35 m~17.2m，采用盾構法施工，管片尺寸為外徑6 400 mm，管片厚度300 mm，管片寬1 200 mm。區間盾構隧道采用兩臺直徑6.4 m土壓平衡盾構施工。區間線路見圖1。

圖1 區間線路圖

下穿既有線地鐵10號線為盾構施工隧道，位置位于機場高速下，距離車站始發距離為：左線距離206 m，右線距離237 m。地鐵10號線區間隧道為單洞單線隧道。穿越影響范圍為：左SSK117+867.000~左SSK117+916.000；右CSK117+839.000~右CSK117+887.000。10號線右線區間隧道距盾構區間距離為4.499 m，10號線左線區間距盾構區間2.186 m。下穿地鐵10號線區間隧道風險等級為特級。新建線路與既有10號線位置關系見圖2。

圖2 新建線路與既有10號線位置關系

1.2 地質水文條件

本區間雙線下穿地鐵10號線區間隧道穿過的主要地層為中粗砂⑥3層、粉細砂⑤2層、粉質黏土④層。地下水潛水（二）水位標高31.32~29.67 m，層間潛水（三）水位標高18.66~17.82 m，層間潛水（四）水位標高10~9.5 m，見圖3。

圖3 地質剖面圖

2 盾構下穿既有10號線三維模擬分析

2.1 模型建立

以12號線隧道為中心，建立數值模型，進行數值計算模型，計算范圍長×寬×高=80 m×80 m×50 m，下穿隧道與既有線最小距離2.18 m。該模型側面限制水平移動，底部固定，模型上表面為應力邊界，施加的荷載為20 kPa模擬路面荷載，見圖4。其中管片結構破壞符合材料彈性破壞準則，地質結構與注漿區域破壞符合Mohr－Coulomb強度準則，模擬中采用的物理力學參數見表1。

圖4 盾構穿越模型

表1 模型參數

穿越土層地質參數如下表所示。盾構掘進施工土壓力取0.2 MPa，注漿壓力取0.4 MPa，注漿量5 m3/環，盾構掘進速度5 cm/min。

2.2 穿越施工數值結果分析

分別對整個掘進過程中既有線管片及上覆土體沉降進行監測，將整個穿越過程分為開始穿越、穿越左線、穿越右線、穿越完成四個階段，其中對12號線中心所在剖面位置進行位移場的監測，四個穿越階段見圖5。

圖5 監測步序圖

不同階段垂直位移分布見圖6。

圖6 既有結構垂直位移

從云圖中可以看出，在盾構推進至既有線影響范圍后，既有線及上覆土體由于受到施工擾動出現變形，但總體變形量不大，地表沉降值最大值出現在盾構推進區域，最大沉降值約為2 mm，而既有線管片沉降量小于0.2 mm。

隨著推進過程的持續，盾構穿越既有線左線后，既有線左線管片及上覆土體開始發生明顯變化，管片最大變形量0.55 mm，同時既有線正上方地表沉降達1.71 mm，而右線管片及地表沉降未發生明顯變化，仍處于緩慢變形階段。

隨著進一步推進，盾構穿越既有線右線后，既有線左線管片變形持續，其變形增長速度與之前大致相同，最大處增加至0.82 mm，而上覆土體沉降量在一段時間的穩定后再次發生突變，增大至約3.3 mm后逐漸平緩；既有線右線管片變形增大，最大處增加至0.64 mm，上覆土體持續增大，且變化位置略滯后于管片變形增大處，變化量最大為2.11 mm。

隨著整個穿越過程結束，此時既有線左線管片及上覆土體變形已趨于穩定，而右線管片及上覆土體變形已呈現減緩趨勢。最終地表沉降均在5 mm左右，左右線管片結構的最終累計沉降均在1 mm左右，說明該技術措施基本可滿足穿越期間的沉降及變形需求。

3 盾構施工參數優化控制

為確保盾構穿越特級風險源的順利通行，盾構機在進行適用性評估中采用全新中鐵裝備土壓平衡盾構機，刀盤形式為輻條式，開口率60%，額定扭矩8 410 kN·m，脫困扭矩10 092 kN·m，總推力42 575 kN，最大推進速度為10 cm/min，滿足本段盾構施工要求。

下面對下穿既有10號線盾構區間特級風險源階段主要掘進參數控制進行分析介紹。

3.1 下穿階段盾構掘進參數控制

與理論計算相比，下穿段的掘進參數依據試驗段數據及模擬數據進行優化，其各項掘進參數均大于理論值：

（1）下穿階段的盾構參數控制：刀盤轉速1~1.5 r/min，土壓：1.6~2.0 bar,扭矩2 000~4 500 kN·m，掘進速度40~50 mm/min，推力15 000~20 000 kN，出土量43 m3，并嚴格控制出土量。

（2）同步注漿：同步注漿量采用預拌料，注漿壓力0.3~0.5 MPa。

（3）克泥效：每環注入0.3 m3，利用膨潤土泵及B液泵在盾體上方注入。配比：400 kg/m3，80袋/罐（7 m3），水玻璃1∶1注水，克泥效與水玻璃20∶1注入，（掘進速度40 mm時，膨潤土泵10 L/min，B液泵0.5 L/min）。

（4）二次補漿：二次補漿采用雙液注漿（見圖7），在下穿影響區域內對脫出盾尾管片每環補漿，補漿點位選取在時鐘點位11點及1點，提前將封頂快上的注漿孔打通并安裝注漿頭，管片脫出盾尾3環時（掘進環減5）進行，注入量0.3方，注入壓力小于3.5 bar。配比：水灰比0.8∶1，水玻璃波美度為35~40，水玻璃1∶1注水，水泥漿1∶1水玻璃溶液，雙液漿凝結時間30~40 s。

圖7 二次補漿

（5）后續補漿：為確保既有隧道結構的微沉降效果，每2環再補漿一次，注漿量及配比與二次補漿相同，以壓力控制為主，并根據實時反饋的沉降數據增加補漿次數。

3.2 既有線結構沉降分析

沉降控制標準及測點布置：

既有10號線是北京的第二條環形地鐵線路，由于10號線輻射效果并與其他線路形成換乘節點，10號線為全國客運量最大的客運線路，每日客流量達到200萬左右。因此，作為北京最重要的交通樞紐設施，確保其運營安全是重中之重。結合10號線的敏感地位，其控制標準見表2。

表2 既有線結構沉降控制標準

（1）道床結構自動化沉降監測點：下穿部位以5 m間隔緊密布設，鄰近下穿部位以10 m間隔布設。

（2）隧道結構、道床結構人工沉降監測點：下穿部位以5 m間隔緊密布設，鄰近下穿部位以10 m間隔布設，其余部位以15 m左右間隔布設。

（3）幾何形位監測點：測點位置與道床結構沉降監測點同監測斷面。

（4）無縫線路鋼軌位移監測點：在左右線兩端布設。

（5）隧道結構橫向變形監測點：與自動化沉降監測項目同斷面。

（6）盾構區間收斂、管片錯臺、管片環縱縫張開值監測點：與自動化沉降監測項目同斷面。

既有線結構測點布置見圖8。

圖8 既有線結構測點布置圖

通過對既有線結構沉降數據監測分析，盾構機在到達既有10號線左線1 m時，沉降變形由于刀盤前方土壓增大形成微隆起，最大隆起量0.07 mm，隨著盾構掘進下穿10號線左線過程中，既有線結構產生了整體的沉降變形，最大沉降量達到1 mm。盡管在掘進期間通過增加土壓（2.5~3 bar）、克泥效等措施，但對于控制穿越前三階段沉降效果不明顯。

隨著管片脫出盾尾進行二次補漿，由于雙液注漿的快速凝結有效減緩沉降變形，二次補漿共計進行3次，每次注漿完成后既有結構變形均有明顯的微隆起，以穿越左線為例，其隆起量分別為0.5 mm，0.24 mm，0.11 mm。盾構穿越完成既有10號線左線結構的最終累計沉降為-0.35~-0.54 mm范圍，盾構穿越既有10號線右線的最終累計沉降-0.7~-1.23 mm，均遠小于控制沉降標準，成功實現微沉降控制效果，見圖9。

圖9 既有線結構沉降變形

施工過程中，對既有10號線洞內道床結構進行監測，盾構穿越過程中道床呈現了明顯的下沉變形過程，由于洞內人工監測受限，盡管監測數據偏少，但隨著50 h以后二次補漿，道床的變形逐漸趨于穩定，最終左、右線沉降變形為-0.23 mm、-0.85 mm，均滿足控制標準要求，見圖10。

圖10 既有線結構道床沉降變形

4 結語

（1）盾構下穿既有線結構時，推力、扭矩、土壓力等各項掘進參數均比理論計算擬定值大，下穿施工前，需根據地勘報告中的土層物理力學參數并結合試驗段掘進施工參數及地表沉降情況，綜合確定盾構下穿掘進參數。

（2）通過數值模擬研究分析，盾構穿越施工的各項技術措施能夠保障順利穿越，其左右線管片的結構沉降均可控制在1 mm左右，地表沉降控制在5 mm左右，均滿足既有線結構的沉降控制標準。

（3）盾構下穿既有線結構施工過程中，其前三階段的沉降主要通過調整土壓進行控制，推進過程中使用的克泥效能夠緩解三階段的累積沉降，但作用有限。

（4）盾構管片脫出盾尾后其沉降變形控制主要依靠補漿完成，合理選用補漿材料及補漿參數，嚴格控制補漿凝結時間縮短沉降變形，多次補漿等措施能夠有效控制沉降，既有線10號線左、右線的最大累計沉降分別為-0.54 mm、-1.23 mm，滿足3 mm沉降的控制標準，通過本技術能夠實現超凈距穿越的微沉降控制要求。