盾構隧道近距離下穿既有地鐵結構變形控制技術研究

袁 夢

（廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510000）

1 工程概況

廣州市軌道交通18號線石榴崗站—琶洲西區站區間工程長度約1 800 m，地貌屬于珠江三角洲沖積平原，隧道頂埋深17～46 m，隧道管片外徑8 500 mm，內徑7 700 mm，厚400 mm，寬1 600 mm。其中，在距離車站盾構始發井30 m開始下穿既有地鐵8號線區間結構（新港東—磨碟沙），盾構下穿段8號線區間位于新港東路道路下方，為明挖結構，埋深4 m，結構高6.4 m，寬21 m，8號線結構所處地層為中粗砂層和粉細砂層，與18號線隧道之間地層為粉細砂層和強風化粗砂巖。盾構隧道洞身范圍地層主要為強風化粗砂巖、中風化泥質粉砂巖、微風化粗砂巖，最大縱坡為15‰，隧道拱頂最大埋深15.35 m。隧道頂距8號線圍護樁底約1.2 m，距結構底約6.2 m（如圖1、圖2所示）。

圖1 區間下穿既有地鐵8號線地質縱斷面圖

圖2 18號線區間隧道與既有8號線結構平面相對位置關系圖

2 工程影響分析評估

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》《城市軌道交通工程監測技術規范》，該下穿既有線段的接近程度為非常接近，處于強烈影響區，外部作業影響等級為特級。針對盾構下穿既有線結構區段進行三維有限元數值模擬分析，評估盾構施工各工況對既有線的不利影響及風險（如圖3所示）。

圖3 三維有限元模型圖

數值模擬結果得出，在盾構掘進78 m時，8號線結構產生最大位移量，最大豎向位移值為1.9 mm，最大總位移值為2.1 mm（如圖4、圖5所示）。

圖4 8號線結構豎向位移云圖

圖5 8號線結構總位移云圖

3 下穿既有地鐵結構施工風險及應對措施

3.1 既有地鐵結構沉降

采用保土壓滿倉推進的方法進行掘進施工，盾構下穿既有線結構前進行工前普查，詳細掌握既有線結構現狀及變形情況，安裝自動化監測設備對既有線結構進行實時監測。下穿期間根據監測數據對盾構掘進參數進行調整，若自動化監測出現監測數據超預警，則需提高土倉壓力、提高倉位、控制出土量、控制噴涌、提高同步注漿量，通過盾殼上的徑向注漿孔進行雙液注漿。注漿壓力控制在0.3 MPa。盾構通過后立即組織二次注漿。

3.2 地面沉降

施工前，在影響范圍道路上鋪設鋼板，保障車輛通行安全。如出現出土超方較多，應立即停止盾構掘進，關閉螺旋機后閘門，提高螺旋機，關閉螺旋機前閘門［1］。加密監測點，通過盾體徑向孔和盾尾后管片預留注漿孔注入聚氨酯，控制地層變形。觀察地面情況，進行沉降處沙袋回填和加固平整。恢復掘進時，掘進速度不宜過快，控制好刀盤轉速，以減小對土體擾動，同時加大同步注漿量，及時進行二次注漿。

3.3 螺旋機噴涌

若土倉內渣土改良控制不佳，將會引起螺旋機噴涌。雙液漿止水環緊跟盾尾5～8環施做，減少噴涌現象。發生噴涌時立即關閉螺旋機閘門，適當向前掘進，使土倉內建立平衡，減少向土倉內加入水和泡沫劑，通過刀盤的轉動，將土倉內的土體攪拌均勻，然后將螺旋輸送機的后門慢慢打開，邊掘進邊出土，始終保持土倉內壓力穩定。如噴涌現象改善，正常出土，恢復掘進。

3.4 盾尾密封失效

隧道埋深較大，盾尾所承受的水頭壓力大，容易擊穿盾尾密封。當發現盾尾滲漏水情況，應立即停止推進，停止注漿，在盾尾滲漏點位加大油脂量注入，施作止水環，封堵后方水通道。觀察滲漏水量變化和泥沙含量，采用棉紗、土工布、海綿等在盾尾管片處塞入，通過盾尾徑向孔和盾尾后管片預留注漿孔注入聚氨酯。

3.5 刀盤結泥餅

若推進過程中，出現扭矩超過5 000 kN·m并急劇增大，推力增大，掘進速度降低，出渣溫度升高時，基本判斷出現刀盤結泥餅現象，應立即停止推進，向土倉內注入分散劑進行泡倉。泡倉后恢復掘進，觀察參數變化。若沒有得到明顯改善，開倉檢查刀盤結泥餅和磨損情況。

4 施工控制措施及效果

4.1 盾構機配置

刀盤結構采用輻條加面板復合式結構，開口率約35%，開挖直徑為8 830 mm，設置有8路渣土改良管路。刀盤配置：雙聯中心滾刀6把，正面滾刀28把，邊緣19滾刀12把，切刀90把，邊緣刮刀16把，其中滾刀刀高175 mm，切刀刀高140 mm（如圖6所示）。

圖6 刀盤結構布置圖

4.2 盾構施工前期準備措施

受地下管線及用地限制，采用MJS工法樁對盾構始發端進行端頭加固，加固長度為12 m，深度為拱頂以上18 m，保證始發端土體的穩定性。盾構下穿既有線結構前，對既有線結構形式、結構病害、運營情況等進行詳細的了解及鑒定。嚴格保證盾構連續施工的各項物資準備，防止因物資準備不足而導致盾構機停機。根據盾構施工可能出現的施工風險，提前備好充足的應急物資。盾構下穿施工前，對各種設備進行詳細的檢查，避免盾構下穿時因設備故障導致盾構機停機。做好渣土外運協調工作，及時清理渣土場積渣，避免盾構機因渣土無法外運而導致停機。下穿前，與既有8號線運營部門建立信息互通及應急機制。

4.3 盾構掘進施工控制

4.3.1 掘進模式使用

為控制掘進施工過程中既有地鐵結構的沉降，采用保土壓滿倉推進的方法進行掘進施工，掘進期間通過倉內渣土高度控制土倉壓力。

4.3.2 掘進參數控制

盾構下穿8號線結構時，根據盾構掘進情況、監測數據、參數變化及時對盾構姿態、掘進參數進行調整。具體掘進參數設定值見表1。

表1 掘進參數設定

4.3.3 土壓力控制

在下穿既有地鐵8號線過程中，為保證掘進掌子面穩定，需要合理設置土壓力，由于開挖面水土壓力隨隧道覆土深度、地質條件變化而時刻變化，因此土壓力控制是一種動態管理，在掘進過程中需對開挖面土壓力進行嚴格監控，保證壓力控制值在設定值±5%的范圍內。根據隧道埋深和地質情況，確定下穿既有地鐵8號線段時土壓力控制按照靜止土壓力計算，得出土壓力控制范圍為1.5～1.6 bar。

4.3.4 掘進速度控制

盾構穿越既有地鐵8號線段，應控制合理的推進速度，宜采用均勻連續推進的方法，減少掘進對地層的擾動，保證地層穩定。掘進速度應設定為15～30 mm/min，盡量保證推進速度穩定，確保盾構勻速穿越，減少對地層的影響，避免對既有結構產生不利影響。同時，因地層黏度較高，掘進速度過快易導致渣土改良不充分，螺旋機出渣不暢會造成土倉內積倉，長時間積倉會在土倉內形成泥餅，影響正常掘進甚至導致無法掘進。

4.3.5 出渣量及渣土改良控制

通過計算理論開挖量并與實際開挖量對比分析，判斷掌子面是否超挖或欠挖，結合地質變化的情況，及時調整其他相關掘進參數。掘進過程中嚴格保壓掘進，每渣斗理論掘進行程在 250～280 mm，每環出渣量為 140～147 m3，當發現開挖量過大時，應立即檢查土壓力和出渣情況。同時，調查掌子面位置地面沉降情況，待查明原因后應及時調整有關參數，確保開挖面穩定。每環掘進期間通過渣溫監測了解倉內情況，渣溫控制在30 ℃左右，高于40 ℃時判斷刀盤出現結泥餅情況。同時對渣樣進行分析，判斷地層是否與圖紙相符，尤其要關注渣土中含沙情況。

4.3.6 同步注漿控制

同步注漿速度應與掘進速度相匹配，按盾構每完成1環1 600 mm掘進的時間內完成該環注漿量來確定其平均注漿速度。采用注漿壓力和注漿量雙指標控制標準。根據測定，注漿量取環向間隙理論體積的1.3～1.8倍，則每環（1.6 m）注漿量 Q=9.3～12.9 m3，每斗掘進同步注漿注入量為 1.5～2.1 m3，控制注漿壓力＜ 4 bar。為保證壁后注漿漿液飽滿，減少管片滲漏水的情況，在施工過程中，每隔3環選不同點位使用管片注漿孔進行開孔檢查，確保管片壁后注漿飽滿（見表2）。

表2 同步注漿漿液配比

4.3.7 止水環施做

為了截斷盾尾后部可能存在的地下水通道，將管片壁后建筑空隙充分回填密實，進一步確保下穿既有線的工后沉降，防止地下水進入開挖倉，結合實際工況進行二次注漿，與加固體連成整體，形成一道止水環箍，徹底封堵隧道后部水流。在盾尾6～8環后每2～3環進行二次注漿，并且采用雙液漿每隔15～20環施做一道止水環箍。注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，注漿完成后，打開注漿接頭上的球閥，檢查是否出現滲漏水現象，若出現漏水則再次實施補充注漿。水泥漿采用42.5 R普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用波美度38溶液（見表3）。

表3 雙液漿配比及漿液主要性質表

4.3.8 盾構姿態控制

在盾構穿越的過程中盡可能勻速推進，嚴格控制掘進速度，盾構姿態變化不可過大、過頻，控制每環的糾偏量不大于6 mm，以減少盾構施工對地層的影響。由于地下水豐富，在高水頭的壓力作用下，盾構姿態容易上揚［3］。拼裝完成的隧道管片脫開盾尾后，由于上部壓載及自重無法抵抗地下水引起的浮力導致隧道上浮。掘進速度較快、連續作業比較順利期間，管片上浮量一般在60～70 mm，掘進時盾構姿態控制在-60～-70 mm。如掘進速度較慢，盾構掘進姿態控制在-40～-60 mm。每10環進行一次管片復測，根據管片復測結果及時調整。如出現某段管片上浮量增大，調整掘進姿態同時檢查同步漿液質量，調整砂漿初凝和終凝時間，及時檢查管片背后砂漿填充和流水情況。如水流較大則要及時施做隔水環，再進行補充注漿［4］。隧道管片拼裝效果如圖7所示。

圖7 隧道管片拼裝效果

4.3.9 沉降控制

為盡可能在盾構下穿期間，做到既有線結構零沉降，避免影響地鐵線路正常運營。在盾構機掘進過程中，通過盾體徑向注漿孔，將惰性材料注入到盾體四周外，由于惰性材料不易受水稀釋且其黏性也不會發生大的變化的特性，可以對盾殼與地層之間空隙起到良好的支撐作用，達到有效控制盾構推進時所引起的第三階段（盾體通過時）沉降，輔助第四階段（盾尾通過時）沉降控制。

惰性材料選用克泥效，克泥效由合成鈉基黏土礦物、纖維素衍生劑、膠體穩定劑和分散劑構成。將高濃度的泥水材料（克泥效水溶液，常用濃度為400～500 kg/m3）與塑強調整劑（水玻璃40 be’）兩種液體分別以配管壓送到盾體徑向孔處，再將該兩種液體以體積比20∶1的比例混合，形成高黏度塑性具有支撐力擋水性膠化體后注入徑向孔。克泥效特點：雙液混合反應凝結時間為6～20 s，混合完成后強度永不變化；混合前單液流動性良好，遠距離泵送不堵管，施工便捷；混合后黏稠度可達300～500 dPa·s，具有很好的抗水性和擋水性，同時具有較高承載力和抗沉陷性，體積不易壓縮。

每環管片預留7個注漿孔，管片脫出盾尾3環后，采用深孔注漿對隧道上半部108°范圍進行注漿加固，注漿深度為2 m，注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，初凝時間控制在 30～60 s。

4.4 既有線結構自動化監測及效果

采用高精度全站儀，配置供電系統及無線通信模塊，結合8號線結構已有4 mm的累計豎向沉降，制訂監測點布設方案（如圖8所示），同時設置監測項目的預警值和控制值（見表4）。

圖8 監測點布設方案

表4 監測預警值及控制值設定

在盾構下穿期間，以2 h/次的監測頻率進行監測，既有8號線結構左線累計最大豎向位移為-2.75 mm，右線累計最大豎向位移為-2.03 mm（如圖9所示）。

圖9 盾構下穿期間8號線左右線5斷面豎向位移量監測數據變化圖

4.5 信息化施工

建立完善的信息反饋網絡和現場監控指揮中心，應用遠程監控系統將盾構施工和8號線結構自動化監測數據實時情況反饋至指揮中心，及時做出調整指令。根據監測數據和掘進參數，定期將隧道內數據通過回歸分析，指導盾構推進，保證下穿既有地鐵結構段掘進可控、安全［5］。綜合監控系統頁面如圖10所示。

圖10 綜合監控系統頁面

5 結語

（1）盾構下穿既有線結構施工在快速通過的原則下，應勻速前進，以開挖面穩定為前提，采用保土壓滿倉推進的模式，不能盲目加快掘進速度，以免造成既有線結構沉降。

（2）下穿既有線結構前須對盾構機進行系統、完整的檢修，使盾構機保持完好狀態。掘進過程中加強設備維保，避免因設備故障導致盾構機停機。

（3）選用耐磨高強度合金球齒滾刀，掘進施工過程嚴格控制盾構機各項掘進參數，重點關注地層地質變化及渣土改良效果，減少刀具非正常磨損，避免形成泥餅，造成不必要的開倉，增加安全風險。

（4）該區段地下水豐富，在高水頭的壓力作用下，盾構姿態容易上揚。在盾構穿越過程中盡可能勻速推進，嚴格控制掘進速度，盾構姿態變化不可過大、過頻，控制每環糾偏量不大于6 mm，以減少盾構施工對地層的影響。為控制上浮，掘進時盾構姿態控制適當下壓，同時做好同步注漿及二次注漿止水環。

（5）在盾構機掘進過程中，選用合適的惰性材料通過盾體徑向注漿孔注入到盾體四周外，由于惰性材料具有不易受水稀釋且黏性不會發生大變化的特性，可以對盾殼與地層之間空隙起到良好的支撐作用，達到有效控制盾構推進時所引起的第三階段（盾體通過時）沉降，輔助第四階段（盾尾通過時）沉降控制。