淺談盾構機下穿既有地鐵線路技術

【摘 要】 文章以廣佛地鐵12標盾構機下穿地鐵1號線為例詳細介紹了盾構機下穿既有地鐵線路的掘進技術及掘進管理，為以后類似的工程施工提供參考。

【關鍵詞】 盾構機；地鐵線路；掘進

1、前言

進入21世紀，世界經濟的迅猛發展加速了城市化建設。隨著城市密集度的提高，城市建筑和人口的不斷增多，使得城市地面交通壓力的不斷增大。為了緩解這種壓力，人們把目光投向了對于地下空間的開發，盾構法隧道施工就是利用開發地下空間是目前比較好的一個手段。由于城市地面情況非常復雜，盾構機下穿各種建構筑物都存在極大風險。本文以下穿廣州地鐵1號線為例，總結盾構機下穿既有地鐵線路時的掘進技術和掘進管理方法。

2、工程概況

2.1 下穿地鐵1號線正線工程概況

本文以廣佛線菊樹至西朗地鐵盾構區間線路為例，該施工區域位于廣州市荔灣區，為保證地鐵一號線正常運營，下穿隧道的施工是整個隧道施工的重難點之一。菊西區間掘進施工中，地鐵1號線正線位于里程YCK20+270～ YCK20+320范圍內，在建西朗站位于地鐵1號線正線以東20米附近，此段隧道頂部距地面最小距離11m，最大縱坡為27.856‰，線路為直線，該段長度約50m。

2.2 地面建（構）筑物情況

在里程為YCK20+283～YCK20+315段，下穿地鐵一號線。地面有地鐵一號線三股軌道，右線隧道邊線至西朗車站最近距離僅為5.6m，隔音墻的樁基侵入隧道。線路平面布置如圖1；在YCK20+310處下穿地鐵一號線的隔音墻，隔音墻樁基布置如圖2。

2.3 工程地質及水文地質條件

根據地質勘察報告，對于盾構機通過地鐵1號線正線的地層情況，右線隧道主要穿越的地層為〈6〉全風化泥質粉砂巖、〈7〉強風化泥質粉砂巖、〈8〉中風化泥質粉砂巖、〈9〉微風化泥質粉砂巖層多種地層的混合地層，隧道覆土自上而下主要為2米厚〈1〉人工填砂、5米～10米厚〈2-1A〉淤泥，含水率70.9%，標貫值最大為2、<2-2>淤泥質粉細砂地層，標貫值最大為10，隧道頂部距離〈2-1A〉淤泥層為1米～4米。

2.4 施工重、難點分析

地質條件差，潛在的施工風險高。盾構區間經過廣州地鐵1號線正線，根據該段詳勘資料、補勘資料以及咨詢相關1號線正線施工人員，此段隧道頂部存在8米左右的<2-1>淤泥層，該淤泥層含水量大，標貫最大值為2擊，地表為地鐵1號線運營線路，在地鐵1號線正線施工期間，沒有對淤泥層進行任何處理，地質條件較差。由于地鐵運行對軌道的沉降要求為±4mm，而該段又無法進行地面加固或扣軌加固，因此盾構掘進施工風險極大。

樁基侵入隧道，施工難度大。在里程為YCK20+310.5處為地鐵1號線隔音墻，其基礎為φ600mm樁基，根據樁基施工記錄表推斷，樁基侵入隧道15cm。盾構通過時，隔音墻存在因樁基傾斜導致開裂甚至倒塌的風險。

下穿地鐵1號線正線，沉降量控制要求高。該段主要穿越的地面建、構筑物為地鐵1號線正線。根據詳勘資料顯示，該地段隧道上覆大面積淤泥，掘進時存在上軟下硬地層，且地面為運營地鐵線路，一旦由于掘進時超挖或對淤泥產生擾動產生地面沉降將影響地鐵1號線正線運營，產生不良社會影響。

3、準備工作

1、停機保養，軌道加固，確保過1號線時設備完好性，力求快速通過。

2、準備道砟，以備軌道沉降時起軌。

3、利用鋼絲繩將接觸網立柱加固。

4、隔音墻加固。

4、下穿地鐵1號線正線段技術措施

4.1 盾構機刀盤的配置

根據過地鐵1號線地質條件，既能通過土層，還需有一定的破巖能力。對上軟下硬等復雜地段能很好的控制地面的沉、隆。即使在同一隧道斷面上，巖土的分布也并非單一，斷面上的巖土強度不一，這些地方的隧道為堅硬及上軟下硬的圍巖會使盾構機刀盤受到不均衡的力和不同程度的磨損。隧道通過大部分巖層，使盾構掘進時容易造成刀具磨損。因此要求所選的盾構機必須滿足以下要求：

1）、刀盤結構的剛性好，變形量小，既能適應土壓平衡掘進的大扭矩工況，又能適應在對硬巖地層和不均勻復合地層的大推力工況，還需保證有足夠的開口率，能適應粘土地層的出土要求。

2）、刀具布置主要考慮復合地層的需要，對軟土切削的刮刀以及對硬巖破碎的滾刀結合布置，中心區采用雙刃滾刀破巖，中心區外組合布置刮刀和滾刀，針對上軟下硬地層的特點，邊緣區滾刀密集，單位長度上參予切削的刀刃多，可以增加邊緣滾刀的使用壽命，降低刀具的更換頻率。

3）、安裝專門的單刃滾刀23把、中心雙刃滾刀8把、切刀106把、周邊刮刀12把。

4.2 掘進措施

此段地層主要特點是上覆地層為淤泥及軟土層，盾構在其底部掘進時極易引起隧道頂部軟弱而超挖，局部塌方，地表過量沉降甚至地表沉陷。在推進過程中設法保持上部軟土的平衡是關鍵所在，施工中采用的主要措施如下：

結合施工經驗，認真做好技術總結

認真做好試掘進及正常掘進的總結工作，經過該段前，盾構機下穿地鐵公司試線段，此段地層與過地鐵1號線正線段相似，在軌行區下部都分布有6～8米厚度的淤泥層，并且都呈倒三角形分布，有部分淤泥侵入到隧道頂部，隧道開挖斷面主要以〈6〉全風化泥質粉砂巖、〈7〉強風化泥質粉砂巖、〈8〉中風化泥質粉砂巖、〈9〉微風化泥質粉砂巖層為主。

盾構在通過此段時，采用土壓平衡掘進模式，中部土壓力比掌子面底部水土壓力大0.01MPa，掘進速度保持在30～40cm/min，出土量嚴格控制在65方/環，注漿量確保每環6方以上。

試線段的掘進參數、措施以及地面的沉降情況為過地鐵1號線提供了依據，得到較合理的掘進參數，積累了成功經驗，使下穿1號線正線時地面沉降得到有效控制。

4.3 技術措施

a. 加強土體改良。單純采用較大的土壓力是一種理想的方法，但因為下部為泥巖，會產生結泥餅的負面效應 ，增加泡沫的注入量至80%～100%。在掘進過程中，土壓力基本控制在170Kpa左右，比隧道位置實際水土壓力略高，提高泡沫注入率后有效抑制了土倉內結餅。

b.重視盾構基礎數據的異常反饋，如推進速度、推力、扭矩、土艙壓力增大、油溫升高、出土閘門噴涌、渣土的含水量變化、渣樣的判斷、實際出渣量與理論出渣量的比較等等，認真分析異常原因，并采取果斷措施，以免貽誤戰機。

嚴格控制出土量，每環控制在65m3左右，最多不能超過70 m3 ，如果出現4.5斗土已裝滿，但是千斤頂的行程未能達到1800mm時，停止螺旋機出土，繼續掘進達到拼管片為止。下一環開始就要憋土保壓，視刀盤扭距而定。停機前也要憋土保壓，防止掌子面坍塌。出土量的嚴格控制使盾構機通過該區域時，刀盤位置的沉降量得到了有效控制。

c.優化壁后注漿配比參數，

調整同步注漿配合比，提高水泥摻加量使之大于160kg/m3，或加入適量早強劑，使漿液凝膠時間縮短到3～5h，使同步注漿盡快發揮其止水作用；保證同步注漿每環6方以上，由于盾構機已掘進1500米，盾尾刷有不同程度磨損，盾尾存在漏漿現象，通過在管片外壁上粘貼海綿條，減小了盾尾漏漿現象，由于盾尾刷損壞，海綿條阻擋了部分漿液外溢，但在掘進過程中，仍有漏漿現象，并且直接導致了盾尾后期沉降的發生。

d.為了進一步減少盾構機掘進過程中對地面產生的沉降量，在盾構機掘進的同時，在盾構機盾尾后部第2環管片位置進行二次雙液注漿。

雙液漿凝膠時間只有幾十秒，能夠有效填充同步注漿不飽滿造成的盾尾間隙，減少盾構機通過軟土地層后的后期沉降。但由于雙液漿凝結時間較快，為了防止其竄入刀盤前、盾殼外凝固后將盾構機困住，因此必須嚴格控制二次注漿的操作。

1）、注漿時間控制在盾構機掘進時，因為盾構機掘進時處于活動狀態，雙液漿難以將盾構機困死。注漿位置在盾尾后部第2環管片處，距刀盤約10米，在雙液漿注入并凝結時難以竄入刀盤前方，不影響盾構施工。

2）、控制注漿壓力，如注漿壓力較大，雙液漿更容易竄入刀盤前方，并且二次注漿因無法計算襯背空隙量，現場注漿時以注漿壓力來控制，超過控制壓力即停止注漿。注漿前需在孔內裝入單向逆止閥，并鑿穿其外側保護。

5 、下穿地鐵1號線正線段聯動機制

右線下穿地鐵1號線采取高效的聯動機制，及時、有效地收集、反饋各種信息，集中分析，及時作出決策應對。

1）、領導值班，地鐵公司建設總部、運營總部、監理單位、第三方監測單位、施工單位領導24小時值班，現場指導。

2）、現場辦公，將地鐵公司第四會議室設為現場辦公地點，也是整個系統的指揮中心，建總、運營、監理、第三方監測、施工單位集中現場辦公。

3）、運營部門人員現場待命，根據沉降情況隨時準備地鐵限速、起道、搗固作業、接觸網加固調整等應急措施。

4）、監測數據與掘進參數聯動，利用短信等形式，監測數據從測量現場傳到指揮中心，根據沉降情況，給盾構施工現場下達指令，及時調整掘進參數及掘進措施。盾構現場將掘進情況發到指揮中心，指揮中心根據現場的要求及時調整檢測頻率，實現了真正意義上的監測、掘進以及決策的聯動。

6 、過地鐵1號線正線地面監測

由于軌行區西側為柵欄、東側為隔音墻，南側為運營西朗地鐵車站，因此監測點布置的范圍主要集中在這些構筑物范圍內。監測的里程范圍，上行線（右 線）：YDK20+276.573～ YDK20+309.573；總監測范圍為33m，包括西朗地鐵站房屋監測，當盾構機通過時，只對可能產生沉降的機頭以及機尾的部分監測點進行監測。

監測儀器設備及監測精度：1、徠卡TCRP1201全站儀1臺，測量精度1″，2+2PPm。

2、徠卡NA2型精密水準儀及測微儀1套，測量精度0.3mm/Km，最小讀數0.01mm。

水準測量按二級水準施測，兩次讀數差<0.5mm，兩次高差較差<0.7mm。

測量路線按實際情況可取閉合或附合水準。

7 、地面沉降情況

右線下穿地鐵一號線地面沉降大致可以分為三個階段

1）、沉降階段，累計沉降達到31mm。

2）、隆起階段，地面沉降已超出報警值，設法加大注漿量，軌道隆起6～7mm，沉降基本穩定。

3）、平衡階段，減小注漿量，沉降趨于平衡，軌道累計隆起6mm。

8、結語

盾構機下穿既有地鐵線路，地質調查和既有線路調查是前提，合理的掘進參數是基本，掘進和監測聯動是關鍵，做好應急預案是保障。

參考文獻

[1] 地下鐵道、輕軌交通工程測量規范 （GB50308-1999）.

[2] 鐵路隧道施工規范 （TB10204-2002）

[3] 地下鐵道工程施工及驗收規范（GB50 299-1999）.