盾構近距離始發下穿既有線沉降控制技術

練才園

中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司

1 工程概況

1.1 區間概況

梁家巷站～前鋒路站區間出梁家巷站后沿一環路北四段下方進行敷設，在一環路北四段東側進入前鋒路站。梁家巷站～前鋒路站區間里程為YCK30+398.840～YCK31+240.578。隧道頂部埋深10.55m～20.4m，區間設置1 個聯絡通道，中心里程為YCK30+817.000。區間最小轉彎半徑為800m，最小坡度2‰，最大坡度25‰。成都地鐵6 號線下穿既有運營3 號線：位于梁家巷站～前鋒路站區間大里程端。

1.2 地鐵6號線與既有3號線位置關系

6號線梁家巷站～前鋒路站盾構區間于大里程端下穿既有3號線，里程范圍為YCK31+202.578～YCK31+240.578。既有3 號線至前鋒路車站主體端墻外側距離為8m，正穿長度為20m；下穿出盾構隧道埋深20.39m，與3 號線既有盾構隧道豎向凈距約為4.065m。6號線下穿既有3號線盾構隧道平面圖見圖1。

圖1 6號線下穿既有3號線盾構隧道平面圖

1.3 既有3號線概況

成都地鐵3號線，是成都市一條西南-東北方向的主干線地鐵，于2016年7月31日開通運營。列車運營時間為5:30～23:30，全日運營18h，設計時速80km/h，進出站時速50km/h，既有地鐵3號線前鋒路站與新建地鐵6號線前鋒路站通道換乘。

1.4 水文地質情況

6 號線下穿3 號線地層均位于飽和、中密卵石層，地質條件自穩性差。

6號線下穿3號線區間處于岷江水系沖積平原一級階地，地表水為府河水。地下水主要有三種類型：一是賦存于黏性土層之上填土層中的上層滯水，二是第四系砂、卵石土層的孔隙潛水，三是基巖裂隙水。

中密卵石層<3-9-3>：褐灰色、淺灰色，中密，局部稍密，飽和，圓礫、中砂充填，卵石粒徑2cm～15cm，含漂石，漂石含量小于10%，最大粒徑達25cm；卵石原巖為石英砂巖、花崗巖。據顆粒分析實驗：粒徑＞20mm 的顆粒含量為62.1%～66.6%，粒徑為2mm～20mm 的含量為12.8%～16.3%。該層厚1.30m～25.60m，在場內普遍分布。

1.5 工程重難點

（1）富水砂卵石地層，地層自穩性差，地面沉降較難控制。

（2）地層含水量大，富水含砂量較大時，容易發生噴涌現象。

（3）始發下穿既有3號線對既有線、建構物、地面沉降控制要求高。

（4）處于一環路上端頭管線多、埋深大、管徑大、處理難度高（一根DN1200、埋深6.69m 污水管，一根DN1200、埋深5.45m 雨水管，位于隧道正上方）。

（5）卵石粒徑大、含量高，渣土改良不好影響盾構機掘進參數。

2 技術準備

2.1 端頭加固

地面端頭采用Φ42@1000mm 袖閥管注漿加固［1］。平面加固范圍：由主體圍護樁外側沿掘進方向縱向長度4m，橫向寬度16m，即加固平面范圍為4m×16m。豎向垂直加固范圍：由地面至洞身隧道中部整個豎向高度范圍24m。

2.2 端頭降水

始發端頭共布置5口降水井（車站端頭4口、3號線左側設置1口），受管線以及地質條件影響，降水井數量無法足量打而且降水水位只能降到洞門3、9 點位豎向上方1m 位置（基坑深度為28m）。

2.3 大管棚超前支護

采用Φ194×10mm+ Φ146×10mm（共72 根）管棚進行管棚群超前支護：在洞門范圍打設4 層管棚，上部兩層Φ146×10mm管棚打設長度為30m，下部兩層194×10mm管棚打設長度為33m。Φ194管棚豎向偏移均向上偏移，最大施工偏移量為+133cm，水平偏移量最大為+10cm和-19cm；Φ146管棚豎向偏移均向上偏移，最大施工偏移量為+122cm；管棚偏移滿足既有線安全距離及不侵入盾構開挖界限。Φ194 管棚注漿量0.8m3～1.3m3（理論填充量0.74m3），Φ146管棚注漿量1.2～1.3方（理論填充量0.37m3）。

2.4 短鋼套筒

2.4.1 鋼套筒定位

鋼套筒定位原則：（1）平面位置：由洞門預埋鋼套筒向車站大里程延伸2m，按照實測洞門偏移量，其鋼套筒中心軸線按照設計中心軸線沿掘進方向水平偏移；（2）高程位置：鋼套筒中心高程按照設計高程及相應的坡度并抬高2cm定位。

2.4.2 鋼套筒支撐

基座支撐：基座底部凹槽部分使用2道20工字鋼馬凳支撐；基座底部兩側使用鋼板進行支墊；基座兩側使用3 道20 工字鋼支撐于上翻梁和主體側墻上；鋼套筒支撐：兩側上、下部分別使用3道20工字鋼支撐于上翻梁、側墻及中板框邊梁上；底部基座混凝土導臺筑：鋼套筒底部及基座底部采用C30 混凝土澆筑導臺，加強基層座支撐及固定。

2.4.3 鋼套筒密封

（1）鋼套筒與預埋套筒板連接：采用連接板過渡連接方式，連接板與鋼套筒采取滿焊連接，連接板與預埋鋼套筒滿焊連接；其連接板與預埋鋼套筒板、鋼套筒分成內、外兩部分焊接，下半圓在鋼套筒內側滿焊連接，上半圓在鋼套筒外側滿焊連接，焊接完成后，在所有焊縫位置涂抹堵漏劑。

（2）鋼套筒中部設置兩道鋼絲刷，尾部設置一道簾布密封，形成三道空腔，沿每道空腔在鋼套筒的外側設置7個直徑2寸的球閥，兩道鋼絲刷涂抹盾尾油脂，在刀盤抵至掌子面，磨樁之前，在鋼絲刷的空腔內注滿特殊漿液進行密封。

2.4.4 鋼套筒內防栽頭

（1）導軌安裝：導軌長度40cm，導軌前端與結構側墻相平齊，導軌后端距離托架前端1.8m，導軌的頂面高度低于托架軌道頂面高度2cm，導軌的后端面（即盾體首次接觸導軌面）施作45°坡腳以讓盾體順利推進上導軌。

（2）洞門范圍填充：洞門無軌道范圍采用細砂填充，填充高度與軌道相平。

2.5 設備改造

為保證既有線安全，通過對鐵建重工盾構機的改造，在膨潤土系統下面增加了2臺施維英泵，可向盾構機中盾注入惰性漿液及時填充刀盤開挖面與盾體之間的間隙，減小既有線沉降；在刀盤切口環位置增加內置管路注入膨潤土，起到土倉保壓和減小刀盤扭矩的作用；泡沫采用單管單泵的注入方式，每路泡沫可獨立工作，提高渣土改良效果。

2.6 自動化監測

對既有線進行自動化監測，并將監測數據連接至監控室，根據沉降數據的實時變化來調整掘進參數與注漿量。加密監測頻率，并輔以夜間停運期對3號線隧道內展開人工巡視、裂縫觀測、軌道測量等手段對隧道結構進行監測和觀察，保證隧道結構和行車安全。

3 下穿過程控制

3.1 始發段控制措施

始發掘進段：由負環拼裝至圍護樁磨除

（1）盾體防扭轉。在刀盤準備轉動磨樁時，在中盾及盾尾設置防扭塊，防扭塊采用2cm 厚的鋼板做擋塊，中盾每隔40cm 設置1道，盾尾間隔80cm一道，盾體兩側全部設置。

（2）負7 環管片拼裝、固定。-7 環拼裝點位為1 點位即K 塊在1 點位置，每拼裝3～9 點位以上管片時用厚度為20mm、390×150mm七字板焊接在盾殼上予以固定。待-7環管片拼裝完成、螺桿復緊完畢，割掉七字板，油缸同步頂伸（以下部油缸為主）管片貼合基準環，然后固定管片，同時將3～9點以上管片用倒七字板固定在基準環上，防止管片下掉。

（3）掘進參數控制。除嚴格控制掘進參數外，同時派專人觀察托架、防扭塊和反力架、短鋼套筒情況，若有異常情況立即匯報。同時注意回轉角，隨時切換刀盤轉向，滾動角控制在5mm/m以內。

3.2 下穿段控制措施

下穿掘進段：由圍護樁磨除完成到盾尾脫出距離既有3號線外邊緣水平距離為10m處。

3.2.1 掘進控制措施

（1）掘進參數控制。下穿期間掘進是否超方是決定既有線沉降的關鍵，因此首先必須保證掘進參數正常，根據以往在成都地層掘進的經驗，確定了下穿期間最佳的掘進參數。下穿段掘進參數見表1。

表1 下穿段掘進參數表

（2）渣土改良。在富水砂卵石地層中掘進采用泡沫劑、膨潤土和水對渣土進行改良有明顯效果，可顯著降低刀盤、螺旋輸送機的油壓及盾構推力，減小刀盤扭矩，減輕砂卵石地層對盾構設備的磨損，提高掘進速度和設備的使用壽命，增加渣土的和易性和流塑性。渣土改良是保證掘進參數的前提，在下穿既有線過程中，對于改良材料的注入參數須做到精細化管控。

（3）出土量控制。出土量是決定既有線是否沉降的根本因素，下穿期間必須嚴格控制出土量，采用體積法和稱重法雙控的原則。掘進過程中，土木工程師精確計算每斗出渣量，操作司機在通過分析每斗渣土的推進管理行程，判斷是否過程超方，并及時對掘進參數進行調整，掘進完成后對總出渣量與總管理行程進行對比，分析當環超方量，對本環掘進情況進行總結。

3.2.2 注漿控制措施

注漿是控制既有線沉降的保障措施，在下穿既有線期間采用五步注漿法，大大減小了既有線沉降，主要包括中盾注漿、同步注漿、二次注漿、三次補注砂漿及四次補注雙液漿。五步注漿法示意圖見圖2。

圖2 五步注漿法示意圖

（1）中盾注漿。盾體徑向孔注入惰性漿液，施維英注漿泵1#、#2 泵管路接1 點位、11 點位徑向孔球閥，往徑向孔注惰性漿液填充盾構機殼體間隙。從0環開始推進時向中盾徑向孔注入惰性漿液，每環注入量約為0.7m3～1.1m3，壓力為2～4bar，直至+28環推拼完畢時，此時盾尾脫出至既有線外側10m，停止中盾注漿。

（2）同步注漿。同步注漿漿液應具有注漿后體積收縮小，初期強度高，凝結速度快，稠度大的特點，才能保證管片在脫出盾尾后，漿液能夠及時,凝固，減少地面沉降。同步注漿漿液的初凝時間為4h～6h，漿液稠度：11cm～12cm。盾構機同步注漿泵接盾尾1、2、3、4 號同步注漿管，同步注漿量7m3～8m3，注漿壓力1.5bar～3.0bar。同步漿液配合比見表2。

表2 同步漿液配合比

（3）二次注漿。二次注漿采用雙液漿，雙液漿采用水玻璃和水泥漿配置而成，體積比為1:1，水泥漿水灰比為1:1，水玻璃的波美度為20～22，雙液漿凝結時間為30s。下穿過程中在盾尾第3環跟隨注漿，壓力不超過4bar。

（4）三次補砂漿及四次補注雙液漿。從第10環開始在盾尾倒數第8 環進行三次補砂漿，采用已備用同步注漿管注入，每5環進行一次補注砂漿，注漿壓力控制在4bar以內，防止壓力過大造成管片錯臺及破損。根據既有線沉降監測情況進行四次補雙液漿，注漿壓力控制在5bar以內。

4 沉降監測情況

目前已順利下穿既有三號線，既有線監測數據如下：

（1）右線穿越前后既有線累計沉降最大點位DM11-3沉降值為-0.86mm（控制值±10mm）。

（2）左線穿越前后既有線累計沉降最大點位DM30-3沉降值為-0.17mm（控制值±10mm）。

監測結果表明，此次下穿既有線過程中所采取的上述一系列技術措施，有效地控制了既有線沉降。

5 結論

（1）采用大管棚對土體進行提前加固，對既有線起到支撐作用，可有效減少掘進超方。

（2）掘進參數和出土量正常是控制既有線沉降的決定因素。

（3）運用五步注漿法可有效控制既有線沉降，是既有線安全運營的重要保障。