盾構穿越既有地鐵運營線控制措施與效果分析*

程國良，劉寶林，董 勇，陳 健

(1.武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢 430070；2.華中科技大學土木學院工程管理研究所，湖北 武漢 430074)

0 引言

在地鐵建設過程中，盾構施工面臨的問題日益增多，由于城市交通計劃的多變性，地鐵又屬于后期建設工程，在施工過程當中必然會碰到在既有建(構)筑物周圍施工的情況。特別是當盾構穿越既有地鐵線路時，由于地鐵安全平穩運營條件比較高，盾構穿越時若引起較大變形易造成較大的風險。因而盾構在穿越時應采取有效的處理措施減小對既有地鐵線路的影響[1]，本文針對某城市地鐵8號線穿越既有地鐵運營線3號線時采取的相應控制措施進行了解[2]，以及采取措施后的相應變形情況進行分析[2-3]，為類似工程提供有益參考。

1 工程概況

某城市地鐵8號線某區間隧道起訖里程為右線DK1+881.137—DK3+490.850，右線短鏈5.033m，右線長1 604.68m；左線DK1+878.871—DK3+490.850，左線短鏈1.909m，左線長1 610.07m。隧道埋深10.9～23.1m，區間線路間距為10.1～21.1m，區間線路平面最小曲線半徑為400m，線間距15.2～42.4m。區間縱斷面采用節能坡，采取盾構法施工。

1)8號線區間與3號線區間平面關系

8號線下穿3號線左線相交里程為DK1+989.319—DK2+027.952(74～100環)；右線相交里程為DK1+958.328—DK1+988.42(52～72環)，兩線交角21°，3號線隧道先于8號線隧道施工,已經開通運營。下穿平面區段如圖1所示。

2)8號線區間與3號線區間剖面關系

8號線隧道頂部距3號線隧道底部2.65～4.16m，8號線隧道左線頂部覆土埋深為14.94m，右線頂部覆土埋深為13.79m；8號線雙線線間距為15.2～42.4m。8號線與3號線剖面位置關系如圖2所示。

圖2 8號線與3號線位置關系剖面(單位：m)

2 盾構下穿地鐵運營線施工方案

通過對現場情況了解調查、科學分析，結合類似下穿地鐵既有線施工經驗，本區間穿越地鐵既有線主要采取注漿加固[4]、盾構掘進施工控制、增強監控量測、施工技術保證措施等方面，以確保下穿地鐵既有線施工安全。

2.1 3號線隧道加固

2.1.13號線隧道注漿加固

3號線的地質條件較差，基底位于 ③3淤泥層，已經完成了地層加固工作。地層加固方法為三重φ800mm@700mm旋噴樁，其設計要求為：土體加固后應具有較好的均質性、自立性，且土體無側限抗壓強度≥1.2MPa。

平面加固范圍為盾構相交處結構邊線外放3m，加固深度至標高2.025m處，深入8號線盾構3m以上，涵蓋整個 ③3淤泥質粉質黏土層。地質加固如圖3所示。

圖3 3號線地質加固平面

2.1.23號線隧道加固效果檢測

施工單位組織人員核實3號線地層加固是否完全按圖施工，主要包括加固范圍、深度以及成樁效果，檢查完成后將檢測結果上報相關單位存檔。

2.2 8號線區間盾構下穿3號線施工措施

2.2.1盾構方向及姿態控制措施

盾構掘進方向在地質條件、隧道曲線、坡度的變化以及人為操作等多種因素的影響下會產生一定程度的偏差，當這種偏差過大時會產生盾構偏離預定隧道軸線現象，進而影響隧道襯砌質量和使盾尾間隙不均勻引起管片局部壓力過大，嚴重時導致管片受損。因此，需在盾構掘進過程中根據實際情況實時調整每個千斤頂的推力，實時管控鉸接千斤頂的行程，同時，要強化管片的正確選型，以調整盾構機推力油缸的受力狀態，進而達到糾偏的效果。

2.2.2盾尾密封防噴涌措施

盾尾密封在盾構掘進過程中至關重要，一般采用以下措施來保證盾尾密封性能。

1)盾尾設3道鋼絲刷密封，為抵抗高水壓力及可能的流砂泄漏，需往密封腔內不間斷地注入盾尾油脂。

2)組裝盾構時，需保持盾尾刷油脂充填飽滿，提高盾尾密封油脂填充質量。

3)始發時，盾尾油脂在同步注漿前形成壓力；施工過程中，注漿壓力不應小于油脂壓力，以防盾尾密封效果受砂漿進入盾尾油脂腔影響。

4)采取人工和自動方式在漏水、滲水、漏泥漿部位處集中壓注盾尾油脂。

5)加強管片拼裝作業，避免因盾尾間隙過小使管片與密封刷剛性接觸而造成密封刷損壞；防止管片破損，以防密封槽處混凝土破損引起彈性密封止水條失效。

6)將海綿橡膠固定在管片外弧的縱向縫內，避免漿液、地下水、砂沿縱縫涌入隧道。

7)在盾構上配備注漿材料和注漿泵，當出現較大漏漿情況時，迅速利用水溶性聚氨酯通過倒數第2，3環管片的二次注漿孔向地層壓注封堵。

2.2.3土方開挖出土量控制

根據每環管片掘進進尺和刀盤外徑、再根據掘進土層情況，考慮擴算系數來進行每環出土量的計算，在下穿3號線期間嚴格控制出土量；發現異常應及時進行檢查和原因分析，嚴格保證盾構穿越3號線期間地鐵運營安全。

2.2.4盾構掘進渣土改良措施

盾構在穿越黏土、粉土、粉質黏土、粉砂土地層時由于改良效果不好，渣土流動不暢，盾構掘進速度急劇下降，刀盤扭矩和渣土溫度上升，極大地降低掘進效率，甚至無法掘進。由于8號線隧道穿越地層大部分為黏性土層，在穿越過程中主要控制措施如下。

1)向刀盤面、土倉內注入泡沫，并視情況注入相應水量，并向刀盤面、土倉內注入相應的高膨化膨潤土進行土體改良。

2)設定盾構掘進相關參數、設置土壓力傳感器、控制循環水溫度、快速均衡施工。

2.2.5設備保障措施

為保證盾構順利下穿，加強盾構設備管理，減少盾構故障率，現根據盾構設備維修與保養情況，主要措施如下：主軸承的檢查與保養、主驅動電動機的維護保養、推進油缸、鉸接油缸的保養、鉸接密封的保養、盾尾密封的維護、管片拼裝機維護保養、泡沫系統維護保養、螺旋輸送機維護保養 、皮帶輸送機維護保養、同步注漿系統維護保養、盾尾油脂泵站的保養、管片吊機維護保養、管片輸送小車維護保養等。

2.2.6同步注漿保障措施

為避免地面沉降、穩定管片結構，管片背后需采用同步注漿工藝及時填充管片與地層間的環形間隙。其中同步注漿材料、漿液配合比、注漿參數、施工工藝等應根據實際工程地質和環境條件試驗確定，主要指標如下。

1)同步注漿控制指標

本工程采用的漿液為可硬性漿液,漿液配合比如表1所示，性能指標如表2所示。

表1 同步注漿漿液配合比 (kg·m-3)

表2 同步注漿漿液性能指標

拌漿材料的量視實際情況作相應調整，拌勻后的漿液稠度為9～11cm。注漿材料由地面攪拌系統成漿后，經管道溜入井內轉駁車內，轉駁車由電瓶車牽引至盾構頭部泵入車架儲漿箱內待用。

2)注漿參數

為確保管片結構不因注漿產生變形破壞需有效填充因盾構施工產生的環向空隙，漿壓最好控制在1.1～1.2倍的靜止土壓力，即0.2～0.4MPa范圍內。根據計算結果，注漿量為5.6～7.8m3/環，同步注漿要做到“掘進、注漿同步，不注漿、不掘進”。

2.2.7二次注漿保障措施

在區間隧道掘進過程中因同步注漿凝固速度較慢，3號線隧道又處于運營期間，漿液受到擾動，導致8號線管片出現上浮，而3號線隧道底部處于掘進狀態或管片拼裝狀態，可能導致3號線隧道出現下沉。因此，必須采取二次注漿(雙液漿)及時穩固土層，確保3號線地鐵運營安全，3號線和8號線管片位移、上浮、沉降、管片滲漏水、管片破損均處可控范圍內。

3 監測方案和監測數據分析

3.1 監測目的和原則

3.1.1監測目的

1)施工期間對地表、盾構掘進參數進行監測和監控[5-6]，保證隧道掘進施工安全。

2)通過對既有地鐵線路全天候、多方位的監控，提高工程技術人員與管理人員的安全意識和安全預防手段，保證既有地鐵線路的運營安全。在盾構穿越既有地鐵線施工時，必須采用遠距離自動化監測系統對主要監控項目(地層及地表位移)中一些有代表性的測點進行監控，且使用計算機以及專業量測數據處理軟件及時分析處理，并在數據處理系統中設置警戒值，超過該警戒值后系統自動報警進行全程全天候線路監控，同時加以人工輔助監測進行不定時復核檢查。

3.1.2監測原則

1)重點監控因盾構穿越而可能造成既有地鐵線路不安全的路段，擴大重點監控路段數據量測的頻率和點數。

2)對量測數據進行科學分析和處理，并及時將數據分析結果以書面形式向相關單位報告，給予施工科學合理的指導。

3.2 監測項目及手段

1)對既有地鐵線路的監測項目包括地鐵隧道內道床沉降、鐵路線路地層沉降等，采用全自動監測系統和人工監測。

2)對隧道內外的監測采用全站儀和水準儀進行監測。

3.3 監測要求

3.3.1監測布點要求

在地鐵3號線區間影響范圍內左右線均按照平均4.5m(3個盾構管片寬度)1個斷面進行布設，左線監測范圍均為114.5m，需布設約25個斷面；右線監測范圍均為91m，需布設約20個斷面，總計45個監測斷面。每個斷面取7個監測點，其中自動化監測點5個(道床沉降兼位移監測點2個、隧道結構沉降兼位移點3個)，人工輔助沉降監測點2個，共計約315個監測點。地面監測左右線影響范圍內共布設5個監測斷面，共計20個監測點。

3.3.2監測頻率要求

穿越地鐵3號線區間隧道前，自動化監測頻率為6次/d；在盾構機下穿3號線期間，自動化監測頻率為12次/d，監測周期暫定4個月(120d)，盾構到達前至該節點施工完1個月達到穩定條件。自動化監測同時必須保證人工每天至少1次監測和復核。

3.4 監測數據分析

3.4.1地表沉降

1)為體現右線盾構穿越地鐵3號線周邊地表數據的變化情況，共布設了3個監測斷面進行分析，匯總了穿越時間段監測點地表累計沉降變化情況。在此時間段內，監測頻率約為1次/d，數據顯示：各監測點的累計沉降隆起量超限，且越過正絕對臨界值(8mm)，說明穿越過程中對地面影響較大。

2)為體現左線盾構穿越地鐵3號線周邊地表數據的變化情況，共布設了3個監測斷面進行分析，匯總了穿越時間段監測點地表累計沉降變化情況。在此時間段內，監測頻率約為1次/d，數據顯示：各監測點的累計沉降隆起量在正常范圍內，說明穿越過程中對地面影響較小。

3.4.28號線右線穿越時3號線道床沉降

1)為體現8號線右線盾構穿越地鐵3號線在右線道床監測數據的變化情況，共布設了23個監測斷面，選取正上方YGC04～YGC11斷面人工監測數據進行分析，匯總了穿越時間段監測斷面累計沉降變化情況。在此時間段內，監測頻率大致為1次/2d，數據顯示，YGC04～YGC11監測斷面點的累計沉降隆起值超警戒值(3mm)，說明穿越過程中對道床有影響。

2)為體現8號線右線盾構穿越地鐵3號線在左線道床監測數據的變化情況，共布設了26個監測斷面，選取正上方ZGC03～ZGC11斷面人工監測數據進行分析，匯總了穿越時間段監測斷面累計沉降變化情況。在此時間段內，監測頻率大致為1次/2d，數據顯示ZGC03～ZGC11監測斷面點的累計沉降量較小，說明穿越過程中對道床影響較小。

3.4.38號線左線穿越時3號線道床沉降

1)為體現8號線左線盾構穿越地鐵3號線在右線道床監測數據的變化情況，共布設了23個監測斷面，選取正上方YGC12～YGC20斷面人工監測數據進行分析，匯總了穿越時間段監測斷面累計沉降變化情況。在此時間段內，監測頻率大致為1次/2d，數據顯示，YGC12～YGC20監測斷面點的累計沉降量較大，主要為隆起量超限，且越過正負絕對臨界值(8mm)，說明穿越過程中對道床影響較大。

2)為體現8號線右線盾構穿越地鐵3號線在左線道床監測數據的變化情況，共布設了26個監測斷面，選取正上方ZGC14～YGC24斷面人工監測數據進行分析，匯總了穿越時間段監測斷面累計沉降變化情況。在此時間段內，監測頻率大致為1次/2d，數據顯示，ZGC14～ZGC24監測斷面的累計沉降量較小，說明穿越過程中對道床影響較小。

4 結語

1)盾構隧道穿越既有地鐵線路前，應積極與相關部門協調合作，編制盡可能完善的施工組織方案和應急預案，做好穿越既有地鐵線路前的相應準備工作。

2)加強施工管理，嚴格按標準化、規范化作業，施工中要時刻關注土質變化、圍巖參數變化等，遇到可疑情況及時分析處理，不能盲目前進。盾構掘進過程中根據地表沉降情況，及時調整盾構機的掘進速度、刀盤轉速、土倉壓力、注漿壓力及注漿量等參數，加強地表沉降監測以指導地下施工，認真分析地質資料，做好地下構筑物勘探工作，防止推進過程中意外情況發生。

3)穿越前應對盾構機進行檢修，避免中間停機、漏漿或注漿系統堵管等情況發生，保證盾構機能夠連續勻速推進。

4)制定合理的監測方案，保證隧道盾構期間提供準確的變形數據，信息化指導施工。

5)地鐵盾構穿越既有鐵路線，雖然采取了多種控制措施，但實際施工中仍會產生較大變形情況，施工中風險仍較高，穿越地層時變形影響極其重要。