盾構小間距下穿既有地鐵線路的施工影響因素及技術保障措施

摘 要：盾構下穿既有地鐵線路采取土壓平衡盾構法，在粉質粘土層中通過優化盾構掘進參數即土壓、推力、刀盤扭矩、刀盤轉速、掘進速度、同步注漿量、同步注漿壓力、出土量和盾構姿態等，減少對既有運營線的影響，在西安地鐵盾構施工領域有著良好的指導意義。

關鍵詞：隧道工程;盾構;下穿既有地鐵線;沉降

中圖分類號：U23 文獻標識碼：A 文章編號：2096-6903（2022）02-0028-04

0引言

隨著城市地鐵建設的逐漸完善，各條地鐵線路縱橫交錯，人們出行更快捷方便。盾構法施工下穿既有地鐵線、鐵路線，因其安全、高效，質量有保障，已經被廣泛地應用。但是盾構穿越既有線施工必然造成對既有結構的影響，嚴重時可能造成結構的破壞和部分使用功能喪失，甚至影響運營安全[1]。減小對既有地鐵運營線影響主要在于施工中采取各項控制措施，精心組織，合理施工，確保穿越期間地鐵既有線的運營安全。

西安地鐵5號線10標的盾構區間起于南稍門站，結束于文藝路站，洞頂覆土10.14～18.46 m，地下水位9.5～12.1 m，下穿段隧道位于粉質黏土層。其中右線長719.510 m，左線長719.502 m，線間距15.5～17.0 m。盾構自文藝路站始發，南稍門站到達，在距離南稍門站端頭約24 m處下穿既有地鐵2號線區間隧道（如圖1所示）。

左、右線雙線隧道自東向西掘進，與地鐵2號線線路夾角約90°（如圖2所示），隧道結構拱頂與地鐵2號線隧道拱底的最小凈距約2.52 m。下穿順序為先左線，后右線。在盾構下穿掘進時，地鐵2號線必須保持正常運行。下穿段主要工程數量：土方開挖1 300.5 m3，管片拼裝30環，為第443～472環，累計45 m，襯砌壁后壓漿105 m3。

本工程采用兩臺小松公司生產的TM614PMX土壓平衡盾構施工，該盾構適宜在粉質黏土土層掘進施工，盾構刀盤開挖直徑6 170 mm、盾體直徑6 140 mm，管片外徑6 000 mm。

本文就盾構小間距下穿既有地鐵線隧道施工的關鍵控制點和施工技術保障措施進行論述。

1 既有地鐵2號線運營情況

既有地鐵2號線區間隧道為南北走向，沿南關正街地下敷設，每日運營時間為6：19～00：09和6：27～00：17，行車間隔早高峰期7：00～10：00、晚高峰期17：00～20：00，高峰期為平均每3 min一班車次，其余非高峰期為平均每5 min一班車次。下穿掘進施工不能對2號線運營有任何影響，對2號線軌道的加固要在列車每天停運時進行。

在建隧道距2號線運營隧道距離最短距離2.52 m。在盾構機掘進通過2號線前，向2號線運營部門充分了解行車計劃及間隔時間，降低下穿段列車運營速度在30 km/h以內，減少行車震動對地層擾動影響。

施工期間盡量避免列車在此影響區段進行啟停，減少上部隧道荷載和震動。

2盾構小間距下穿既有地鐵線的施工影響因素及控制要點

（1）盾構掘進對土體的擾動是一個從平衡到不平衡再到新的平衡的運動過程，其不平衡狀態表現為加壓后的地面隆起和盾尾后的地面沉降。

穿越段徑向距離過近，各種因素對地層擾動大。5號線盾構穿越段隧道結構拱頂與既有地鐵2號線隧道拱底最小凈距約2.52 m（小于一倍洞徑6 m），在盾構下穿地鐵2號線前要考慮下穿地層的穩定性、盾構自身的荷載及刀盤擾動性和地鐵2號線機車運營過程中產生的沖擊動力荷載等一系列影響因素，避免對地層較大的擾動。保證既有地鐵2號線的結構穩定，是盾構下穿地鐵2號線掘進過程中最需要重點控制的關鍵點之一。南稍門～文藝路區間下穿段施工的控制目標為既有2號線下沉不大于6 mm，上浮不大于5 mm。

本區間下穿段為第443～472環，共30環累計45 m。為確保施工安全，下穿段分為3個階段進行施工，第一階段為第443～450環，第二階段為第451～464環，第三階段為第465～472環。

根據隧道地質、水位及埋深等工況本區間左、右線模擬段均選定在第392環～第436環。

（2）盾構隧道大縱坡段施工，存在開挖面不穩定和運輸安全風險。5號線隧道長距離處于-24.17‰大下坡掘進（如圖3所示），管片可能不穩定，壓力倉內的開挖渣土有可能出現滯留不能充分取土，推進阻力增大，都會對開挖面的穩定存在影響：同時大坡度區間，運輸車輛的溜車風險增加，造成的后果也會十分嚴重。

（3）下穿段盾構在全斷面粉質粘土地層中掘進，有遇到涌水、流沙和刀盤結泥餅的風險。由于盾構區間是在濕陷性黃土地質，遇水極其不穩定，掘進時極易發生涌水和涌泥事故，引發開挖掌子面失穩，嚴重時會隨著渣土的超挖，引起地面的突然塌陷;下穿段范圍為全斷面粉質黏土，掘進過程中易出現刀盤結泥餅，進而導致盾構推力增大，對地層擾動加大。

（4）盾構下穿既有地鐵2號線，對地表沉降控制要求高。本工程為雙線相繼下穿既有運營線路，兩條線間隔施工時間為30 d。由于二次擾動問題，兩條線的沉降規律并不相同。在掘進參數控制相同的情況下，后穿越的一條線相對前面穿越的一條線沉降值略大，因此后穿隧道掘進的各項參數控制及措施控制要更為嚴格。

（5）盾構接收端臨近既有地鐵2號線，接收難度大風險高。南稍門站接收端頭距離地鐵2號線最近距離24 m，車站采用止水帷幕加坑內降水，基坑內與坑外水位高差約13 m;端頭加固區域交通流量大，地下管線無法遷改。端頭加固區不能采取降水輔助措施，增大了盾構接收的難度。

3 下穿既有地鐵運營線路施工中采取的技術保障措施

針對以上所述的復雜的施工環境和條件，通過對水文地質、設計圖紙、地鐵2號線結構等的深入研究，施工前優化了施組方案，施工中采取了一系列的技術保障措施，總結如下：

3.1優化施工參數、加強施工參數動態管理

盾構穿越地鐵2號線運營線路作為重大風險源，對地表沉降要求極為嚴格，且左右線先后下穿既有線，使盾構掘進對地層的擾動進一步加大，如何使盾構掘進對地層的擾動盡量小、對既有地鐵線路結構的影響小是下穿既有線施工的重點。

通過對試驗段的各項數據分析，下穿既有線施工時的施工工藝總結為控制土壓為主，出土量為輔，保持平穩的推力、均衡的速度、穩定的扭矩，保證飽滿的注漿量，盡量降低對地層的擾動。

（1）盾構土倉平衡壓力：按照土壓平衡模式進行掘進，確保土倉內土壓有效地平衡地層的土壓力。施工中將下穿施工區段劃分為接近區、穿越區和脫離區，盾構在接近區掘進時，土倉壓力應逐漸降低;盾構在穿越區掘進時，為減少新建隧道施工對既有隧道及周圍土體的干擾，土倉壓力波動不宜過大，調整范圍在±0.2 bar之間;盾構在脫離區掘進時，土倉壓力應逐漸增大增加至正常值。

（2）螺旋輸送機出土量：盾構機掘進中通過調節螺旋輸送機的轉速控制土倉壓力，運用螺旋輸送機產生的塞效應，使土倉內的壓力始終處于需要的數值，保證前方掌子面處于穩定狀態，避免掌子面坍塌，地表沉降過大或穿越段上方地面隆起。施工中出土量控制在44.82 m3/環，每環出土量偏差不超過1 m3[2]。

（3）掘進速度及推力：由于地鐵2號線隧道削減了其底部正下方的土體應力，造成了兩側土體產生成土拱效應，使得隧道周圍土體應力升高，改變了盾構施工的初始應力場。但是既有隧道的影響范圍是有限的，盾構下穿施工應當分區段調整盾構的推力參數，通過調節盾構機刀盤扭矩和總推力，降低掘進速度，來減少盾構對周邊土體的擾動，保證土體的穩定。

下穿段掘進速度控制在30 mm/min以內。推進過程中要保證連續均衡施工，避免盾構較長時間的擱置。

在保證掘進速度的同時，下穿段掘進時推力控制在1 000 t左右。推力過大，會造成地面隆起和管片的錯臺、破損;推力過小易發生盾構機側轉事故。

（4）盾構姿態：考慮線路走向和地層情況，大縱坡掘進管片有上浮現象，盾構垂直姿態控制在-30～-40 mm之間，盾構的水平偏差控制在±20 mm以內，下穿施工中合理調節各分區千斤頂壓力，盡量保證盾構姿態正確。

（5）盾構機姿態糾偏：盾構掘進中的糾偏會增大對土體的擾動，盾構姿態變化不可過大、過頻，每環縱坡變化小于0.2%，水平姿態糾偏量控制在5 mm/環內。盾構進入下穿段前，即試驗段掘進中，必須將盾構姿態調整到最佳，確保盾構下穿既有線期間不進行糾偏，更不能進行“強糾”，減少因盾構曲線推進引起的過多超挖帶來的土層損失。

（6）管片拼裝：施工中，盾尾間隙偏差較大時，通過調節盾構機分區的推力差，使偏差減小。在管片拼裝時，根據盾尾間隙和推進油缸行程差，調整管片的拼裝點位，以保證管片的拼裝質量和足夠的盾尾糾偏間隙。

（7）同步注漿量和壓力：嚴格控制漿液的質量、防止土體變形。每環的理論建筑空隙為2.43 m3，在下穿段施工過程中，同步注漿量控制在建筑空隙的150%～180%左右，現場注漿量控制在4 m3，注漿壓力控制在0.25 MPa。采用可硬性漿液，漿液初凝時間不大于6 h。施工過程中，同步注漿量與注漿壓力根據監測結果適當調整。

當調整施工參數對減小沉降已難起到顯著效果時，調整注漿壓力對沉降的效果要優于調整土倉壓力。

（8）二次注漿：二次注漿采用雙液漿，及時對襯砌壁后二次注漿，有效地彌補因同步漿液收縮變形而引起的地變形隱患，提高了土體的強度，確保了土體的穩定。下穿施工時，二次注漿與盾構推進施工同時進行，實現跟蹤同步注漿的效果。

（9）地層損失量控制：盾構掘進必定引起地層損失量的增加，下穿段推進過程中，保持盾構切口處有微小隆起以抵消后期沉降。盾構掘進后及時通過同步注漿及二次注漿填充建筑空隙，控制土層損失量，將地層損失控制在0.5%范圍內。

3.2保證設備狀態良好

在盾構進入地鐵既有線影響范圍前，對盾構推進系統、螺旋輸送機、同步注漿系統、油脂注入系統、鉸接裝置進行檢查和維護，確保在下穿過程中不發生停機情況，保證下穿的平穩順利。

3.3降低大縱坡段盾構施工的安全質量風險

（1）大坡度區間掘進，土壓力隨著埋深而時刻變化，盾構的推力和土倉壓力要跟隨調整。大下坡掘進時，特別是粉質粘土地層中，土倉內的碴土有可能出現堆積而形成泥餅，造成阻力增大，因此施工中要控制好螺旋機的出土量，減少結泥餅的風險。

（2）盾體的重量集中在中盾和前盾，下坡推進時往往加大上半部千斤頂的推力，盾構具有向下扎頭的傾向。推進過程中要控制盾構糾偏量，盾構姿態避免“強糾”、糾偏過頻，調整好土壓力設定值和千斤頂推力，使盾構運動軌跡盡量與隧道線型重合。

（3）大縱坡施工時，由于推進千斤頂反力會產生向上的垂直分力，成型的管片容易上浮，因此管片脫出盾尾時要求全面復緊管片所有螺栓，以克服向上的分力。盡量做到盾尾內的管片居中拼裝，保證環面平整度，保證管片防水的質量。

（4）盾構掘進下坡時，管片壁后注漿漿液繞入管片，直接流到開挖面的可能性很大，所以同步注漿漿液采用凝結時間較短的硬性漿液，注入后的體積變化較小，強度要求能超過周圍土體的強度。

（5）電瓶車重車在大縱坡段上坡運行比較困難，電瓶車溜車風險性較大，施工中電瓶車裝備了雙作用制動器、軟連接、防撞梁等多重安全制動裝置。

（6）盾構在下坡段施工，隧道內排水會滯留在開挖部，要采取有效的排水措施，避免盾尾積水。

3.4有效地改良渣土和防止涌水、涌砂

（1）渣土改良：下穿段洞身范圍為全斷面粉質粘土，掘進過程中易出現刀盤結泥餅現象，為了保護刀盤、防止正面土體坍塌，保證螺旋輸送機的正常出土，每隔一定距離對刀盤前方土體及螺旋機內壓注一定比例的泡沫劑或膨潤土進行渣土改良，以減小刀盤的扭矩，并使渣土具有適當的和易性[7]。因此膨潤土漿液最適合配合比=膨潤土：水=0.25：1。

（2）防止涌水、涌泥：在地鐵2號線隧道結構隆起允許的情況下，適當提高盾構的掌子面壓力，以降低土倉內土體的流動性。同時通過控制螺旋輸送機出土速度和出土量，在出土口形成土塞效應，起到良好的密封、保證土壓的穩定以及防噴涌發生的作用。緊急情況時停止推進關閉閘門，啟動螺旋輸送機防噴裝置。

3.5加強監控量測，減小地層和隧道變形

盾構下穿地鐵2號線運營隧道時，采用全自動化監測+人工輔助監測模式。全自動化監測為24 h不間斷監測，加上人工輔助監測，同時間同頻率，第一時間進行沉降對比分析，制定下一步掘進參數[4]，指導下一步施工掘進。

按照每次/4 h～每次/8 h頻率監測，當施工影響較大或出現變形征兆時進行連續監測每次/2 h～每次/4 h。盾構下穿地鐵2號線運營隧道前50 m時測定初始值，然后進行正常的自動化監測，在施工完畢后監測3～6個月，至監測數據穩定為止。檢測包括地面監測、地鐵2號線隧道內監測、在建隧道監測[3]。

3.6對運營地鐵2號線軌道進行保護

為防止影響地鐵2號線整體形變，減少沉降對車輛運營的影響，在地鐵2號線與5號線交點及前后各10m范圍的原軌道鋼軌上加裝軌距拉桿，將兩根鋼軌連接起來，以提高鋼軌的橫向穩定性，提高軌道保持軌距的能力。施工利用凌晨0：00～5：00列車安全停運后進行護軌安裝作業[5]。

3.7保證盾構安全到達與接收

盾構接收端12 m范圍內采用三軸攪拌樁結合WSS注漿進行加固，以滿足盾構接收要求。

盾構出洞前，加強洞門的超前探測，以掌握土體加固和滲水情況;在盾尾后第五環開始通過管片的注漿孔壓注環箍壓注雙液漿，形成止水環;盾構切口進入井壁時，停止同步注漿，并用快硬性漿液或聚胺酯材料充填建筑空隙，以減少地鐵2號線和地表沉降量。

刀盤露出洞門后，加快管片拼裝速度。此時盾構空載運行，前方不存在阻力，盾構只要稍有推力，即可前行，此時應注意千斤頂的選擇不宜多，控制在2～3個即可，且不可加壓過大。管片拼裝后迅速實施管片連接。

盾尾拖出后很容易造成管片與車站結構之間漏漿、漏砂等，因此在盾尾離開洞門環約60 cm時要停止推進，開始密封并通過管片吊裝孔對最后三環管片進行雙液注漿，確保地鐵2號線沉降量最小。

地面采取傾斜跟蹤注漿作為應急措施，對地鐵2號線既有區間隧道實施保護;地面傾斜注漿根據地鐵2號線區間隧道變形監測情況，適時啟動。

3.8盾構下穿后地表長期沉降的控制

下穿過程中的洞內注漿，采用雙液漿注漿，每間隔5環通過注漿做一道止水環，使隧道縱向形成間斷的止水環，再在5環中間按順序逐孔進行補充注漿加固。注漿過程中加強管片姿態和錯臺錯縫監測。下穿完畢繼續進行跟蹤監測，及時補漿處理，避免后期沉降。

由現場實測數據反饋，既有地鐵2號線隧道道床最大變形量及拱頂最大沉降量均小于規范所要求的4 mm，表明施工中所采取的各項技術保障措施，對于防止在建隧道、既有隧道變形超限，保障運營線路安全起到了良好的控制作用[6]。

4技術成果

在下穿過程中，盾構姿態控制良好，管片平順，線路中心偏 差在合理范圍內，施工過程安全可靠。由現場實測數據反饋，監測點地表略微隆起，但隆起值較小，既有地鐵2號線隧道道床最大變形量及拱頂最大沉降量均小于規范所要求的4 mm，沉降平穩，無異常情況發生，表明施工中所采取的各項技術保障措施，對于防止在建隧道、既有隧道變形超限， 保障運營線路安全起到了良好的控制作用。

5結語

西安地鐵5號線10標，盾構小間距下穿既有地鐵線路施工中采取的各項施工技術措施，對保證線路車輛正常通行、既有線路正常運營是完全可行的。通過對盾構小間距下穿既有地鐵線的施工經驗總結可以看出：

（1）提前進行施工影響因素及控制要點的分析，建立試驗段，進行各項參數的采樣、分析和優化，下穿施工中是極其重要的[8]。

（2）在盾構下穿施工至既有運營線主要影響區時，及時對盾構參數進行修正，主動減小土倉壓力，可抵消刀盤對既有運營線的擾動。

（3）加強監控量測，保持盾構姿態，加強同步注漿，及時二次注漿，可確保掘進隧道及既有運營線的安全。

以上技術成果和論述，對今后我單位盾構穿越地鐵及鐵路既有線施工具有指導意義。

參考文獻

[1] 程國良，劉寶林，董勇，等.盾構穿越既有地鐵運營線控制措施與效果分析[J].施工技術，2021.

[2] 王文鋒，劉德智，楊軍寧.土壓平衡盾構穿越既有地鐵線路的技術方法[C]//中國國際隧道工程研討會.2011.

[3] 崔曉.地鐵盾構隧道施工對周邊環境影響的監測[J].現代隧道技術，2007.

[4] 南文勝，白朝旭，雷崇紅，等.盾構下穿既有線工程風險監測分析[J].現代城市軌道交通， 2011（S1）：4.

[5] 孫國慶.深圳地鐵盾構隧道接收端近距離下穿既有線加固技術[J].隧道建設，2015.

[6] 張飛進.盾構施工穿越既有線地表沉降規律與施工參數優化[D].北京工業大學，2006.

[7] 張振中.關于盾構在粉質黏土層中穿越鐵路既有線路的施工技術研究[J].科學之友：下，2012（8）：3.

[8] 祝思然，黃佩格，矯偉剛，等.盾構近距離下穿既有地鐵隧道沉降控制技術研究[J].隧道建設，2016，036（002）：234-240.

Influencing Factors and Technical Support Measures for the Construction of Shield Tunnels Underneath the Existing Subway Lines with Small Spacing

YAN Kui

（China Railway Beijing Engineering Bureau Group Chengshi Rail Transit Engineering Co.， Ltd.， Hefei? Anhui? 230061）

Abstract： The shield tunneling under the existing subway line adopts the earth pressure balance shield method. In the silty clay layer， the tunneling parameters of the shield tunnel are optimized， namely， soil pressure， thrust， cutter head torque， cutter head speed， tunneling speed， synchronous grouting the volume， simultaneous grouting pressure， unearthed volume and shield attitude， etc. reduce the impact on the existing operating lines， which has a good guiding significance in the field of shield construction of the Xi'an Metro.

Keywords： under-crossing existing operating subway lines; shield tunnels; settlement

收稿日期：2021-12-27

作者簡介：閆逵（1968—），男，山西大同人，本科，高級工程師（副高），研究方向：盾構施工。