盾構隧道下穿城市環線公路施工關鍵技術研究

摘要 地鐵盾構隧道施工過程中對原狀土體擾動較大，極易引起地表較大變形，影響地表既有道路的安全。該文以北京地鐵17號線下穿北四環段為研究對象，首先通過對盾構試驗段的分析確定盾構施工參數，隨后通過數值模擬的方法分析了盾構施工過程對周圍土體的影響機理和變形情況，最后研究了實際穿越環線公路段時盾構設備的參數變化過程。施工期監測結果表明：該研究所采用的盾構施工方法所產生的最大地表沉降量為7.618 mm，滿足相關要求。該文研究內容對城市盾構隧道穿越環線公路施工工作的開展具有指導意義。

關鍵詞 北京地鐵；盾構隧道；下穿立交；盾構施工；盾構掘進參數

中圖分類號 U455 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0142-03

0 引言

盾構技術作為現階段城市地鐵隧道建設的主要方式之一，應用十分廣泛，同時隨著城市立體交通的發展，地鐵線路不可避免地會穿越城市內的高大建筑物、地面環線交通線路等位置[1-2]。盾構隧道施工過程中對原狀土層的擾動較大，極易使地表產生變形和沉降，影響既有道路和建筑物安全，因此此類工程往往具有較高的施工風險[3-4]。為確保地鐵盾構隧道施工以及地表城市環線公路的安全，有必要對新建隧道下穿城市環線公路的盾構施工過程進行研究。基于此，該文以北京地鐵17號線穿越北四環段的盾構隧道施工關鍵技術展開研究，以期為后續相關工作的開展提供借鑒。

1 研究背景

1.1 工程概況

北京地鐵17號線工程太陽宮站～望京西站盾構區間處朝陽區望京區域，盾構區間左線長2 113.8 m，右線長1 821.4 m，雙線全長3 935.2 m，區間左線先從2號盾構井暗挖段始發，掘進至區間風井接收，整機空推64 m后二次始發，再掘進至太陽宮站接收后拆機轉場區間右線盾構1號井。區間右線盾構1號井暗挖段裝機始發，掘進工序與左線相同。隧道在里程YK32+127.000～YK32+269.000處下穿一級風險源北四環東路及輔路，長度142 m。區間隧道平面最小曲線半徑為R=500 m，線間距11～21.2 m，軌面標高約13.074～23.399 m，線路縱向坡度最大坡度9.87‰。

1.2 工程地質條件

前期勘察工作對場內各地層巖性進行了明確，各地層土體物理力學指標如表1所示。

對于盾構隧道而言，線路地層巖土體巖性比例對于盾構施工過程中的盾構姿態、土倉壓力、注漿加固等關鍵參數的確定具有決定性作用[5]。以左線隧道為例，經地勘計算可知：該工程中盾構隧道地層以粉質黏土和黏質粉土為主，占比分別為49%、19%，說明地層巖土體質量較為穩定，但需要在注漿過程中注意土體結構，避免出現較大變形。

勘察期間最深鉆孔為62 m，勘探范圍內地層中的地下水可劃分為上層滯水（1）、潛水（2）、層間潛水（3）、層間潛水～承壓水（4）、層間潛水～承壓水（5）和承壓水（6）。其中隧道頂板上方為潛水（2）、局部穿越層間潛水（3）、層間潛水～承壓水（4）、隧道地板穿越層間潛水～承壓水（5），其余含水層對隧道施工影響較小。

2 施工前盾構參數的確定

選取與北四環下部地層基本一致的進入北四環前100環作為盾構下穿隧道的試驗段，試驗段以地表沉降可控為目的，以保證效率減少設備磨損為目標對各參數進行確定。經試驗段確定，此區間采用盾構機開挖直徑為6 640 mm，管片外徑為6 400 mm，管片寬度為1 200 mm。每環開挖方量Q土環=π/4×D2×L=42.03 m3，每環出渣量方量為45.69 m3。掘進推力控制在1 200～1 400 t，掘進速度控制在30～50 mm/min。盾構的切削刀盤扭矩根據式（1）計算。

F=aD3 （1）

式中：F——刀盤裝備總扭矩（kN·m）；D——刀盤外徑（m）；a——扭矩系數。

經計算，試驗段切削刀盤扭矩為2 537 kN·m，施工時，在保證勻速掘進情況下，適當調整膨潤土注入比例減小刀盤扭矩，刀盤扭矩按照1 800～3 500 kN·m進行控制。

3 盾構施工關鍵技術

3.1 盾構姿態控制與掘進參數

盾構姿態是確保隧道盾構施工質量的重要指標，在該工程的下穿城市環線公路段的推進過程中，嚴格控制推進方向，將施工測量結果不斷地與導向系統對比校核，及時調整，以確保盾構姿態的正確性。該工程中的主要盾構參數如表2所示，盾構施工過程中的主要控制要點如下：

（1）盾構掘進過程中，嚴格控制姿態突變，保持姿態變化不能超過±5 mm。

（2）對初始出現的小偏差及時糾正，避免盾構機走“蛇”形，盾構機每環一次糾偏量不超過10 mm（1.2 m），以減少對地層的擾動。

（3）加強管片運輸和拼裝過程保護，防止碰撞掉邊掉角，影響防水質量；同時加強管片選型控制，每環推進完成后須進行盾尾間隙量測，根據盾尾間隙選擇管片F塊安裝位置。

（4）加強止水密封條的粘貼質量，防止滲水滲漿。

（5）嚴格按照“管片軸線跟隨盾構機走”的原則進行管片拼裝控制，減少錯臺破損。

盾構施工過程中的盾構機部分環號的推力變化圖如圖1所示，可知在施工過程中的推力是在時刻變化的過程中，施工過程中根據盾構推力的反饋和盾構姿態的調整確保整體推力在施工前確定的8 000～17 000 kN范圍內。圖3的推力分布結果可知，在實際施工過程中，掘進推力的大小與土層性質、地下水賦存條件等具有較強的相關性，在該工程中由于土層性質比較穩定，因此掘進總推力能夠控制在11 000～13 000 kN之間，且掘進推力整體起伏較小，說明地層情況比較均勻，施工過程較為穩定。

3.2 注漿關鍵技術

該工程隧道盾構施工過程中的注漿主要包括同步注漿和二次注漿兩部分，其中盾構過程中的同步注漿過程示意圖如圖2所示，同步注漿是在盾構推進過程中進行的地層注漿填充作業，以及時充填土體與管片圓環間的建筑間隙，防止地面發生沉降和地面的變形。在該工程施工過程的同步注漿中，堅持“注漿與盾構施工同步，不注漿不推進，要推進必注漿”的原則。

同步注漿漿液凝固后，體積會有一定的收縮，局部漿液與土體之間仍存在空隙，二次注漿能有效地進一步充實背襯空隙和提高止水能力，提高管片周圍土體密實度，有效控制地層變形和地表沉降。盾構進入設計加固范圍時后，根據變形監測結果，如果變形超過監測圖中的報警值，利用管片預留注漿孔進行管片外徑向注漿，先在注漿預留口安裝球閥，再用電動沖擊鉆進行開孔，進行二次注漿加固，注漿加固完成后，用快速水泥進行封堵，填實注漿孔。該工程中所采用的二次補漿采用雙液漿形式，雙液漿漿液可在地層內快速凝固，漿液配料比如表3所示。注漿壓力初設值擬定為0.3～0.5 MPa，注漿擴散半徑約為400 mm，結實強度不小于2 MPa。在施工中，根據注漿施工現場情況和地表沉降監測值及時調整，以注漿壓力和注漿量雙重控制，以達到最優效果。

3.3 盾構土倉壓力控制

該工程穿越城市環線公路階段的盾構施工過程中部分環號的土倉壓力監測情況如圖3所示。在實際施工過程中土倉壓力能夠控制在2.2 bar左右，且較為穩定，分析其原因可知，盾構地層中粉質黏土和黏質粉土為主，占比分別為49%、19%，在開挖導致地層應力重分布過程中，細粒土所產生的主動土壓力較大，同時盾構隧道位于含水層以下，土體處于飽和狀態，而地下水的存在會增大土體運動趨勢，也就導致盾構過程中土倉壓力較弱，但整體仍處于合理范圍內。

為確保施工過程對地表環線公路的影響在合理范圍內，該工程還對盾構施工過程中的各項參數進行監測，監測結果表明兩條隧道施工所引起的地表最大沉降分別為7.321 mm、7.618 mm，滿足規范要求的小于等于15 mm的要求，說明該工程施工控制效果出色。同時分析實際施工過程中盾構機的相關參數控制結果可知，在該工程的施工過程，確保試驗段參數的準確性和確保施工過程中的盾構參數一直在合理范圍內是控制盾構隧道施工過程中地表變形的重要手段。通過上述兩部分的聯合控制，也使得該工程盾構隧道施工所引起的沉降未對地表環線公路產生任何不利影響。

4 結論

該文以北京地鐵17號線穿越北四環段為研究對象，深入分析城市地鐵盾構隧道施工過程的關鍵技術，所得結論如下：

（1）該文所選用的盾構施工參數在粉質黏土+砂土的地層條件下所引起的地表最大沉降為7.618 mm，與數值分析計算所得的最大沉降量6.632 5 mm基本接近，能夠滿足開挖穩定性需求。

（2）盾構開挖過程主要是由于開挖導致原狀土體卸荷進而產生變形，其中上部沉降量遠大于下部隆起量，其主要原因在于上部土體除卸荷導致變形外還需考慮自身重力作用。該文研究成果可為后續相關工作的開展提供理論依據和數據支持。

參考文獻

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[4]張錕，徐前衛，孫慶文，等.地鐵盾構下穿高層建筑基礎的擾動變形影響與實測研究[J].城市軌道交通研究，2024（4）：129-135.

[5]秦大偉.上軟下硬地層盾構施工設備選型與刀盤關鍵參數研究[J].鐵道建筑技術，2024（2）：59-63.