盾构区间近距离下穿既有市政隧道施工案例简介

佰明虎

摘 要：随着城市轨道交通建设的日益完善，规模逐渐的增大，盾构施工遇到的困难种类也越来越多，在南京地区盾构施工过程中已经出现了下穿古城墙、下穿秦淮河、下穿既有高铁运营线以及下穿市政隧道。本文就盾构区间近距离下穿既有市政隧道施工做一案例简介。

关键词：盾构施工;下穿;市政隧道

一、工程概况

（一）工程简介

迈皋桥站～晓庄站盾构区间下穿现有市政纬一路隧道MW-13段，MW-13段长43m，宽度约28.7m，高度约8m，两端设变形缝，围护结构为工法桩且型钢已拔出，隧道底板下布置工程排桩，与区间西侧6根基底桩的净距为0.76～1.88m，与区间东侧6根基底桩的净距为0.75～0.94m。纬一路隧道底板与盾构顶板净距8m～8.5m，纬一路隧道下方盾构穿越范围内预留既有坑底加固，加固宽度为23.7m，加固深度为纬一路隧道底板下8m左右。

（二）工程地质、水文地质

1、工程地质

盾构区间下穿纬一路隧道段为复合地层，区间中部及以上至纬一路隧道底板主要为④层可塑～硬塑粉质黏土层，下部穿越地层为侏罗系象山群J1-2xn泥质砂岩，岩面起伏较大。

2、水文地质

区间地下水类型主要为松散岩类孔隙潜水和基岩裂隙水。潜水含水层为浅部填土层及②层粉质黏土、黏质粉土层中，主要受大气降水及居民生活用水排放补给，水位动态变化较大，水量较小，以蒸发的形式排泄。基岩裂隙水主要赋存在泥质砂岩中，受周围裂隙水补给，埋藏较深，迳流一般较滞缓，因受制于基岩节理裂隙的发育状况，富水性差异较大。

二、设计方案及控制措施

（一）纬一路隧道保护标准

考虑纬一路隧道运营期的变形，其沉降控制值采用9mm，隧道结构上浮控制值为5mm;隧道差异沉降控制值为0.04%L。非加固区段地层损失率为0.8%，加固区段地层损失为0.5%。

（二）盾构区间下穿纬一路隧道影响计算分析

1、 纬一路隧道抗浮验算

盾构下穿纬一路隧道MW-13区段，该区段长43m，宽28.7m，总共布置28根Φ800抗拔桩，桩长17m。通过计算，盾构掘进过程中，纬一路隧道抗浮系数1.35>1.15满足要求。

2、 Peck公式计算分析

依据派克（Peck）地层损失的概念和估算方法，当地层损失率为0.8%时，单线贯通后地表最大沉降为0.24mm，双线贯通后地表最大沉降为0.42mm;当地层损失率为0.5%时，单线贯通后地表最大沉降为0.15mm，双线贯通后地表最大沉降为0.26mm。两种地层损失率，地表最大沉降均小于0.5mm，纬一路隧道的变形则更小，满足沉降控制9mm的要求。

3、数值计算分析

利用岩土有限元软件PLAXIS 3D建立三维有限元模型，对盾构掘进工况进行计算分析。取MW-13区段盾构正上方的纬一路隧道底板变形值，计算得盾构掘进过程中盾构正上方的底板隆起量最大达到0.26mm，最小隆起量为0.16mm，不超过5mm。底板竖向变形差异值为0.1mm，差异变形为0.005‰，不超过0.04%，变形较小。盾构掘进完成后，纬一路隧道底板沉降值最大为-1.07mm，沉降值最小为-1.0mm，底板竖向变形差异值为0.07mm，差异变形不超过0.005‰。并从模型中提取纬一路隧道断面的弯矩值，根据隧道顶底板的配筋，反算出纬一路隧道顶底板的裂缝均未超过0.2mm，满足纬一路隧道工程裂缝宽度的要求。

（三）下穿纬一路隧道技术措施及建议

1、盾构施工地层损失率控制

根据计算及类似工程经验，盾构区间穿越纬一路隧道地层损失率需控制在0.5%以内，以有效控制轨道交通施工对隧道的影响。

2、穿越段管片预留注浆孔

盾构掘进过程中，应合理调整施工参数，做好同步注浆和二次注浆，减小施工对隧道的影响。根据监测必要时可进行二次补充注浆，通过预留注浆孔对周边土体进行注浆加固以控制沉降与变形进一步发展。

3、穿越段管片加强配筋

线路下方及两侧各20m范围内的钢筋混凝土管片采用加强型配筋，穿越段管片采用8.8级螺栓进行加强。

（四）盾构施工参数控制要求及建议

1、为便于加强盾构施工过程的风险安全管理，本区间盾构穿越纬一路隧道段纵向控制区划分为A、B区，A、B区之外为一般控制区。A区定义为盾构穿越隧道前10环、盾构穿越隧道后管片脱出盾尾10环和隧道本身宽度之和。B区定义为盾构穿越隧道前10环到前20环间的范围（12m）。盾构进入控制区B区前10环之前应进行盾构检查验收，而后方可进行穿越控制区施工，穿越过程中盾构机应避免停机。

2、为达到盾构穿越隧道变形控制的要求，盾构推进施工过程控制是最重要的环节，应在盾构距离隧道20～100环范围内做试验段，采集相关盾构掘进参数，作为穿越隧道段施工参数设计的依据。

3、严格同步注浆及二次注浆技术标准

4、盾构设备要求

应选用与工程地质匹配的盾构机型，盾构机的性能应满足区间推进施工长度和线性要求，选择对周围环境影响小的机型，具体要求如下：

（1）盾构机额定扭矩大于4000KN·m，额定推力大于3200t;（2）盾构机刀盘为面板式或复合式。开口率在28～43%;（3）具备超前注浆的功能（刀盘上布置有超前探测孔）;（4）螺旋输送机有2道防水闸门;（5）土舱内有3个及以上的土压计;（6）刀盘上有4个及以上添加剂注入口;（7）盾尾密封3道及以上，密封刷质量高（盾构始发时全部更换为的密封刷）;（8）盾构切削外径与管片外径之间的距离不宜过大;（9）如采用铰接式盾构，在铰接处必须具有1MPa及以上防水能力;（10）各区域推进千斤頂最大伸长量相等。

5、盾构机掘进的控制技术标准

为达到盾构穿越隧道变形控制的要求，盾构推进施工过程控制是最重要环节。土压平衡盾构施工的主要影响因素包括正面土体压力、刀盘和土仓压力、排土量和掘进速度、螺旋输送机转速、千斤顶总推力、盾构姿态等，过程控制是否合理的直接反映就是盾构掘进过程中的纬一路隧道沉降和隆起，具体要求如下：

（1）盾构机状态：盾构机在进入穿越建筑物段前需对盾构机进行检修，盾构机始发前必须更换3道新的高质量盾尾刷。（2）掘进速度：盾构应匀速掘进，2cm/min≤掘进速度≤3 cm/min。（3）盾构姿态控制：盾构姿态应控制盾首或盾尾的垂直及水平偏差绝对值在一定范围之内，同时需控制盾首和盾尾偏差绝对值之和。（4）盾尾油脂：盾尾油脂应采用高质量产品，用量为≥35kg/环。（5）渣土改良：采用泡沫剂对渣土进行改良，并向土仓及掌子面加适量水调整渣土的流动性。根据经验，泡沫剂原液与水的用量之比为1：35，发泡率为12～15，每环泡沫使用量一般为35L～40L，渣土改良效果较好。

（五）盾构下穿纬一路广场隧道监测控制

1、 监测项目

2、下穿纬一路广场隧监测报警值及监测频率

三、盾构机选型

综合考虑区间地层情况及穿越建筑物的安全性和可靠性，结合类似工程经验，本工程采用铰接型土压平衡盾构——德国海瑞克。盾构机总长约80米，盾体总重量约520t，车架重量约145t，总配置功率1200kW;刀盘最大扭矩5215kN·m，刀盘转速2.5转/分钟;最大推进力为35180kN，最大掘进速度可达80mm/分钟，最小水平转弯半径300m。其具有以下特点：

（1）满足以粘质粉土、粉质黏土层为主的土压式平衡盾构。（2）刀盘配备为复合刀盘，开口率大（36%），强度高、刚性好，能适应软土地层中土压平衡掘进时扭矩、推力切削排土要求工况，同时配备6把周边滚刀，满足穿越岩层要求。（3）推进油缸和铰接油缸布置具备良好的纠偏和爬坡能力，保证在大坡度掘进中的轴线控制。（4）具备高精度的盾构机导向测量系统——VMT SLS-T APD自动定位隧道导向系统，以保证线路方向的准确。（5）具有良好的泡沫和添加剂注入系统，用于开挖面、土仓及螺旋机中土体的改良。（6）具备人员和材料进出用的气压人行闸，并且配有土仓自动调压装置，以适应软弱围岩掘进的要求。（7）盾构机主机的密封装置在压力状态下具有良好的防水功能。（8）盾构机有防喷涌措施的设计。（9）由于盾构施工是在盾体内及土压平衡的力学稳定条件下施工，盾体的刚度必须有足够的土压及水压承载能力。

四、盾构下穿纬一路纬一路广场隧道施工控制与管理

（一） 试验段选取及目的

根据穿越段地层情况，选取地层相似的前20环～100环作为本次下穿纬一路纬一路隧道广场试验段，以便收集数据，调整盾构机参数。

试验段施工过程中，主要以控制地面及建筑物沉降变形为目标，从以下几个方面进行了试验研究：

（1）研究粉质黏土层、强风化泥岩地层盾构正常掘进引起的隆起和沉降变形特征;（2）研究掘进参数对地表隆起和沉降变形的影响;（3）摸索盾构机在该地质条件盾构姿态和管片拼装变化规律;（4）摸索适合于该地质条件的同步注浆（砂浆）配合比;（5）研究砂浆的注入参数对隆起和沉降的影响;（6）研究二次注浆对地表隆起和沉降变形的影响;（7）研究盾构机穿越已有隧道的技术控制措施;（8）统计各项参数与地表沉降相应关系，控制地层损失率在0.5%以内。

通过试验段内地表沉降及地表建（构）物监测情况，及时优化施工参数，为正式下穿提供可靠依据。

（二）盾构施工参数设定与调整

参考试验段掘进参数，根据以往施工经验拟定出盾构下穿纬一路纬一路广场隧道段施工参数控制，如下：

1、掘进控制

（1）推进速度：匀速推进，推进速度控制在20～30mm/min。每班平均推进3环，日进度控制在6环，保持平稳推进。（2）土仓压力：1#：1.0～1.2bar，2#、3#：1.4～1.6bar，4#、5#：1.8～2.0bar。（3）推力、扭矩：推力控制在13000～15000KN即1300T～1500T，扭矩控制在2000KN·m以下。（4）刀盘转速：控制在1.0～1.2rpm。（5）盾构机姿态：穿越段处于直线上，盾构机姿态水平姿态-5～+5，水平趋向控制在0～+1，垂直姿态-10～-20，垂直趋向控制在0～+2。（6）管片拼装：根据管片排环表，注意沿线管片分布情况，选择管片型号。（7）同步注浆：穿越段采用硬性浆，注浆压力控制在3～4bar，注浆量保证每环实际不少于5.0m3。可根据盾构机运行情况和地表监测情况，对注浆参数进行调整。（8）盾尾油脂：盾尾油脂注浆泵压力控制在20～22bar左右，每环均匀注入，每环注入量保证不小于40kg（每桶油脂注入5～6环）。（9）渣土改良：根据掘进情况，采用泡沫剂改良：泡沫剂原液与水的用量之比为1：35，发泡率为12～15，每环泡沫使用量一般为35L～40L。（10）出土量控制，推进单环理论出土量控制在4～6m3。（11）加强盾构司机、技术员、拼装手交流和配合，能更好控制盾构姿态，确保盾尾间隙和管片拼装质量。

2、二次补浆

根据地表沉降及管片姿态情况，在进穿越段前十环和出穿越段后十环的位置注双液浆环箍，每处注浆量4～5m3，注浆压力控制在5～6bar，以注浆压力为主要控制条件，以隔断管片外壁过水通道，减少穿越段浆液流失。

在下穿段內，根据地表及建筑物监测情况，针对性注入单液浆，注浆压力控制在2～3bar，主要在管片上部180°范围内开孔。

下穿段参数根据试验段掘进监测情况，适当优化。

（三）盾构穿越纬一路纬一路广场隧道施工管理

（1）盾构工程师跟班作业，紧盯现场。对各班组进行严格管理，对施工各工序进行质监督。（2）每日由盾构工程师下达技术指令，班组严格按照技术指令设定的参数和要求进行施工。（3）由盾构工程师牵头，利用交班时间与掘进班长、拼装班长就前一班施工中出现的问题进行讨论并得出解决方案，确保思想统一，推进、拼装方法协调一致。（4）盾构工程师每环对推进千斤顶油缸、盾尾间隙、超前量进行量测，根据量测结果与盾构姿态结合分析和比对，指导盾构机司机推进。（5）盾构工程师要根据施工现场实际情况对盾构掘进的技术参数进行调整，确保推进系统的合理性。（6）测量人员定期对已成型隧道轴线进行复测，同时对盾构机测量系统进行校核，确保盾构测量系统工作正常。

五、结语

盾构下穿市政既有隧道，施工难度大，影响因素多，在严格控制施工管理的同时，也要制定并完善施工时的安全保证措施，尽最大的努力，保证施工顺畅、人员安全，既有隧道受影响程度最小。

作者简介：柏明虎，男，汉族，江苏南京人，南京地铁建设有限责任公司，高级工程师。