盾构隧道下穿既有线施工控制技术研究

杨晓明

（中铁二十局集团南方工程有限公司，陕西 西安 710000）

0 引言

盾构法在地铁隧道的施工中十分常见，能够较好地适应不同地层条件，在复杂的地质条件下具有明显的优势。由于盾构法对环境的影响较小，通过有效的控制技术，能够降低隧道施工对既有线路的影响[1]。盾构隧道的施工无法避免对于既有结构产生的影响，由于不同的施工条件对盾构隧道施工产生的地层位移的影响具有明显的差异，因此，在下穿既有线路的施工中需要采取相应的控制技术。

1 盾构施工设备选型与参数设定

考虑盾构隧道下穿既有线施工的地层条件和实际施工环境情况，盾构施工设备的选型应在安全可靠的基础上进行，同时控制对铁路既有线运行和土体的扰动影响。合理的盾构施工设备选型，是下穿既有线施工质量的保障，因此，在施工设备选型中，应充分考虑施工设备的性能能够维持削掘面稳定，并满足线性掘进要求，适应工程长度[2]。考虑到盾构隧道的地层具有较大的渗水性，因此本文选择封闭式盾构土压平衡盾构机进行施工。由于本文工程的施工条件较为复杂，因此盾构机刀盘的选型，综合考虑到复合的地层条件，采用复合型刀盘结构适应地层的整体掘进，刀盘中的主要配置为单刃滚刀，以此破碎混凝土，并选择刮刀为辅助刀具，刮落混凝土碎块，配合螺旋运送机将碎块运出，以前后滚刀布置，留出破岩临空面[3]。设定盾构机的总推力在8000～10000kN，刀盘扭矩800～1600kN·m，刀盘转速0.8～1.2r/min，掘进速度20～50mm/min，土仓压力0.10～0.20MPa，螺旋机转速5～15rpm，出渣量50～60m3。

2 盾构施工轴线控制

2.1 盾构轴线控制

盾构施工过程中，在下穿既有线施工时，必须预先进行盾构姿态的控制，以避免管片在施工后产生裂缝和渗漏水的现象，另外，还需严格控制轴线偏差在预警值范围内。首先，将盾体前段水平姿态控制在+10～30mm 之间，前点姿态控制在-20～0mm，在使用盾构机掘进的过程中，为避免管片受到不均匀的千斤顶应力，需要及时对千斤顶压力进行适当的收缩调整[4]。调整盾构机的掘进轨道轴线与隧道管片的轴线重合，控制轴线和夹角度数变化在0.5%以下；检查管片的超前量，控制和掌握盾构单次纠偏的幅度，姿态调整不易过快过大。在纠偏时应遵循缓纠慢纠的原则，减少蛇形掘进，并及时调整纠偏方式，纠偏量控制在每环5mm 以下，使纠偏均匀稳定，避免因纠偏对周围土体产生过大的影响。若在纠偏过程中的盾构姿态出现波动，应该及时制止纠偏，避免情况进一步恶化。控制衔接油缸的行程差，衔接油缸控制盾体趋势。在纠偏中应实时关注盾构施工的轴线趋势是否好转，防止因盾构机掘进过程中的轴线偏差过大，而产生不均匀间隙的情况。上力过大容易栽头，下力过大容易前点上翘，因此，应严格控制盾构姿态，实时动态调整。

2.2 穿越地下管线施工控制

由于研究区域内的地下管线众多，且埋深深度具有明显差异，因此，在进行盾构下穿施工中，会不可避免地对管线产生影响，为了防止管线出现损坏的情况，应将管线沉降值控制在允许范围内，各管线允许的不均匀沉降，见表1 所示。

由表1 可知，地下管线允许的沉降值，针对不同管线与隧道的不同位置关系，本文对管线破坏进行了预测，并提出了相应的控制技术。在盾构穿越污水管时，应严格控制盾构正面的切口平衡压力，实时监测切口压力相关的施工参数，避免因平衡压力值波动对土体造成过多扰动。对下穿区域雷达进行孔洞探测，使用加强型管片应对地铁运行时的冲击荷载，结合地面监测数据，进行泥土塑化改造。

表1 管线允许不均匀沉降值

3 注浆加固施工技术

3.1 同步注浆施工

盾构隧道施工注浆，首先控制同步注浆，通过同步注浆进行隧道加固，控制隧道土层间隙和管片裂缝。每环理论压浆量为5m3，而实际的注浆量通常高出理论注浆量25%～75%，考虑到上文对于轴线控制进行的姿态调整，其具体浆液注入量进行动态控制，随时调整注浆量，注浆速度应注意与掘进速度相协调。按盾构完成一环1.5m，在掘进时间内完成同步注浆，并确定其平均注浆速度[5]。总结穿越段合理有效的注浆量，避免由于注浆量过多或过少，导致盾构机前方隆起问题。同步注浆主要以控制注浆量为主，根据现场施工的实际情况不断优化注浆参数，根据试验段注入压力的数据，实际的注浆压力0.1～0.3MPa，注浆压力要保证浆液克服水土压力顺利注入，又要使隧道土体与管片间隙填充充分。

3.2 二次注浆加固

在盾构推进的同步注浆过程中，土层裂隙渗透可能存在一定间隙，在浆液收缩时，也会使地面出现变形，因此应根据施工现场的实际情况，通过二次注浆填充管片的建筑空隙。对本文盾构隧道施工进行检测，发现在完成同步注浆后，局部土体仍存在一定间隙，因此，需要进行二次注浆加固隧道土体。浆液主要为水泥单液浆，若注浆未满足施工要求，则应暂停盾构推进，根据地面监测情况进行二次注浆的调整，从而控制地面出现过大变形量。采用多点位注浆，注浆浆液使用双液浆，通过隧道衬砌管片吊装和预留孔注入，注入速率在20～30L/min，对整备线拱顶部分进行注浆加固。

3.3 隧道施工风险控制

对本隧道下穿既有线盾构区间施工进行风险评估，本文工程盾构机始发和接收时，难以建立盾构土压，出渣量容易超方，具有重大风险，其既有线路及整备风险等级，见表2 所示。

表2 下穿既有线及整备风险等级表

由表2 可知工程风险影响范围，因此需要控制盾构推进情况，避免施工对地表建筑结构安全造成影响。地铁的运行对轨道间的差异沉降具有严格要求，在掘进作业前做好勘查，根据开挖图的级配以及透水性等参数确定施工材料，并调整材料中的砂石土体黏粒含量，为了有效减少砂石间的摩擦力，可向开挖土层中加入泡沫，改变刀盘扭矩。

4 施工监测

上行线和下行线盾构在掘进过程中需进行现场实时监测,本工程设置的1 处下穿既有线段为试验段，试验段长198m，对工程的监测数据进行分析。控制技术对试验段施工产生的土体分层沉降和水平位移，以及地表沉降数据。在地表沉降的监测试验段中，每隔20m 布设1 个监测断面，共10 个断面，在既有线断面中，设置每个断面5 个监测点，在线路相交段的断面中，布设水平位移测点和道床测点共2 个，为了避免对隧道顶部的接触网产生影响，因此在拱顶测点的布设上，选择侧拱部位置进行布设。在分层沉降的每个监测面上，在掘进轴线上方和掘进断面分别设置1 个监测孔，掘进轴线在孔内立面设置2 个监测点，掘进断面的监测孔内设6 个监测点，通过多点位移计自动进行实时监测数据的采集。对盾构施工前，盾构掘进时和盾构施工后三个时期的监测数据进行整理，选择68～76 之间的5 个环号数据，具体监测数据如表3 所示。

由表3 可知，盾构隧道试验段的地表沉降数据基本稳定在-5～-16mm 之间，其中，74 环的累积沉降量最大，为-15.69mm，基本满足要求，由于地表沉降的预警值在-15mm，因此，还应进一步优化。根据监测数据分析，盾构机在掘进时的盾体位置有一定沉降，刀盘前有少许隆起。考虑到刀盘隆起和中心易结泥饼现象，对泡沫系统的管路进行改良，将部分管路的压注泡沫改为注水，改善渣土流动性，增加中心区域泡沫注入孔数量，对土体改良效果如图1所示。

图1 推力变化曲线

表3 监测数据汇总表

由图1 可知，对比正常施工段与改良段的改良效果发现，通过本文对土体的改良，采取合理控制措施后，渣土流塑性得到明显改善，有利用正常排土与盾构推进，土仓压力能够控制在0.03～0.06MPa 之间，土仓压力波动明显减小并趋于稳定，减少了泡沫注入量和土体改良的成本。经过改良施工后，土仓内泥饼现象减少，对刀盘及刀具的保护作用明显。在复合底层施工时，由于开挖地层具有一定的自稳能力，导致开挖面不能及时收敛，管片在自重作用下容易产生沉降位移，情况严重时会影响管片的衬砌结构，难以保证注浆效果，需要对隧道施工的各个阶段进行监测与管理，在对施工结果进行监测与质量检验的过程中发现，盾体和管片存在50mm 间隙，出现的沉降量较大，将不同环号的监测数据进行对比显示，过高的土压设置会导致盾构前方出现隆起，在盾构施工完成后的累积沉降量较大，注浆量和注浆压力较小的情况下，会导致注浆的不饱满，进而造成地表较大沉降。因此，在地面施工结束后，应进行土体加固保护，进行二次注浆，控制浆液凝固收缩时产生的间隙以及管片上浮量。在施工完成后，对管片的上浮现象进行复测，分析盾构施工结束后和二次注浆时的管片上浮量，具体结果如图2 所示。

由图2 可知，根据复测结果，盾构管片在上软下硬地层容易产生管片上浮现象，上浮量在30～50mm 之间。管片上浮主要在盾构掘进完成后的脱尾期间，上浮量为20～35mm。经过本文方法进行控制与加固后，管片上浮量具有明显降低，在10～20mm 之间。经过复测，地表沉降量均在15mm 以内，满足盾构隧道下穿既有线的施工控制技术要求，证明本文方法具有安全可靠性。

图2 管片上浮试验结果

5 结束语

本文通过对盾构施工设备进行选型，设定相应参数，控制盾构施工轴线，进行注浆加固施工，监测施工情况，得到监测数据并分析，取得了一定的研究成果。由于时间和条件的限制，本文研究还存在着诸多不足，有待于在今后的研究中深入探讨，如，未涉及到本文盾构隧道下穿既有线的安全风险评估。随着我国地下隧道与地质环境越来越复杂，应充分考虑不同地层的土层加固控制，进一步研究盾构机始发到达方式，为地下工程的技术问题提供新的解决方法，保证盾构隧道下穿铁路既有线施工的安全和质量。