盾构隧道下穿地铁运营线路施工控制及影响分析

王海峻

（无锡市建设工程质量监督站，江苏 无锡 214000）

0 引 言

盾构穿越既有建（构）筑物是盾构施工的重大难题之一［1］。随着地铁建设的推进，越来越多城市的地铁呈现网络化，地铁施工穿越运营地铁线路的情况越来越多。下穿运营线路需要将对正在运营的线路影响降到最低，研究和分析这方面的影响具有实际意义。北京地铁 14 号线下穿铁路框架桥后左线累计沉降 1.8 mm，右线累计沉降 1.1 mm［2］。北京地铁昌八联络线工程盾构穿越既有 8 号线出入段线［3］。深圳地铁 11 号线上穿既有线路以及下穿深圳市政道路［4－5］。王志良等［6－9］对于盾构穿越的控制措施及部分技术进行了研究，目前针对盾构穿越的过程中控制监测研究较多，对沉降在可控范围内的穿越段土仓压力、注浆压力值的取设研究较少。本文以无锡地铁 1 号线南延线长广溪站～雪浪坪站（以下简称“长～雪区间”）下穿 1 号线雪浪停车场出入场线为例，来分析盾构下穿地铁运营线路的影响因素及控制措施，并通过对盾构掘进土仓压力、注浆量等指标设定值与实际值进行了比较分析，该研究对类似工程有一定参考价值。

1 工程概况

1.1 运营线路的工程概况

运营线路为无锡地铁 1 号线雪浪停车场出入场线，结构为明挖箱涵结构，混凝土结构为 C35P8，与南延线相交段围护采用 SWM 工法桩，施工完成后型钢全部拔出。

出入场线里程 SK29+793.681～SK29+866.750 为南延线下穿区域（下穿区域长度为 73.069 m），该处地面标高为 +4.5 m，涵顶标高为-2.030～-0.419 m，结构埋深 6.530～4.919 m，由北向南结构为 9 ‰ 的下坡，该处结构顶板厚 700 mm，结构净高尺寸 5 m，底板厚 800 mm，下有 20 cm 垫层。

1.2 现有施工盾构区间情况

现有施工盾构区间为长广溪站到雪浪坪站区间，为地下盾构施工，长广溪站～雪浪坪站左线长1212.634 m，右线长 1228.955 m，长～雪区间呈南北走向，区间右线线路出长广溪站后沿蠡湖大道东侧前行，在华莱坞西侧下穿无锡地铁 1 号线雪浪停车场出入场线。考虑到长广溪站已经运营，盾构掘进由雪浪坪站往长广溪站掘进，如图1所示。

2 盾构施工技术分析及措施

2.1 施工技术准备分析

盾构隧道穿越线路目前处于运营状态，对盾构穿越施工过程中风险控制要求高，在正式施工前需提前做相应技术风险分析，主要存在三个方面的技术风险。

2.1.1 与运营隧道垂直距离小

拟建隧道在穿越段标高约 -18.7 m，即埋深 20 m 左右，出入段线结构底板与隧道结构最小垂直距离为 5.3 m。

图1 长～雪区间下穿地铁出入段线平面位置图

2.1.2 沉降控制要求高

正在运营的隧道保护要求非常高，必须确保地铁列车的运行安全。盾构穿越施工时的保护标准要求为：正在运营联络线保护等级为一级；风险等级为Ⅱ级；沉降监测控制要求如表1所示。

表1 穿越段监测控制值

2.1.3 斜向穿越且穿越距离较长

隧道与运营线路为斜向穿越，穿越叠交投影长度约 73 m，穿越的距离较长，在长距离穿越过程中必须采取有效措施降低风险，确保运营线路正常运营。

2.2 施工技术保障措施

虽然经过了上述技术准备分析，但为了更好地控制好上述风险，需要在实际施工过程中落实好下列保障措施。

2.2.1 成立穿越领导小组

成立穿越领导小组和工作小组，加强对穿越工作的领导；增加富有施工经验的、责任心强的优秀施工人员。在穿越施工前对全体施工人员进行全面详细的技术交底，切实落实各项技术措施。在穿越施工时，24 h 有人值班，随时监测地铁运营线路的沉降情况，并将情况及时向领导小组汇报。

2.2.2 实地勘察并提前办理相关手续

按照穿越时间分为两个阶段。第一阶段：穿越施工前，到 1 号线运营公司办理穿越手续，在获得穿越的相关要求后，才能实施推进。第二阶段：在到达穿越前 15 d 左右，通过实地踏勘盾构穿越段的地铁结构内部，了解现场的实际工况条件，并取得该线路运营期间（近期）监测的资料数据，以进一步了解该结构的变形情况，用于指导现场掘进。

2.2.3 核实 SMW 工法桩拔除情况

下穿的 1 号线停车场出入场线为单层双跨箱型结构，采用 SMW 工法桩围护，虽然施工后已拔除型钢，但施工前需要到现场仔细核实型钢拔出情况，确保盾构掘进安全。

2.2.4 划分穿越阶段

根据盾构穿越地铁线的工况特点，将盾构穿越地铁分为 3 个阶段，分别为穿越前试推进阶段，盾构穿越阶段和盾构穿越后控制阶段。具体控制段如表2所示。

表2 盾构穿越段对应环号划分标

盾构隧道与出入场线隧道结构距离 5.3～5.6 m，盾构施工时，应根据监测情况，及时通过管片预留注浆孔对隧道周边地层进行洞内注浆加固。

下穿段右 SK29+760～890 采用自动化连续监测，通过监测掌握施工过程中来自地表、地层和隧道内的情况，及时反馈信息，调整施工参数和采取相应的施工措施，保证整个工程安全顺利地进行。

3 施工测量和监测

根据 CJJ/T202－2013《城市轨道交通结构安全保护技术规程》表3.2.2 及上述关于接近程度和外部作业影响等级的划分，判定外部作业影响等级：起始段和下穿段为特级，并行段为一级［10］。

3.1 监测范围

区间盾构施工期间监测范围为区间隧道正上方沿线路中心线左右各 1.5 倍盾构中心埋深范围内的建（构）筑物、管线等［11］。

3.2 监测项目

穿越影响区域内地表垂直位移监测；穿越影响区域内建筑物垂直位移、裂缝监测；穿越影响区域内周边管线垂直位移监测；拟建隧道结构沉降监测，收敛监测。监测对象、项目及频率如表3所示。

4 推行控制数据设定及实际施工控制数据

4.1 穿越前试推进阶段

1）土压设定。根据之前实际推进土仓压力，土压力设定为 0.2～0.29 MPa。具体施工值根据盾构埋深、所在位置的土层状况以及监测数据进行实时优化调整，每次调整的幅度为 0.005 MPa。

2）出土控制。结合之前掘进实际情况，渣土松散系数取 1.2，每环的出土量为 1.2×π×6.342/4=37.86 m3。根据盾构及管片之间的建筑间隙及各土层特性合理控制出土量，大约为开挖断面的理论出土量的 98 %～100 %，并通过分析调整，寻找最合理的数值。

3）掘进速度。宜为 10 mm/min 左右。

4）注浆量。根据之前实际掘进的注浆情况，每环的注浆量控制在 2.6～2.9 m3。泵送出口处的压力略大于隧道周边水土压力，根据经验可取为 1.1～1.2 倍的静止土压力。

4.2 穿越阶段

依据 CJJ/T 202－2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》，考虑无锡地铁的特点，对盾构隧道穿越 1 号线雪浪停车场出入场线控制要求如表1所示。

表3 监测对象、项目及频率表

1）土压设定。0.22～0.39 MPa。

2）掘进速度。在穿越区施工过程中，盾构掘进速度控制在 0.5～1.0 cm/min，尽量保持推进速度稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越地铁线，以减少对周边土体的扰动影响，以免对其结构产生不利影响。盾构推进速度将根据监测情况做必要的调整，如必要时开启慢速泵，按照 0.2 cm/min慢速推进，或者推进半环（60 cm），然后暂停 10～20 min，根据地铁隧道监测单位提供的监测数据调整推进速度后再推进半环（60 cm），依次组织施工以便更好地控制沉降。

3）注浆量控制。根据之前实际掘进的注浆情况，每环的注浆量控制在 2.6～3.6 m3。具体如表4所示。

4.3 穿越后并行控制阶段

盾构顺利穿越到了并行阶段，穿越的风险基本上了得到了控制，但是为了减少对运营线路的影响，在与既有结构并行掘进过程更应该加强相应参数控制，相应的参数应该根据之前掘进的参数实际值以及土层情况确定，确保整个穿越过程顺利完成，这一阶段的参数控制如表4所示。

4.4 实际施工控制数据

长～雪区间穿越段施工时间为2017年4月25日～ 5月13日，通过监测数据分析，监测项目数据变化量累计最大值的这些点范围在盾构穿越段前后 20 m 范围内，全部在累计控制值控制范围内，总体控制良好。主要监测数据如表5、表6所示。

通过调取盾构机内掘进数据，发现盾构掘进实际控制数据与掘进过程中数据基本上相一致，说明在土仓压力、注浆量设定时采取已经掘进完成的数据作为参考值具有一定的可操作性，具体如表4所示。

通过调取盾构机穿越整个过程的每环土压力、注浆量实际值以及每环指令单上的设定值画出对比曲线图，如图2、3所示。

图2 穿越段土压设定的对比曲线

图3 穿越段注浆量设定的对比曲线

表4 穿越运营线路主要参数设定值及实际掘进值

表5 运营线路的监测点沉降累计变量统计表

表6 掘进线路监测点累计变量统计表

从图2、图3 的穿越段的图中可以看出，在盾构机穿越前试推段土仓压力与注浆量变化较小。在盾构机逐步切割之前围护的 SMW 工法桩拔除后留下来的水泥土时土仓压力突然增大，后逐步下降到穿越前试推段土仓压力，到 682 环时由于地质条件原因土仓压力增大，后又开始下降，穿越后并行控制阶段土仓压力趋于稳定。注浆压力的变化趋势跟土仓压力变化趋势基本一致，土仓压力大注浆压力大，土仓压力小注浆量小。

4.5 盾构掘进过程中发生的问题处理

虽然盾构的区间已经进行了工程勘察，又在盾构正式掘进前对周边环境进行了细致调查，但是地下工程掘进面对的是看不见摸不着的地下工程，往往在实际掘进过程中容易发生意想不到的情况。盾构机在5月1日凌晨3点44分刚刚切削土体进入穿越控制段时，有部分水流入盾构机内。发现流水现象后，立即启动应急响应程序：一是要求应急人员立即到位，相应的应急物资准备就绪；二是要求立即停止继续掘进，保持土仓压力；三是立即将监测频率调整为1 次/h；四是对流水情况进行观察和分析。

经过观察发现留出来的水是清水，并无砂土，且经过 10 h 的连续监测并未发现监测点有明显的沉降变化，监测点基本保持不变。经过研究分析认为应该是 SWM 钢板桩在型钢拔除后，型钢与围护结构之前的空隙未填满，地表水经过地表流入钢板与水泥土之间的缝隙当中，切割 SWM 土体过程中间隙中的水流入盾构机内，对盾构掘进并无大的影响。根据上述情况分析后，决定继续盾构机的掘进，在推出斜交段完全进入出入段线下部时盾构未发生任何流水现象。盾构顺利完成地铁运营线路的穿越。

5 结 论

综上所述，盾构隧道穿越地铁运营线路的施工应该加强掘进过程中的控制，根据实际情况制定详细的专项施工方案，并采取有效控制措施是能够顺利完成穿越的，对于类似工程的建议如下。

1）制定切实可行的专项施工方案，施工方案内的参数在穿越前应根据隧道之前掘进参数进行调整和优化，优先采用之前实际的掘进数据。

2）要进一步加强对周边环境的调查，对可能发生的问题进行假设和设定，本次穿越过程中忽视了穿越过程中 SWM 拔出后间隙中存水的情况，导致流水流入盾构机的发生。刚开始穿越时间方面最好选取地铁不在运营时间段，发生情况能及时处理，将风险降到最低。

3）做好应急预案，在穿越过程中应急人员必须在岗待命，发生险情后立即启动应急响应，按照既定的预案组织处理，做到有条不紊。

4）加强监测，穿越过程中要增加监测频率。发生险情时要立即增加监测频率，监测数据每个小时要上报 1 次，用于指导施工。

5）根据现场情况分析发生问题的原因，制订后续掘进的方案，按照方案及时继续掘进。

6）穿越段土仓压力和盾尾注浆量变化趋势具有一定的一致性，在下发指令单时要兼顾考虑。