某地铁盾构穿越既有公路技术分析

任兴成

(中铁十八局集团市政工程有限公司，天津300222 ）

该地铁盾构区间起止里程为K33+208.249～K35+545.227，区间右线全长2118.308m，左线全长2121.098m，盾构区间设置三个联络通道及一个泵房。隧道覆土厚度在12.2～26.9m之间，最大坡度为20‰，最小转弯半径3000m。

盾构下穿区间对应南五环里程为Z43+960～Z43+988，下穿区间段道路宽度约为28m，区间结构顶与路面垂直距离约29.49m ，盾构隧道下穿五环处于坡度为19.91%的下坡段（如图1所示）。

1 工程地质与水文地质

1.1 工程地质

该工程位于北京大兴区，据地质资料显示，工程区域内地势由南向北逐渐升高，工程位于永定冲洪积扇中上部，属于第四纪冲洪积平原区。

根据现有地质勘察资料，盾构隧道穿越地层以卵石圆砾⑦及⑨层等粗粒土为主，局部夹层为黏土④1层、粉细砂④3层、卵石圆砾⑤层、粉质黏土⑥层、细中砂⑥3层、粉细砂⑧3层等地层。

1.2 水文地质

2016 年 12 月 1 日～ 2017 年 2 月 21 日，该工程进行了详细的勘察现场钻探，在钻探深度（70.0m）范围内地下水以第四纪松散沉积物孔隙水为主，受地层岩性分布特点的影响，该水文地质单元主要分布两层地下水，地下水类型为上层滞水（一）和层间水（四）。

图1 地铁盾构穿越公路断面

盾构区间下穿南五环路基段存在地下水，地下水类型为层间潜水～承压水（四）：该层稳定水位埋深在25.80～27.80m，稳定水位标高为11.75～13.70m，主要含水层为卵石圆砾⑦层及其以下砂土、卵石地层（如图2所示）。

2 盾构区间下穿公路段施工模拟分析

该段区间在里程盾构区间隧道于右K34+756.532 -右K34+813.710里程段穿越公路与公路线路的夹角在88°左右，受地铁隧道施工影响,研究区域沿公路线路方向按隧道两侧不小于25m考虑[1]。模型采用MlDASGTS三维有限元软件进行计算[2]，初步设计方案为盾构洞内采取管片同步注浆及二次深孔加强注浆措施。

图2 地铁盾构穿越公路地质

2.1 计算模型和参数

结合工程水文地质条件，区间隧道施工对公路运行的影响存在2个阶段，即地铁右和左线隧道盾构掘进[3]。下穿公路段的隧道盖土层厚度达26.9米。其计算模型如图3所示。

图3 计算模型

计算土层是根据地勘报告选取，且每层土的参数均以地质勘测资料标准值为准[4]。模型中除自重外，在地面上汽车活载。汽车活载采用标准“中-活载”图式进行检算。在模型的四周，法向位移约束被施加到除了作为自由表面的地面之外的其它三个侧面[5]。

2.2 施工过程及结果

计算中开挖的土体半径，即盾构机半径为4.557m，管片外侧半径为4.4m。施工过程中，先开挖土体后安装管片。图4为无洞内深孔注浆时，左线隧道施工完后土体竖向变形。图5为无洞内深孔注浆时，右线隧道施工完土体竖向变形。图6为无洞内深孔注浆时，施工完地面沉降曲线。图7为采取洞内深孔注浆时，左线隧道施工完后土体竖向变形。图8为采取洞内深孔注浆时，右线隧道施工完后土体竖向变形。

2.3 地表沉降分析

由表1、图10分析可知，穿越段内（下穿区间段道路宽度约为28m），通过对参数的调整，地表累计沉降逐渐减小且趋于稳定。

2.4 结论

综上分析，在地铁隧道区间右线施工时，隧道上方的地面沉降速度与沉降值比其他两处要大；在地铁隧道区间左线开始施工时，地铁右线隧道上面地面的沉降速度开始降低，隧道左线上方地面沉降速度快于右线隧道；在地铁隧道区间左线施工即将完成时，其中间的沉降便比其它两处要大，直到工程完工[6]。

根据计算结果，并对盾构施工方案优化，在控制好盾构掘进参数的情况下，可有效控制既有公路路基在施工期间的变形沉降[7]。

由于公路修建年代较长，属于重要运行通道，结合该线使用现状，考虑对其采取一定的地面措施，确保公路在盾构施工期间正常使用。

3 主要技术措施

3.1 盾构施工要求

（1）盾构推进至公路下方，施工中建立完整的量测体系，制定量测内容和量测频率，并结合实际应用效果不断完善成可以遵循的信息化施工标准；同时根据周围量测结果，结合计算分析结果，调整盾构推进过程中的各参数，主要有正面土压力、螺旋机转速、千斤顶顶力及编组力、刀盘的扭矩、盾构机推进速度、盾构机排土量、盾构机同步注浆压力、注浆量等，确保盾构机掘进安全和既有公路的运行安全。

图4 无洞内注浆时 左线隧道施工后土体竖向变形

图5 无洞内深孔注浆时 右线隧道施工完成后土体竖向变形

图6 无洞内深孔注浆时 施工后地面沉降曲线

图7 洞内深孔注浆时 左线隧道施工后土体竖向变形

图8 洞内深孔注浆时 右线隧道施工后土体竖向变形

图9 洞内深孔注浆时 施工后地面沉降曲线

表1 盾构区间右线穿越五环路路基段地表累计沉降值

图10 盾构机掘进方向与测点累计沉降关系

盾构机姿态尽量调整至最佳。根据识别的地质情况，为土层的变化设置合理的土压力、仓压力，在盾构机下穿公路前调整好。在粉砂层推进时，及时向盾构机开挖面压注泡沫或膨润土，从而改良土体，严防产生流砂涌泥涌水等意外，切实避免因粉砂层的液化造成隧道开挖面的土体流失，避免引起地层意外沉降。要严格控制盾构机的推进速度[8]。在隧道施工时，根据盾构埋深和位置的土层状态及监测情况，设置适当的盾构平衡压力。

（2）控制地铁隧道轴线，严防超挖过大，防止盾构前方土体的坍落或挤密现象，要降低地基的土横向变形对建筑物基础上施加的横向力。当盾构在推进和管片拼装时，务必保证盾构机姿态力过小，浆液填充速度会过慢，导致不能充足填充，也会导致地表的变形增大。要选择泌水性好、和易性好且具有一定强度的浆液在盾构机推进中注浆，确保均匀、及时、足量的压注和填充空隙，具体实施时依据情况及时做相应调整。在重要保护区，建议采取两次压浆工艺，避免因浆液收缩引起地面沉降。在确保压浆质量的前提下，才能开始下一环的盾构推进。根据地面沉降情况和漏浆情况适时进行二次注浆，注入时应该采取隔3环补浆，注浆孔的具体位置在地铁隧道顶部两侧的管片，就是9点到3点之间的位置。二次注浆的管片位置，应以脱离盾尾10环以后为准。二次注浆的浆液采用双液浆注浆，其压入量、压力值及详细压入位置依据地层变形观测等实际情况确定。浆液主要材料的配比见表2。不能变坡、后退、及变向。盾构机掘进速度必须同出土量、地面控制的沉降值、前土压力的平衡调整值和同步注浆相配合协调，如果盾构机停歇时间不短，必须及时迅速关闭正面的土体。

表2 隧道二次注浆的浆液配比

（3）盾构机掘进后，应及时充填地铁管片和地层之间的一切环形空隙，从而避免地层下陷。另外，提高防水能力主要采用注浆方式对环形间隙进行填充，如果按注浆时机则可分为二次注浆和同步注浆。

根据建筑物和地下管线的结构类型及对沉降的敏感程度、沉降允许值，制定重要建筑物及地面变形警戒值。建立完善的监测网，及时反馈信息，在盾构同步注浆后，及时进行跟踪补浆或二次注浆。同步注浆量的控制要依据监测数据进行详细分析，及时调整同步注浆量的参数，对同步注浆量要控制适当，不仅能减少盾尾通过后隧道外围形成的空隙，还能减少隧道周围土体的水平位移及因此产生对基础的负摩阻力。同步注浆时，要在压入口的压力不小于该点的静止水压和土压力两者之和。如果注浆压力过大，那么浆液会扰动地铁管片外的土层，从而造成后期地层较大沉降和隧道本身的沉降，并导致跑浆。如果注浆压

3.2 土体改善措施

为保证盾构正常出土，在盾构刀盘正面注入泡沫或膨润土以达到润滑效果，降低刀具的磨损、改良土质，增加土体的流动性，减少土的透水性，利于保持土仓内土压力平衡，从而避免开挖面的土体坍塌，减少刀盘与土体的摩擦，降低扭矩，保持掘进的顺利进行。加入泡沫或膨润土时严格控制注入量和压力，以避免土体在过多泡沫或膨润土量及较高压力下形成定向贯通的介质裂缝，造成渗水通道，严重影响隧道安全。

4 结语

本文以地铁某区间下穿公路工程为例，阐述了采用MIDAS GTS三维有限元软件计算分析盾构掘进时左/右线隧道上方地面沉降影响，使用阶段隧道能够承受列车动荷载以及穿越公路结构施工技术要求。具有一定的经济效果和推广价值，可为后期施工提供有效的技术支撑。