盾构穿越既有地铁运营线控制措施与效果分析*

程国良，刘宝林，董 勇，陈 健

(1.武汉地铁集团有限公司，湖北 武汉 430070；2.华中科技大学土木学院工程管理研究所，湖北 武汉 430074)

0 引言

在地铁建设过程中，盾构施工面临的问题日益增多，由于城市交通计划的多变性，地铁又属于后期建设工程，在施工过程当中必然会碰到在既有建(构)筑物周围施工的情况。特别是当盾构穿越既有地铁线路时，由于地铁安全平稳运营条件比较高，盾构穿越时若引起较大变形易造成较大的风险。因而盾构在穿越时应采取有效的处理措施减小对既有地铁线路的影响[1]，本文针对某城市地铁8号线穿越既有地铁运营线3号线时采取的相应控制措施进行了解[2]，以及采取措施后的相应变形情况进行分析[2-3]，为类似工程提供有益参考。

1 工程概况

某城市地铁8号线某区间隧道起讫里程为右线DK1+881.137—DK3+490.850，右线短链5.033m，右线长1 604.68m；左线DK1+878.871—DK3+490.850，左线短链1.909m，左线长1 610.07m。隧道埋深10.9～23.1m，区间线路间距为10.1～21.1m，区间线路平面最小曲线半径为400m，线间距15.2～42.4m。区间纵断面采用节能坡，采取盾构法施工。

1)8号线区间与3号线区间平面关系

8号线下穿3号线左线相交里程为DK1+989.319—DK2+027.952(74～100环)；右线相交里程为DK1+958.328—DK1+988.42(52～72环)，两线交角21°，3号线隧道先于8号线隧道施工,已经开通运营。下穿平面区段如图1所示。

2)8号线区间与3号线区间剖面关系

8号线隧道顶部距3号线隧道底部2.65～4.16m，8号线隧道左线顶部覆土埋深为14.94m，右线顶部覆土埋深为13.79m；8号线双线线间距为15.2～42.4m。8号线与3号线剖面位置关系如图2所示。

图2 8号线与3号线位置关系剖面(单位：m)

2 盾构下穿地铁运营线施工方案

通过对现场情况了解调查、科学分析，结合类似下穿地铁既有线施工经验，本区间穿越地铁既有线主要采取注浆加固[4]、盾构掘进施工控制、增强监控量测、施工技术保证措施等方面，以确保下穿地铁既有线施工安全。

2.1 3号线隧道加固

2.1.13号线隧道注浆加固

3号线的地质条件较差，基底位于 ③3淤泥层，已经完成了地层加固工作。地层加固方法为三重φ800mm@700mm旋喷桩，其设计要求为：土体加固后应具有较好的均质性、自立性，且土体无侧限抗压强度≥1.2MPa。

平面加固范围为盾构相交处结构边线外放3m，加固深度至标高2.025m处，深入8号线盾构3m以上，涵盖整个 ③3淤泥质粉质黏土层。地质加固如图3所示。

图3 3号线地质加固平面

2.1.23号线隧道加固效果检测

施工单位组织人员核实3号线地层加固是否完全按图施工，主要包括加固范围、深度以及成桩效果，检查完成后将检测结果上报相关单位存档。

2.2 8号线区间盾构下穿3号线施工措施

2.2.1盾构方向及姿态控制措施

盾构掘进方向在地质条件、隧道曲线、坡度的变化以及人为操作等多种因素的影响下会产生一定程度的偏差，当这种偏差过大时会产生盾构偏离预定隧道轴线现象，进而影响隧道衬砌质量和使盾尾间隙不均匀引起管片局部压力过大，严重时导致管片受损。因此，需在盾构掘进过程中根据实际情况实时调整每个千斤顶的推力，实时管控铰接千斤顶的行程，同时，要强化管片的正确选型，以调整盾构机推力油缸的受力状态，进而达到纠偏的效果。

2.2.2盾尾密封防喷涌措施

盾尾密封在盾构掘进过程中至关重要，一般采用以下措施来保证盾尾密封性能。

1)盾尾设3道钢丝刷密封，为抵抗高水压力及可能的流砂泄漏，需往密封腔内不间断地注入盾尾油脂。

2)组装盾构时，需保持盾尾刷油脂充填饱满，提高盾尾密封油脂填充质量。

3)始发时，盾尾油脂在同步注浆前形成压力；施工过程中，注浆压力不应小于油脂压力，以防盾尾密封效果受砂浆进入盾尾油脂腔影响。

4)采取人工和自动方式在漏水、渗水、漏泥浆部位处集中压注盾尾油脂。

5)加强管片拼装作业，避免因盾尾间隙过小使管片与密封刷刚性接触而造成密封刷损坏；防止管片破损，以防密封槽处混凝土破损引起弹性密封止水条失效。

6)将海绵橡胶固定在管片外弧的纵向缝内，避免浆液、地下水、砂沿纵缝涌入隧道。

7)在盾构上配备注浆材料和注浆泵，当出现较大漏浆情况时，迅速利用水溶性聚氨酯通过倒数第2，3环管片的二次注浆孔向地层压注封堵。

2.2.3土方开挖出土量控制

根据每环管片掘进进尺和刀盘外径、再根据掘进土层情况，考虑扩算系数来进行每环出土量的计算，在下穿3号线期间严格控制出土量；发现异常应及时进行检查和原因分析，严格保证盾构穿越3号线期间地铁运营安全。

2.2.4盾构掘进渣土改良措施

盾构在穿越黏土、粉土、粉质黏土、粉砂土地层时由于改良效果不好，渣土流动不畅，盾构掘进速度急剧下降，刀盘扭矩和渣土温度上升，极大地降低掘进效率，甚至无法掘进。由于8号线隧道穿越地层大部分为黏性土层，在穿越过程中主要控制措施如下。

1)向刀盘面、土仓内注入泡沫，并视情况注入相应水量，并向刀盘面、土仓内注入相应的高膨化膨润土进行土体改良。

2)设定盾构掘进相关参数、设置土压力传感器、控制循环水温度、快速均衡施工。

2.2.5设备保障措施

为保证盾构顺利下穿，加强盾构设备管理，减少盾构故障率，现根据盾构设备维修与保养情况，主要措施如下：主轴承的检查与保养、主驱动电动机的维护保养、推进油缸、铰接油缸的保养、铰接密封的保养、盾尾密封的维护、管片拼装机维护保养、泡沫系统维护保养、螺旋输送机维护保养 、皮带输送机维护保养、同步注浆系统维护保养、盾尾油脂泵站的保养、管片吊机维护保养、管片输送小车维护保养等。

2.2.6同步注浆保障措施

为避免地面沉降、稳定管片结构，管片背后需采用同步注浆工艺及时填充管片与地层间的环形间隙。其中同步注浆材料、浆液配合比、注浆参数、施工工艺等应根据实际工程地质和环境条件试验确定，主要指标如下。

1)同步注浆控制指标

本工程采用的浆液为可硬性浆液,浆液配合比如表1所示，性能指标如表2所示。

表1 同步注浆浆液配合比 (kg·m-3)

表2 同步注浆浆液性能指标

拌浆材料的量视实际情况作相应调整，拌匀后的浆液稠度为9～11cm。注浆材料由地面搅拌系统成浆后，经管道溜入井内转驳车内，转驳车由电瓶车牵引至盾构头部泵入车架储浆箱内待用。

2)注浆参数

为确保管片结构不因注浆产生变形破坏需有效填充因盾构施工产生的环向空隙，浆压最好控制在1.1～1.2倍的静止土压力，即0.2～0.4MPa范围内。根据计算结果，注浆量为5.6～7.8m3/环，同步注浆要做到“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”。

2.2.7二次注浆保障措施

在区间隧道掘进过程中因同步注浆凝固速度较慢，3号线隧道又处于运营期间，浆液受到扰动，导致8号线管片出现上浮，而3号线隧道底部处于掘进状态或管片拼装状态，可能导致3号线隧道出现下沉。因此，必须采取二次注浆(双液浆)及时稳固土层，确保3号线地铁运营安全，3号线和8号线管片位移、上浮、沉降、管片渗漏水、管片破损均处可控范围内。

3 监测方案和监测数据分析

3.1 监测目的和原则

3.1.1监测目的

1)施工期间对地表、盾构掘进参数进行监测和监控[5-6]，保证隧道掘进施工安全。

2)通过对既有地铁线路全天候、多方位的监控，提高工程技术人员与管理人员的安全意识和安全预防手段，保证既有地铁线路的运营安全。在盾构穿越既有地铁线施工时，必须采用远距离自动化监测系统对主要监控项目(地层及地表位移)中一些有代表性的测点进行监控，且使用计算机以及专业量测数据处理软件及时分析处理，并在数据处理系统中设置警戒值，超过该警戒值后系统自动报警进行全程全天候线路监控，同时加以人工辅助监测进行不定时复核检查。

3.1.2监测原则

1)重点监控因盾构穿越而可能造成既有地铁线路不安全的路段，扩大重点监控路段数据量测的频率和点数。

2)对量测数据进行科学分析和处理，并及时将数据分析结果以书面形式向相关单位报告，给予施工科学合理的指导。

3.2 监测项目及手段

1)对既有地铁线路的监测项目包括地铁隧道内道床沉降、铁路线路地层沉降等，采用全自动监测系统和人工监测。

2)对隧道内外的监测采用全站仪和水准仪进行监测。

3.3 监测要求

3.3.1监测布点要求

在地铁3号线区间影响范围内左右线均按照平均4.5m(3个盾构管片宽度)1个断面进行布设，左线监测范围均为114.5m，需布设约25个断面；右线监测范围均为91m，需布设约20个断面，总计45个监测断面。每个断面取7个监测点，其中自动化监测点5个(道床沉降兼位移监测点2个、隧道结构沉降兼位移点3个)，人工辅助沉降监测点2个，共计约315个监测点。地面监测左右线影响范围内共布设5个监测断面，共计20个监测点。

3.3.2监测频率要求

穿越地铁3号线区间隧道前，自动化监测频率为6次/d；在盾构机下穿3号线期间，自动化监测频率为12次/d，监测周期暂定4个月(120d)，盾构到达前至该节点施工完1个月达到稳定条件。自动化监测同时必须保证人工每天至少1次监测和复核。

3.4 监测数据分析

3.4.1地表沉降

1)为体现右线盾构穿越地铁3号线周边地表数据的变化情况，共布设了3个监测断面进行分析，汇总了穿越时间段监测点地表累计沉降变化情况。在此时间段内，监测频率约为1次/d，数据显示：各监测点的累计沉降隆起量超限，且越过正绝对临界值(8mm)，说明穿越过程中对地面影响较大。

2)为体现左线盾构穿越地铁3号线周边地表数据的变化情况，共布设了3个监测断面进行分析，汇总了穿越时间段监测点地表累计沉降变化情况。在此时间段内，监测频率约为1次/d，数据显示：各监测点的累计沉降隆起量在正常范围内，说明穿越过程中对地面影响较小。

3.4.28号线右线穿越时3号线道床沉降

1)为体现8号线右线盾构穿越地铁3号线在右线道床监测数据的变化情况，共布设了23个监测断面，选取正上方YGC04～YGC11断面人工监测数据进行分析，汇总了穿越时间段监测断面累计沉降变化情况。在此时间段内，监测频率大致为1次/2d，数据显示，YGC04～YGC11监测断面点的累计沉降隆起值超警戒值(3mm)，说明穿越过程中对道床有影响。

2)为体现8号线右线盾构穿越地铁3号线在左线道床监测数据的变化情况，共布设了26个监测断面，选取正上方ZGC03～ZGC11断面人工监测数据进行分析，汇总了穿越时间段监测断面累计沉降变化情况。在此时间段内，监测频率大致为1次/2d，数据显示ZGC03～ZGC11监测断面点的累计沉降量较小，说明穿越过程中对道床影响较小。

3.4.38号线左线穿越时3号线道床沉降

1)为体现8号线左线盾构穿越地铁3号线在右线道床监测数据的变化情况，共布设了23个监测断面，选取正上方YGC12～YGC20断面人工监测数据进行分析，汇总了穿越时间段监测断面累计沉降变化情况。在此时间段内，监测频率大致为1次/2d，数据显示，YGC12～YGC20监测断面点的累计沉降量较大，主要为隆起量超限，且越过正负绝对临界值(8mm)，说明穿越过程中对道床影响较大。

2)为体现8号线右线盾构穿越地铁3号线在左线道床监测数据的变化情况，共布设了26个监测断面，选取正上方ZGC14～YGC24断面人工监测数据进行分析，汇总了穿越时间段监测断面累计沉降变化情况。在此时间段内，监测频率大致为1次/2d，数据显示，ZGC14～ZGC24监测断面的累计沉降量较小，说明穿越过程中对道床影响较小。

4 结语

1)盾构隧道穿越既有地铁线路前，应积极与相关部门协调合作，编制尽可能完善的施工组织方案和应急预案，做好穿越既有地铁线路前的相应准备工作。

2)加强施工管理，严格按标准化、规范化作业，施工中要时刻关注土质变化、围岩参数变化等，遇到可疑情况及时分析处理，不能盲目前进。盾构掘进过程中根据地表沉降情况，及时调整盾构机的掘进速度、刀盘转速、土仓压力、注浆压力及注浆量等参数，加强地表沉降监测以指导地下施工，认真分析地质资料，做好地下构筑物勘探工作，防止推进过程中意外情况发生。

3)穿越前应对盾构机进行检修，避免中间停机、漏浆或注浆系统堵管等情况发生，保证盾构机能够连续匀速推进。

4)制定合理的监测方案，保证隧道盾构期间提供准确的变形数据，信息化指导施工。

5)地铁盾构穿越既有铁路线，虽然采取了多种控制措施，但实际施工中仍会产生较大变形情况，施工中风险仍较高，穿越地层时变形影响极其重要。