北京地铁17号线工香区间盾构下穿机场线施工技术*

2021-08-06胡高鹏

施工技术(中英文) 2021年11期

胡高鹏，谢维，赵林

(1.北京市轨道交通建设管理有限公司，北京 100068； 2.中国铁建大桥工程局集团有限公司，天津 300457)

1 工程概况

1.1 工程简况及变形控制指标

北京地铁17号线工人体育场站—香河园站盾构区间垂直下穿既有机场线东直门站—三元桥站盾构区间(见图1)，下穿段左线半径420m、右线半径350m、纵坡2.8%，下穿长度各30m，埋深24m，拱顶与既有线最小垂直净距2.94m。既有机场线管片外径6m、内径5.4m、厚300mm，双线中心距13m，道床敷设感应板供电，轨道变形控制指标1/-2mm，按控制值70%，80%为预警、报警值，分别采取监测巡视、停工处置、启动应急预案。

图1 新建区间与既有线位置关系平面

1.2 工程地质与水文地质

区间下穿既有线所处地层(见图2)自上而下依次为杂填土、粉质黏土、黏质粉土、粉砂、细砂等，拱顶覆土厚23.5～26.3m，最小净距2.94m，穿越土层主要为⑦1中砂、⑥粉质黏土、粉细砂层、⑦圆砾层，地下水大部分为层间潜水～承压水(四)和承压水(五)，含水层为⑦1中砂、 ⑦2粉细砂，与既有线夹层土主要为⑥粉质黏土、⑦1中砂。

图2 新建区间下穿既有线地质剖面示意(单位：m)

2 工前数据模拟评估

采用三维地层-结构模型(见图3)，模拟盾构穿越既有线前、中、后工况。为确保计算精度并尽量减少收敛时间，限定模型范围：区间两侧边界土体4～5倍洞径，底部3倍洞径，取南北向100m、东西纵向120m、垂直向从地表以下50m。计算模拟施工步骤(见图4，5)：准备，生成模型，计算初始应力位移→CS1，左线盾构掘至既有区间前15m处→CS2，左线盾构掘至既有区间左线前→CS3，左线盾构掘至既有区间后15m处→CS4，左线盾构掘至施工完成→CS5，右线盾构掘至既有区间前15m处→CS6，右线盾构掘至既有区间左线前→CS7，右线盾构掘至既有区间后15m处→CS8，右线盾构掘进至施工完成。

图3 三维地层-结构模型

图4 计算模拟施工步骤

图5 模拟施工步骤(每循环安装管片并盾尾注浆)

工前检测可知原道床与轨道间变形连续无脱离，近似将道床变形视为轨道变形。提取步骤CS8既有区间左、右线结构底板竖向位移，绘制轨道沉降曲线如图6所示。

图6 既有轨道最大竖向变形

模拟轨道变形可知：①原区间结构竖向位移整体为下沉，变形量自邻近下穿位置至两侧逐渐减小，各部位累计沉降值随施工逐步增大，新建区间对原区间影响范围较小；②盾构掘进至既有线下穿部位时沉降速率明显加快，穿越过后降低；③最大沉降发生在全部施工完成后区间中部底板处,最大值1.76mm。

3 施工技术及变形控制措施

3.1 盾构机选型

考虑地质及环境因素，选用ZTE6610土压平衡盾构机，开挖直径6 640mm，辐条式刀盘，开口率70%。配备1套单液浆同步注浆系统，增加1套可注双液浆的二次注浆系统，选配管片背部补强注浆的二次注浆系统。

3.2 试验段施工

3.2.1试验段安排

为在正式下穿前总结相似组段划分区间的最优盾构施工参数及同工况条件下变形规律，满足变形控制指标并确保正式穿越时掘进顺畅、沉降可控，穿越前选择左、右线各2处试验段如图7、表1所示。

表1 试验段安排

图7 试验段平面位置示意

3.2.2掘进参数选取

基于始发段理论掘进参数，保证掘进速度、控制出渣量、降低刀盘扭矩为控制目标，灵活调整掘进参数并摸索最佳参数组合，试验段总结如表2所示。

表2 试验段参数总结对比

3.3 盾构穿越过程中重点控制

穿越前全面检查、维保盾构机，确保无故障连续掘进，以最佳状态匀速、快速穿越既有线影响区。

穿越期间严控试验所总结参数，保持开挖面平衡稳定，以降低土体扰动、减少土层损失。

增强渣土改良效果、及时充填空隙，做好二次注浆和跟踪注浆，严控注浆参数，加大监测频率并及时反馈，根据监测数据区分风险等级，启动应急机制，确保变形受控穿越安全。

3.3.1掘进参数控制

严格控制和动态调整优化各项掘进参数，本次盾构下穿段参数：土仓压力1.0～1.6bar，总推力16～18.5MN，刀盘扭矩3 000～4 500kN·m，掘进速度55～75mm/min。左、右线穿越既有机场线掘进参数如图8所示(横坐标表示环号)。

图8 左、右线穿越既有机场线掘进参数统计

3.3.2掘进过程控制

1)掘进控制流程为减小隆沉需优化掘进参数，全程保持土压平衡模式。通过静力水准自动化动态监测，每10min反馈一次数据。

2)主要技术措施 ①掘进中土仓压力控制在1.0～1.6bar，采取碴土改良措施增加和易性。②维持土仓压力稳定。掘进速度充分考虑注浆参数，排土量采用体积、质量双控，螺旋机速度与出土量匹配。③控制合理的贯入度，避免过多刀盘空转，防止土体间镶嵌摩擦冲击造成的切削作用，造成工作面坍塌。

3.3.3渣土改良

本次穿越通过输送泡沫剂及刀盘中心加水实现渣土改良目的，顺畅排土、平衡土压、提高掘进速度。两者在注入口共用一套输送管路，刀盘设6路泡沫管路，均采用单管单泵模式。

1)泡沫剂组分采用气量大的干泡沫，泡沫气量350L/min，泡沫混合液流量25L/min，掘进一环的泡沫混合液总量≤5m3。泡沫溶液的组成：泡沫原液浓度2%，泡沫组成为90%～95%压缩空气和5%～10%泡沫溶液混合，根据实际情况调整优化。

2)刀盘中心加水控制渣土明显干燥时，中心加水流量100L/min左右，渣土较稀时，将中心加水调节至70L/min左右，出现突发喷涌时，立即将刀盘中心加水关闭。

3.3.4克泥效减阻填充支护

因刀盘直径大于盾构外径，且盾体外径前大后小，为填充开挖过程中地层与盾体之间空隙，在刀盘进入既有线区域范围时，通过盾体径向孔注入高黏度塑性的胶化体，对盾体前行润滑减阻和填充支护，可有效防止注浆填充之前盾体上部土体沉降。

克泥效浓度400kg/m3，注入率130%，24h后整体稳定性较好且有一定承载力。其中，克泥效与水玻璃体积配合比为20∶1；水玻璃波美比40°Bé，相对密度1.38～1.39；理论每环克泥效注入量0.81m3，穿越期间为防压力过大造成既有线差异沉降，每环克泥效注入量调整为0.4m3。

3.3.5同步注浆

为尽快填充管片脱离盾尾后围岩与管片间的环形间隙，必须同步注浆，采用双泵四管路对称同时注浆。盾构通过后若出现超挖，要根据实际加大同步注浆量并视情况二次注浆。

本次穿越采用可硬性浆液，由水泥、粉煤灰、膨润土、砂和水混合，配合比为220∶350∶180∶250∶500(kg)，严控配合比和注浆质量，地面浆液初凝时间<2h，井下浆液初凝时间<4h，结实率>95%，终凝强度≥2.5MPa，注浆压力0.2～0.5MPa，每环空隙1.2π×(6.642-6.42)/4=2.95m3，取理论值的1.5～2.0倍，每环注浆5m3。压力：上部0.9～1.5bar，下部1.5～2.5bar，以上部压力≤1.8bar为准。

3.3.6二次注浆

为弥补同步注浆填充不足，避免沉降过大，在管片上增设注浆孔，根据地质及掘进情况跟踪二次注浆。时机为管片脱出盾尾后5～7环位置，范围为既有线盾构上半断面外轮廓外2.5m内，每环1次，水泥及水玻璃双液浆，配合比为水泥∶水=1∶1(质量比)，水泥浆∶水玻璃=2∶1(体积比)。严控注浆压力0.3～0.4MPa，防止压力过大造成错台，稳压时间≥30min。

3.3.7径向注浆

当出现超方且地面无法处理时，在洞内连接桥位置径向补偿注浆，在掘进当环增加12环后为注浆位置即测点正下方，洞顶选点，顶入注浆管后压注浆液，导管φ25，长3.5m，壁厚3.75mm，注浆半径≥1m，压力<0.5MPa，稳压时间≥30min，如图9所示。为保证注浆效果、控制地层和既有线沉降，采用双液浆，注浆参数、浆液配合比等由试验成果优化调整。