盾构穿越既有高铁车站变形量控制技术研究

石景林

(中铁十八局集团第五工程有限公司 天津 300450)

1 引言

目前，国内外地下隧道修建过程中发生的隧道坍塌、地表沉陷、建筑物倒塌甚至导致人员和设备被埋事件偶有发生，一旦事故发生即造成不可估量的损失，严重影响社会生产与秩序，甚至引起大范围恐慌[1]。广州地铁18号线穿越佛莞城际番禺大道站项目地处广州市近郊，交通繁忙，施工区域车流量大，车站附近分布居民楼13栋、电力管线15条、给排水管线6条，其中左线下穿车站长度40.94 m，右线穿越长度35 m。隧顶埋深36.7 m，车站基底埋深28.35 m，隧道拱顶与车站底板距离仅8.5 m。在这种复杂地质条件下穿越建筑物，风险高、难度大。

穿越上述特殊地段，必须采取相适应的控制措施，及时调整掘进参数、注浆并加强施工监测工作，才能保证顺利穿越，确保地铁隧道与大型城际车站长期安全稳定[2]。

2 工程概况

广州市轨道交通18号线番禺广场站－南村万博站盾构区间为双线隧道，地处广州市近郊。番禺大道为双向八车道，交通繁忙，车流量大；附近主要分布商业商铺及金龙花园居民楼13座。PN2盾构井－番南中间风井区间下穿佛莞城际番禺大道站(下文简称为“车站”)，车站与盾构左右线平面斜交126°。其中左线下穿车站里程为ZDK39＋835.292～ZDK39＋794.352，横向穿越长度40.94 m；右线下穿里程为YDK39＋818.102～YDK39＋783.972，横向穿越长度35 m。盾构隧道左、右线距车站底板8.5 m，见图1。

图1 佛莞城际番禺大道站与盾构隧道平面位置关系

根据地质勘查，场内地表素填土厚度为1～3 m，土体性质不均、结构松散。车站底板下部存在局部地质空洞3处、缝隙1条。盾构机在全断面硬岩地层掘进时对地层的扰动会造成地层沉降，上部车站结构容易引起变形、开裂，甚至倾斜。

场地地下水主要为基岩裂隙水，赋存在全风化～强风化带中。地下水量较丰富，地下水位埋深2.10～3.00 m。番禺大道车站左、右线明挖段正常涌水量2 305.7 m3/d，评价为富水段。该现状表明下穿施工过程中容易出现盾构涌水、围岩周边土体失稳等问题，进而大幅增加上部城际车站发生沉降超限的可能性[3]。

3 风险源筛查

本地段地表场内地表素填土厚度为1～3 m，土体性质不均、结构松散，力学性质差异性较大，具有强度低、压缩性高、自稳差和渗透性好等特点。盾构穿越过程中容易造成地表不均匀沉降，车站底板下部已经存在局部地质空洞3处、缝隙1条，加剧了造成地层空洞的可能性，进而对邻近建筑物和交通道路造成不可逆转的损害[4]。

盾构穿越过程中，由于涌水量2 305.7 m3/d，为富水段，在掘进过程中容易发生涌水，在水压与土压力作用下，容易造成隧道沉降和管片破损，甚至地表沉降、塌陷的风险。

(1)进一步查明穿越段的地质情况，对出现涌水、围岩周边土体失稳等几率大的地段作为补充钻探的重点区域。

(2)盾构机进、出穿越地段端头进行补充勘察，为选择合理加固方案做准备。

(3)勘察孔布置采用逐级加密的方法，在实施过程中根据现场实际情况动态管理。

(4)为了更好地预测地铁盾构下穿车站时可能发生的情况，采用三维有限元方法，利用岩土工程专用软件Midas/GTS，分析施工过程中番禺大道站位移、内力的影响情况，见图2。

图2 车站盾构隧道有限元模型

结果显示，单点沉降位移最大12.66 mm，相邻监测点间差异沉降最大8.47 mm，水平位移最大9.9 mm，结构收敛最大10.42 mm，接近规范要求控制值，在掘进过程中需考虑对车站和隧道进行加固[5]。

4 控制措施及掘进参数调整

4.1 渣土改良

采用新型渣土改良技术，针对8.8 m直径土压平衡盾构机，掘进过程中采用8路泡沫剂＋1路膨润土＋高压水，选择2号膨润土管向土仓内注入高质量钠基膨润土或泡沫剂进行渣土改良，防止中心区域结泥饼。通过系列试验，下穿车站期间使用混合改良方案，通过添加水、膨润土、泡沫进行渣土改良，添加比例如下:渣土含水率调整到14%，钠基膨润土浓度10%，泡沫剂(原液比3%)注入率10%，坍落度能达120～150 mm。钠基膨润土质量配合比情况见表1。

表1 钠基膨润土质量配合比

4.2 盾构关键掘进参数调整

盾构穿越车站区段地层为全断面强风化花岗岩地层，采用土压平衡(气压辅助)模式掘进下穿，右线先行且始发与左线相差50环。本次下穿需破除车站侵入隧道范围的围护结构，根据前期施工经验针对性制定推进参数:刀盘扭矩控制在3 000～4 500 kN·m范围，总推力控制在25 000～30 000 kN，且在刀盘进入车站前50 m需及时调整推进参数以顺利穿越车站。图3为盾构穿越车站及前后50 m的关键掘进参数记录散点与曲线拟合结果。

图3 盾构推进参数记录散点及拟合曲线

根据参数记录及拟合结果，盾构在下穿车站前适当增加油缸推力便于建立土仓压力以避免掌子面发生坍塌失稳。同时，提高刀盘扭矩增加刀具切削能力以顺利破除车站侵入的玻璃纤维筋混凝土连续墙[6]。经过调整掘进参数，左右线720～780环范围内土仓压力变化比较平缓，在2.2～2.8 bar范围内。总体来说，掘进参数基本符合控制要求，盾构机安全、平稳地下穿车站。

4.3 出土量控制

按环宽1.6 m、土体松散系数1.4计算，每环出土量应控制在98～137 m3/环。下穿佛莞城际车站期间，盾构司机与土建工程师遵循“每斗必看，每斗必量”、每掘进30 cm记录一次出土量的原则进行卡控。根据左右线720～780环出土量记录，出土量集中在110～120 m3/环区间，见图4。

图4 出土量记录

5 完善注浆加固措施

针对盾构区间水文地质以及穿越车站工程的特殊性，盾构下穿前对车站底板以下与隧道底范围内土体14 m范围进行注浆加固，以控制盾构通过时车站结构下沉和变形。采用双液注浆工艺，双液浆注浆参数:水泥浆液水灰比为1∶1，水玻璃40波美度(1∶1稀释)，水泥浆∶水玻璃体积比1∶1，浆液初凝时间为25～35 s[7]。注浆压力控制在2.5～3.0 bar，采用后退式注浆，根据监测或实际情况调整注浆压力[8－9]。

在盾构下穿车站期间，保证同步注浆系统4组注浆泵、4路注浆管路畅通。在做到“掘进与注浆同步”情况下，考虑到浆液在地层中的渗透、超挖因素每环同步注浆量为10～12 m3，注浆压力控制在3～7 bar。下穿车站期间对同步注浆量进行检查跟踪，下穿过程中对管片进行开孔检查，如发现漏水、冒气等现象，立即对管片中部注浆孔进行二次补强注浆。注浆材料采用双液浆，液扩散半径0.7 m，注入时水泥浆与水玻璃体积比为1∶1，水泥浆配合比为:膨润土∶粉煤灰∶黄砂∶水∶水泥 ＝60∶311∶822∶340∶120[10]。

6 施工监测

6.1 监测点布设

盾构下穿番禺大道站过程中，对车站结构进行实时自动化监测，监测范围为区间左右隧道边线外扩10 m范围[11]。根据现场实际情况在影响区范围的结构柱上布设16个静力水准监测点，在车站边墙布设16个水平位移及沉降监测点(L型棱镜)，见图5。

图5 番禺大道站自动化监测点位布设

6.2 测量方法

静力水准仪自动化监测方法:依据连通管原理，用静力水准仪传感器测量每个测点容器内液面的相对变化，再通过计算求得各点相对于基点的相对沉降量，见图6。

图6 静力水准测量原理

全站仪自动化监测方法:采用极坐标法对监测点的水平位移进行监测，从而推算出测点的水平位移量。

6.3 沉降控制值及预警值

依据规范要求，监测项目的预警值及控制值见表2。

表2 监测项目的预警值及控制值mm

6.4 沉降异常处置

(1)当发现数据异常，立即通知停机，第一时间将异常情况上报领导，同时开展对盾构机的各项工作状态检查。如果停机时间过长，需注入膨胀土。

(2)检查监测仪器是否正常，确认无误，需马上派人在停机点周边检查是否发生异常。

(3)连续跟踪沉降变化情况，如存在滞后沉降则需再次注浆加固[12]。

7 总结

本文以广州地铁18号线穿越佛莞城际番禺大道站为背景，对盾构通过复杂地质结构穿越建筑物盾构总推力、刀盘扭矩、土仓压力、出土量、同步注浆量进行研究，总结出一套盾构掘进参数，用于指导类似施工。

盾构下穿建筑物在施工进度方面的控制还需继续完善，在不断实践中找寻出更适宜的施工参数与控制措施，并且要针对不同地质情况进行归纳，在质量有保证的情况下，减少盾构下穿对周围环境带来的影响，缩短工期，降低成本。