基于复杂穿越条件的盾构掘进技术研究

赵 飞 （南京市轨道交通建设工程质量安全监督站，江苏 南京 210024）

1 引言

随着城市建设不断发展，地铁隧道施工穿越已建成的隧道、桥梁及其他建筑物、构筑物在工程中已屡见不鲜[1]。本文简单介绍了南京地铁2号线西延工程天保街站～青莲街站盾构区间同时下穿龙王大街高架桥、上跨已运行宁和城际隧道的相关工艺技术，通过优化盾构掘进参数、加强同步注浆和二次注浆等措施，确保了宁和城际隧道的安全运行。

2 工程概况

天保街站～青莲街站区间全长为1045.42m。区间出天保街站后沿秦新路向东，于里程2WYK1+936.649～2WYK1+943.766（盾构机拼装管片至520环～526环）上跨宁和城际（已运营地铁隧道）左线，于里程2WYK1+950.264～2WYK1+957.382（盾构机拼装管片至532环～538环）上跨宁和城际右线，最终到达青莲街站。

图1 上跨宁和城际隧道平面图

2号线西延工程天保街站～青莲街站区间隧道上跨宁和城际高庙路站～天保站区间隧道，最小净距5.03m，同时下穿龙王大街高架桥，高架桥桩采用φ 1500mm钻孔桩基础。为保证地铁2号线西延工程盾构掘进及使用的安全性，在龙王大街高架桥0#台～2#墩下已完工建成地铁盖板，宽42m（与秦新路规划红线等宽），总长91m，厚0.6m。2号线西延工程在建隧道与盖板最小净距2.5m，距离龙王大街桥桩约1.4～2.4m。

图2 下穿龙王大街高架桥、上跨宁和城际隧道剖面图

天～青区间隧道采用盾构法施工，主要穿越②-3b3+4+d3粉质黏土、②-2b4淤泥质粉质黏土、局部穿越①层填土层。天青区间盾构穿越段隧道埋深为3m（隧道顶至盖板顶距离），穿越段地质自上而下分别为杂填土、素填土，洞身段主要为淤泥质粉质黏土、粉质黏土地层。

经盾构机选型分析，现场采用2台辽宁三三工业T6880盾构机，刀盘配备中心鱼尾刀1把、撕裂刀75把、12刮刀72把、5″刮刀8把、保径刮刀16把、圆弧刮刀32把，刀盘开口率40%，中心开口率达50%，配备高压泵，在土仓内配有4条管路，能有效防止刀盘结泥饼。

3 有限元计算模拟

选取2号线西延工程天保街站～青莲街站区间上、下行线（分别简称：2号线上行线、2号线下行线）隧道与宁和城际区间隧道及龙王大街高架桥相交位置为计算模型范围[2]。按照施工时序，2号线下行线、上行线依次始发并掘进，并保持合理掘进间距。

图3 三维计算模型

本次数值分析，采用PLAXIS 3D V2017大型通用岩土有限元计算软件。模型的尺寸长×宽×高分别为180m×120m×90m。模型节点152950个，单元223264个。在模型中，土体从地表往下分成8层，采用10节点四面体实体单元模拟，土体采用小应变土体硬化（HSS）本构模型。2号线西延工程和宁和城际隧道管片结构及盾构机机身采用板单元模拟，龙王大街高架桥中盖梁、承台、盖板及其主梁采用实体单元进行模拟，钻孔灌注桩基础采用嵌入式梁单元模拟。

根据有限元分析计算结果，2号线上行线掘进至宁和城际上方后，宁和城际隧道竖向变形最大值为1.359mm；2号线下行线掘进至宁和城际上方后，宁和城际隧道竖向变形最大值为1.685mm。这是由于宁和城际上方隧道开挖产生卸载效应，在地应力作用下地铁隧道产生上浮的趋势。

根据三维有限元模拟结果，整个施工过程中，宁和城际高庙路～天保站盾构隧道拱底最大上浮2.642mm，拱底最大侧移0.24mm，对行车安全的影响在可接受范围内。

图4 2号线下行线上跨掘进后宁和城际隧道竖向变形

图5 2号线上行线掘进至宁和城际隧道的竖向变形

4 风险识别

4.1 既有宁和城际隧道

2号线西延工程天保街站～青莲街站区间盾构机先后掘进施工产生的卸载效应将会导致宁和城际隧道出现上浮趋势，隧道不均匀上浮可能造成宁和隧道管片拉裂、错台、渗漏水、道床开裂[3]。

4.2 在建隧道盾构掘进

盾构机在上跨宁和城际隧道段上方覆土仅有3m，覆土上部为0.6m厚钢筋混凝土盖板，穿越前已对盖板底部脱空进行了填充注浆。盾构机穿越地层为经过微扰动注浆处理的粘土，会造成刀盘扭矩偏大，螺旋机排土不顺畅，致使皮带机输送困难，容易造成皮带跳停。另外，当同步注浆压力偏大时注入管片外部浆液可能会顺着盾体流至土仓内，致使盾构掘进过程中浆液填充不密实，成型隧道会出现上浮等情况，导致管片破损，渗漏、错台等现象发生[4]。

5 施工工艺及掘进参数控制

5.1 整体施工工艺

①盾构掘进施工时合理控制掘进参数，严控出土量，避免出现超挖现象，确保盾构机快速稳定通过。保证盾构切口上方土体有微量的隆起，抵消一部分土体的后期沉降量。以本区间始发试掘进及下穿附近螺塘泵站时盾构机参数控制为参考，结合盾构掘进过后地表及建筑物沉降数值，制定科学合理的掘进参数。

②盾构机上跨宁和城际隧道、下穿龙王大街高架桥时对盾构机掘进过后地表、区间实时监测，并由监测人员对监测数据进行整理及时反馈至盾构管理人员，盾构掘进负责人根据监测数据及时调整掘进参数，保证盾构机顺利通过风险源。穿越阶段匀速推进、严禁纠偏。

③在管片拼装前，将根据掘进轴线和盾尾间隙合理选择封顶块拼装点位，并严格做好管片防水材料检查。拼装过程中，安排熟练的拼装工减少拼装时间，缩短盾构停顿的时间。拼装结束之后，应当尽快地恢复推进，减少上方土体的沉降。

5.2 掘进参数控制

①盾构机在掘进509环时，刀盘进入龙王大街高架桥盖板正下方，穿越地层为回填土，且该地层经过微扰动注浆，盾构机穿越时排出渣土比较板结。针对该情况，同时为确保盾构机平稳上跨宁和城际隧道，避免出现超挖等现象发生，盾构机上跨期间掘进参数控制见表1。

掘进参数 表1

②严格控制掘进速度，使盾构匀速慢速施工，减少盾构对土体的挠动，达到控制地面变形的目的。在上跨过程中，盾构推进速度宜控制在30～40mm/min，尽量保持推进速度稳定，尽量减小土压力的波动幅度，以便减少对周边土体的扰动影响。

5.3 同步注浆

5.3.1 同步注浆

同步注浆是盾构施工中非常关键的施工环节，在盾构施工中，通过同步注浆施工使管片和土体形成稳定的整体，可以抑制地层沉降，防止管片变形和上浮，防止管片间隙、盾尾的渗漏水。盾构穿越风险源前，隧道内管片配备增加注浆孔管片，在加强同步注浆的同时根据检测数据及时进行壁后注浆。在盾构掘进施工过程中，对同步注浆作业中要严加管理，以保证成型隧道的质量。

盾构机在上跨期间安排专人驻场保证砂浆原材质量可控，注浆量注入要及时充足，保证脱出盾尾管片与土体之间缝隙填充密实，有效控制成型隧道上浮。严格控制同步注浆量，填充率不得低于160%（在试验段进行系列试验，确定最佳值，根据南京在类似地层经验取得），每环注浆控制量不小于6.0m3。

同步注浆浆液配合比 表2

同步注浆采用注浆压力和注浆量“双控”措施，在保证注浆量达到160%情况下，观察注浆压力，如果注浆压力不足3ar，继续注入，保证注浆压力到达3～4bar。遵循“坍落度，不堵管，准厚浆；搅拌匀，延时注，二次补“十八字方针。4根同步注浆管路必须保持畅通，注浆时1、3对角两路或2、4对角两路必须同时对称注浆。拌浆作业须与盾构推进同步进行，浆液注入量应同掘进速度相适应[5]。

5.3.2 使用克泥效工法

盾构机掘进过程中盾壳外部出现沉降现象，影响同步注浆时，应通过盾构机径向孔注入专用高强度泥水材料（即克泥效）与塑强调整剂（即水玻璃）两种液体。两种液体混合后的流动塑性胶化体不易受水稀释，其黏性不随时间而变化，从而更能起到支撑土体的作用。克泥效工法配比为克泥效：水玻璃=20:1，其中克泥效每立方米用量400kg（即每吨克泥效可拌和2.5m³），水玻璃Be40比重为1.38～1.39。

5.4 二次注浆

盾构机掘进穿越宁和城际运营隧道时，应进行不断监测，根据监测结果采取及时、多次、足量的二次注浆措施对管片背后进行补浆施工。如果二次注浆后仍有沉降，则进行多次注浆。根据监测结果加强壁后二次注浆及多次注浆，直到沉降基本稳定。

二次注浆加固采用BS220型双液注浆泵二次注浆加固的注浆压力为0.3～0.4MPa。。二次注浆管路自制，能够实现快速接卸以及密封不漏浆的功能，并配有止浆阀。注浆量根据监测到的空隙和监控量测的结果确定。注浆时主要以注浆压力控制。在管片脱出盾尾5环开始实施二次注浆，并于管片脱出盾尾7环内注完。

二次注浆浆液配合比 表3

若二次补浆量不足1.2m3/环的情况下注浆压力过大，达到损伤盾尾刷的压力值（0.6MPa），或地表监测值为隆起，必须经现场值班人员协商同意后适当减少注浆量。

6 其他施工措施

①盾构机中盾设置12个超前地质注浆孔，其中底部2个，中部4个，顶部6个，盾构机上跨宁和区间地层时可提前对地层进行加固，更有效控制土体的前期沉降量，从而减少土体扰动对构建筑物的影响。

②对同步注浆系统进行优化改进。采用压注大比重单液浆的同步注浆系统；上部注浆管布置适当地向拱顶靠拢；在盾尾顶部及底部各增加2道注浆管道位置，可直接对顶部及底部空洞进行回填。盾尾注浆管共有12根，正常情况下4用8备。盾构上跨宁和城际注浆时根据地面情况，及时调整泵出口管路连接位置进行作业，保证填充的密实性，防止上浮。

宁和城际隧道监测统计 表4

龙王大街高架桥监测统计 表5

③增加管片的注浆孔。盾构上跨段管片采用加强型管片各增设2个注浆孔，管片注浆孔增加至16孔，确保成型隧道管片可多点位少量注浆，保证后期加固注浆密实可靠性。

图6 钢拉条安装

④为更好地控制新建成型隧道质量，管片脱出盾尾后及时采用钢拉条拉结，使成型隧道管片形成整体，这样更有效地控制了管片错台及上浮量，确保成型隧道线性要求。

⑤优化渣土改良效果，在控制土仓压力合理情况下适当降低螺旋机转速，在推进过程中增加皮带冲洗管道，及时调整皮带机角度，确保皮带机输送能力。

图7 渣土改良后效果

7 施工监测数据

2号线西延工程天保街站～青莲街站区间盾构机穿越后，宁和城际既有隧道、龙王大街桥变形量均在可控范围内，详细监测数据见表4、表5。盾构接收后，天保街站～青莲街站区间成型隧道上浮量在12mm～43mm之间。由以上监测数据分析得出穿越过程中盾构机各项掘进参数符合穿越要求。

8 结束语

综合上述工艺和施工措施：严格控制盾构掘进参数，匀速通过上跨区域；改进同步注浆系统，增设注浆孔，确定合理注浆量和注浆压力；综合利用克泥效工法；加强二次注浆；增设管片钢拉条；优化渣土改良等，并严格按照监测过程数据进行技术参数调整优化，形成了一整套完整的基于复杂穿越条件的盾构掘进施工关键技术。施工和现场监测表明，采取上述施工关键技术后，盾构隧道安全上跨既有运营隧道，对既有结构造成的扰动小于控制值。该工程施工技术，可供类似工程参考和借鉴。