盾构小间距下穿既有地铁线路的施工影响因素及技术保障措施

摘 要：盾构下穿既有地铁线路采取土压平衡盾构法，在粉质粘土层中通过优化盾构掘进参数即土压、推力、刀盘扭矩、刀盘转速、掘进速度、同步注浆量、同步注浆压力、出土量和盾构姿态等，减少对既有运营线的影响，在西安地铁盾构施工领域有着良好的指导意义。

关键词：隧道工程;盾构;下穿既有地铁线;沉降

中图分类号：U23 文献标识码：A 文章编号：2096-6903（2022）02-0028-04

0引言

随着城市地铁建设的逐渐完善，各条地铁线路纵横交错，人们出行更快捷方便。盾构法施工下穿既有地铁线、铁路线，因其安全、高效，质量有保障，已经被广泛地应用。但是盾构穿越既有线施工必然造成对既有结构的影响，严重时可能造成结构的破坏和部分使用功能丧失，甚至影响运营安全[1]。减小对既有地铁运营线影响主要在于施工中采取各项控制措施，精心组织，合理施工，确保穿越期间地铁既有线的运营安全。

西安地铁5号线10标的盾构区间起于南稍门站，结束于文艺路站，洞顶覆土10.14～18.46 m，地下水位9.5～12.1 m，下穿段隧道位于粉质黏土层。其中右线长719.510 m，左线长719.502 m，线间距15.5～17.0 m。盾构自文艺路站始发，南稍门站到达，在距离南稍门站端头约24 m处下穿既有地铁2号线区间隧道（如图1所示）。

左、右线双线隧道自东向西掘进，与地铁2号线线路夹角约90°（如图2所示），隧道结构拱顶与地铁2号线隧道拱底的最小净距约2.52 m。下穿顺序为先左线，后右线。在盾构下穿掘进时，地铁2号线必须保持正常运行。下穿段主要工程数量：土方开挖1 300.5 m3，管片拼装30环，为第443～472环，累计45 m，衬砌壁后压浆105 m3。

本工程采用两台小松公司生产的TM614PMX土压平衡盾构施工，该盾构适宜在粉质黏土土层掘进施工，盾构刀盘开挖直径6 170 mm、盾体直径6 140 mm，管片外径6 000 mm。

本文就盾构小间距下穿既有地铁线隧道施工的关键控制点和施工技术保障措施进行论述。

1 既有地铁2号线运营情况

既有地铁2号线区间隧道为南北走向，沿南关正街地下敷设，每日运营时间为6：19～00：09和6：27～00：17，行车间隔早高峰期7：00～10：00、晚高峰期17：00～20：00，高峰期为平均每3 min一班车次，其余非高峰期为平均每5 min一班车次。下穿掘进施工不能对2号线运营有任何影响，对2号线轨道的加固要在列车每天停运时进行。

在建隧道距2号线运营隧道距离最短距离2.52 m。在盾构机掘进通过2号线前，向2号线运营部门充分了解行车计划及间隔时间，降低下穿段列车运营速度在30 km/h以内，减少行车震动对地层扰动影响。

施工期间尽量避免列车在此影响区段进行启停，减少上部隧道荷载和震动。

2盾构小间距下穿既有地铁线的施工影响因素及控制要点

（1）盾构掘进对土体的扰动是一个从平衡到不平衡再到新的平衡的运动过程，其不平衡状态表现为加压后的地面隆起和盾尾后的地面沉降。

穿越段径向距离过近，各种因素对地层扰动大。5号线盾构穿越段隧道结构拱顶与既有地铁2号线隧道拱底最小净距约2.52 m（小于一倍洞径6 m），在盾构下穿地铁2号线前要考虑下穿地层的稳定性、盾构自身的荷载及刀盘扰动性和地铁2号线机车运营过程中产生的冲击动力荷载等一系列影响因素，避免对地层较大的扰动。保证既有地铁2号线的结构稳定，是盾构下穿地铁2号线掘进过程中最需要重点控制的关键点之一。南稍门～文艺路区间下穿段施工的控制目标为既有2号线下沉不大于6 mm，上浮不大于5 mm。

本区间下穿段为第443～472环，共30环累计45 m。为确保施工安全，下穿段分为3个阶段进行施工，第一阶段为第443～450环，第二阶段为第451～464环，第三阶段为第465～472环。

根据隧道地质、水位及埋深等工况本区间左、右线模拟段均选定在第392环～第436环。

（2）盾构隧道大纵坡段施工，存在开挖面不稳定和运输安全风险。5号线隧道长距离处于-24.17‰大下坡掘进（如图3所示），管片可能不稳定，压力仓内的开挖渣土有可能出现滞留不能充分取土，推进阻力增大，都会对开挖面的稳定存在影响：同时大坡度区间，运输车辆的溜车风险增加，造成的后果也会十分严重。

（3）下穿段盾构在全断面粉质粘土地层中掘进，有遇到涌水、流沙和刀盘结泥饼的风险。由于盾构区间是在湿陷性黄土地质，遇水极其不稳定，掘进时极易发生涌水和涌泥事故，引发开挖掌子面失稳，严重时会随着渣土的超挖，引起地面的突然塌陷;下穿段范围为全断面粉质黏土，掘进过程中易出现刀盘结泥饼，进而导致盾构推力增大，对地层扰动加大。

（4）盾构下穿既有地铁2号线，对地表沉降控制要求高。本工程为双线相继下穿既有运营线路，兩条线间隔施工时间为30 d。由于二次扰动问题，两条线的沉降规律并不相同。在掘进参数控制相同的情况下，后穿越的一条线相对前面穿越的一条线沉降值略大，因此后穿隧道掘进的各项参数控制及措施控制要更为严格。

（5）盾构接收端临近既有地铁2号线，接收难度大风险高。南稍门站接收端头距离地铁2号线最近距离24 m，车站采用止水帷幕加坑内降水，基坑内与坑外水位高差约13 m;端头加固区域交通流量大，地下管线无法迁改。端头加固区不能采取降水辅助措施，增大了盾构接收的难度。

3 下穿既有地铁运营线路施工中采取的技术保障措施

针对以上所述的复杂的施工环境和条件，通过对水文地质、设计图纸、地铁2号线结构等的深入研究，施工前优化了施组方案，施工中采取了一系列的技术保障措施，总结如下：

3.1优化施工参数、加强施工参数动态管理

盾构穿越地铁2号线运营线路作为重大风险源，对地表沉降要求极为严格，且左右线先后下穿既有线，使盾构掘进对地层的扰动进一步加大，如何使盾构掘进对地层的扰动尽量小、对既有地铁线路结构的影响小是下穿既有线施工的重点。

通过对试验段的各项数据分析，下穿既有线施工时的施工工艺总结为控制土压为主，出土量为辅，保持平稳的推力、均衡的速度、稳定的扭矩，保证饱满的注浆量，尽量降低对地层的扰动。

（1）盾构土仓平衡压力：按照土压平衡模式进行掘进，确保土仓内土压有效地平衡地层的土压力。施工中将下穿施工区段划分为接近区、穿越区和脱离区，盾构在接近区掘进时，土仓压力应逐渐降低;盾构在穿越区掘进时，为减少新建隧道施工对既有隧道及周围土体的干扰，土仓压力波动不宜过大，调整范围在±0.2 bar之间;盾构在脱离区掘进时，土仓压力应逐渐增大增加至正常值。

（2）螺旋输送机出土量：盾构机掘进中通过调节螺旋输送机的转速控制土仓压力，运用螺旋输送机产生的塞效应，使土仓内的压力始终处于需要的数值，保证前方掌子面处于稳定状态，避免掌子面坍塌，地表沉降过大或穿越段上方地面隆起。施工中出土量控制在44.82 m3/环，每环出土量偏差不超过1 m3[2]。

（3）掘进速度及推力：由于地铁2号线隧道削减了其底部正下方的土体应力，造成了两侧土体产生成土拱效应，使得隧道周围土体应力升高，改变了盾构施工的初始应力场。但是既有隧道的影响范围是有限的，盾构下穿施工应当分区段调整盾构的推力参数，通过调节盾构机刀盘扭矩和总推力，降低掘进速度，来减少盾构对周边土体的扰动，保证土体的稳定。

下穿段掘进速度控制在30 mm/min以内。推进过程中要保证连续均衡施工，避免盾构较长时间的搁置。

在保证掘进速度的同时，下穿段掘进时推力控制在1 000 t左右。推力过大，会造成地面隆起和管片的错台、破损;推力过小易发生盾构机侧转事故。

（4）盾构姿态：考虑线路走向和地层情况，大纵坡掘进管片有上浮现象，盾构垂直姿态控制在-30～-40 mm之间，盾构的水平偏差控制在±20 mm以内，下穿施工中合理调节各分区千斤顶压力，尽量保证盾构姿态正确。

（5）盾构机姿态纠偏：盾构掘进中的纠偏会增大对土体的扰动，盾构姿态变化不可过大、过频，每环纵坡变化小于0.2%，水平姿态纠偏量控制在5 mm/环内。盾构进入下穿段前，即试验段掘进中，必须将盾构姿态调整到最佳，确保盾构下穿既有线期间不进行纠偏，更不能进行“强纠”，减少因盾构曲线推进引起的过多超挖带来的土层损失。

（6）管片拼装：施工中，盾尾间隙偏差较大时，通过调节盾构机分区的推力差，使偏差减小。在管片拼装时，根据盾尾间隙和推进油缸行程差，调整管片的拼装点位，以保证管片的拼装质量和足够的盾尾纠偏间隙。

（7）同步注浆量和压力：严格控制浆液的质量、防止土体变形。每环的理论建筑空隙为2.43 m3，在下穿段施工过程中，同步注浆量控制在建筑空隙的150%～180%左右，现场注浆量控制在4 m3，注浆压力控制在0.25 MPa。采用可硬性浆液，浆液初凝时间不大于6 h。施工过程中，同步注浆量与注浆压力根据监测结果适当调整。

当调整施工参数对减小沉降已难起到显著效果时，调整注浆压力对沉降的效果要优于调整土仓压力。

（8）二次注浆：二次注浆采用双液浆，及时对衬砌壁后二次注浆，有效地弥补因同步浆液收缩变形而引起的地变形隐患，提高了土体的强度，确保了土体的稳定。下穿施工时，二次注浆与盾构推进施工同时进行，实现跟踪同步注浆的效果。

（9）地层损失量控制：盾构掘进必定引起地层损失量的增加，下穿段推进过程中，保持盾构切口处有微小隆起以抵消后期沉降。盾构掘进后及时通过同步注浆及二次注浆填充建筑空隙，控制土层损失量，将地层损失控制在0.5%范围内。

3.2保证设备状态良好

在盾构进入地铁既有线影响范围前，对盾构推进系统、螺旋输送机、同步注浆系统、油脂注入系统、铰接装置进行检查和维护，确保在下穿过程中不发生停机情况，保证下穿的平稳顺利。

3.3降低大纵坡段盾构施工的安全质量风险

（1）大坡度区间掘进，土压力随着埋深而时刻变化，盾构的推力和土仓压力要跟随调整。大下坡掘进时，特别是粉质粘土地层中，土仓内的碴土有可能出现堆积而形成泥饼，造成阻力增大，因此施工中要控制好螺旋机的出土量，减少结泥饼的风险。

（2）盾体的重量集中在中盾和前盾，下坡推进时往往加大上半部千斤顶的推力，盾构具有向下扎头的倾向。推进过程中要控制盾构纠偏量，盾构姿态避免“强纠”、纠偏过频，调整好土压力设定值和千斤顶推力，使盾构运动轨迹尽量与隧道线型重合。

（3）大纵坡施工时，由于推进千斤顶反力会产生向上的垂直分力，成型的管片容易上浮，因此管片脱出盾尾时要求全面复紧管片所有螺栓，以克服向上的分力。尽量做到盾尾内的管片居中拼装，保证环面平整度，保证管片防水的质量。

（4）盾构掘进下坡时，管片壁后注浆浆液绕入管片，直接流到开挖面的可能性很大，所以同步注漿浆液采用凝结时间较短的硬性浆液，注入后的体积变化较小，强度要求能超过周围土体的强度。

（5）电瓶车重车在大纵坡段上坡运行比较困难，电瓶车溜车风险性较大，施工中电瓶车装备了双作用制动器、软连接、防撞梁等多重安全制动装置。

（6）盾构在下坡段施工，隧道内排水会滞留在开挖部，要采取有效的排水措施，避免盾尾积水。

3.4有效地改良渣土和防止涌水、涌砂

（1）渣土改良：下穿段洞身范围为全断面粉质粘土，掘进过程中易出现刀盘结泥饼现象，为了保护刀盘、防止正面土体坍塌，保证螺旋输送机的正常出土，每隔一定距离对刀盘前方土体及螺旋机内压注一定比例的泡沫剂或膨润土进行渣土改良，以减小刀盘的扭矩，并使渣土具有适当的和易性[7]。因此膨润土浆液最适合配合比=膨润土：水=0.25：1。

（2）防止涌水、涌泥：在地铁2号线隧道结构隆起允许的情况下，适当提高盾构的掌子面压力，以降低土仓内土体的流动性。同时通过控制螺旋输送机出土速度和出土量，在出土口形成土塞效应，起到良好的密封、保证土压的稳定以及防喷涌发生的作用。紧急情况时停止推进关闭闸门，启动螺旋输送机防喷装置。

3.5加强监控量测，减小地层和隧道变形

盾构下穿地铁2号线运营隧道时，采用全自动化监测+人工辅助监测模式。全自动化监测为24 h不间断监测，加上人工辅助监测，同时间同频率，第一时间进行沉降对比分析，制定下一步掘进参数[4]，指导下一步施工掘进。

按照每次/4 h～每次/8 h频率监测，当施工影响较大或出现变形征兆时进行连续监测每次/2 h～每次/4 h。盾构下穿地铁2号线运营隧道前50 m时测定初始值，然后进行正常的自动化监测，在施工完毕后监测3～6个月，至监测数据稳定为止。检测包括地面监测、地铁2号线隧道内监测、在建隧道监测[3]。

3.6对运营地铁2号线轨道进行保护

为防止影响地铁2号线整体形变，减少沉降对车辆运营的影响，在地铁2号线与5号线交点及前后各10m范围的原轨道钢轨上加装轨距拉杆，将两根钢轨连接起来，以提高钢轨的横向稳定性，提高轨道保持轨距的能力。施工利用凌晨0：00～5：00列车安全停运后进行护轨安装作业[5]。

3.7保证盾构安全到达与接收

盾构接收端12 m范围内采用三轴搅拌桩结合WSS注浆进行加固，以满足盾构接收要求。

盾构出洞前，加强洞门的超前探测，以掌握土体加固和渗水情况;在盾尾后第五环开始通过管片的注浆孔压注环箍壓注双液浆，形成止水环;盾构切口进入井壁时，停止同步注浆，并用快硬性浆液或聚胺酯材料充填建筑空隙，以减少地铁2号线和地表沉降量。

刀盘露出洞门后，加快管片拼装速度。此时盾构空载运行，前方不存在阻力，盾构只要稍有推力，即可前行，此时应注意千斤顶的选择不宜多，控制在2～3个即可，且不可加压过大。管片拼装后迅速实施管片连接。

盾尾拖出后很容易造成管片与车站结构之间漏浆、漏砂等，因此在盾尾离开洞门环约60 cm时要停止推进，开始密封并通过管片吊装孔对最后三环管片进行双液注浆，确保地铁2号线沉降量最小。

地面采取倾斜跟踪注浆作为应急措施，对地铁2号线既有区间隧道实施保护;地面倾斜注浆根据地铁2号线区间隧道变形监测情况，适时启动。

3.8盾构下穿后地表长期沉降的控制

下穿过程中的洞内注浆，采用双液浆注浆，每间隔5环通过注浆做一道止水环，使隧道纵向形成间断的止水环，再在5环中间按顺序逐孔进行补充注浆加固。注浆过程中加强管片姿态和错台错缝监测。下穿完毕继续进行跟踪监测，及时补浆处理，避免后期沉降。

由现场实测数据反馈，既有地铁2号线隧道道床最大变形量及拱顶最大沉降量均小于规范所要求的4 mm，表明施工中所采取的各项技术保障措施，对于防止在建隧道、既有隧道变形超限，保障运营线路安全起到了良好的控制作用[6]。

4技术成果

在下穿过程中，盾构姿态控制良好，管片平顺，线路中心偏 差在合理范围内，施工过程安全可靠。由现场实测数据反馈，监测点地表略微隆起，但隆起值较小，既有地铁2号线隧道道床最大变形量及拱顶最大沉降量均小于规范所要求的4 mm，沉降平稳，无异常情况发生，表明施工中所采取的各项技术保障措施，对于防止在建隧道、既有隧道变形超限， 保障运营线路安全起到了良好的控制作用。

5结语

西安地铁5号线10标，盾构小间距下穿既有地铁线路施工中采取的各项施工技术措施，对保证线路车辆正常通行、既有线路正常运营是完全可行的。通过对盾构小间距下穿既有地铁线的施工经验总结可以看出：

（1）提前进行施工影响因素及控制要点的分析，建立试验段，进行各项参数的采样、分析和优化，下穿施工中是极其重要的[8]。

（2）在盾构下穿施工至既有运营线主要影响区时，及时对盾构参数进行修正，主动减小土仓压力，可抵消刀盘对既有运营线的扰动。

（3）加强监控量测，保持盾构姿态，加强同步注浆，及时二次注浆，可确保掘进隧道及既有运营线的安全。

以上技术成果和论述，对今后我单位盾构穿越地铁及铁路既有线施工具有指导意义。

参考文献

[1] 程国良，刘宝林，董勇，等.盾构穿越既有地铁运营线控制措施与效果分析[J].施工技术，2021.

[2] 王文锋，刘德智，杨军宁.土压平衡盾构穿越既有地铁线路的技术方法[C]//中国国际隧道工程研讨会.2011.

[3] 崔晓.地铁盾构隧道施工对周边环境影响的监测[J].现代隧道技术，2007.

[4] 南文胜，白朝旭，雷崇红，等.盾构下穿既有线工程风险监测分析[J].现代城市轨道交通， 2011（S1）：4.

[5] 孙国庆.深圳地铁盾构隧道接收端近距离下穿既有线加固技术[J].隧道建设，2015.

[6] 张飞进.盾构施工穿越既有线地表沉降规律与施工参数优化[D].北京工业大学，2006.

[7] 张振中.关于盾构在粉质黏土层中穿越铁路既有线路的施工技术研究[J].科学之友：下，2012（8）：3.

[8] 祝思然，黄佩格，矫伟刚，等.盾构近距离下穿既有地铁隧道沉降控制技术研究[J].隧道建设，2016，036（002）：234-240.

Influencing Factors and Technical Support Measures for the Construction of Shield Tunnels Underneath the Existing Subway Lines with Small Spacing

YAN Kui

（China Railway Beijing Engineering Bureau Group Chengshi Rail Transit Engineering Co.， Ltd.， Hefei  Anhui  230061）

Abstract： The shield tunneling under the existing subway line adopts the earth pressure balance shield method. In the silty clay layer， the tunneling parameters of the shield tunnel are optimized， namely， soil pressure， thrust， cutter head torque， cutter head speed， tunneling speed， synchronous grouting the volume， simultaneous grouting pressure， unearthed volume and shield attitude， etc. reduce the impact on the existing operating lines， which has a good guiding significance in the field of shield construction of the Xi'an Metro.

Keywords： under-crossing existing operating subway lines; shield tunnels; settlement

收稿日期：2021-12-27

作者简介：闫逵（1968—），男，山西大同人，本科，高级工程师（副高），研究方向：盾构施工。