新建隧道下穿既有地铁区间试验段关键因素研究

郑立钢

(北京市轨道交通建设管理有限公司 北京 100068)

1 引言

截至2021年底，作为地铁运营线路最多的城市北京已开通地铁共27条，其运营里程达到约783 km。轨道交通的快速发展为人们的出行提供了便利，但地铁建设也面临越来越复杂的环境。

地铁的主要施工方法主要有明挖法、暗挖法及盾构法三种。在无法大量占用地面资源前提下，对于地铁建设中的区间工程，盾构法具有安全、效率高、对周边环境影响小、对地下水的适应能力强等特点，越来越被广泛选用。

由于新建地铁线路经常会与既有地铁线路发生“上跨、下穿或平行侧穿”等关系，新建隧道建设势必会对既有线路产生影响。盾构机在掘进过程中造成土体的变形沉降，其周边的应力场重新分布，作用在既有结构上的附加荷载对其产生了不利影响。既有结构变形、开裂、不均匀沉降等引发的安全性事故每年都在发生。

大量研究发现盾构施工的掘进参数与既有线变形沉降有着极大关联性。周路鸣[1-3]等总结了盾构隧道下穿既有线的施工控制技术；荀亮亮[4]等通过有限元分析模拟了盾构区间下穿地铁U型槽结构的影响并提出有效防治措施；魏纲[5-6]等运用最小势能原理对既有盾构隧道在新建隧道穿越时的结构变形进行了分析预测；祝思然[7-9]等提出盾构下穿既有隧道沉降控制的有效技术措施；姜海刚[10-12]等对不同地质条件下新建地铁盾构隧道穿越既有线监测进行了研究。这些研究为盾构隧道安全下穿既有线施工奠定了良好的基础，确保了既有线的正常运营。

鉴于盾构穿越施工对既有地铁区间结构存在较大影响，为了保证地铁运营安全，在穿越前应设置试验段，以保证良好的掘进速度、控制出渣量及刀盘扭矩，灵活调整掘进参数，摸索出适合此种地层的最佳组合参数。同时通过对试验段施工相关参数及沉降数据的分析及总结，进一步优化初步设定的相关参数，最大限度地减小盾构施工对既有线的影响，保证穿越施工对既有线的影响在控制值内。

2 盾构穿越既有线试掘进试验

2.1 工程概况

北京地铁12号线工程西坝河站-三元桥站区间采用6.4 m外径盾构，以122°平面角度下穿既有10号线三元桥站-亮马桥站区间。10号线区间采用6 m外径盾构，穿越处地面为首都机场高速公路。12号线与10号线左线区间最小垂直距离仅约2.18 m，在国内近距离穿越工程中案例不多。区间主要穿越土层为粉细砂、粉土及粉质黏土层，位于地下水(三)以下。作为“国门第一路”，首都机场高速公路具有极高的政治意义，在高速路下方穿越不仅要减少对既有线隧道沉降影响，更要确保首都机场高速公路安全正常平稳运营。周边环境平面和剖面如图1所示。

图1 结构周边环境

2.2 试掘进参数确定影响因素分析

2.2.1 主控因素

(1)掘进速度:掘进速度的快与慢均会对土体产生较大影响，进而带来附加地质沉降。因此，在施工过程中通过盾构机刀盘扭矩及出渣量的增减及时调整掘进速度，根据统计数据分析总结出影响最小的最佳掘进速度。

(2)刀盘扭矩:盾构机的推力、土压和渣土改良(泡沫及膨润土)是影响盾构机刀盘扭矩的主要因素。因此，掘进过程中采用合理的渣土改良参数并对土压和推力合理控制是保证最佳掘进速度的前提。

渣土改良的成效通过渣土和易性进行判定。正常的和易性应土水不分离、具有很好的流动性，可使切削下来的渣土顺利快速进入土仓，并通过螺旋输送机顺利排土，同时降低渣土粘结在刀盘上从而结成泥饼的风险。

(3)刀盘转速:根据掘进速度、刀盘扭矩及出渣量等综合考虑选择最优参数。

(4)推力:根据掘进速度和刀盘扭矩设定。

(5)土压:根据北京已建地铁工程施工经验，盾构掘进过程中土压是非常重要的掘进控制参数。建立合理的土压平衡可对掌子面及拱顶沉降有很好的控制，开挖面处土体压力可根据开挖面深度、地下水位高度及地层的土体特性等参数确定。为降低穿越过程中掌子面发生垮塌的风险，在确定土仓压力时还需重点考虑土体应力重分布情况，对压力值进行0.2～0.3 bar的适当扩大。在试验段处地面应设置沉降监测点(其中部分沉降监测点为深层测点，可更好模拟穿越过程中既有线处沉降变化)，掘进时根据出渣量和沉降值调整土压力，收集数据分析总结出最适合的土压值。

(6)出渣量:根据地表沉降及掘进状态的变化情况分析总结最合适的出渣量，并推算出地层的松散系数，在后续掘进中不断完善试验数据。

2.2.2 辅助因素

(1)同步注浆:主要是针对开挖空间与管片之间的间隙进行的第一次填充，要求填充密实且凝固时间较快。在试验段施工过程中调配浆液比例，使砂和水泥占比达到最大化。

(2)径向注浆:管片脱出盾尾后上部要立即进行径向注浆，及时调整浆液配比，使凝固时间在15 s以内。试验段应掌握浆液配比，熟悉打孔操作流程及防止浆液流窜到盾体，把控好注入压力参数。

(3)施工监测:利用监测点沉降变化值总结注浆压力大小，确保穿越过程中注浆压力不会对既有线产生影响。

(4)管片拼装:拼装管片时司机应时刻关注土仓压力的变化，油缸按需求收回，拼装完成一块，顶紧之后再收下一块拼装管片的油缸(根据拼装管片时土仓压力的变化，可适当调高推进油缸低压模式的油压)。

(5)减阻措施:通过试验段提前做好高浓度的泥水材料和塑强调整剂(水玻璃)配比，调配出高黏度塑性的胶化体注入盾体径向注入孔中，对盾体前行起到润滑减阻并对盾体与土体间隙起到填充支护的作用(见表1)。

表1 试验段主控及辅助因素参数调整原则

3 试掘进沉降分析及参数确定

3.1 试验段确定

3.1.1 试验段设置情况

为总结盾构施工参数，降低盾构施工对既有线的影响，在盾构隧道穿越既有10号线前设置试验段，在试验段完成且满足沉降要求条件下，进行下穿施工。试验段长100 m，共分三个循环，管片环号为55～145环，地质情况与下穿既有线处地质情况基本相同。其中循环1:55～85环，以调整土压为目的；循环2:85～115环，调整土压及掘进参数增加二次补浆量为目的；循环3:115～145环，增加减阻措施施工为目的。

3.1.2 试验段位置及监测点布置

试验段位于首都机场高速公路东南侧绿地内，在正常布置基础上增设加密点满足试验段需求，具体见图2。

图2 试验段及监测点布置

3.2 试验段沉降分析

12号线西坝河站-三元桥站地铁区间盾构机于2020年9月19日始发，10月29日完成55～145环试验段掘进。

(1)试验段1掘进参数设定及沉降数据

循环1掘进参数设置为:土仓压力1.0～1.3 Bar、总推力1 600～1 800 t、掘进速度40～65 mm/min、松散系数1.2、刀盘扭矩3 000～5 000 kN·m、同步注浆量3.5 m3/环，渣土改良采用泡沫剂；循环1不采取减阻措施。

按照上述参数进行盾构掘进施工，沉降监测点数据总结如下:监测点DB-04-07沉降值为-11.06 mm，DB-04-09沉降值为-11.38 mm(见图3)。

图3 试验段1监测点沉降曲线

通过对55～85环推进过程沉降数据观测，沉降值达到-11.06～-11.38 mm，数据较大。结合沉降时程曲线可发现，地表沉降监测点在盾构机通过后呈直线下降趋势，故需对推进参数进行调整。

参数调整使用Midas/GTS进行三维建模辅助分析。上边界为地表，竖向取50 m，长取280 m，宽取220 m。地表取为自由边界，其他三个面均约束其法向变形。共划分38 116个单元，计16 626个节点，如图4所示。计算中采用不同本构模型模拟不同的材料，各层土体均采用莫尔-库仑(M-C)模型，新建地铁12号线隧道区间结构和既有地铁10号线隧道区间结构采用弹性模型。

图4 计算模型

结合上文所述掘进参数调整原则，在掌子面处增加附加荷载模拟增加土仓压力，同时调整应力释放系数模拟减阻措施，通过沉降曲线(见图5)可发现，沉降变化由直线下降变为先微小隆起后下降，地面沉降值也同时减小，据此对试验段后续阶段掘进参数进行调整。

图5 沉降曲线对比

(2)试验段2掘进参数设定及沉降数据

循环2掘进参数设置为:土仓压力1.5～1.7 Bar、总推力1 500～1 700 t、掘进速度30～50 mm/min、松散系数1.2、刀盘扭矩3 500～4 500 kN·m、同步注浆量3.75 m3/环，渣土改良采用泡沫剂；循环2仍不采取减阻措施。

按照上述参数进行盾构掘进施工，沉降监测点数据总结如下:监测点DB-02-06沉降值为-2.74 mm，DB-03-06沉降值为-3.29 mm(见图6)。

图6 试验段2监测点沉降曲线

通过对盾构掘进参数及时调整，盾构机在85～115环掘进过程中沉降数据得到大幅改观，监测点沉降数据为-2.74～-3.29 mm，沉降相比循环1得到有效控制。

(3)试验段3掘进参数设定及沉降数据

循环3掘进参数设置为:土仓压力1.6～1.7 Bar、总推力1 500～1 700 t、掘进速度30～50 mm/min、松散系数1.2、刀盘扭矩3 500～4 500 kN·m、同步注浆量4 m3/环，渣土改良采用泡沫剂；减阻措施为0.4～0.6 m3/环。

在循环3中，盾构掘进参数基本沿用循环2的掘进参数，同时增加了减阻措施。减阻措施采用惰性浆液，每环增加量约为0.4～0.6 m3。

按照上述参数进行盾构掘进施工，沉降监测点数据总结如下:监测点DB-04-11沉降值为-2.24 mm，DB-04-12沉降值为-2.52 mm(见图7)。

图7 试验段3监测点沉降曲线

在延续循环2的盾构掘进参数前提下，适当增加减阻措施可对沉降进行进一步控制。在盾构机115～145环掘进过程中，监测点沉降数据为-2.24～-2.52 mm，相比循环2进一步降低，可满足下穿既有线控制指标要求。各循环推进参数对比见表2。

表2 各循环推进参数对比

3.3 掘进参数确定

综合以上分析，根据试验段对比各项推进数据，确定盾构下穿既有线参数如下:土仓压力1.6～1.7 Bar、总推力 1 500～1 700 t、掘进速度 40～60 mm/min、刀盘扭矩≤4 500 kN·m。12号线西坝河站-三元桥站区间盾构机于2020年11月10日～2020年12月23日完成对既有10号线三元桥站-亮马桥站区间穿越，在严格按照试验段确定的掘进参数前提下，既有10号线区间在单线穿越完成后最大沉降值为-0.8 mm，双线穿越完成后最大沉降值为-1.4 mm(见图8)。穿越过程中沉降值满足既有线控制要求且变形平缓，对既有线产生影响较小。

图8 既有线沉降曲线

4 结论及建议

本文结合12号线下穿10号线区间工程试验段，确定了盾构下穿施工过程中的盾构推力、土压、扭矩等参数的选取原则及调整方法。

(1)从试验段三个循环阶段的盾构机土压、掘进速度及沉降数据可以看出，土仓压力与推进速度是引起刀盘前方地层沉降变形的主要控制因素。试验段循环1中土仓压力设置较小，刀盘前方地层沉降较大，随着盾构机通过导致沉降值进一步累加，达到-11 mm左右。后续试验段将土仓压力增大使地表有一微小隆起，随着盾构机掘进通过土体应力得到释放，隆起值回落后地表开始缓慢沉降，注浆后趋于平衡。

(2)本区间试验段穿越范围地层变化不大，掘进过程中推力波动变化不大。在渣土改良较好的情况下刀盘扭矩和总推力维持在稳定的区间，从而获得比较理想的推进速度和出土量。经试验在该土层掘进过程中，推力维持在1 500～1 700 t、扭矩维持在3 500～4 500 kN·m、刀盘转速0.9～1.1 r/min、速度30～50 mm/min比较合适。

(3)管片在脱离盾尾后，地层在1周之内会发生明显沉降，管片脱离盾尾时的同步注浆可有效控制地面下沉。因此，及时进行同步注浆及二次补充注浆可对沉降起到良好的控制作用。

(4)各参数之间相互影响程度以及盾构施工所引起的地表变形需进一步深入研究。