新建盾构隧道近距离下穿既有地铁线安全风险控制措施研究

魏兵超

（北京安捷工程咨询有限公司，北京 100037）

0 引言

地铁因其具有节省土地、减少干扰、节约能源等优点，在城市的交通出行中占据越来越高的比重，出于线路规划的需要等原因，后续待建设的线路不可避免地要与既有线路交叉，因此会产生相互影响，尤其是对已运营线路的影响不可忽视。施工过程中稍有不当，即可能造成既有线路隧道甚至轨道变形超限，影响行车安全，造成安全事故，引发不良社会影响[1]。

合肥地铁5号线高铁站—祁门路站区间盾构下穿既有地铁1号线，是合肥地铁建设进程中首次出现待建线路下穿既有地铁线，且距离较近（两区间隧道最小净距为3.244m），穿越段掘进地层为合肥地区典型的黏土层，小净距叠交隧道施工风险大，且既有地铁1号线的变形监测困难，总体风险突出。该区间的顺利穿越对合肥地铁建设后续出现类似线路交叉的施工安全风险控制有较好的指导借鉴意义。

1 工程概况

1.1 工程简介

合肥地铁5号线高铁站—祁门路站区间右线SK22+593.332～SK22+641.431段（共计48.1m）斜下穿既有地铁1 号线，左线XK22+560.596～XK22+611.346 段（共计50.75m）斜下穿1号线，线间距在9.0～15.4m范围内变化，在既有地铁1号线最下方时，线间距为10m，隧道顶部埋深在11.9～33.6m范围内。在建地铁5号线与既有地铁1号线两区间最小净距为3.244m，最小高程差为2.645m，此位置最小净距为6.933m，斜穿角度为右线15°、左线16°。区间平面位置关系示意如图1所示。

图1 区间平面位置关系示意

1.2 工程地质及水文地质条件

拟建区间场地属河流二级阶地，沿线地势开阔，地形略有起伏，区域地质构造较稳定，场地内不存在能引起场地滑移、大变形和破坏等的不良地质，属稳定场地。

该区间隧道穿越地层均为⑥2黏土层，区间覆土分为①1杂填土层与①2素填土层，相关参数如下：

（1）①1杂填土层：松散，土质不均，层厚0.50～4.50m，以黏性土为主，含大量建筑垃圾、砖渣、生活垃圾等。

（2）①2素填土层：松散，局部可塑—硬塑，土质不均，层厚0.60～3.00m，以黏性土为主，含少量碎石、砖渣等杂物。

（3）⑥2黏土层：硬塑—坚硬，中—低压缩性，层厚22.10～31.90m，富水性及透水性均较差。

2 下穿既有线主要安全风险分析

2.1 盾构穿越既有地铁1号线施工风险

新建地铁5号线区间斜下穿既有地铁1号线区间，竖向最小净距为3.244m，最小高程差为2.645m。盾构掘进过程，中隧道周围地层应力不断发生变化，从而造成周围土体产生变形和破坏。随着隧道的不断掘进，所影响的范围也不断扩大，最终传递到地面影响既有线结构及轨道。若下穿既有线隧道过程中未按设计要求严格控制沉降值及变形量，将严重影响列车运营安全。

2.2 黏土地层中刀盘结泥饼施工风险

盾构隧道洞身穿越地层为⑥2黏土层，掌子面的黏土受到刀具切削、刀盘挤压后形成细小的土颗粒，在刀盘中心位置形成附着的泥饼，在高温、高压作用下不断变厚变硬，最终导致刀具被渣土糊住，刀盘失去削土能力，导致掘进速度过慢，掘进过程中易出现堵舱、刀盘结饼、刀具异常损坏等情况，造成施工无法正常进行。

2.3 盾构小净距掘进风险

根据《盾构法隧道施工与验收规范》（GB 50446-2017），隧道净间距小于0.7倍盾构直径的地段统称为小净距地段，该区间盾构二次始发后，出高铁站长约162m段落的隧道线间距均为9m，净间距为9-6.2=2.8m＜0.7×6.2=4.3m。盾构隧道小净距施工主要考虑以下几种影响：后续盾构的推进对既有隧道的挤压和松动效应；后续盾构的盾尾通过对既有隧道的松动效应；后续盾构的壁后注浆对既有隧道的挤压效应；先行盾构引起的地层松弛而造成或引起后续盾构的偏移等[2]。

2.4 既有地铁1号线区间监测困难

既有地铁1号线望-高区间为运营线路，盾构下穿过程中不具备既有线监测条件，从而无法指导盾构施工掘进参数设定，施工过程中对既有地铁1号线造成沉降或隆起破坏，影响列车的正常运行。

3 盾构下穿既有地铁线安全风险控制措施

3.1 试验段掘进

3.1.1 试验段掘进目的

试验段掘进参数及施工参数是下穿既有线施工过程中的重要依据。试验段盾构掘进完全按照下穿既有地铁1号线掘进方式进行控制，掌握相同工程地质及水文地质下盾构掘进参数与地表沉降规律。同时，以控制地表沉降为目地进行试验掘进，对盾构机推进速度、推力、扭矩、刀盘转速、出土量、注浆量、渣土改良等参数进行调整，总结出对地表变形影响最小的施工参数。

3.1.2 试验段总结

试验段掘进过程中做好掘进记录，掘进记录要求填写真实、仔细，每日当班技术员需与接班人员进行岗位交接。每掘进5环，根据掘进记录与监测报告对掘进过程及相关参数进行比选分析。对照每班掘进参数和地面沉降监测结果，根据对照结果调整施工参数，如提高同步注浆量、调整注浆压力，降低掘进速度等，并每环进行记录、分析和总结，将试验成果用于下穿既有地铁1号线施工中。

3.2 下穿掘进施工

下穿掘进施工包括盾构斜穿、正穿以及盾构机刀盘进入斜穿范围的前10 环和盾尾脱离斜穿范围的后10环。为确保正式穿越既有地铁1号线过程中，盾构机能以最佳状态穿越风险源，以及穿越过程中盾体超前注浆相关参数选取的可靠性，盾构掘进应在斜穿之前的10环位置停机维保，待设备一切运行正常，准备到位后，进行穿越既有线施工，中盾注浆应贯穿整个下穿掘进过程。

3.2.1 设备维保

在穿越既有地铁1号线前，需停机对盾构机及后配套设备进行一次全面细致的检查、维修及保养。停机维保重点是对盾构机的螺旋机系统、渣土改良系统、同步注浆系统、超前注浆系统、二次注浆设备、控制电路及液压系统、电瓶车刹车及电路进行检查，以确保设备能以最佳状态匀速不间断地穿越既有线。

3.2.2 盾构掘进控制

在盾构下穿前，根据前期试掘进数据和监测数据及时调整土压力值，从而科学合理地设置土压力值及相宜的推力、推进速度等参数，防止超挖，以减少对土体的扰动。

隧道掘进过程中，要充分结合监测数据，及时调整盾构掘进参数及注浆参数，保证掘进顺利。盾构掘进施工工序主要包括：轴线控制、管片防水、管片安装、同步注浆、盾尾油脂的压注、泡沫剂的压注及二次注浆等，每道工序均有成熟的程序，施工过程中需严格按程序进行。

盾构机掘进引发的沉降大致分为5个阶段（见图2）：

图2 盾构掘进过程阶段性地层沉降示意

（1）最初的沉降。从盾构开挖面距地面沉降观测点还有一定距离（约3～12m）的时候开始，直至开挖面到达观测点所产生的沉降。

（2）开挖面前方的沉降（隆起）。这种地基塑性变形是由土体应力释放、开挖面的反向土压力或机身周围的摩擦力等作用而产生的。它是从开挖面距观测点一定距离时开始至观测点处于开挖面正上方所产生的沉降（隆起）。

（3）盾构机经过时沉降（隆起）。该沉降是在土体的扰动下，从盾构机的开挖面到达测点的正下方开始到盾构机尾部通过沉降观测点所产生的沉降（隆起）。

（4）盾尾空隙沉降。该沉降产生于盾尾经过沉降观测点正下方之后。管片脱离盾尾后与土体间的间隙未能及时得到补充，从而引发的沉降。

（5）固结沉降，它是一种由地基扰动所产生的残余变形沉降。

可通过注浆加固的手段，减少各个阶段的沉降。

（1）同步注浆。盾尾通过后，管片外围和土体之间存在空隙，施工中采用同步注浆来充填这一部分空隙。施工过程中严格控制同步注浆量和浆液质量，为减小浆液的固结收缩，实验室前期应根据地层的富水性、稳定性、孔隙率等条件进行配合比试验，确定最优配合比，使浆液和易性好、泌水性小。根据盾构穿越既有地铁1号线时易造成沉降的情况，同步注浆选用惰性浆液或者收缩率较小的浆液[3]。

（2）中盾注浆。同步注浆及二次注浆分别为了对第四与第五阶段的地面沉降进行控制与预防，但不能有效控制第一、第二和第三阶段的沉降。为了解决这一问题，在盾构穿越阶段，通过盾构机中盾位置两侧11点钟至1点钟位置的注浆孔，对盾构机上方土体间隙进行超前注浆，在盾壳上部形成泥膜。中盾注浆浆液需进行专业配置，浆液注入35s后将会初凝且初凝后浆液仍具有可塑性，并能形成泥膜。

（3）二次注浆。二次注浆一般在管片与围岩的空隙填充密实性差，隧洞变形得不到有效控制或管片衬砌出现渗漏的情况下实施。如果地表出现过大沉陷时，可以通过二次注浆进行抬升和补强。施工时采用隧道监测信息反馈，结合洞内超声波探测管片衬砌背后有无空洞的方法，综合判断是否需要进行二次注浆。下穿段前后10环范围内必须对管片背后注双液浆，使隧道周围土体起到加固和止水作用。

3.3 穿越后巩固阶段

由于地表沉降存在一定的滞后性，盾构机在穿越既有地铁1号线后，仍需在后续的一段时间内对地铁1号线进行全自动监测，根据监测值判断既有线是否存在沉降风险，以便及时注浆封环，对新建地铁5号线隧道进行加固，防止因管片位移对既有地铁1号线隧道造成影响。

4 监控量测

4.1 监测方法及点位布设

4.1.1 监测方法

由于地铁1号线为既有运营线，只有在夜间11点至次日凌晨5点的地铁暂停运营期间可以进行人工监测作业，人工作业无法满足监测频次要求，故采用自动化智能监测系统进行监测，其测量原理是采用先进的压缩感知技术进行目标位移监测，以安全信息收集塔（简称信息塔）作为基准点，通过信息塔和被监测点之间的相对位移数据来判断沉降数值。安全塔周期性地向被测点发射电磁波信号，根据信号相位特征变化和测量参量矩阵来计算相对位移数据，通过压缩感知技术进行数据校准。安全塔自身安装有高精度电子陀螺和磁力计，可以测量自身安装基准的微小偏角变化。各监测点测得位移数据后，利用无线自组织网络上传数据至后台管理中心，通过数据分析后，将结果反馈至客户终端[4]。

4.1.2 监测点位布置

在既有地铁1号线下行线主要影响区间段，按5m的间距设置监测断面，共设置20个监测断面；一般影响区间段内，按10m的间距设置监测断面，共设置40个监测断面（具体断面数以现场实际布设量为准）。每个断面设置6个监测点，分别为：1个隧道拱顶沉降监测点、1个隧道水平收敛监测点、2 个轨道位移监测点和2 个道床沉降监测点，如图3所示。

图3 监测点安装位置示意

4.2 监测预警和信息反馈

该系统采用变化量和变化速率作为“双控”指标，共设Ⅲ级报警提示。当出现黄色监测预警时，应采取加密监测点或提高监测频率等措施加强对各监测对象的监测；当出现橙色监测预警时，应暂停施工作业，通知业主、监理、设计及运营等相关单位到达施工现场，各方共同制定相应安全保护措施，并经组织审查后，开展后续工作；当出现红色监测预警时，应启动安全应急预案，立即停止盾构施工，联系地铁运营单位，进行风险研判，当危及行车安全时，立即封锁线路，坚持“先防护，后处理”的原则，配合地铁检测维修单位，尽快抢修、调整铁路设备，达到通车条件后，方可放行列车，在继续进行盾构施工前，必须组织检查相关的安全防护措施。

5 结束语

新建地铁线路穿越既有地铁的工程越来越多，而且风险突出，稍有不慎将可能造成运营线路停运，甚至引发人员伤亡，造成严重负面社会影响。合肥地铁5号线高铁站—祁门路站区间盾构下穿既有地铁1 号线工程中，不仅对事前、事中、事后全过程存在的安全风险进行了分析，还采取针对性的控制措施，最终成功穿越，未对既有地铁1号线的运营产生影响。该区间的顺利穿越对类似工程建设也具有很好的指导和借鉴意义。