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·隧道／地下工程· 收稿日期：２０１６ ０３ １４ 盾构下穿地铁既有线（盾构隧道）的施工技术 邹佳光 （中铁十四局集团有限公司 山东济南 ２５００１４） 摘 要 盾构下穿既有线盾构隧道施工中，盾构机施工控制的好坏，直接关系到既有地铁线路是否能安全正常的 运行，北京市南水北调配套工程东干渠工程６＃盾构区间在Ｋ１１ ＋７９９ 处下穿地铁Ｍ１５ 线，通过盾构下穿Ｍ１５ 线风 险源时采取控制措施，使Ｍ１５ 线变形控制在合理范围内，为同类项目施工提供技术支持和借鉴。 关键词 盾构施工 下穿既有线 地铁工程 中图分类号 Ｕ４５５．４３ 文献标识码 Ｂ 文章编号 １００９ ４５３９ （２０１６）增１ ０２４５ ０３ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｓｈｉｅｌｄ Ｕｎｄｅｒｐａｓｓｉｎｇ Ｅｘｓｉｔｉｎｇ Ｓｕｂｗａｙ Ｌｉｎｅ （Ｓｈｉｅｌｄ Ｔｕｎｎｅｌ） Ｚｏｕ Ｊｉａｇｕａｎｇ （Ｃｈｉｎａ Ｒａｉｌｗａｙ １４ｔｈ Ｂｕｒｅａｕ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏ．Ｌｔｄ．，Ｊｉｎａｎ Ｓｈａｎｄｏｎｇ ２５００１４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｉｍｐａｃｔｓ ｔｈｅ ｓａｆｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｓｕｂｗａｙ ｌｉｎｅ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃｏｎ ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｏ．６ ｓｈｉｅｌｄ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｅａｓｔ ｍａｉｎ ｃａｎａｌ ｏｆ ｓｏｕｔｈｔｏｎｏｒｔｈ ｗａｔｅｒ ｄｉｖｅｒｓｉｏｎ ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｎ Ｂｅｉｊｉｎｇ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｒｅ ｔａｋｅｎ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｓｈｉｅｌｄ ｕｎｄｅｒｎｅａｔｈ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｒｉｓｋ ｓｏｕｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｅｔｒｏ Ｍ１５ ａｔ Ｋ１１ ＋７９９ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｄｅｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍ１５ ｗｉｔｈｉｎ ａ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ ｒａｎｇｅ，ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｕｐｐｏｒｔ ａｎｄ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｉｍｉｌａｒ ｐｒｏｊｅｃｔ ｃｏｎ ｓｔｒｕｃｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｓｈｉｅｌｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ；ｕｎｄｅｒｐａｓｓｉｎｇ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｌｉｎｅ；ｍｅｔｒｏ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ １ 工程概况 １ ．１ 设计概况 北京市南水北调配套工程东干渠工程６＃盾构区 间从位于五元桥西北侧６＃盾构井始发，沿五环路向 西北敷设，到达５＃盾构井后接收。６＃盾构区间在Ｋ１１ ＋７９９ 处下穿地铁Ｍ１５ 线。６＃盾构区间隧洞采用圆 形断面，采用复合衬砌结构：隧洞一衬采用３００ ｍｍ 厚 的Ｃ５０ 钢筋混凝土管片，管片外径６ ｍ，内径５．４ ｍ， 管片宽度１．２ ｍ。 １ ．２ 风险源概况 ６＃盾构区间输水隧洞下穿Ｍ１５ 线的位置位于 Ｍ１５ 线望京东站～崔各庄站区间Ｋ１８ ＋７００（Ｍ１５ 线 里程）处，对应东干渠输水隧洞里程为Ｋ１１ ＋７９９，为 特级风险源，要求Ｍ１５ 线隧道沉降控制在２．１ ｍｍ 内。望京东站～崔各庄站区间为双线盾构隧道，洞 体结构混凝土外观质量完好，轨枕局部破损。 １ ．３ ６＃盾构区间与Ｍ１５ 线位置关系 ６＃盾构区间下穿Ｍ１５ 线区间为单洞下穿，穿越 影响段里程为Ｋ１１ ＋８２４．０００ ～Ｋ１１ ＋７７４．０００，长度 ５０ ｍ，穿越段线路平面曲线半径为Ｒ ＝３５０ ｍ 左转曲 线，竖向为水平曲线。６＃盾构区间隧道埋深约２４ ｍ， 拱顶与Ｍ１５ 线区间隧道底部垂直净距５．９７３ ｍ。６＃ 盾构区间隧道与Ｍ１５ 线隧道相对位置见图１。 图１ ６＃盾构区间隧洞与１５ 号线隧道平面关系 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１ ６（增１ ） ２４５ ·隧道／地下工程· １ ．４ 工程水文地质条件 ６＃盾构区间输水隧洞下穿Ｍ１５ 线位置主要穿 越土层为细中砂及粉质黏土，隧道顶部基本位于细 中砂层。本区间最大钻探深度４５．００ ｍ 深度范围内 主要分布３ 层地下水。 ２ 施工方案及技术措施 ２．１ 设计变形控制指标 根据专项设计方案，６＃盾构区间下穿Ｍ１５ 线控 制指标见表１。 表１ ６＃盾构区间下穿Ｍ１５ 线变形控制值ｍｍ 项 目预警值报警值控制值 隧道结构竖向变形２．１ ２．４ ３．０ 轨道竖向变形２．１ ２．４ ３．０ 隧道上浮变形１．４ １．６ ２．０ ２．２ 下穿Ｍ１５ 线风险源控制措施 ６＃盾构区间风险源下穿Ｍ１５ 线风险源主要控 制措施为盾构施工控制及洞内注浆控制，包括盾构 掘进操控、洞内二次及多次注浆、径向注浆、浆液配 比控制等［１］。下穿施工前，根据试验段取得的参 数，以每５ 环为单位列出施工参数表，下穿期间应严 格按照参数表里每环控制参数进行施工，并密切监 测沉降数据，如发现沉降变化速率过快应及时对参 数进行合理的调整。 ２．２．１ 土压力控制［２］ ６＃盾构区间下穿Ｍ１５ 线土压力计算采用太沙 基松弛高度公式及郎肯土压力采用水土分算的方 法进行计算。 为保持掌子面及上方土体稳定，掘进时须保持合 理、稳定的土压力。土压力参数一般定为１ 倍掌子面 地层水平应力。根据试验段掘进及沉降状况验证，计 算得出下穿施工土压力范围为１．３ ～１．４ ｂａｒ，施工中 为减小土体弹塑性变形，顶部土压力取１．３ ｂａｒ。 为保持掌子面及上方土体稳定，掘进时须保持合 理、稳定的土压力，控制土压力波动范围≤０．１ ｂａｒ。 ２．２．２ 掘进速度控制 施工时，控制掘进速度波动小于±５ ｍｍ／ｍｉｎ， 且掘进速度不宜大于４０ ｍｍ／ｍｉｎ［３］，以减小盾构掘 进对细中砂地层的扰动。 ２．２．３ 出土量控制 土压平衡盾构施工，渣土的切削和排除的平衡 是土压力平衡的关键：实际出土量超出理论值，将 造成地层损失加剧，引起沉降；实际出土量小于理 论值，将造成开挖范围内土体挤压向地层，造成隆 起［４］。经试验段验证，每环出土量取值约４２ ｍ３ ，下 穿Ｍ１５ 线掘进过程中，实际出土量波动应控制在 ±１ ｍ３ 以内，严禁超排或欠挖。 ２．２．４ 盾构轴线控制 ６＃盾构区间下穿段为Ｒ ＝３５０ ｍ 左转曲线，掘 进前通过严格的计算来确定衬砌的超前量，原则上 根据设计图选用管片的型号以及旋转角度，如遇特 殊情况可在现场另选更加合适的管片及旋转角度， 确保楔形环环面始终处于曲率半径的径向内面；合 理利用铰接千斤顶，提高盾构掘进过程中轴线的控 制能力；利用盾构机油缸分区油压可灵活调整这一 特点，加强对盾构姿态和隧道轴线的控制。 ２．２．５ 渣土改良 下穿Ｍ１５ 线掘进过程中，掌子面地质为细中砂 和粉质黏土复合地层，渣土改良添加剂选用泡沫剂 和膨润土泥浆［５］。 （１）添加剂加入 膨润土浆液在地面完成拌制，静置１５ ～２５ ｈ 后， 泵送至盾构机上的两个６ ｍ３ 泥浆罐内。推进过程中 由两台挤压式注入泵加注到渣土之中，通过刀盘的搅 拌作用与渣土均匀混合，从而改善渣土的流塑性。 （２）添加剂加量 ①泡沫剂使用 拟定泡沫加量占出土体积的３０％ ～５０％，参数选 定为：泡沫溶液浓度３％、发泡倍率１５。添加泡沫时，应 定期从发泡管取样观察泡沫效果，以调整泡沫参数。 ②泥浆使用 下穿期间使用泥浆为膨润土泥浆，拟定泥浆加 量为３ ～４ ｍ３ 环，参数选定为：泥浆浓度１０％ ～ １２％、ＣＭＣ 浓度为１‰。泥浆拌制完成后，静置发酵 １２ ｈ 后使用。 ２．２．６ 同步注浆［６］ 同步注浆为控制沉降主要措施之一。６＃盾构区 间下穿Ｍ１５ 线选用砂浆为单液浆，下穿施工时按照 试验段获取参数操作。 （１）同步注浆浆液 经试验段验证，６＃盾构区间下穿Ｍ１５ 线砂浆配 比见表２。 ２４６ 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（增１ ） ·隧道／地下工程· 表２ ６＃盾构区间下穿Ｍ１５ 线砂浆配比 序 号 水／ｋｇ Ｐ．ｏ４２．５ 粉煤 灰／ｋｇ Ⅱ级 膨润 土／ｋｇ Ｍ 砂／ ｋｇ 细砂 水／ｋｇ 自来水 凝结 时间／ ｈ 倾析 率／％ 结石 率／％ 稠度／ ｃｍ 终凝 强度／ ＭＰａ １ ２７７ ３６９ １３８ ４１５ ６００ ６ ２．４ ９７．６ １２．０ ３．３ （２）同步注浆采用注浆压力及注浆量双控，当 注浆压力达到４ ～５ ｂａｒ 时，注浆量达到５．５ ｍ３ 以上 时，认为达到注浆要求［７］。 （３）由于下穿Ｍ１５ 线期间掘进速度相对恒定， 可提前计算绘制注浆速率与推进速度曲线，施工中 根据实际掘进速度及时调整注浆速率；若注浆压力 过小则可适当加快注浆速率，以保证注入率和填充 效果。 （４）每环掘进开始时不进行同步注浆，待掘进 ５０ ｍｍ 时启动注浆；每环停止掘进后，以最低速度注 浆，至注浆压力和注浆量均达到要求后停止。 （５）注浆时，盾尾上部和下部注浆流量分配为２∶ １，同时考虑到下穿Ｍ１５ 线段６＃盾构区间为Ｒ ＝３５０ ｍ 左转曲线，右侧注浆流量应比左侧略高。 ２．２．７ 洞内注浆 为减小下穿Ｍ１５ 线造成的影响，在穿越段将采 用二次注浆控制后期沉降，必要时可采取顶部深孔 径向注浆控制沉降。洞内注浆加固时机及施工范 围见图２。 图２ ６＃盾构区间洞内注浆断面布置 ２．２．７．１ 二次注浆 二次注浆是控制后期沉降的重要措施，采用水 泥水玻璃双液浆，水泥浆采用Ｐ．Ｏ４２．５ 超细水泥和 清水制备，以水灰比０．８∶１拌制，水玻璃溶液稀释为 ３０ Ｂｅ［８］。注入时两种浆液体积比为水泥浆∶水玻璃 ＝３∶１，如需调整初凝时间，可适当调整两种浆液配 比，二次注浆双液浆配比见表３。 表３ 二次注浆双液浆配比 注浆材料配比备注 水泥浆液水灰比＝０．８∶１ Ｐ．Ｏ４２．５ 超细水泥 水玻璃３０ Ｂｅ 水泥浆∶水玻璃３∶１ 可根据初凝时间需要调整 ２．２．７．２ 径向注浆 下穿期间，如发现Ｍ１５ 线沉降值过大报警，可 进行管片顶部径向注浆。径向注浆浆液选用水泥 浆，主要起到填充地层损失和加固地层的作用。 如发生Ｍ１５ 线沉降值过大报警，可从拼装环后 第７ 环起进行径向注浆；如二次完成后，仍沉降较大， 可顺延开始进行径向注浆（即从拼装环后第１０ 环开 始）；受盾构机内空间限制，径向注浆从拼装环后第 １２ 环结束。注浆作业时，每环打设３ 个径向注浆管， 注入水泥浆。水泥浆配比为水灰比１∶１，注浆压力终 止压力控制为０．６ ＭＰａ，在注浆范围内重复注入。 ２．２．８ 盾体外侧临时注浆 盾构机呈“梭形”，开挖直径比盾体外径大３０ ～ ４０ ｍｍ，在盾构机刀盘完成开挖之后到同步注浆开 始之前的时间段，盾体周圈由于暂时无法形成对地 层的有效支护而存在沉降隐患，如盾构机停机，则 盾体外侧土体可能产生较大沉降。 针对该施工风险，如需停机可提前几环采用从 盾构机超前探孔注入高浓度膨润土泥浆对盾体外 侧地层进行暂时支护。注浆时，在连接桥处人工拌 制质量比为１∶１ 浓度的膨润土泥浆，采用单液柱塞 泵通过前盾的探孔注入盾体外侧，注入压力设定为 １ ～１．５ ｂａｒ。根据计算，盾体与地层间隙总量为： Ｖ＝开挖轮廓体积－前盾体积－中盾体积－后 盾体积＝３．１４２ ×π×８．３４ －３．１２５２ ×π×２．１ － ３１２２ ×π×（２．４４ ＋３．８）＝３．０７ ｍ３ 填充饱满后，每环需注入泥浆量为： Ｖ＝（３．１４２ ×－３．１２５２）×π×１．２ ＝０．３５４ ｍ３ ＝３５４ Ｌ ３ 施工监测［９ －１２］ Ｍ１５ 线隧道监测采用远程自动监测与人工监 测结合，将６＃盾构区间下穿段Ｍ１５ 线隧道内隧道结 构、管片拼缝、道床结构、轨道等作为监控对象，根 据本工程条件及其特殊要求建立管理基准值，将监 测结果及时处理分析，并反馈到实际施工中，从而 使施工各项措施更加符合工程的实际情况，保证盾 （下转第２５１ 页） 铁道建筑技术 ＲＡＩＬＷＡＹ ＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ２０１６（增１ ） ２４７ ·隧道／地下工程· 的掘进参数控制，基本可以实现干碴出土的效果， 图７ 改良后渣土整体效果 渣土的含水量与原状土 相似，极大地方便了掌 子面开挖和渣土外运， 具体效果见图７。 ５ 经验总结 经过本工程的不断实践，通过盾构刀盘刀具的 选择、渣土改良剂的添加控制、螺旋输送机改进等 措施，再采取合理的掘进参数控制，完全可以实现 土压平衡盾构机在硬塑黏土地层掘进时干碴出土。 虽然对掘进过程控制的要求相对较高，但是无论是 对施工成本控制还是对文明施工及环保都能发挥 非常积极的促进作用，能够有效解决以往黏土地层 盾构渣土过干、过稀及盾构机消耗材料用量过大等 系列难题，对类似地层盾构施工开辟了新思路。 参考文献 ［１］ 付款峰．地铁盾构工程穿越市政设施风险源施工控制 技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（９）：５５． ［２］ 陈建福．硬质膨胀性黏土地质泥水盾构掘进施工技术 ［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（９）：６４． ［３］ 薛静．某型盾构刀盘开裂改造的有限元分析［Ｊ］．铁 道建筑技术，２０１４（１０）：１００ ［４］ 宁士亮．富水砂层盾构渣土改良技术［Ｊ］．铁道建筑 技术，２０１４（３）：８７． ［５］ 孙立建．浅覆土大粒径无水砂卵石地层盾构施工技术 ［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（９）：７２． ［６］ 乐费平．盾构工程技术问答［Ｍ］．北京：人民交通出 版社，２０１３：２５． ［７］ 郑礼均．孤石地层盾构推进施工技术［Ｊ］．铁道建筑 技术，２０１４（７）：１３． ［８］ 徐军．某管棚盾构结构的优化设计研究［Ｊ］．铁道建 筑技术，２０１４（１１）：３２． ［９］ 《建筑结构静力计算手册》编写组．建筑结构静力计 算手册［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，１９９８：２２３． ［１０］刘兰利．北京地铁７ 号线广安门内站道路沉降规律分 析［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（６）：４３． ［１１］张运庭．浅埋软弱地层隧道围岩稳定性分析及综合施 工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１４（５）：８７． ［１２］陈颖．盾构下穿三蟯河施工中的风险控制措施［Ｊ］． 铁道建筑技术，２０１４（４）： 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