黃土地層盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道施工參數(shù)及變形控制試驗研究

劉旭全 劉驚東 宋領(lǐng)弟

摘 要：結(jié)合西安地鐵 5 號線南稍門站—文藝路站盾構(gòu)區(qū)間下穿地鐵 2 號線施工實踐，對盾構(gòu)下穿既有運營隧道施工過程中隧道變形控制進行試驗研究。通過現(xiàn)場施工試驗及現(xiàn)場監(jiān)測，研究分析既有隧道變形規(guī)律，提出盾構(gòu)掘進施工參數(shù)動態(tài)取值范圍和既有隧道變形控制技術(shù)措施，從而保證地鐵2 號線正常運營。

關(guān)鍵詞：地鐵;黃土地層;盾構(gòu)隧道;施工參數(shù);隧道變形;控制

1 工程概況

西安地鐵5號線南稍門站—文藝路站區(qū)間起于南稍門站，經(jīng)過南稍門十字、南關(guān)正街及長安北路以西，沿友誼東路東西方向布設(shè)，洞頂覆土10.14～18.46 m。右線隧道長度為719.510 m，起止里程為YDK33+700.174～YDK34+419.684，左線隧道長度為719.502 m，起止里程為ZDK33+700.174～ZDK34+419.684，線間距為15.5～17 m，用盾構(gòu)法施工。隧道設(shè)計為圓形襯砌斷面，采用單層鋼筋混凝土裝配式結(jié)構(gòu)形式，盾構(gòu)管片形式為平板型，管片外徑為6.0 m，內(nèi)徑為5.4 m，環(huán)寬為1.5m。盾構(gòu)機選用日本小松TM614PMX土壓平衡式盾構(gòu)機，自文藝路站始發(fā)，南稍門站接收出洞。下穿的既有地鐵2號線區(qū)間隧道里程段落為ZDK33+723.967～DK33+743.375，長度為19.408 m，5 號線隧道結(jié)構(gòu)拱頂和2號線隧道仰拱底最小凈距為2.52 m。 按照施工要求，5號線盾構(gòu)下穿期間必須保證2 號線正常運行，其環(huán)境風(fēng)險等級為II級。

根據(jù)施工設(shè)計圖及地質(zhì)勘查報告等資料，工程所在地地貌屬黃土梁洼區(qū)。地層自上至下依次為全新統(tǒng)人工填土、新黃土、老黃土、粉質(zhì)黏土。場地內(nèi)素填土、新黃土及古土壤均具濕陷性，施工過程中易遇水濕陷。地層主要存在潛水，地下水位埋深9.5～12.1m，具微腐蝕性。水位距5號線隧道拱頂8.7 m，距隧道底部14.7m。盾構(gòu)隧道與既有隧道關(guān)系如圖1所示。

2 盾構(gòu)施工參數(shù)選擇

本隧道采用日本小松公司生產(chǎn)的TM614PMX土壓平衡式盾構(gòu)機施工，盾殼厚度為40 mm，盾尾間隙為 30mm，主機總長（刀盤—螺旋機尾部）為8.68 m;刀盤開口率為45%，刀盤開挖直徑為6.16 m，最大推力為37730kN。南稍門站—文藝路站區(qū)間盾構(gòu)下穿2號線可以分為試驗段和下穿段2部分組織施工，其中試驗段包含第393環(huán)～第 442環(huán)，下穿段范圍為第443環(huán)～472 環(huán)。

2.1 試驗段盾構(gòu)掘進參數(shù)

2.1.1 土倉壓力

根據(jù)公式P= kγh（P為平衡壓力，γ為土體的平均重度，取18 kN/m3，h為隧道埋深，取值18.24～18.45m），土的側(cè)向靜止平衡壓力系數(shù)k取0.44，由此計算可得盾構(gòu)機上部土壓力設(shè)定值范圍為0.14～0.15MPa。

2.1.2 推進速度及推力

結(jié)合業(yè)主工期要求和西安地區(qū)地質(zhì)條件，并借鑒其他城市施工經(jīng)驗，試驗段盾構(gòu)掘進速度控制值為20mm/min，推力為10 000～15000kN。

2.1.3 掘進方向

考慮該施工段因地層原因管片有上浮現(xiàn)象，盾構(gòu)垂直姿態(tài)允許范圍為-30～-40 mm，盾構(gòu)機水平偏差不大于±20 mm 。

2.1.4 出土量

在施工中嚴(yán)格按理論出土量出土，每環(huán)出土量偏差不超過1 m3，經(jīng)計算理論出土量為44.8 m3 /環(huán)。為了維持一定土壓力，保證盾構(gòu)正面土體的穩(wěn)定，實際出土量為理論出土量的98%～100%。

2.1.5 同步注漿量和壓力

經(jīng)計算，每環(huán)的理論建筑空隙為2.43 m3，實際注漿量應(yīng)為理論值的130%～180%，即為3.16～4.37m3，暫定注漿量4 m3，實際根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷調(diào)整，注漿壓力控制在0.25 MPa，這樣地表沉降能夠得到有效控制。

同步注漿漿液采用現(xiàn)場自拌而成，下穿段同步漿液初凝時間不大于6 h，漿液稠度為100～120，泌水率<5%。同步注漿壓力應(yīng)控制在0.25 MPa，注漿量與注漿壓力可根據(jù)監(jiān)測結(jié)果作適當(dāng)調(diào)整。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，當(dāng)沉降量超限時，及時進行二次注漿，注漿液選用水泥、水玻璃雙液漿，水玻璃（40波美度）與水按1 ： 3稀釋，水泥漿水灰比為1 ： 1，水泥漿 ： 水玻璃溶液為1 ： 1（體積比），初凝時間為20 s，注漿壓力為0.3 MPa。

2.2 下穿段盾構(gòu)掘進參數(shù)

結(jié)合試驗段盾構(gòu)掘進參數(shù)以及適時監(jiān)控變形情況，對下穿段盾構(gòu)掘進參數(shù)進行統(tǒng)計分析，并不斷優(yōu)化調(diào)整。下穿段盾構(gòu)推力分布曲線如圖2所示，由圖2可知，盾構(gòu)機的推力控制范圍為17 300～17 990 kN;盾構(gòu)推進刀盤扭矩分布曲線如圖3所示，由圖3可知，盾構(gòu)刀盤扭矩為1685.4～1774.5 kN · m; 盾構(gòu)掘進速度分布曲線如圖4所示，由圖4可知，盾構(gòu)掘進速度為30～45mm/min;注漿壓力分布曲線如圖5所示，由圖5可知，注漿壓力為0.13～0.18 MPa。

3 既有隧道變形監(jiān)測分析

3.1 監(jiān)測方案及儀器

在地鐵2號線運營隧道內(nèi)安裝全自動化監(jiān)測系統(tǒng)，實施自動化監(jiān)測。監(jiān)測點分別按左線隧道和右線隧道2 個區(qū)域布設(shè)。每條隧道從監(jiān)測區(qū)域中間位置開始布點，盾構(gòu)下穿2號線正上方主要影響區(qū)域內(nèi)按5 m間距布設(shè)1組監(jiān)測斷面，兩端外延區(qū)域內(nèi)按10 m間距布設(shè)1組監(jiān)測斷面，每個斷面布設(shè)5個監(jiān)測點。其中，隧道結(jié)構(gòu)中下部布設(shè)2個監(jiān)測點（A，C），監(jiān)測結(jié)構(gòu)凈空收斂及水平位移;隧道拱頂布設(shè)1個監(jiān)測點（B），用于監(jiān)測隧道拱頂沉降;地鐵道床每個斷面布設(shè)2個監(jiān)測點（D，E），用于監(jiān)測地鐵道床沉降。監(jiān)測點布設(shè)如圖6所示。

自動化監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)備的軟、硬件主要包括測量機器人、棱鏡、通訊箱及供電電纜、信號轉(zhuǎn)換器、計算機及專用軟件等。測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)通過專用軟件實現(xiàn)全自動化監(jiān)測，并生成監(jiān)測報告。

3.2 監(jiān)測頻率及周期

盾構(gòu)下穿2號線運營隧道時，按照1次/4～8 h的頻率進行監(jiān)測，當(dāng)施工影響較大或出現(xiàn)變形征兆時按照1次/ 2～4 h進行連續(xù)監(jiān)測。盾構(gòu)下穿2號線運營隧道前50 m時，測定初始值，然后進行正常的自動化監(jiān)測，在施工完畢后持續(xù)監(jiān)測3個月。

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.3.1 既有隧道結(jié)構(gòu)變形分析

圖7～圖10給出了既有隧道結(jié)構(gòu)部分變形數(shù)據(jù)，包括隧道頂豎向變形、水平變形隨時間變化情況，由圖7～圖10可見。

（1）左隧道頂豎向累計變形為4.93 mm，變形速率為0.12mm /天，右隧道頂豎向累計變形為1.78mm，變形速率為0.04mm/天，左右隧道豎向累計變形均小于變形控制值6mm和變形速率1mm/天。

（2）左隧道水平累計變形為1.21 mm，變形速率為0.03 mm /天，右隧道水平累計變形為0.64 mm，變形速率為0.02 mm /天，左右隧道水平累計變形均小于變形控制值5mm和變形速率1mm /天。

（3）左右隧道對比分析可以得出，先期下穿的左隧道變形值大于右隧道變形值，左隧道最大變形對應(yīng)的環(huán)號為451～455，右隧道對應(yīng)的環(huán)號為461～466，均位于既有隧道正下方。左隧道變形值大于右線變形值的主要原因是，左隧道先期下穿，后期下穿右隧道時部分應(yīng)力已提前釋放，同時先期注漿加固減少了變形。

3.3.2 既有軌道變形分析

圖11～圖14給出既有軌道系統(tǒng)變形數(shù)據(jù)，包括道床豎向變形時程曲線和軌道縱向差異變形時程曲線，由圖11～圖14可見。

（1）左軌道豎向累計變形為4.06mm，變形速率為 0.1mm/天，右軌道豎向累計變形為2.14mm，變形速率為0.05mm/天，小于累計變形控制值6mm和變形速率1mm/天。

（2）左軌道縱向差異累計變形為2.07 mm，變形速率為0.05mm/天，右軌道縱向差異累計變形為1.72mm，變形速率為0.04mm/天，左右軌道縱向差異累計變形均小于累計變形控制值4mm和變形速率1mm/天。

4 結(jié)論及建議

（1）通過下穿期間既有隧道的監(jiān)測結(jié)果來看，對既有隧道的變形影響最大的因素主要是盾構(gòu)機掘進的推力和速度。盾構(gòu)機的推力控制范圍為17 300～17990kN，掘進速度控制范圍為30～45 mm/min。在盾構(gòu)機過既有隧道之前既有隧道會有一定程度的上拱，但是在最佳的推力和速度之下，這個上拱值接近于 0。

（2）同步注漿漿液的類型、注漿的時機、注漿量是控制既有隧道變形的重要手段，由于下穿施工時既有2號線正常運營，及時進行同步注漿非常必要。注漿的壓力應(yīng)控制在0.15MPa，最大值不應(yīng)超過0.18MPa。

（3）在盾構(gòu)下穿過程中掘進和同步注漿完成并不代表既有隧道穩(wěn)定，相反在這之后周邊的地層會繼續(xù)收縮直到穩(wěn)定，二次注漿就是控制這個過程的一個重要指標(biāo)。當(dāng)既有隧道單次變形值超過0.4 mm，或變形速率超過0.5 mm/天時，就應(yīng)該對變形點位和附近進行二次補漿，此時雙液漿的初凝時間按30 s控制，壓力按0.18 MPa控制。

參考文獻

[1]周文波.盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[2]施仲衡.地下鐵道設(shè)計與施工[M].陜西西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

[3]彭坤，陶連金，高玉春，等.盾構(gòu)隧道下穿橋梁引起樁基變位的數(shù)值分析[J].地下空間與工程學(xué)報，2012（3）：485-489.

[4]付款峰.地鐵盾構(gòu)工程穿越市政設(shè)施風(fēng)險源施工控制技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2014（9）：55-61，100.

[5]郭玉海，李興高.大直徑盾構(gòu)下穿北京機場快軌高架橋梁的安全控制技術(shù)[J].北京交通大學(xué)學(xué)報，2014（1）：13-19.

[6]康直.地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有高鐵隧道施工影響研究[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2019（12）：27-31.

[7]李春林.盾構(gòu)穿越鐵路箱涵施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2014（5）：17-20.

[8]楊利全.盾構(gòu)機過地鐵車站技術(shù)探討[J].鐵道建筑技術(shù)，2013（6）：42-45.

[9]楊林.地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路加固方案數(shù)值分析[J].鐵道建筑技術(shù)，2017（3）：78-82.

[10] 吳向州.盾構(gòu)隧道施工建（構(gòu)）筑物的保護技術(shù)[J].隧道建設(shè)，2006（增2）：30-32.

[11] 王體廣.盾構(gòu)區(qū)間近距離下穿鐵路橋梁影響分析[J].城市軌道交通研究，2016（3）：104-108.

[12] 徐俊杰.土壓平衡盾構(gòu)施工引起的地表沉降分析[D].四川成都：西南交通大學(xué)，2004.

[13] 柴江明.盾構(gòu)下穿既有鐵路時安全技術(shù)措施研究[J].鐵道建筑技術(shù)，2015（7）：46-49，89.

[14] 張恒臻.地鐵盾構(gòu)隧道下穿既有鐵路沉降分析與控制研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2015.

[15] 霍軍帥，王炳龍，周順華.地鐵盾構(gòu)隧道下穿城際鐵路地基加固方案安全性分析[J].中國鐵道科學(xué)，2011（5）：71-77.

[16] 韓冬. 黃土地層地鐵隧道施工引起地表移動及變形預(yù)測方法[D]. 陜西西安：西安科技大學(xué)，2011.

[17] 蔡小培，蔡向輝，譚詩宇，等.盾構(gòu)下穿施工對高速鐵路軌道結(jié)構(gòu)的影響研究[J].鐵道工程學(xué)報，2016（7）：11-17.

[18] 李成寶.大直徑泥水盾構(gòu)下穿嚴(yán)重?fù)p壞房屋施工技術(shù)[J].鐵道建筑技術(shù)，2015（8）：33-36.

[19] 中鐵北京工程局集團有限公司. 盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵隧道施工技術(shù)研究[R].北京：中鐵北京工程局集團有限公司，2019.

收稿日期 2019-05-14

責(zé)任編輯 朱開明