盾構(gòu)法地鐵隧道掘進(jìn)施工技術(shù)設(shè)計(jì)研究

【摘要】隨著軌道交通建設(shè)的快速發(fā)展以及地鐵線路的擴(kuò)建，地鐵隧道穿越高鐵橋梁的情況越來(lái)越多。然而，現(xiàn)有的盾構(gòu)法新建地鐵隧道研究在分析這種情況方面略有不足。因此文中從盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)的角度出發(fā)，對(duì)一種新的隧道施工技術(shù)進(jìn)行了探討和研究，即施工前對(duì)盾構(gòu)端進(jìn)行加固，安裝地鐵區(qū)間隧道的隧道段，劃分地鐵區(qū)間隧道的隧道區(qū)，然后在特殊區(qū)間進(jìn)行隧道施工。通過(guò)該技術(shù)的應(yīng)用，可以有效地減少隧道向弧外的位移和沉降，保證隧道施工的安全。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)法；掘進(jìn)施工技術(shù)；監(jiān)控量測(cè)；路基沉降

【中圖分類號(hào)】TU744 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）08-0158-04

0 引言

盾構(gòu)法在城市地鐵的應(yīng)用廣泛，可以加快施工進(jìn)度，減少對(duì)結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的影響。但由于地質(zhì)條件復(fù)雜多變，施工擾動(dòng)對(duì)路基沉降的影響無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。因此理論方法和數(shù)值模擬都難以反映盾構(gòu)掘進(jìn)的真實(shí)作業(yè)環(huán)境[1]。文中介紹了對(duì)路基沉降和盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的全面實(shí)地監(jiān)測(cè)。分析盾構(gòu)掘進(jìn)中操作參數(shù)及變化特征與路基沉降的關(guān)系以及控制措施的基礎(chǔ)上，提出了鐵路線下盾構(gòu)掘進(jìn)操作參數(shù)的合理設(shè)置建議和變形控制措施。

1 項(xiàng)目概述

1.1 新建某地鐵隧道與既有線路位置關(guān)系

采用盾構(gòu)法挖掘的新建隧道是南京地鐵的一部分，線路從Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號(hào)既有運(yùn)營(yíng)線下方穿過(guò)。既有隧道的覆土深度為14～22 m，每段襯砌的寬度為1.2 m，厚度為0.3 m。隧道垂直凈空最小為7.85 m。

1.2 地質(zhì)條件

項(xiàng)目工程地形基本平坦，自上而下的地質(zhì)條件為回填土、淤泥和礫石。掘進(jìn)隧道主要位于礫石層中。根據(jù)剪切波速和重力貫入試驗(yàn)，異質(zhì)礫石層屬于低壓縮性土。土粒組成較好，局部含漂石，30%為砂土和黏性土。地下水屬于溶蝕水，范圍為23.6～25.3 m。

1.3 加固措施和控制標(biāo)準(zhǔn)

采用一些加固措施，主要有灌漿加固和加固緊固軌道兩種。以有效控制地面沉降、有砟軌道沉降，提高路基土強(qiáng)度?？刂茦?biāo)準(zhǔn)見表1。

1.4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布局

在雙盾構(gòu)隧道挖掘過(guò)程中，影響區(qū)域內(nèi)三條監(jiān)測(cè)線XXH1、XXH2和XXH3沿既有鐵路線的兩側(cè)和中間布置，與軌道平行。每條監(jiān)測(cè)線包含10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（ZDH1-1～ZDH1-10、ZDH2-1～ZDH2-10、ZDH3-1～ZDH3-10），共設(shè)置了30個(gè)路基沉降自動(dòng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。自動(dòng)監(jiān)測(cè)使用靜壓液位系統(tǒng)檢測(cè)現(xiàn)有鐵路路基沉降。中央監(jiān)測(cè)系統(tǒng)用于觀測(cè)靜壓液位計(jì)發(fā)出的信號(hào)。

1.5 盾構(gòu)隧道的運(yùn)行參數(shù)設(shè)置

項(xiàng)目根據(jù)隧道工作面與自動(dòng)監(jiān)控區(qū)域的相對(duì)位置，將盾構(gòu)隧道的掘進(jìn)過(guò)程分為三個(gè)階段。

第Ⅰ階段：盾構(gòu)穿越前；第Ⅱ階段：盾構(gòu)穿越期間；第Ⅲ階段：盾構(gòu)穿越后。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，盾構(gòu)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置為：土壤壓力設(shè)定為（1.1～1.3）×105 Pa，并根據(jù)不同的地質(zhì)條件和埋深而變化；盾構(gòu)勻速掘進(jìn)速度保持在30～60 mm/min；同步注漿量應(yīng)為理論注漿量的1.5～2.0倍，約為每環(huán)5～7 m3，以確保盾構(gòu)段后方填土密實(shí)；開挖土方量應(yīng)控制在46.5～48 m3之間，其中土方松動(dòng)系數(shù)為1.14；總推力需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整；刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩需要根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的其他運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行綜合考慮。

2 地鐵右線情況

2.1 右線隧道引起的路基沉降

圖1顯示了監(jiān)測(cè)線路ZDH1、ZDH2和ZDH3上現(xiàn)有路基的沉降發(fā)展情況。

1）由于盾構(gòu)機(jī)首先駛?cè)隯DH1，然后到達(dá)ZDH3，因此盾構(gòu)掘進(jìn)引起的最大沉降產(chǎn)生在監(jiān)測(cè)點(diǎn)ZDH3-1和ZDH3-2。

2）盾構(gòu)隧道在第Ⅰ階段掘進(jìn)時(shí)，隨著監(jiān)測(cè)點(diǎn)與隧道面距離的減小，路基沉降量增大。

3）當(dāng)盾構(gòu)隧道在第Ⅱ階段掘進(jìn)時(shí)，由于盾構(gòu)掘進(jìn)引起的大量體積損失，首先會(huì)引起現(xiàn)有路基的劇烈沉降。隨后，由于盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，路基沉降逐漸減小。

4）當(dāng)盾構(gòu)隧道開挖到第Ⅲ階段時(shí)，基底沉降逐漸趨于平緩。原因是隧道工作面距離監(jiān)測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)，分段已拼接成環(huán)，補(bǔ)償和二次沉降也已完成，并進(jìn)行了補(bǔ)償和二次注漿。

5）ZDH1、ZDH2和ZDH3這三條監(jiān)測(cè)線上現(xiàn)有基層的沉降發(fā)展呈S形曲線。最大沉降介于1.2～2.5 mm之間，主要位于第880環(huán)附近。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)明顯小于預(yù)警值（7.0 mm），如表1 所示。

6）盾構(gòu)隧道掘進(jìn)區(qū)主要位于卵石夾少量淤泥質(zhì)黏土中。 地質(zhì)條件相對(duì)簡(jiǎn)單，因此，路基變形容易控制。

2.2 右線隧道盾構(gòu)運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間變化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

右線隧道運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間變化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)如圖 2所示。運(yùn)行參數(shù)的變化特征及對(duì)既有路基沉降的影響分析如下。

1）如圖2（a）和（b）所示，開挖土方量和同步注漿量控制在0.5 m左右，土方開挖量和同步注漿量分別控制在47 m3和5.1 m3左右。路基沉降得到了很好的控制。當(dāng)同步注漿量增至最大值，隧道掘進(jìn)引起的路基沉降減小，甚至轉(zhuǎn)化為隆起。

2）如圖2（c）所示，870環(huán)附近刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩從5 500～6 000 kN．m，發(fā)展到變化曲線的谷底3 500～4 000 kN．m時(shí)，現(xiàn)有路基會(huì)產(chǎn)生最大沉降。這表明扭矩會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)有路基沉降顯著增加。

3）如圖2（d）所示，當(dāng)盾構(gòu)駛至第840～850 環(huán)時(shí)，總推力為1 500～1 600 t。由于第875～885環(huán)的總推力為1 350～1 500 t，因此在監(jiān)測(cè)線路ZDH1和ZDH2處產(chǎn)生了2.5 mm的最大沉降?？偼屏榫蜻M(jìn)過(guò)程中最小值。當(dāng)總推力為1 500～1 750 t，第885～900環(huán)時(shí)，監(jiān)測(cè)線ZDH3的沉降量抬升了2.5 mm。這表明在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)整總推力，可有效控制路基沉降。

4）圖2（e）顯示了盾構(gòu)掘進(jìn)速度，主要在40～48 m m/min之間。當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至第880環(huán)附近時(shí)，掘進(jìn)速度達(dá)到最大值。此時(shí)，現(xiàn)有基層的沉降量增加到最大。極速導(dǎo)致刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩和總推力最小。這表明應(yīng)嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度，防止刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩和總推力減小，影響地面沉降。

5）如圖2（f）所示，土壤壓力的變化特征與刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩和總推力的變化特征相反，而與盾構(gòu)驅(qū)動(dòng)速度的變化特征相似。旋轉(zhuǎn)扭矩和總推力的減小與盾構(gòu)掘進(jìn)速度的增加會(huì)導(dǎo)致地面極度沉降。

2.3 右線盾構(gòu)隧道運(yùn)行參數(shù)對(duì)路基沉降的影響

圖1和圖2所示，在隧道右線行駛過(guò)程中，第870～880環(huán)和第900～910環(huán)的路基沉降和運(yùn)行參數(shù)表現(xiàn)出異?，F(xiàn)象。該異?，F(xiàn)象有助于研究右線盾構(gòu)隧道運(yùn)行參數(shù)對(duì)路基沉降的明顯影響規(guī)律。刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩和總推力不足、盾構(gòu)掘進(jìn)速度過(guò)快都會(huì)增加路基沉降，導(dǎo)致土壤壓力增大。這三個(gè)運(yùn)行參數(shù)之間存在著內(nèi)在聯(lián)系，即突然提高的掘進(jìn)速度會(huì)導(dǎo)致刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩和總推力突然下降，從而無(wú)法平衡隧道面的土壤壓力。

此外，雖然同步注漿可以補(bǔ)償路基沉降，但注漿量控制不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致沉降轉(zhuǎn)化為隆起。此外，及時(shí)、動(dòng)態(tài)地調(diào)整運(yùn)行參數(shù)對(duì)現(xiàn)有路基的變形控制是有利和必要的。通過(guò)同步、二次注漿和及時(shí)拼接成環(huán)，可以更快地穩(wěn)定路基變形。

3 地鐵左線情況

3.1 左線隧道引起的路基沉降

左線隧道引起現(xiàn)有路基沉降發(fā)展情況如圖1。研究結(jié)果如下：

1）在盾構(gòu)隧道開挖的第Ⅰ、第Ⅱ階段，左線隧道誘導(dǎo)的沉降特征與右線隧道相同。需要注意的是，ZDH3-9和ZDH3-10在第Ⅱ階段比其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)有更大的下降率。原因之一是位于第810～820環(huán)附近低位的運(yùn)行參數(shù)導(dǎo)致，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的下降率都變大了。另一個(gè)原因是運(yùn)行參數(shù)對(duì)ZDH3-9和ZDH3-10的影響更大，因?yàn)樗淼拦ぷ髅婢嚯x更近。

2）當(dāng)盾構(gòu)隧道在第Ⅲ階段掘進(jìn)時(shí)，由于各段立即拼接成環(huán)并進(jìn)行補(bǔ)償注漿，路基沉降變化趨穩(wěn)[2-3]。而ZDH2-6和ZDH2-7等監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降量突然增加是由于盾尾脫節(jié)、注漿不及時(shí)、土體滲透性強(qiáng)以及硬化時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，對(duì)土體未形成足夠的支撐力和剛度[4]。

3）當(dāng)盾構(gòu)隧道穿越監(jiān)測(cè)線ZDH1-6區(qū)域時(shí)，沉降急劇下降，導(dǎo)致差異的影響因素可能是不同的地質(zhì)條件。

4）由于左線隧道在卵石、細(xì)砂和淤泥質(zhì)黏土的復(fù)合地層中開挖，左線隧道引起的路基沉降小于右線隧道。

3.2 左線隧道盾構(gòu)運(yùn)行參數(shù)隨時(shí)間變化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

與圖2相似，且與右線相同。根據(jù)前述調(diào)查得到如下結(jié)果。

1）在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，土方開挖量和同步注漿量控制在設(shè)計(jì)值，對(duì)現(xiàn)有路基沉降的影響并不敏感。

2）在突變點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)扭矩的動(dòng)態(tài)平衡可使路基變形趨于穩(wěn)定[5]。

3）當(dāng)盾構(gòu)駛至第755～765 環(huán)時(shí)，總推力設(shè)置為建議值，無(wú)法平衡隧道工作面的壓力，故路基的沉降量明顯增大。在765～775環(huán)時(shí)，為保持既有路基沉降的穩(wěn)定，增加了總推力。當(dāng)盾構(gòu)駛至第810～820環(huán)時(shí)，總推力逐漸減小，既有路基沉降量增至最大。因此總推力是控制路基變形的關(guān)鍵因素。

4）由于土壤壓力得到有效控制，左線隧道引起的路基沉降相對(duì)均勻。

3.3 左線盾構(gòu)隧道運(yùn)行參數(shù)對(duì)路基沉降的影響

如圖1和圖2所示，左線盾構(gòu)隧道的路基沉降發(fā)展特征和運(yùn)行參數(shù)與右線基本相同。

然而，左線隧道的運(yùn)行參數(shù)也與右線隧道一樣存在異?，F(xiàn)象。如適當(dāng)調(diào)整運(yùn)行參數(shù)后，右線隧道誘發(fā)的沉降發(fā)展曲線明顯回升，而左線卻有所不同。

4 結(jié)語(yǔ)

文中介紹了一項(xiàng)案例研究，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)鐵路線路基沉降和盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了全面研究。若干結(jié)論歸納如下。

1）根據(jù)盾構(gòu)隧道工作面與自動(dòng)監(jiān)測(cè)區(qū)域之間的相對(duì)位置，將既有鐵路路基的沉降發(fā)展分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段，分別表示盾構(gòu)機(jī)穿越監(jiān)測(cè)區(qū)域之前、期間和之后的階段。在盾構(gòu)機(jī)穿越監(jiān)測(cè)區(qū)域之前，鐵路路基就已經(jīng)產(chǎn)生了超前沉降和隆起。路基沉降在第Ⅰ階段逐漸增大，在第Ⅱ階段急劇增大，在第Ⅲ階段由于立即拼接成環(huán)并進(jìn)行補(bǔ)償注漿而變?yōu)槠骄?。由于地質(zhì)條件多變，一些產(chǎn)生極端沉降的監(jiān)測(cè)點(diǎn)需要更多關(guān)注。

2）雖然路基變形的發(fā)展特征相似，但如果操作參數(shù)控制不當(dāng)，也會(huì)出現(xiàn)驟升驟降甚至冒漿的情況。當(dāng)運(yùn)行參數(shù)設(shè)置較低時(shí)，路基沉降總是增加且難以穩(wěn)定。運(yùn)行參數(shù)的控制在很大程度上影響著既有路基的變形控制。

3）分析了盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行參數(shù)的影響。開挖土方量的影響不敏感，容易控制。同步注漿量可以減小和恢復(fù)變形，但如果注漿量控制不當(dāng)，會(huì)使基底產(chǎn)生隆起。刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩、總推力和盾構(gòu)掘進(jìn)速度是控制路基沉降的關(guān)鍵因素，需要實(shí)時(shí)調(diào)整才能達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。驅(qū)動(dòng)速度過(guò)快會(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)扭矩和總推力突然下降。

4）加固措施包括硅酸鹽水泥―水玻璃灌漿加固路基土和軌道扣件加固。分析表明，其他措施，如補(bǔ)償灌漿、二次灌漿、分段拼接成環(huán)等，都能立即很好地控制路基沉降。該案例研究可為相關(guān)工程中地鐵隧道掘進(jìn)施工技術(shù)設(shè)計(jì)提供一些有價(jià)值的參考。

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[作者簡(jiǎn)介]孫少輝（1986—），男，陜西渭南人，本科，工程師，研究方向：地下工程。