盾構(gòu)隧道下穿城市環(huán)線公路施工關(guān)鍵技術(shù)研究

摘要 地鐵盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中對(duì)原狀土體擾動(dòng)較大，極易引起地表較大變形，影響地表既有道路的安全。該文以北京地鐵17號(hào)線下穿北四環(huán)段為研究對(duì)象，首先通過(guò)對(duì)盾構(gòu)試驗(yàn)段的分析確定盾構(gòu)施工參數(shù)，隨后通過(guò)數(shù)值模擬的方法分析了盾構(gòu)施工過(guò)程對(duì)周圍土體的影響機(jī)理和變形情況，最后研究了實(shí)際穿越環(huán)線公路段時(shí)盾構(gòu)設(shè)備的參數(shù)變化過(guò)程。施工期監(jiān)測(cè)結(jié)果表明：該研究所采用的盾構(gòu)施工方法所產(chǎn)生的最大地表沉降量為7.618 mm，滿足相關(guān)要求。該文研究?jī)?nèi)容對(duì)城市盾構(gòu)隧道穿越環(huán)線公路施工工作的開展具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 北京地鐵；盾構(gòu)隧道；下穿立交；盾構(gòu)施工；盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

中圖分類號(hào) U455 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2024）21-0142-03

0 引言

盾構(gòu)技術(shù)作為現(xiàn)階段城市地鐵隧道建設(shè)的主要方式之一，應(yīng)用十分廣泛，同時(shí)隨著城市立體交通的發(fā)展，地鐵線路不可避免地會(huì)穿越城市內(nèi)的高大建筑物、地面環(huán)線交通線路等位置[1-2]。盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中對(duì)原狀土層的擾動(dòng)較大，極易使地表產(chǎn)生變形和沉降，影響既有道路和建筑物安全，因此此類工程往往具有較高的施工風(fēng)險(xiǎn)[3-4]。為確保地鐵盾構(gòu)隧道施工以及地表城市環(huán)線公路的安全，有必要對(duì)新建隧道下穿城市環(huán)線公路的盾構(gòu)施工過(guò)程進(jìn)行研究?；诖?，該文以北京地鐵17號(hào)線穿越北四環(huán)段的盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)展開研究，以期為后續(xù)相關(guān)工作的開展提供借鑒。

1 研究背景

1.1 工程概況

北京地鐵17號(hào)線工程太陽(yáng)宮站～望京西站盾構(gòu)區(qū)間處朝陽(yáng)區(qū)望京區(qū)域，盾構(gòu)區(qū)間左線長(zhǎng)2 113.8 m，右線長(zhǎng)1 821.4 m，雙線全長(zhǎng)3 935.2 m，區(qū)間左線先從2號(hào)盾構(gòu)井暗挖段始發(fā)，掘進(jìn)至區(qū)間風(fēng)井接收，整機(jī)空推64 m后二次始發(fā)，再掘進(jìn)至太陽(yáng)宮站接收后拆機(jī)轉(zhuǎn)場(chǎng)區(qū)間右線盾構(gòu)1號(hào)井。區(qū)間右線盾構(gòu)1號(hào)井暗挖段裝機(jī)始發(fā)，掘進(jìn)工序與左線相同。隧道在里程YK32+127.000～YK32+269.000處下穿一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源北四環(huán)東路及輔路，長(zhǎng)度142 m。區(qū)間隧道平面最小曲線半徑為R=500 m，線間距11～21.2 m，軌面標(biāo)高約13.074～23.399 m，線路縱向坡度最大坡度9.87‰。

1.2 工程地質(zhì)條件

前期勘察工作對(duì)場(chǎng)內(nèi)各地層巖性進(jìn)行了明確，各地層土體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

對(duì)于盾構(gòu)隧道而言，線路地層巖土體巖性比例對(duì)于盾構(gòu)施工過(guò)程中的盾構(gòu)姿態(tài)、土倉(cāng)壓力、注漿加固等關(guān)鍵參數(shù)的確定具有決定性作用[5]。以左線隧道為例，經(jīng)地勘計(jì)算可知：該工程中盾構(gòu)隧道地層以粉質(zhì)黏土和黏質(zhì)粉土為主，占比分別為49%、19%，說(shuō)明地層巖土體質(zhì)量較為穩(wěn)定，但需要在注漿過(guò)程中注意土體結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)較大變形。

勘察期間最深鉆孔為62 m，勘探范圍內(nèi)地層中的地下水可劃分為上層滯水（1）、潛水（2）、層間潛水（3）、層間潛水～承壓水（4）、層間潛水～承壓水（5）和承壓水（6）。其中隧道頂板上方為潛水（2）、局部穿越層間潛水（3）、層間潛水～承壓水（4）、隧道地板穿越層間潛水～承壓水（5），其余含水層對(duì)隧道施工影響較小。

2 施工前盾構(gòu)參數(shù)的確定

選取與北四環(huán)下部地層基本一致的進(jìn)入北四環(huán)前100環(huán)作為盾構(gòu)下穿隧道的試驗(yàn)段，試驗(yàn)段以地表沉降可控為目的，以保證效率減少設(shè)備磨損為目標(biāo)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行確定。經(jīng)試驗(yàn)段確定，此區(qū)間采用盾構(gòu)機(jī)開挖直徑為6 640 mm，管片外徑為6 400 mm，管片寬度為1 200 mm。每環(huán)開挖方量Q土環(huán)=π/4×D2×L=42.03 m3，每環(huán)出渣量方量為45.69 m3。掘進(jìn)推力控制在1 200～1 400 t，掘進(jìn)速度控制在30～50 mm/min。盾構(gòu)的切削刀盤扭矩根據(jù)式（1）計(jì)算。

F=aD3 （1）

式中：F——刀盤裝備總扭矩（kN·m）；D——刀盤外徑（m）；a——扭矩系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，試驗(yàn)段切削刀盤扭矩為2 537 kN·m，施工時(shí)，在保證勻速掘進(jìn)情況下，適當(dāng)調(diào)整膨潤(rùn)土注入比例減小刀盤扭矩，刀盤扭矩按照1 800～3 500 kN·m進(jìn)行控制。

3 盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 盾構(gòu)姿態(tài)控制與掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)姿態(tài)是確保隧道盾構(gòu)施工質(zhì)量的重要指標(biāo)，在該工程的下穿城市環(huán)線公路段的推進(jìn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制推進(jìn)方向，將施工測(cè)量結(jié)果不斷地與導(dǎo)向系統(tǒng)對(duì)比校核，及時(shí)調(diào)整，以確保盾構(gòu)姿態(tài)的正確性。該工程中的主要盾構(gòu)參數(shù)如表2所示，盾構(gòu)施工過(guò)程中的主要控制要點(diǎn)如下：

（1）盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，嚴(yán)格控制姿態(tài)突變，保持姿態(tài)變化不能超過(guò)±5 mm。

（2）對(duì)初始出現(xiàn)的小偏差及時(shí)糾正，避免盾構(gòu)機(jī)走“蛇”形，盾構(gòu)機(jī)每環(huán)一次糾偏量不超過(guò)10 mm（1.2 m），以減少對(duì)地層的擾動(dòng)。

（3）加強(qiáng)管片運(yùn)輸和拼裝過(guò)程保護(hù)，防止碰撞掉邊掉角，影響防水質(zhì)量；同時(shí)加強(qiáng)管片選型控制，每環(huán)推進(jìn)完成后須進(jìn)行盾尾間隙量測(cè)，根據(jù)盾尾間隙選擇管片F(xiàn)塊安裝位置。

（4）加強(qiáng)止水密封條的粘貼質(zhì)量，防止?jié)B水滲漿。

（5）嚴(yán)格按照“管片軸線跟隨盾構(gòu)機(jī)走”的原則進(jìn)行管片拼裝控制，減少錯(cuò)臺(tái)破損。

盾構(gòu)施工過(guò)程中的盾構(gòu)機(jī)部分環(huán)號(hào)的推力變化圖如圖1所示，可知在施工過(guò)程中的推力是在時(shí)刻變化的過(guò)程中，施工過(guò)程中根據(jù)盾構(gòu)推力的反饋和盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整確保整體推力在施工前確定的8 000～17 000 kN范圍內(nèi)。圖3的推力分布結(jié)果可知，在實(shí)際施工過(guò)程中，掘進(jìn)推力的大小與土層性質(zhì)、地下水賦存條件等具有較強(qiáng)的相關(guān)性，在該工程中由于土層性質(zhì)比較穩(wěn)定，因此掘進(jìn)總推力能夠控制在11 000～13 000 kN之間，且掘進(jìn)推力整體起伏較小，說(shuō)明地層情況比較均勻，施工過(guò)程較為穩(wěn)定。

3.2 注漿關(guān)鍵技術(shù)

該工程隧道盾構(gòu)施工過(guò)程中的注漿主要包括同步注漿和二次注漿兩部分，其中盾構(gòu)過(guò)程中的同步注漿過(guò)程示意圖如圖2所示，同步注漿是在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中進(jìn)行的地層注漿填充作業(yè)，以及時(shí)充填土體與管片圓環(huán)間的建筑間隙，防止地面發(fā)生沉降和地面的變形。在該工程施工過(guò)程的同步注漿中，堅(jiān)持“注漿與盾構(gòu)施工同步，不注漿不推進(jìn)，要推進(jìn)必注漿”的原則。

同步注漿漿液凝固后，體積會(huì)有一定的收縮，局部漿液與土體之間仍存在空隙，二次注漿能有效地進(jìn)一步充實(shí)背襯空隙和提高止水能力，提高管片周圍土體密實(shí)度，有效控制地層變形和地表沉降。盾構(gòu)進(jìn)入設(shè)計(jì)加固范圍時(shí)后，根據(jù)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，如果變形超過(guò)監(jiān)測(cè)圖中的報(bào)警值，利用管片預(yù)留注漿孔進(jìn)行管片外徑向注漿，先在注漿預(yù)留口安裝球閥，再用電動(dòng)沖擊鉆進(jìn)行開孔，進(jìn)行二次注漿加固，注漿加固完成后，用快速水泥進(jìn)行封堵，填實(shí)注漿孔。該工程中所采用的二次補(bǔ)漿采用雙液漿形式，雙液漿漿液可在地層內(nèi)快速凝固，漿液配料比如表3所示。注漿壓力初設(shè)值擬定為0.3～0.5 MPa，注漿擴(kuò)散半徑約為400 mm，結(jié)實(shí)強(qiáng)度不小于2 MPa。在施工中，根據(jù)注漿施工現(xiàn)場(chǎng)情況和地表沉降監(jiān)測(cè)值及時(shí)調(diào)整，以注漿壓力和注漿量雙重控制，以達(dá)到最優(yōu)效果。

3.3 盾構(gòu)土倉(cāng)壓力控制

該工程穿越城市環(huán)線公路階段的盾構(gòu)施工過(guò)程中部分環(huán)號(hào)的土倉(cāng)壓力監(jiān)測(cè)情況如圖3所示。在實(shí)際施工過(guò)程中土倉(cāng)壓力能夠控制在2.2 bar左右，且較為穩(wěn)定，分析其原因可知，盾構(gòu)地層中粉質(zhì)黏土和黏質(zhì)粉土為主，占比分別為49%、19%，在開挖導(dǎo)致地層應(yīng)力重分布過(guò)程中，細(xì)粒土所產(chǎn)生的主動(dòng)土壓力較大，同時(shí)盾構(gòu)隧道位于含水層以下，土體處于飽和狀態(tài)，而地下水的存在會(huì)增大土體運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，也就導(dǎo)致盾構(gòu)過(guò)程中土倉(cāng)壓力較弱，但整體仍處于合理范圍內(nèi)。

為確保施工過(guò)程對(duì)地表環(huán)線公路的影響在合理范圍內(nèi)，該工程還對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明兩條隧道施工所引起的地表最大沉降分別為7.321 mm、7.618 mm，滿足規(guī)范要求的小于等于15 mm的要求，說(shuō)明該工程施工控制效果出色。同時(shí)分析實(shí)際施工過(guò)程中盾構(gòu)機(jī)的相關(guān)參數(shù)控制結(jié)果可知，在該工程的施工過(guò)程，確保試驗(yàn)段參數(shù)的準(zhǔn)確性和確保施工過(guò)程中的盾構(gòu)參數(shù)一直在合理范圍內(nèi)是控制盾構(gòu)隧道施工過(guò)程中地表變形的重要手段。通過(guò)上述兩部分的聯(lián)合控制，也使得該工程盾構(gòu)隧道施工所引起的沉降未對(duì)地表環(huán)線公路產(chǎn)生任何不利影響。

4 結(jié)論

該文以北京地鐵17號(hào)線穿越北四環(huán)段為研究對(duì)象，深入分析城市地鐵盾構(gòu)隧道施工過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)，所得結(jié)論如下：

（1）該文所選用的盾構(gòu)施工參數(shù)在粉質(zhì)黏土+砂土的地層條件下所引起的地表最大沉降為7.618 mm，與數(shù)值分析計(jì)算所得的最大沉降量6.632 5 mm基本接近，能夠滿足開挖穩(wěn)定性需求。

（2）盾構(gòu)開挖過(guò)程主要是由于開挖導(dǎo)致原狀土體卸荷進(jìn)而產(chǎn)生變形，其中上部沉降量遠(yuǎn)大于下部隆起量，其主要原因在于上部土體除卸荷導(dǎo)致變形外還需考慮自身重力作用。該文研究成果可為后續(xù)相關(guān)工作的開展提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

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