摘要：以某新建盾构法电缆隧道穿越既有地铁2号线为依托，对浅覆土埋深盾构近距离穿越密集地下管线与既有地铁隧道夹层施工重难点进行了相应的理论计算，制定了穿越施工方案，设定了盾构机掘进参数、采取了有效技术措施，确保了盾构机平稳、顺利的通过夹层，有效的控制了既有地铁隧道的变形及上部管线安全。
关键词：盾构机 地下管线 地铁隧道 施工技术
Close through the underground pipeline of shield machine and interlayer existing subway tunnel construction technology research
NieChengQing
（China Railway 11th Bureau Group，WuHan HuBei，China）
Abstract Developed through the construction scheme，set the excavation parameters of shield machine，take the effective technical measures，to ensure the smooth of shield machine，smoothly through the interlining，effective control of the existing subway tunnel deformation and the upper pipeline safety.
Keywords Shield machine underground utilities subway tunnel construction technique
1 工程背景
1.1 电缆隧道概况
新建电缆隧道采用盾构法施工，选用海瑞克土压平衡盾构机，刀盘开挖直径4.39m，管片外径4.1m，内径3.5m，环宽1.2m。盾构法隧道埋置深度4.5m～8.3m，其中在农科路—花园路交汇口需上穿既有地铁2号线，两线垂直距离1.5m，此处新建电缆隧道拱顶覆土厚度4.5m。
1.2 既有地铁2号线概况
既有地铁2号线沿花园路呈南北走向，隧道采用盾构法施工，管片外径6m，内径5.4m，线路埋置深度约10m，左右线净距7～8m，主要穿越稍密～密实的粉土、中密～密实的细砂和软塑～硬塑状粉质粘土，局部穿越稍密粉砂层。电缆隧道穿越期间，2号线已完成铺轨与机电安装工作，隧道暂未运营通车。
1.3 两线相对关系
新建电缆隧道在花园路口需从上穿越地铁2号线，平面关系为99度斜交，此处地铁2号线中心间距13.19m，对应地铁中心里程为YDK15+422.056、ZDK15+421.708，对应地铁中心高程为77.4m。此处新建电缆隧道里程为K0+779.5～K0+798.9，对应隧道底板高程为81.9m，与地铁2号线隧道拱顶垂直距离1.5m。
1.4 地下管线分布情况
跨越区路口管线分布较为复杂，沿农科路与花园路方向均有分布，隧道自西向东需连续下穿南北走向的热力、雨水、污水、自来水、雨水、燃气管线，其中与南北走向污水管线垂直距离最近，为0.5m。
图1 穿越区段剖面图
1.5 工程地质
电缆隧道穿越地层为粉土层，拱顶覆土为粉质粘土，掌子面上半断面为④粉土，含水量相对较低，下半断面为⑤粉土，含水率较高。地铁2号线所处地层为⑥粉土，⑦粉质粘土，⑧粉砂。
2 施工重难点分析及对策
2.1 理论计算
（1）根据隧道结构实际尺寸及圣维南原理，沿既有隧道轴向取40m，沿新建隧道轴向取56m，既有隧道上部地层取至地表，既有隧道与新建电缆隧道间距离为1.5m，新建隧道下部地层厚度取3D，模型最终大小为56m×40m×33.4m，模型共划分144573个单元。
图2 整体模型图
（2）随着电缆隧道盾构上穿施工的进行，既有地铁隧道的管片竖向位移不断增大，最终最大竖向位移为3.45mm，满足《城市轨道交通结构安全保护技术规范》要求。当上穿隧道掌子面距离大于既有地铁隧道2倍洞径时，施工时既有地铁隧道右线最大竖向位移是0.052mm，左线是-0.11mm，其竖向位移变化不大，故在既有地铁隧道2倍洞径范围外，上穿施工对既有隧道影响不大；在既有地铁隧道左右两线1倍洞径范围内，既有地铁隧道右线最大竖向位移0.23mm增至3.3mm，左线是-0.17mm增至2.25mm，其竖向位移变化较明显，上穿施工对既有地铁隧道影响较大，在这期间要多加注意，加强监测。
图3 上穿隧道施工完成后地铁管片竖向位移
（3）随着电缆隧道盾构上穿施工的进行，既有地铁隧道的管片水平位移不断增大，最终水平位移增大为-1.325mm，既有隧道较为安全。当上穿隧道掌子面距离大于既有地铁隧道2倍洞径时，施工时既有地铁隧道右线最大水平位移是-0.091mm，左线是0.168mm，其水平位移变化不大，上穿施工对既有隧道影响不大；在既有地铁隧道左右两线1倍洞径范围内，既有地铁隧道右线最大水平位移-0.456mm增至-1.325mm，左线是-0.10mm增至-0.9mm，其水平位移变化较明显，说明在这范围内上穿施工对其影响较大，这期间需要加强监测。
图4 上穿隧道施工完成后地铁管片水平位移
2.2 施工重难点
（1）盾构掘进过程中可引起土体沉降，危及上部管线安全。
（2）盾构掘进过程中可能出现挤压四周土体，危及上部管线及下方地铁2号线安全。
（3）盾构通过后，地铁2号线上覆土体减荷，可能造成既有地铁管片上浮。
2.3 对策
（1）穿越前，全面检修盾构机设备，避免带病作业。
（2）进行试掘进，选择合理的掘进参数，严格控制施工过程，均匀、连续、匀速通过穿越区。
（3）加强渣土改良，尽量减小掘进推力，降低对夹层土的扰动。
（4）严格控制盾构机姿态，避免大幅度纠偏对地层造成扰动或挤压。
（5）加强同步注浆，及时进行二次补浆，严格控制施工期间的沉降及工后沉降，及时稳定管片，抑制既有地铁管片上浮。
（6）加大监测频率，信息化指导施工。
3 穿越施工技术
3.1 总体穿越施工方案
由于既有地铁2号线及横跨管线对变形极为敏感，采取主动注浆对其加固可能会破坏原有土体的稳定性，不但起不到应有的加固效果，反而会造成夹层土变形、沉降。由于既有地铁隧道已完成了铺轨与机电安装，在洞内安装钢架的难度很大。所以经多方研究决定，采用严格控制盾构机掘进参数的方法，直接掘进穿越既有2号线与地下管线夹层土。
在盾构机进行穿越施工前，对设备进行全面检修维护，确保盾构机运行正常。将进入跨越区前30m隧道设为试验段，按控制沉降标准的50%对地面沉降进行控制，以确定合理的盾构掘进参数。施工期间在地表及在地铁2号线隧道内布设监测点，在监测数据指导下，结合地质情况，及时调整土仓压力，千斤顶推力等施工参数，做到信息化施工。
3.2 施工段划分
本次穿越2号线施工分为3个施工区域，电缆隧道与2号线跨越区域及2号线边墙两侧各6m为危险区，危险区两侧各20米范围为风险区，电缆隧道盾构掘进自风险区开始实行加密测。
在风险区段掘进时，应密切关注既有地铁线的监测，掌握变形趋势，调整施工参数，在危险区掘进时，对既有线影响最大，应严格按照设定参数及相关技术措施实施。
图5 施工区段划分
3.3 施工技术措施
3.3.1 穿越前的设备检查
盾构机在穿越既有地铁2号线前，对所有设备进行彻底的检查和维修（刀具、注浆系统、盾尾刷等），特别是土压传感器的检定，以确保盾构机在绝对良好的状态穿越地铁2号线。
3.3.2 土压平衡模式掘进
由于上覆土层很浅，地下管线较多，必须严控土仓压力确保掌子面稳定。采取实测地面高程，确定覆土埋深，精确计算土压，在推进过程中，按分段计算的土压控制值，还要根据推进时可能的车流变化情况对其进行相应的调整。
土仓压力控制在计算主动土压力与静止土压力之间。掘进过程中始终保证土仓压力与作业面水土压力的动态平衡，同时利用螺旋输送机进行与盾构推进量相应的排土作业，掘进过程中始终维持开挖土量与排土量的平衡，以保持正面土体稳定。另外，做好掘进、拼装等各工序的衔接以及盾构作业工班的交接工作，尽量减少非工作时间。土仓压力取值0.35-0.4bar，掘进速度30-40mm/min。
3.3.3 严格控制出土量
渣土松散系数按1.08-1.1控制，施工中跟班土木工程师对每环出土量通过渣斗状态进行测算并做好记录，过程中一旦有超量现象，必须对该区段进行处理，包括二次补浆，乃至地面注浆加固等措施。
3.3.4 加强同步注浆管理
注浆时必须要做到“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”，同步注浆压力和注浆量方面进行双控，做到适时、足量。每环同步注浆的注入量为3.6m3，本工程中充盈系数值取1.5，必要时还需进行二次补压浆，压浆量为20％建筑空隙体积，约为0.48m3。注浆量的最终确定要视注浆压力、隧道的稳定情况以及地面沉降情况而定。在此地段掘进时加强对既有地铁线及上部管线的监测，及时分析数据，调整盾构机掘进参数和注浆压力，确保地下管线及地铁2号线的安全。
3.3.5 及时二次补浆
为有效的控制管线沉降及既有地铁隧道上浮，在穿越期间，根据盾构机与地铁隧道的相对关系，选取7处代表性部位进行二次补浆，分别为盾尾到达地铁2号线右线隧道边墙时、盾尾到达右线中线时、盾尾即将脱离右线隧道时、盾尾到达左线隧道边墙时、盾尾到达左线中线时、盾尾脱离左线隧道时、盾尾脱离危险区时。上穿施工后两隧道影响区域土体再次进行双液补充注浆加固，注浆加固深度为1.5 m。补浆时注水泥-水玻璃双液浆，注浆压力不大于0.2MPa，注浆流量10-15L/min，每环注浆量0.3-0.5m3。
图6 二次补浆特征位置
3.3.6 做好渣土改良工作
在掘进过程中，为稳定开挖面，防止刀盘产生泥饼并降低推力、刀盘扭矩。在土仓背板上改造一路泡沫注入孔，采用在刀盘面板和土仓内同时注入泡沫的方法进行土体改良。泡沫的组成比例如下：
泡沫溶液的组成：泡沫添加剂3%，水97%。
泡沫组成：90-95%压缩空气和5-10%泡沫溶液混合而成。
泡沫的注入量按开挖方量计算：300ml/m3-600ml/m3。
4 主要风险控制措施
4.1 减小对地铁2号线影响的措施
盾构机的推力可能使地铁2号线产生位移，掘进通过后，由于上覆土体减少，可能导致地铁2号线管片上浮，采取以下措施减小对地铁2号线的影响。
（1）加强渣土改良，严格控制盾构机推力，跨越区段盾构机推力不大于600T。
（2）严格控制盾构机姿态，严禁大幅度纠偏，坚持勤纠小纠，减小盾体对四周土体的影响。
（3）严格控制土压，避免土仓压力过大造成有效推力减小，增加对四周土体的挤压作用，减小对2号线的影响程度。
（4）加强注浆，及时填充管片外间隙，选择初凝时间较短的浆液，盾尾脱出管片后进行二次补浆，及时紧固管片，防止2号线管片上浮。
（5）加强管片螺栓复紧，每环推进结束后，须拧紧当前环管片的连接
螺栓，并在下环推进时进行复紧，克服作用于管片推力产生的垂直分力，减少成环隧道浮动。每掘进完成3环，对10环以内的管片连接螺栓复拧一次。
（6）根据监测信息指导，在跨越区段隧道底部进行浅孔注浆，加固层间土体，抑制管片上浮。
4.2 保障横跨管线安全措施
穿越既有地铁2号线区段需近距离下穿雨水、污水、给水、热力、燃气等管线，其中热力与燃气为钢管，因其管径较小，材质均匀，沉降调节能力相对较好，污水管距隧道最近，给水管为分段承插铸铁管，雨水管为砖砌方沟，盾构施工对其影响均很大，盾构下穿时采取以下措施。
（1）采取土压平衡掘进，避免盾构刀盘抵达前土体隆起造成破坏。
（2）加强同步注浆及二次补浆，控制沉降变形。
（3）对距离最近的污水管采取临时导改的方式，盾构通过时，暂时切断顶部流水。
（4）对风险最大的自来水管，盾构掘进通过放到晚班，申请停水后再掘进通过。
（5）对于埋深最浅的热力、燃气管，监测达到预警时，采取明挖悬吊进行保护。
5 工程效果
本工程自2016年2月15日开始穿越，2月18日盾尾全部脱离风险区，穿越施工期间，采取加密监测对既有地铁2号线及上部地下管线进行了实时监测，监测范围为电缆隧道盾构施工会对既有地铁区间隧道造成影响的范围。既有地铁隧道监测范围沿隧道左右线边界向外各扩展30m，电缆隧道沿其两侧边界各扩展30m，沿既有地铁隧道轴向按5m间距设置一个监测断面。监测结果显示，电缆隧道盾构机穿越通过后，地铁2号线隧道最大竖向位移为2.7mm，最大水平位移2.5mm，上部地下管线最大沉降量为8mm。地下管线及既有地铁2号线变形均在可控范围之内，穿越施工较为成功。
6 结语
盾构在穿越夹层土时，势必会扰动土体，造成管线下沉，新建隧道开挖对底部既有地铁线是一个卸荷过程，可引起隧道上浮。本文通过介绍加强盾构掘进操作水平，严格控制渣土改良、土仓压力、同步注浆及二次补浆等措施，对控制上部管线及既有地铁隧道变形取得了一定的成效，为盾构机近距离穿越类似夹层土积累了一定的经验。
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作者简介：聂承庆（1985.04-），男，汉族，湖北武汉人，中级工程师，2007年毕业于湖北工业大学土木工程专业，
现就职于中铁十一局集团城轨公司，担任地铁施工项目项目经理。
论文作者:聂承庆
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/24
标签：盾构论文; 隧道论文; 地铁论文; 管片论文; 管线论文; 位移论文; 注浆论文; 《基层建设》2019年第7期论文;