张子龙
中铁二局股份有限公司 四川成都 610032
摘要：通过工程实践，从渣土改良、土仓压力控制、推进速度、刀盘转速、出土量控制、同步注浆、二次注浆、管片拼装、盾构姿态控制、穿越后土体加固、质量控制及预警机制等方面详细介绍了深圳地铁2号线东延段土建工程2225-2标燕南站-大剧院站区间工程盾构机在长距离上软下硬复合地层中、小间距下穿运营的地铁1号线盾构下穿运营地铁的施工控制技术，对今后地铁施工中类似地质条件下，盾构机下穿运营地铁线路施工有很好的参考作用。
关键词：地铁；盾构；下穿运营地铁；施工控制
1工程概况
深圳地铁2号线东延段土建工程2225-2标燕大区间盾构始发井～大剧院，两线重叠段加上重叠段前、后施工影响高风险段，左、右盾构掘进施工长度均超过110m。
根据详勘与补勘资料查实，隧道拱顶埋深为20.2m～23.6m，下穿洞身处于全风化、强风化、中风化花岗岩交叠互存的复合地层中，且石英含量高。岩芯主要呈硬岩状，抗压强度较高（无侧限抗单轴极限压强度高达90MPa），完整性好（RQD值高达90%）。重叠段隧道所处地层呈上软下硬状，2号线距离1号线最小净离1.853m。
2既有地铁线路控制要求
既有地铁线路，保护等级一级，其隧道结构及轨道变形控制标准具体如下：（1）隧道结构变形：①绝对沉降量＜20mm；②水平位移量＜20mm；③纵向变形曲线曲率半径＞15000m；④相对变曲＜1/2500。（2）轨道静态尺寸变形：①轨道竖向变形轨距±4mm；②两轨道横向高差<4mm；③水平及水平三角坑高低差<4mm/10m；④轨距变形范围（+6mm，-2mm）。
3 下穿段隧道施工特点
1号线已建成运营，且在2号线下穿段施工期间正常运营，为降低工程风险，确保施工期间1号线的正常运营，对运营线的影响降到最低。在盾构推进过程中必须严格控制土压力、推进速度、刀盘转速等参数，把施工对运营的地铁线的影响降到最低。
4 下穿段盾构法施工参数控制
4.1土仓压力控制
盾构法施工的全过程，必须靠土仓的压力来平衡掌子面的土压，因此土压力的设定和过程控制也成为降低沉降与隆起的关键所在。盾构隧道施工土仓内共设置五个传感器，1#传感器位于土仓的上部（与软弱地层最接近，对软土地层沉降与降起最敏感），5#传感器位于土仓的下部（施工中易受螺旋输送机的影响，土压力值波动较大且从传感器输出的数据上看不能真实反映实际土压），选择1#土压力传感器推算其各项理论数值参数。下穿段隧道拱顶埋深为20.2m～23.6m，平均刀盘顶埋深取22m，平均刀盘底埋深取28.28m，承压墙上1号土压传感器距离地表的平均深度取23m，隧道洞身处于全风化和强风化花岗岩中，所以此次计算以此两种地层试验数据为例。γ取土体平均天然容重18.28 kN/m?，k0取0.34，根据k0=1-sinΦ，计算得有效内摩擦角Φ=41.3?，平均粘聚力取25.5KPa，主动土压力系数ka= tan2（45?-Φ/2）=0.205，被动土压力系数kp= tan2（45?+Φ/2）=4.88。
4.1.1土压力的理论数值选择
（1）静止土压力
静止土压力为处于静止的弹性平衡状态下的原状天然土体的土压力，也就是没有受到盾构施工扰动时的土压力。在深度H处，在竖直面的主应力，即静止土压力为pH=k0γH。所以1号土压传感器深度的静止土压力值pH=0.34*18.28*23=142.95（KPa），即1.42bar。
（2）主动土压力
根据盾构的特点及盾构施工的原理，采用朗肯土压力理论理论计算主动土压力与被动土压力。在施工过程中，由于施工的扰动，改变了原状天然土体的静止弹性平衡状态，从而使刀盘前方土体产生主动或被动土压力。
当盾构推力或土仓压力偏小，土体处于向下滑动的状态时，土压力将由静止土压力逐渐减小，当土体达到主动极限平衡状态并出现滑动面时，土压力减至最小，即转变成为主动土压力。此时土体内的竖直应力σH相当于最大主应力σ1，水平应力σx相当于最小主应力σ3，也就是主动土压力。
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将σ1=σr=γH，σ3=Pa代入粘性土极限平衡条件σ3=σ1tan2（45?-Φ/2）-2ctan（45?-Φ/2），得主动土压力Pa=σ3=σ1tan2（45?-Φ/2）-2c tan（45?-Φ/2）=γHka-2c（ka）1/2，其中：γ为土的重度，kN/m'；c为土的粘聚力，KPa；Φ为土的内摩擦角；H为计算点的深度，m；ka为主动土压力系数，ka= tan2（45?-Φ/2）。
所以1号土压传感器深度的主动土压力值Pa=18.28*23*0.205-2*25.5*0.2051/2=63.1（KPa）即0.63bar。
（3）被动土压力
当盾构的推力偏大，土体处于向上滑动的状态时，土压力将由静止土压力逐渐增大，当土体达到主动极限平衡状态并出现滑动面时，土压力增至最大，即转变成为被动土压力。此时土体内的竖直应力σH相当于最大主应力σ3，水平应力σx相当于最小主应力σ1，，也就是主动土压力。将σ1=γH，σ1=Pp代入粘性土极限平衡条件σ1=σ3tan2（45?+Φ/2）-2ctan（45?+Φ/2），得主动土压力Pa=γHtan2（45?+Φ/2）+2c tan（45?+Φ/2）=γHkp+2c（kp）1/2，其中：γ为土的重度，kN/m'；c为土的粘聚力，KPa；Φ为土的内摩擦角；H为计算点的深度，m；kp为被动土压力系数，kp= tan2（45?+Φ/2）。所以1号土压传感器深度的被动土压力值Pp=18.28*23*4.88+2*25.5*4.881/2=243.18（KPa），即2.43bar。由于地铁2号线施工期间，地铁1号线正常运营，所以2号线盾构掘进施工时，必须保证刀盘前方的土体的稳定，尽可能减小围岩沉降，所以盾构掘进时，1号土压传感器预设压力P应该设定在主动土压力与被动土压力间，即Pa〈P〈Pp，对应的理论数据范围为1.42bar〈P〈2.43bar。
4.1.2实际土压力控制
（1）通过统计分析，左线下穿掘进时1号土仓压力传感器最小压力值为1.5bar，最大压力值为2.1bar，平均值1.75bar；右线下穿掘进时1号土仓压力传感器最小压力值为1.4bar，最大压力值为2bar，平均值1.65bar。根据盾构下穿施工实际土仓压力的反馈，可以证明在上软下硬花岗岩地层施工，采用朗肯理论计算的理论土压力值是合理的，可以为实际施工提供理论依据。
（2）右线1号土压力传感器的平均值为1.65bar，左线的平均值为1.75bar。右线先行于左线施工，之所以左线的平均值比右线的平均值大，是因为右线施工时已经对周围岩体造成了扰动，岩体内的粘聚力减小，自稳能力减弱，所以左线施工时的土仓压力要高于右线施工时的土仓压力，以减小土体扰动对既有线路沉降的影响。
4.2推进速度
盾构机在上软下硬地层中掘进，通常情况下掘进速度小。通过统计得出，穿越段最大推进速度不超过3cm.
4.3刀盘转速
为避免转速过低造成刀盘切削下部硬岩时贯入度过高，推进过程中应控制刀盘转速在1.7～2.0r/min。刀盘工作压力上限设置为200bar，防止刀具产生过大的冲击荷载。
4.4出土量控制（以盾构外径为6m为例）
每掘进1环进尺的理论出土量为：V=L×πd2/4=46.4m?，根据试验段施工经验和监测数据反馈显示，取松散系数k=1.5是比较合理的。故每掘进1环进尺的出土量应控制在70m3以下。每出一厢土需在螺旋机后闸门处量取一次碴土温度，每推进一环需进行一次碴土筛洗分析，并将相关情况记录在盾构推进出土量记录表上。对可能出土超量的情况必须进行预判和分析，第一时间汇报现场领导小组。
4.5同步注浆
下穿既有铁路线过程中同步注浆量原则上控制在7～9方/环，注浆压力应控制在2.5～3.0bar，控制注浆速度至千斤顶行程达到1700mm时注完，并保证4根注浆管同时工作。若2、3#同步注浆管因压力过高注浆困难，可将注浆管从盾尾拆除，连接在已脱出盾尾3环以上的管片上进行注浆，注浆位置应选择高于2点、10点的点位。注浆量与注浆压力可根据监测结果作适当调整。
4.6二次注浆
对每环管片进行同步二次注浆，选择好合适的注浆孔位（应优先选择1点、11点的点位）后直接连接注浆接头、三通混合器、水泥浆管和水玻璃管即可。注双液浆时，先注纯水泥浆液1min后，打开水玻璃阀进行混合注入，终孔时应加大水玻璃的浓度。同步二次注浆应保证在盾尾管片后二环，确保注浆压力不小于1Mpa，注浆过程应该根据监测结果适量调整。
4.7盾构姿态控制
在穿越段的掘进过程中，必须严格控制盾构机单位进尺的纠偏量至每环10mm以内，推进时不急纠、不猛纠，通过观察盾尾间隙和不同区域推进油缸的绝对行程差判断是否过度纠偏。当地质条件很差时，只要水平、垂直姿态偏差不超过±50mm，推进时可不考虑设计轴线，保持当前姿态径直前行，尽量减少对地层的扰动，待地质条件好转后再进行缓慢纠偏。
4.8穿越后土体加固
本次双液注浆孔布置在隧道加固段范围内的拱底、标准、邻接块中的压浆预留孔内。注浆前先用冲击钻将预留孔疏通，跟踪注浆将1.5米的注浆管振动插入孔内至隧道管壁外侧1.0米处；土体加固注浆将2.0米的注浆管连接振动插入孔内至相应的注浆深度。随即将特制的防喷装置安装好，并将单向球阀接在注浆管上，以便注浆。
5 结论
2010年8月20日，深圳地铁2号线东延线土建工程2225-2标燕大区间左、右线均顺利完成地铁2号线下穿地铁1号线的掘进施工。并获得“深圳市优质结构工程奖”。此次工程实践获得圆满成功，是施工过程中通过对渣土改良、土仓压力、盾构掘进参数、盾构姿态、出土量、同步注浆、二次注浆等各方面的精确过程控制，是良好的施工筹划、精心的施工准备、精细化的项目管理、全体参战人员的兢兢业业的付出所取得的成果。
参考文献：
[1] 竺维彬，鞠世健.地铁盾构施工风险源及典型事故的研究.暨南大学出版社.2009年.
[2] 竺维彬，鞠世健.复合地层中的盾构施工技术.中国科学技术出版社.2006年.
论文作者:张子龙
论文发表刊物:《基层建设》2016年3期
论文发表时间:2016/5/29
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