盾构超近距离下穿既有地铁风险分析及控制措施

35现代城市轨道交通12/2017MODERNURBANTRANSIT工程实践盾构超近距离下穿既有地铁风险分析及控制措施温克兵，梁玉钊，刘宸岩（西安市地下铁道有限责任公司，陕西西安710016）作者简介：温克兵（1978—），男，高级工程师摘要：以西安地铁1号线二期张家村站—后卫寨站区间盾构法施工超近距离下穿既有出入段线双连拱暗挖隧道为背景，对下穿既有结构的风险进行分析。通过优化盾构机技术参数配置、渣土改良技术，以自动化监测数据为指导，设置合理掘进参数，确保了下穿过程中既有隧道主体结构及运营安全。关键词：地铁；盾构下穿；风险分析；控制措施中图分类号：U455.431工程概况西安地铁1号线二期工程张家村站—后卫寨站区间左线，在里程ZDK6+206.524～ZDK6+247.481段斜下穿既有1号线出入段线双连拱隧道。在世纪大道下方，1号线二期张家村站—后卫寨站区间左线新建盾构隧道以28‰的坡度下坡，既有1号线出入段线隧道以32.913‰的坡度上坡，新建盾构隧道与既有1号线出入段线隧道结构相交最近处净距约0.99m，最远处结构净距约3.44m。既有1号线出入段线隧道结构为浅埋暗挖法施工的双连拱结构，支护形式采用复合式衬砌，二衬为35cm厚C40模筑钢筋混泥土结构，轨道结构为整体混凝土道床。新建盾构隧道与出入段线隧道相对关系如图1所示。新建盾构隧道下穿段区间场地地貌单元属渭河一图1新建盾构隧道与既有出入段线隧道相对关系（单位：m）b立面a平面盾构区间左线盾构区间右线既有出入段线隧道中线隧道中线轨面0.34.70.884.520.99～3.4436MODERNURBANTRANSIT12/2017现代城市轨道交通工程实践级阶地，场地地形总体东高西低，呈缓坡状，现状为双向6车道道路。根据勘探报告，地层主要为第四系堆积物，从上到下分别为全新统人工填土（Q4ml），冲洪积（Q4al+pl）黄土状土、细砂、中粗砂夹粉质黏土，上更新统冲积（Q3al）中砂夹粉质黏土等。新建盾构隧道围岩主要为密实状态的2-5中砂层，级配良好，成分为石英、长石及暗色矿物等。底部含砾石，个别粒径较大。地下水为第四系松散层孔隙潜水，补给来源主要来自侧向径流补给、大气降水及绿化带灌溉水的入渗补给，地下水水位埋深22.7～26.6m。该段盾构法隧道底埋深最低处为17.1m，地下水位于隧道以下。2风险分析新建盾构隧道与既有出入段线隧道的空间位置关系极为复杂，平面投影关系上，两者呈近30°相交，在空间相对位置关系上，结构相交最近处净距仅为0.99m，最远处净距约为3.44m。根据DB11/T716-2010《穿越既有交通基础设施工程技术要求》，交叉角度越小，新建盾构隧道施工对既有出入段线隧道的影响范围越大。由于本工程是小角度斜下穿，因此既有出入段线隧道同一横截面处左右轨的沉降可能会出现轨道高差。另外，新建盾构隧道的施工必然会引起土层的应力重分布，进而会引起既有出入段线隧道产生附加位移和附加内力。因此，在新建盾构隧道施工过程中存在以下风险。（1）由于穿越地层为无水中砂层，当盾尾脱衬砌管片后，管片背后土体处于无支护悬空状态，土体将会向盾尾空隙移动，甚至于土体会产生局部坍塌，进而引起松散范围的进一步扩大。（2）由于盾构掘进引起既有出入段线隧道结构应力场重新分布，从而导致正在运营的既有出入段线隧道结构变形，而隧道结构变形会引起轨道变形，若超过限值将影响地铁运营安全。（3）由于既有出入段线隧道结构变形，隧道结构内力会重新分布，从而可能引起结构开裂或破坏。3控制措施盾构施工过程中不可避免会对周围土体产生剪切和摩擦、挤压或松动、卸载等作用。为了确保既有出入段线的安全运营，尽量降低新建盾构隧道施工对其造成的不利影响，需对盾构施工过程的掘进参数、渣土改良、注浆压力、注浆量、变形监测等进行风险管控，并提出相应的控制措施。3.1下穿施工前保护措施在盾构下穿施工前对既有出入段线内的轨道进行检查和加固，重点对钢轨、扣件及道床等进行全面检查，确保既有轨道结构状态稳定；在下穿出入段线及两边各6m范围设置轨距拉杆，并在下穿作业开始后即采取限速运行，建议限速值20～30km/h。3.2盾构掘进过程控制措施3.2.1优化盾构机参数配置（1）根据西安地铁在全断面砂砾石地层盾构法施工经验，本区间工程施工宜选用大推力、高扭矩、耐磨性能强并配置合理刀具的盾构机。为此，施工中采用了中国中铁土压平衡盾构机，该盾构机总推力37000kN，主驱动为液压驱动，功率为945kW，额定扭矩6000kN·m，脱困扭矩7200kN·m，以满足在西安地区砂层推进的需要。（2）采用辐条式刀盘，开口率55%。（3）根据刀具在砂层中切削土体的性能来进行设计和选择，主要刀具类型以刮刀、撕裂刀和切刀为主，撕裂刀与切刀保持一定高差，先行松动地层，减轻对切刀及面板的磨损，另配以中心刀、保径刀、超挖刀和大圆环保护刀。在刀盘的外缘全部加焊耐磨复合钢板（25mm厚），刀盘正面和辐条梁均堆焊耐磨焊条，刀盘背后的主动搅拌棒和土仓内的被动搅拌棒也加焊耐磨焊条。3.2.2渣土改良在全断面砂层采用土压平衡盾构机掘进，由于砂土内摩擦角大、渗透性强、止水性能差，在掘进过程中方向控制难度较大，刀盘扭矩过大，对刀盘、刀具磨损严重，出渣困难，因此需对渣土进行改良。改良后的渣土应不易固结排水、处于流塑状态并具有较低的渗透系数和较低的内摩擦角。在总结西安地区砂层盾构掘进经验的基础上，结合本项目地质特点，对改良前后的砂土渗透系数、坍落度、内摩擦角和粘聚力等技术指标进行现场测试。测试结果表明，采用质量比为1:10的钠基膨润土泥浆（膨化时间20h左右）、膨润土泥浆与砂土进行体积比为2:10的砂土改良，改良后渣土渗透性显著降低，内摩擦角降低，粘聚力增大，施工和易性和流动性满足施工盾构超近距离下穿既有地铁风险分析及控制措施37现代城市轨道交通12/2017MODERNURBANTRANSIT工程实践盾构超近距离下穿既有地铁风险分析及控制措施要求；同时采用体积分数为3%、发泡倍率为16倍、外掺量为5%的泡沫溶液和膨润土泥浆，并向刀盘前方注入5%清水对砂土进行改良，改良后在降低刀盘扭矩、提高盾构掘进效率、控制出土量、稳定土仓压力等方面效果明显。施工过程中，渣土改良需消耗大量的膨润土，盾构机自带的膨润土存储罐无法满足需要。为此，在地面安装了膨润土拌制和膨化系统，系统配置5个带搅拌装置的储浆罐（总量约120m3），满足了对膨润土的需求。3.2.3设置合理的盾构掘进参数在施工过程中，借鉴泥水盾构的施工理念，将土压平衡盾构当作“准泥水盾构”使用。根据理论计算及前50环推进参数分析，在推力为8000～11000kN、刀盘扭矩值为2000～2700kN·m、上部土仓压力为0.8～1.0bar（0.08～0.1MPa）时，可保证出土量控制在51m3左右；适当进行保压推进，视情况适当提高土仓压力，土仓压力控制在比理论土压力高0.2bar左右；盾尾油脂注入量不低于90kg/环（含拼管片时补压）；由于在全断面砂层中推进，速度增大刀盘所受推力和扭矩都将大大增加，因此，推进速度应控制在25mm/min左右，匀速推进，快速通过，尽量减少地层损失及施工过程中建筑物的差异沉降，这样可以将地表沉降值控制在设计、规范值以内。3.2.4同步注浆及二次补浆掘进过程中必须及时进行盾尾同步注浆，采用水泥砂浆作为同步注浆材料，注浆压力控制在3bar以下。采用压力与注浆量“双控”指标控制注浆量，防止顶部塌空和盾尾空隙未及时填充引起沉降，进而控制掘进后引起的沉降。在盾构通过后，采用单液浆每隔3～5环进行1次二次补浆，二次补浆以注浆压力2bar为控制标准。根据监测情况，若管片脱出盾尾后瞬时沉降较大，则及时在盾尾顶部管片注双液浆，以缩短浆液凝固时间、减少盾尾沉降。3.3盾构掘进监测及信息化处理为了避免下穿施工给既有地铁带来安全隐患，确保既有出入段线隧道的正常运营和结构安全，在盾构施工影响范围内，对既有出入段线隧道的变形进行24h连续监测，监测内容主要包括隧道结构沉降或上浮、隧道结构水平位移、隧道差异沉降、轨道横向高差等。控制标准为，下穿施工引起既有隧道结构累计变形总位移＜20mm，轨道高程差＜4mm。自动化监测采集设备采用徕卡全站仪TCA2003，同时配合使用相应的通讯及后处理软件。新建隧道在穿越影响范围内的最大埋深为17m，依据相关规范规定，结合现场施工需要，在既有出入段线上共布设15个监测断面（图2），每个监测断面上布设8个监测点（图3）。盾构掘进至影响范围前15m时开始进行监测，监测频率为，施工关键期1次/30min，一般施工状态1次/h，工后影响期3次/天。监测终止时间按照施工进度和实测情况而定，实测数据稳定3个月后停止监测。图2既有出入段线监测断面位布置图西咸车辆段方向次影响区主影响区次影响区盾构机推进方向断面12断面10断面8断面6断面4断面3断面2断面1断面5断面7断面9断面11断面13断面14断面15下行线点位：E（侧墙）、F（道床）、G（道床）、H（侧墙）上行线点位：A（侧墙）、B（道床）、C（道床）、D（侧墙）主影响断面间距5m，次影响断面间距10mA15B15C15D15E15F15G15H15A1B1C1D110mF1G1H110m10m5m5m5m5m5m5m5m5m10m10m10m图3既有出入段线隧道内监测点布置图左行线右行线38MODERNURBANTRANSIT12/2017现代城市轨道交通工程实践在盾构下穿施工过程中，按照监测方案实施远程控制和数据传输，通过数据库管理软件管理各分控机写来的数据，将这些数据通过多重差分技术，求解各变形点的变化量，并将这些变形数据曲线图形显示和各点变形量报表输出。施工过程中及变形稳定后监测数据表明，既有出入段线左线道床沉降累计变化最大点为G06，累计值为-3.4mm，变化速率0.01mm/天；侧墙沉降累计变化最大点为E07，累计值为-4.6mm，变化速率-0.02mm/天；道床差异沉降累计变化最大点为G06—G05，累计值为-3.7mm，变化速率-0.02mm/天；既有出入段线右线道床沉降累计变化最大点为C15，累计值为-0.3mm，变化速率-0.02mm/天；侧墙沉降累计变化最大点为D10，累计值为-4.8mm，变化速率-0.01mm/天；道床差异沉降累计变化最大点为C13—C14，累计值为2.0mm，变化速率0.02mm/天。可见，所测得数据均在规范允许的范围内，说明结构和轨道处于稳定状态。4结论及建议（1）盾构下穿既有地铁隧道结构前，必须对施工环境及既有隧道结构现状进行详细调查，认真分析可能产生的风险，为制定针对性措施打下基础。（2）在复杂条件下的全断面砂层采用盾构法施工，选用大推力、高扭矩、耐磨性能强并配置合理刀具的盾构机是保证顺利施工的前提；通过渣土改良、优化盾构掘进参数、压力与注浆量“双控”指标控制注浆是安全生产的关键。（3）应用自动化监测技术并根据实时监测数据指导施工，及时修正盾构机掘进参数，能够确保既有隧道主体结构及运营安全。参考文献[1]杨晓强，温克兵.土压平衡盾构机在全断面砂砾石地层中施工技术探讨[J].工程机械与维修，2011（1）.[2]GB50911-2013城市轨道交通工程监测技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.[3]GB50652-2011城市轨道交通地下工程建设风险管理规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.[4]CJJ/T202-2013城市轨道交通结构安全保护技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2013.[5]张瑾，王旭春，刘涛.下穿隧道对既有地铁线路及周边环境影响研究[J].地下空间与工程学报，2012（5）.[6]白廷辉，尤旭东，李文勇.盾构超近距离穿越地铁运营隧道的保护技术[J].地下工程与隧道，2000（3）.收稿日期2017-08-04责任编辑朱开明Riskanalysisandcontrolmeasuresofshieldtunnelingunder-passingexistingme