1、盾构近距离下穿既有隧道沉降控制技术摘要：深圳地铁 3 号线购物公园站福田站区间盾构施工需下穿已运行的 1 号线隧道，其中两隧道最小净距为 1.23 米。通过对工程现场条件综合分析及力学模型研究和计算，综合各方论证结果，确定施工方案并进行盾构施工关键技术研究，为下穿施工中提供全面的技术参数，施工完成后，既有运行线内各项控制指标得到了有效控制，未对已运行线结构及道床、轨道产生不利影响。 关键词：盾构隧道；实时监测；控制指标；参数；沉降 中图分类号：U456.3 文献标识码：A 文章编号： 1 前言 1.1 工程背景 深圳地铁 3 号线购物公园站福田站区间右线下穿隧道与正在运营的深圳地铁 1 号线隧
2、道之间的最小净距为 1.46 m，左线最小净距为 1.23 m。区间下穿隧道主要位于全风化花岗岩层和强风化花岗岩层，隧道覆土厚度约为 18m，线路坡度为-5，采用通用型管片，管片外径 6.0m，内径 5.4m，管片厚度 300mm，管片宽度 1.5m，分块数为 6 块（一块封顶块、两块邻接块、三块标准块） 。 1.2 难点及风险分析 1、技术难点 新建地铁与下穿的既有运行线最小净距 1.23 米，盾构掘进对既有运行线影响较大，根据深圳市地铁公司城市轨道交通安全保护区施工管理办法（暂行） 规定，运营线路轨道竖向变形4mm，两轨道横向高差4mm，水平及水平三角坑高低差4mm10m，轨距+6mm-2
3、mm；控制指标严格，对盾构掘进控制要求高。 2、工程安全方面存在的风险 正在运营的地铁 1 号线因沉降过大影响营运，甚至造成停运的风险，社会责任重大；下穿区域全强风化地层中存在球状风化体的风险；盾构机选型及后配套设备故障导致停机引起的安全风险。 2 施工模型研究及方案确定 2.1 施工模型研究 1、 施工力学行为数值分析力学模型 1）正交段最小净距仅为 1.2m，上洞埋深为 10.6m； 2）综合判定围岩级别为级，夹土体围岩按加固考虑； 3）主要模拟新建隧道开挖对既有 1 号线运营线隧道的影响； 4）采用 FLAC3D 进行力学分析。 图 1 力学模型示意图 2、施工力学行为数值分析计算结果
4、1）地表沉降为 7.7mm，既有隧道（1 号线）最大沉降 3.9mm，附加拉应力达到 1.25MPa。 2）上下两洞之间地层的最大主应力值将达到 0.25MPa，下洞（3 号线）最大轴力为 616kN，最大弯矩为 28kN?m，均位于两侧边墙部位。 目标地表与既有 1 号线隧道随施工的下沉情况如图 2 和图 3 所示。 图 2 目标面地表随施工沉降情况图 3 既有隧道（1 号线）随施工下沉情况 2.2 控制指标 根据深圳市地铁集团城市轨道交通安全保护区施工管理办法 （暂行） 的规定，参照多次专家论证会的论证意见，新建盾构隧道施工对既有 1 号运行线影响的控制指标按三级预警制度进行管理，即，预警
5、值、报警值、控制值三级。预警值取控制值的 50%，报警值取控制值的 80%，结构变形控制指标如下： 表 1 结构变形控制指标（单位：mm） 2.3 施工方案 由于新老两条隧道之间间距较小，提前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，反而会造成所夹土体变形、沉降，加剧既有一号线运行线隧道的变形。因此，结合地层条件采用严格控制盾构机掘进参数的方法，直接掘进通过既有 1 号线运行线。 左右线各采用 1 台海瑞克盾构机进行下穿地铁既有运行线的施工。盾构通过该区域范围时列车限速（25km/h） 。将进入交汇区前 20m 隧道设为试验段，按控制 1 号线隧道沉降标准的 50%对地面沉
6、降进行控制，以确定合理的盾构掘进参数。进行下穿地铁 1 号线施工时，盾构机采用土压平衡模式，均衡、连续、匀速通过交汇区。施工中在地表布设监测点及在地铁 1 号线隧道内布设自动监测系统反馈的监测数据指导下，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，确保盾构机安全下穿地铁 1 号线既有运行线。 3 关键技术控制 3.1 盾构机改造 在盾构机下穿过程中，为防止盾构机停机及设备故障造成既有运行线沉降，需对盾构机做如下改造： 1、盾构机中盾 12 点位增设径向注浆孔。当盾构机停机时，可用盾构机台车上提前准备好的二次注浆机通过盾构机中盾 12 点位上增设的径向注浆孔向盾体周围注
7、入 Na 基膨润土。 2、在盾构机二号台车膨润土箱处加设高压水泵。在盾构机下穿施工过程中，一旦发生盾构机泡沫管堵塞，且短时间内无法疏通时，则立即启动膨润土箱增设的高压泵，通过土仓壁 3 点位、9 点位以上的注入孔向土仓内喷射泡沫剂，防止仓温过高及结泥饼。 3.2 实时监测技术 1、监测范围的确定 自动化监测系统的监测范围是，深圳地铁 1 号线下穿交汇区域两侧各 40m 共 80 米的范围。每 5 米一个断面，共布设 17 个监测断面。每个断面在轨道附近的道床上布设两个沉降监测点，中腰位置布设两个水平位移监测点，隧道拱顶布设一个拱顶沉降监测点，即每个监测断面布设5 个监测点。 为了更直观反映既有
8、运行线结构与道床的变化，处于既有运行线隧道与新建隧道相交位置的 5 个断面的道床边缘管片上增设两个监测点，达到每个断面布设 7 个监测点。各观测点采用连接件配小规格反射棱镜，使用膨胀螺丝及云石胶锚固于监测位置的管片侧壁及道床混凝土中，棱镜反射面指向工作基点，各观测点位的布设见点位布设图。 图 4 监测点布置平面图 图 5 不同监测点断面布置图 2、自动监测系统特点 为了充分发挥 TCA 智能全站仪的优越性，减少作业人员的工作量，测距时不进行温度和气压的测定，直接得到变形点的三维坐标。采用极坐标法进行施测，然后对施测结果进行差分处理。自动监测系统原理如下图： 图 6 自动监测系统原理图 TCA
9、全站仪的主要优点包括：无人值守，完全自动；监测精度高；实时处理，可视化显示；可靠性高，运行成本低；变形点增减灵活，成本低廉。 3、自动监测系统的实施 根据施工要求，为满足下穿期间实时监测要求，采用远程自动化实时监测，同时，为满足施工期间及工后一定周期的日常维修安全监测要求，对本工程辅以人工监测的方法。具体监测项目内容和频率如下表。 表 2 监测项目内容和频率一览表 3.3 盾构掘进技术控制 1、施工组织及工序管理 1）施工顺序：根据左右线工期安排，先施工左线隧道，再施工右线隧道。 2）施工范围确定 本次下穿地铁 1 号线既有运行线的施工分为 3 个施工区域，既有 1号线与 3 号线交汇区域为危
10、险区，危险区两侧各 6 米范围为风险区，风险区域两侧各 20 米为预警区。由交汇段里程 ZDK5+477.17 ZDK5+497.25 和 YDK5+476YDK5+496.3，并考虑到盾构机千斤顶行程为0 时，千斤顶底座与盾尾距离 2.8m，与刀盘距离 5.55m，确定为左线在交汇区的施工范围为 1738 环，右线为 1637 环。3 号线盾构掘进至预警区时，1 号线既有运行线开始实行自动化监测。 图 6 施工风险区域划分 3）进度分析 盾构掘进段循环时间计算，依据以往类似工程经验，盾构掘进按60min/每环考虑，管片安装按 40min/每环考虑，每 6m 一次的接水管施工与管片拼装施工平行
11、作业，每 6m 一次的接钢轨施工与盾构掘进施工平行作业，其他出渣、管片运输等影响时间按 20min/每环考虑，则每循环需时间为 2h，每天进度指标为 12 环。 4）盾构掘进施工工序主要包括：轴线控制、管片防水、管片安装、同步注浆、盾尾油脂的压注、泡沫剂的压注及二次注浆等，每道工序均有成熟的程序，施工过程中需严格按程序进行。 2、盾构掘进参数的确定 1）土压平衡状态下的设定土压力 PkH （k：土压力的侧向系数，视覆土性质和厚度而定，一般在 0.50.7 之间；：土的容重；H：隧道中心埋深） ，在工程实施过程中，根据实际情况可作适当调整。 2）推进出土量控制，理论出土量/4D2L/46.282
12、1.546.4m3/环。考虑岩土的松散系数，盾构掘进时的实际出土体积约为 67.5 m3/环。现场实际计量时，出土量控制可采用掘进 300mm 出渣 1 车来控制。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）道宽度为 115140mm 的环型空隙。为了尽快填充环形间隙使管片尽早支撑地层，防止地层变形过大而危及 1 号线安全需要进行注浆。同步注浆采用盾尾壁后注浆方式，通过控制同步注浆压力和注浆量（注浆压力控制在 0.25Mpa 左右，每环注浆量 6.5m3 左右）来确定注浆时间。具体注浆参数需通过试验段地面沉降情况进行确定。注浆配合比采用如下设定，在施
13、工中可适当调整。 表 3 同步注浆配合比 3.4 沉降观测结果 在左线盾构机下穿施工完毕后，1 号线既有运行线的上行线结构监测点最大沉降稳定在-6.5mm，下行线结构监测点最大沉降-5.0mm，轨床最大沉降-4.4mm（下行线） ，轨床差最大为 0.66mm（上行线） 。各项监测指标均在控制值范围内。 在右线盾构机下穿施工完毕后，1 号线既有运行线的上行线结构监测点最大沉降稳定在-13.6mm，下行线结构监测点最大沉降-11.05mm，轨床最大沉降-11.55mm（下行线） ，轨床差最大为 2.05mm（上行线） 。各项监测指标均在控制值范围内。 4 结论 1、下穿施工完成后，既有运行线内各项
14、控制指标得到了有效控制，未对既有运行线结构及道床、轨道产生不利影响。 2、在右线盾构下穿 1 号线既有运行线过程中，1 号线地铁列车未进行任何限速及其他控制措施，下穿施工未对列车营运造成不利影响。 3、此次下穿组织模式已被深圳市政府当做典范成功进行推广使用。 参考文献： 1刘建国. 深圳地铁盾构隧道技术研究与实践M. 人交通出版社, 2011. 2马福东, 石伟强. 复杂条件下结构穿越既有线设计与施工技术J.现代轨道交通, 2008(3). 3科峰. 盾构法隧道施工技术简介J. 人民珠江, 2003(5). 4何焕雄. 盾构法施工技术及其在我国的发展和应用J. 建筑技术开发, 2004(4). 5邵华, 张子新. 盾构近距离穿越施工对已运营隧道的扰动影响分析J. 岩土力学, 2004, 25(增刊 2)
