盾構(gòu)超凈距下穿既有10號(hào)線特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源微沉降控制技術(shù)研究

王秋生，張 功，王賀旺，李 皓，胡祖軍，楊 超

（北京住總集團(tuán)有限責(zé)任公司軌道交通市政總承包部，北京市 100029）

0 引言

隨著近年來軌道交通建設(shè)的高速發(fā)展，超大型城市如北京、上海、廣州等地的軌道建設(shè)面臨的施工風(fēng)險(xiǎn)越來越大，多次穿越地鐵線路已經(jīng)逐漸成為常態(tài)化的設(shè)計(jì)與施工。以北京為例，根據(jù)規(guī)劃2050年前后北京市軌道交通建設(shè)線路中節(jié)點(diǎn)車站和區(qū)間穿越段數(shù)量高達(dá)118處。北京作為政治、文化中心，對(duì)地鐵建設(shè)及運(yùn)營的安全風(fēng)險(xiǎn)管控等級(jí)極高。由于新建隧道施工過程中對(duì)周圍土體產(chǎn)生擾動(dòng)引起外力及支撐條件改變，導(dǎo)致已有建筑（構(gòu)）物發(fā)生沉降、變形及附加應(yīng)力的增加，甚至出現(xiàn)坍塌事故。因此，對(duì)于盾構(gòu)施工穿越既有線結(jié)構(gòu)等特、一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源，如何控制好新建線路對(duì)既有線路的影響，將既有線隧道結(jié)構(gòu)的隆起、沉降值精細(xì)化管控確保線路的正常運(yùn)營安全，成為當(dāng)前盾構(gòu)施工研究的重點(diǎn)課題。

國內(nèi)外學(xué)者對(duì)盾構(gòu)穿越施工引起的沉降變形及控制措施進(jìn)行了大量研究，主要以理論模型、數(shù)值分析、現(xiàn)場(chǎng)及模型試驗(yàn)研究為主并形成了大量的成果用于指導(dǎo)實(shí)踐施工[1-7]。汪洋等[8]廣州地鐵3號(hào)線區(qū)間盾構(gòu)隧道為課題背景，通過數(shù)值模型分析計(jì)算以及相似模擬試驗(yàn)手段，對(duì)隧道施工正交下穿既有線路期間引起的應(yīng)力及變形進(jìn)行研究，得到了正交下穿過程中既有隧道結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律。楊廣武[9]等以北京地鐵10號(hào)線下穿13號(hào)線芍藥居站為例，通過采用FLAC3D模型進(jìn)行模擬分析發(fā)現(xiàn)土壓增大能夠起到控制地表沉降的效果，但是壓力過大也會(huì)造成土體地層負(fù)損失，地表發(fā)生隆起。翟和明[10]等以地鐵昌八聯(lián)絡(luò)線盾構(gòu)施工下穿既有8號(hào)線工程案例，新建線路與既有線路凈距為3.18 m，通過提出優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，細(xì)化同步注漿配比、速度及二次補(bǔ)漿的壓力、注漿量、凝結(jié)時(shí)間等措施，確保穿越既有8號(hào)線的安全。趙林[11]針對(duì)深圳地鐵7號(hào)線盾構(gòu)下穿既有1號(hào)線，通過Midas軟件模擬分析，洞內(nèi)注漿加固可以有效減少既有隧道沉降變形，并預(yù)測(cè)了施工過程對(duì)既有線的變形影響。王立新[12]等以西安5號(hào)線盾構(gòu)下穿2號(hào)線為例，研究分析了黃土地質(zhì)條件下隧道穿越施工對(duì)既有線的變形影響規(guī)律和沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。金大龍[13]等通過離心模型試驗(yàn)研究分析了深圳地鐵7、9號(hào)線凈距（2.78-2.97）下穿1號(hào)線時(shí)施工過程對(duì)既有隧道的影響規(guī)律。多條隧道穿越施工引起的群洞效應(yīng)將加劇沉降變形，且沉降峰值出現(xiàn)在隧道中心位置，并通過離心模型試驗(yàn)得到驗(yàn)證。

盾構(gòu)下穿既有線隧道結(jié)構(gòu)施工受地質(zhì)水文條件及位置關(guān)系影響，尤其對(duì)于超凈距穿越工程，精確控制施工引起的既有線結(jié)構(gòu)變形對(duì)于其運(yùn)營安全至關(guān)重要。本文以北京地鐵12號(hào)線西壩河站—三元橋站盾構(gòu)區(qū)間超凈距（2.18 m）下穿既有線10號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間工程為背景，通過數(shù)值模擬分析及現(xiàn)場(chǎng)掘進(jìn)參數(shù)優(yōu)化研究穿越既有線微沉降控制技術(shù)，通過合理的技術(shù)參數(shù)優(yōu)化及實(shí)施確保盾構(gòu)區(qū)間下穿既有線10號(hào)線的運(yùn)營安全，為今后類似超凈距下穿施工提供了寶貴的施工經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 盾構(gòu)區(qū)間工程概況

地鐵12號(hào)線西壩河站—三元橋站區(qū)間東起三元橋站，沿北三環(huán)東路向西北敷設(shè)，在三元橋東北先后下穿10號(hào)線、機(jī)場(chǎng)線區(qū)間，然后在機(jī)場(chǎng)高速路前左線以R-380 m曲線、右線以R-400 m曲線調(diào)整線路走向并擴(kuò)大線間距，下穿三元橋匝道橋后沿三環(huán)方向向西，從三元西橋兩側(cè)繞行通過，到達(dá)西壩河站。

區(qū)間起始點(diǎn)里程為右CSK116+631.637～右CSK118+112.650，總長度1481.013 m，區(qū)間線路線間距為19.2 m～35 m~17.2m，采用盾構(gòu)法施工，管片尺寸為外徑6 400 mm，管片厚度300 mm，管片寬1 200 mm。區(qū)間盾構(gòu)隧道采用兩臺(tái)直徑6.4 m土壓平衡盾構(gòu)施工。區(qū)間線路見圖1。

圖1 區(qū)間線路圖

下穿既有線地鐵10號(hào)線為盾構(gòu)施工隧道，位置位于機(jī)場(chǎng)高速下，距離車站始發(fā)距離為：左線距離206 m，右線距離237 m。地鐵10號(hào)線區(qū)間隧道為單洞單線隧道。穿越影響范圍為：左SSK117+867.000~左SSK117+916.000；右CSK117+839.000~右CSK117+887.000。10號(hào)線右線區(qū)間隧道距盾構(gòu)區(qū)間距離為4.499 m，10號(hào)線左線區(qū)間距盾構(gòu)區(qū)間2.186 m。下穿地鐵10號(hào)線區(qū)間隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為特級(jí)。新建線路與既有10號(hào)線位置關(guān)系見圖2。

圖2 新建線路與既有10號(hào)線位置關(guān)系

1.2 地質(zhì)水文條件

本區(qū)間雙線下穿地鐵10號(hào)線區(qū)間隧道穿過的主要地層為中粗砂⑥3層、粉細(xì)砂⑤2層、粉質(zhì)黏土④層。地下水潛水（二）水位標(biāo)高31.32~29.67 m，層間潛水（三）水位標(biāo)高18.66~17.82 m，層間潛水（四）水位標(biāo)高10~9.5 m，見圖3。

圖3 地質(zhì)剖面圖

2 盾構(gòu)下穿既有10號(hào)線三維模擬分析

2.1 模型建立

以12號(hào)線隧道為中心，建立數(shù)值模型，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模型，計(jì)算范圍長×寬×高=80 m×80 m×50 m，下穿隧道與既有線最小距離2.18 m。該模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，底部固定，模型上表面為應(yīng)力邊界，施加的荷載為20 kPa模擬路面荷載，見圖4。其中管片結(jié)構(gòu)破壞符合材料彈性破壞準(zhǔn)則，地質(zhì)結(jié)構(gòu)與注漿區(qū)域破壞符合Mohr－Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則，模擬中采用的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖4 盾構(gòu)穿越模型

表1 模型參數(shù)

穿越土層地質(zhì)參數(shù)如下表所示。盾構(gòu)掘進(jìn)施工土壓力取0.2 MPa，注漿壓力取0.4 MPa，注漿量5 m3/環(huán)，盾構(gòu)掘進(jìn)速度5 cm/min。

2.2 穿越施工數(shù)值結(jié)果分析

分別對(duì)整個(gè)掘進(jìn)過程中既有線管片及上覆土體沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將整個(gè)穿越過程分為開始穿越、穿越左線、穿越右線、穿越完成四個(gè)階段，其中對(duì)12號(hào)線中心所在剖面位置進(jìn)行位移場(chǎng)的監(jiān)測(cè)，四個(gè)穿越階段見圖5。

圖5 監(jiān)測(cè)步序圖

不同階段垂直位移分布見圖6。

圖6 既有結(jié)構(gòu)垂直位移

從云圖中可以看出，在盾構(gòu)推進(jìn)至既有線影響范圍后，既有線及上覆土體由于受到施工擾動(dòng)出現(xiàn)變形，但總體變形量不大，地表沉降值最大值出現(xiàn)在盾構(gòu)推進(jìn)區(qū)域，最大沉降值約為2 mm，而既有線管片沉降量小于0.2 mm。

隨著推進(jìn)過程的持續(xù)，盾構(gòu)穿越既有線左線后，既有線左線管片及上覆土體開始發(fā)生明顯變化，管片最大變形量0.55 mm，同時(shí)既有線正上方地表沉降達(dá)1.71 mm，而右線管片及地表沉降未發(fā)生明顯變化，仍處于緩慢變形階段。

隨著進(jìn)一步推進(jìn)，盾構(gòu)穿越既有線右線后，既有線左線管片變形持續(xù)，其變形增長速度與之前大致相同，最大處增加至0.82 mm，而上覆土體沉降量在一段時(shí)間的穩(wěn)定后再次發(fā)生突變，增大至約3.3 mm后逐漸平緩；既有線右線管片變形增大，最大處增加至0.64 mm，上覆土體持續(xù)增大，且變化位置略滯后于管片變形增大處，變化量最大為2.11 mm。

隨著整個(gè)穿越過程結(jié)束，此時(shí)既有線左線管片及上覆土體變形已趨于穩(wěn)定，而右線管片及上覆土體變形已呈現(xiàn)減緩趨勢(shì)。最終地表沉降均在5 mm左右，左右線管片結(jié)構(gòu)的最終累計(jì)沉降均在1 mm左右，說明該技術(shù)措施基本可滿足穿越期間的沉降及變形需求。

3 盾構(gòu)施工參數(shù)優(yōu)化控制

為確保盾構(gòu)穿越特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源的順利通行，盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)行適用性評(píng)估中采用全新中鐵裝備土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，刀盤形式為輻條式，開口率60%，額定扭矩8 410 kN·m，脫困扭矩10 092 kN·m，總推力42 575 kN，最大推進(jìn)速度為10 cm/min，滿足本段盾構(gòu)施工要求。

下面對(duì)下穿既有10號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間特級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源階段主要掘進(jìn)參數(shù)控制進(jìn)行分析介紹。

3.1 下穿階段盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

與理論計(jì)算相比，下穿段的掘進(jìn)參數(shù)依據(jù)試驗(yàn)段數(shù)據(jù)及模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，其各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)均大于理論值：

（1）下穿階段的盾構(gòu)參數(shù)控制：刀盤轉(zhuǎn)速1~1.5 r/min，土壓：1.6~2.0 bar,扭矩2 000~4 500 kN·m，掘進(jìn)速度40~50 mm/min，推力15 000~20 000 kN，出土量43 m3，并嚴(yán)格控制出土量。

（2）同步注漿：同步注漿量采用預(yù)拌料，注漿壓力0.3~0.5 MPa。

（3）克泥效：每環(huán)注入0.3 m3，利用膨潤土泵及B液泵在盾體上方注入。配比：400 kg/m3，80袋/罐（7 m3），水玻璃1∶1注水，克泥效與水玻璃20∶1注入，（掘進(jìn)速度40 mm時(shí)，膨潤土泵10 L/min，B液泵0.5 L/min）。

（4）二次補(bǔ)漿：二次補(bǔ)漿采用雙液注漿（見圖7），在下穿影響區(qū)域內(nèi)對(duì)脫出盾尾管片每環(huán)補(bǔ)漿，補(bǔ)漿點(diǎn)位選取在時(shí)鐘點(diǎn)位11點(diǎn)及1點(diǎn)，提前將封頂快上的注漿孔打通并安裝注漿頭，管片脫出盾尾3環(huán)時(shí)（掘進(jìn)環(huán)減5）進(jìn)行，注入量0.3方，注入壓力小于3.5 bar。配比：水灰比0.8∶1，水玻璃波美度為35~40，水玻璃1∶1注水，水泥漿1∶1水玻璃溶液，雙液漿凝結(jié)時(shí)間30~40 s。

圖7 二次補(bǔ)漿

（5）后續(xù)補(bǔ)漿：為確保既有隧道結(jié)構(gòu)的微沉降效果，每2環(huán)再補(bǔ)漿一次，注漿量及配比與二次補(bǔ)漿相同，以壓力控制為主，并根據(jù)實(shí)時(shí)反饋的沉降數(shù)據(jù)增加補(bǔ)漿次數(shù)。

3.2 既有線結(jié)構(gòu)沉降分析

沉降控制標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)點(diǎn)布置：

既有10號(hào)線是北京的第二條環(huán)形地鐵線路，由于10號(hào)線輻射效果并與其他線路形成換乘節(jié)點(diǎn)，10號(hào)線為全國客運(yùn)量最大的客運(yùn)線路，每日客流量達(dá)到200萬左右。因此，作為北京最重要的交通樞紐設(shè)施，確保其運(yùn)營安全是重中之重。結(jié)合10號(hào)線的敏感地位，其控制標(biāo)準(zhǔn)見表2。

表2 既有線結(jié)構(gòu)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)

（1）道床結(jié)構(gòu)自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)：下穿部位以5 m間隔緊密布設(shè)，鄰近下穿部位以10 m間隔布設(shè)。

（2）隧道結(jié)構(gòu)、道床結(jié)構(gòu)人工沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)：下穿部位以5 m間隔緊密布設(shè)，鄰近下穿部位以10 m間隔布設(shè)，其余部位以15 m左右間隔布設(shè)。

（3）幾何形位監(jiān)測(cè)點(diǎn)：測(cè)點(diǎn)位置與道床結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)同監(jiān)測(cè)斷面。

（4）無縫線路鋼軌位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)：在左右線兩端布設(shè)。

（5）隧道結(jié)構(gòu)橫向變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)：與自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目同斷面。

（6）盾構(gòu)區(qū)間收斂、管片錯(cuò)臺(tái)、管片環(huán)縱縫張開值監(jiān)測(cè)點(diǎn)：與自動(dòng)化沉降監(jiān)測(cè)項(xiàng)目同斷面。

既有線結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)布置見圖8。

圖8 既有線結(jié)構(gòu)測(cè)點(diǎn)布置圖

通過對(duì)既有線結(jié)構(gòu)沉降數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分析，盾構(gòu)機(jī)在到達(dá)既有10號(hào)線左線1 m時(shí)，沉降變形由于刀盤前方土壓增大形成微隆起，最大隆起量0.07 mm，隨著盾構(gòu)掘進(jìn)下穿10號(hào)線左線過程中，既有線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了整體的沉降變形，最大沉降量達(dá)到1 mm。盡管在掘進(jìn)期間通過增加土壓（2.5~3 bar）、克泥效等措施，但對(duì)于控制穿越前三階段沉降效果不明顯。

隨著管片脫出盾尾進(jìn)行二次補(bǔ)漿，由于雙液注漿的快速凝結(jié)有效減緩沉降變形，二次補(bǔ)漿共計(jì)進(jìn)行3次，每次注漿完成后既有結(jié)構(gòu)變形均有明顯的微隆起，以穿越左線為例，其隆起量分別為0.5 mm，0.24 mm，0.11 mm。盾構(gòu)穿越完成既有10號(hào)線左線結(jié)構(gòu)的最終累計(jì)沉降為-0.35~-0.54 mm范圍，盾構(gòu)穿越既有10號(hào)線右線的最終累計(jì)沉降-0.7~-1.23 mm，均遠(yuǎn)小于控制沉降標(biāo)準(zhǔn)，成功實(shí)現(xiàn)微沉降控制效果，見圖9。

圖9 既有線結(jié)構(gòu)沉降變形

施工過程中，對(duì)既有10號(hào)線洞內(nèi)道床結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，盾構(gòu)穿越過程中道床呈現(xiàn)了明顯的下沉變形過程，由于洞內(nèi)人工監(jiān)測(cè)受限，盡管監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏少，但隨著50 h以后二次補(bǔ)漿，道床的變形逐漸趨于穩(wěn)定，最終左、右線沉降變形為-0.23 mm、-0.85 mm，均滿足控制標(biāo)準(zhǔn)要求，見圖10。

圖10 既有線結(jié)構(gòu)道床沉降變形

4 結(jié)語

（1）盾構(gòu)下穿既有線結(jié)構(gòu)時(shí)，推力、扭矩、土壓力等各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)均比理論計(jì)算擬定值大，下穿施工前，需根據(jù)地勘報(bào)告中的土層物理力學(xué)參數(shù)并結(jié)合試驗(yàn)段掘進(jìn)施工參數(shù)及地表沉降情況，綜合確定盾構(gòu)下穿掘進(jìn)參數(shù)。

（2）通過數(shù)值模擬研究分析，盾構(gòu)穿越施工的各項(xiàng)技術(shù)措施能夠保障順利穿越，其左右線管片的結(jié)構(gòu)沉降均可控制在1 mm左右，地表沉降控制在5 mm左右，均滿足既有線結(jié)構(gòu)的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)。

（3）盾構(gòu)下穿既有線結(jié)構(gòu)施工過程中，其前三階段的沉降主要通過調(diào)整土壓進(jìn)行控制，推進(jìn)過程中使用的克泥效能夠緩解三階段的累積沉降，但作用有限。

（4）盾構(gòu)管片脫出盾尾后其沉降變形控制主要依靠補(bǔ)漿完成，合理選用補(bǔ)漿材料及補(bǔ)漿參數(shù)，嚴(yán)格控制補(bǔ)漿凝結(jié)時(shí)間縮短沉降變形，多次補(bǔ)漿等措施能夠有效控制沉降，既有線10號(hào)線左、右線的最大累計(jì)沉降分別為-0.54 mm、-1.23 mm，滿足3 mm沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)，通過本技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)超凈距穿越的微沉降控制要求。