盾构近距下穿既有地铁盾构隧道施工参数控制

马文辉， 彭 华， 杨成永

(北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044)

盾构隧道施工时可以通过调整掘进速度、排土量、土仓压力、同步注浆及二次补浆等关键参数减小穿越施工对既有邻近建筑物的影响.目前，针对北京地层环境条件下盾构穿越既有地铁盾构隧道的工程经验极少，开展此类工程的盾构施工参数研究对保证既有地铁正常运营具有较大的工程意义.

国内外学者利用理论分析、数值模拟、模型试验、现场监测等方法，对盾构穿越施工引起既有隧道的变形规律及其控制措施已经开展过一定程度的研究.文献［1］提出了地下工程施工引起地表沉降的经验计算公式，可用于计算盾构施工引起的地表二维沉降.文献［2］通过引入角度系数修正了Peck的经验计算公式，所得公式可直接计算盾构斜交下穿施工引起的既有隧道沉降.文献［3］以上海地铁新建4号线盾构下穿既有2号线隧道为依托，根据隧道受荷机理和弹性力学原理推导了盾构工作面压力理论公式，提出了盾构土仓压力分步台阶控制的方法.文献［4］针对广州地铁3号线盾构上下重叠施工，采用数值模拟和模型试验方法，考虑刚度等效折减，定性地分析了盾构下穿施工引起上部已建隧道的变形和附加内力.文献［5］通过模型试验探讨了隧道开挖引起的地层损失与其上方管线变形的关系.文献［6-8］针对上海地铁新建11号线盾构上下叠交穿越既有4号线隧道的特殊工况，采用数值模拟并结合实测数据，分析了不同盾构穿越施工次序对既有隧道及地层的影响规律，讨论了新旧隧道净距、土仓压力、注浆压力对既有隧道变形影响的权重，对比了不同土仓压力、注浆压力、配重量及其范围对既有隧道变形的影响.文献［9-10］针对杭州地铁新建4号线盾构斜交下穿既有1号线隧道，根据实测数据，讨论了盾构在到达前、通过时、通过后3个盾构施工阶段对既有隧道的扰动程度及规律，分析了推力、土仓压力、排土量等盾构施工参数对既有隧道变形的影响.文献［11］结合上海地铁新建7号线盾构下穿既有2号线隧道的实测数据，分析了既有隧道的变形规律及受施工影响的范围.

目前研究成果多局限于盾构穿越施工引起的既有隧道变形规律以及对盾构施工参数的预测分析，缺少对北京地区典型地层条件下，盾构穿越既有盾构隧道施工中隧道变形规律与盾构施工参数控制的分析研究，同时也缺少已运营地铁盾构隧道病害整治方法的研究.

北京市南水北调配套东干渠工程输水隧洞采用盾构法施工，先后穿越9条地铁线路，其中，下穿地铁8号线盾构隧道工程位于北京典型的砂卵石、黏性土地层中，施工期间既有左线隧道沉降23.9 mm，右线隧道沉降 4.8 mm，沉降差异明显，产生径向错台超限1处，管片接缝及螺栓孔渗水27处，病害严重.本文通过分析左右线隧道沉降差异较大的原因，总结了施工参数经验，按照监测数据阐述了盾构隧道受穿越施工扰动的沉降规律;提出了盾构隧道病害的整治方法，为类似工程提供参考.

1 工程背景

新建东干渠隧洞为外径6 m、内径4.6 m的圆形暗涵，一次衬砌为C50预制管片(幅宽1.2 m，厚0.3 m)，二次衬砌为 C35模筑钢筋混凝土(厚0.4 m).施工采用小松Φ6 340加泥式土压平衡式盾构机，盾壳厚70 mm，盾尾间隙30 mm，主机全长(刀盘中心刀刀头到盾尾)11.4 m;面板式盾构，刀盘开口率40%，刀盘开挖直径6.37 m.

既有地铁8号线某盾构区间隧道顶板埋深16.3 m;C50预制管片拼装，外径6 m，厚度0.3 m;中心线间距12 m.

如图1，穿越处东干渠半径为R=400 m曲线段，纵坡0‰，顶板埋深9.6 m.既有线路为直线段，右线纵坡 5.90‰，左线纵坡 5.95‰，顶板埋深6.3 m.东干渠与既有隧道交角 24°24'49″，竖向最小净距7.3 m.新建盾构隧道747～767共计21环管片位于既有左线隧道下方，768～790共计23环管片位于既有右线隧道下方.

穿越位置地层由现代河道新近沉积地层、第四系冲洪积地层组成.新建隧道位于砾黏双层地层和砾黏砾多层地层，分布岩性主要为⑤粉质黏土、⑥1卵砾石、⑦层粉质黏土.

图1 穿越工程平面Fig.1 Planar graph of traversing construction

2 数值模拟分析

施工前基于设计图纸及施工参数，通过数值模拟评估了下穿施工对既有隧道的影响.

2.1 数值模型

考虑盾构施工影响范围，采用ANSYS有限元分析软件建立了沿新建隧道长度方向120 m、垂直隧道方向160 m、深度51 m的数值模型，如图2所示.土体采用Solid45单元，符合Druck-Prager屈服准则.既有隧道采用Shell63单元.模型上表面自由，四周及底部施加法相约束.

图2 三维有限元模拟模型Fig.2 3D finite element model

土层参数见表1，盾构结构参数见表2.设定顶推力为14 000 kN，土仓压力为0.27 MPa，注浆压力为0.5 MPa.既有隧道刚度受管片错缝拼装的影响，须乘以刚度折减系数，其中，横向刚度折减系数取0.7，纵向刚度折减系数取 0.01［4，12］.

表1 土层参数Tab.1 Soil parameters

表2 盾构结构参数Tab.2 Shield structure parameters

由于受到盾构刀盘的扰动以及盾尾注浆的充填，管片周围一定厚度范围内的土体特性将发生变化，在数值模型中，需要建立匀质等厚的“等代层”模拟这一变化过程.等代层的弹性模量、泊松比、密度、厚度等参数的取值通常根据经验推定，本文根据文献［13-17］并结合盾构掘进试验段参数拟定.

采用刚度迁移法［8］模拟新建盾构隧道721～820环的施工过程，如图3所示.考虑盾构机长度和管片宽度，每个步序瞬时掘进1.2 m(1个管片宽度)，总计100步，其中第n步的模拟内容如表3.

图3 盾构施工模拟过程Fig.3 Simulation processes of shield construction

表3 模拟内容Tab.3 Simulation contents

2.2 数值模拟结果

(1)既有隧道沉降槽曲线

选择施工过程中8个典型环片施工结束后既有隧道的沉降结果，如图4.随盾构机逐步接近、穿越、驶离，既有隧道沉降逐渐增大，沉降最大位置逐渐向穿越中心移动;在模拟结束时，新建隧道拱顶部位土体沉降为12.90 mm，既有左线隧道沉降为5.90 mm，右线隧道沉降为5.30 mm，最终的沉降槽宽度约为110 m，地层及隧道的变形云图如图5.由于盾构机斜交下穿既有隧道，既有隧道沉降呈现非对称的分布规律，这一结果与文献［2］结论类似.

图4 既有隧道沉降槽曲线Fig.4 Settlement curves of existing tunnels

图5 变形云图Fig.5 Deformation nephogram

(2)隧道底板沉降时程曲线

绘制穿越中心既有隧道底板沉降的时程曲线，如图6.

在盾构机到达穿越位置前，穿越中心处既有隧道受扰不明显，在盾构机刀盘距离隧道1.0D(D为盾构机外径)时，隧道稍有沉降;在穿越过程中，沉降速率逐渐增大，直至盾构机刀盘驶离既有隧道.随着盾尾脱出，沉降速率逐渐减小，盾尾驶离隧道2.5D时，沉降趋于稳定.

图6 隧道底板沉降时程曲线Fig.6 Time-history settlement curves of tunnel floors

3 现场施工及沉降监测

穿越施工中为及时地反映既有隧道沉降规律，预判、控制潜在风险，结合数值模拟给出的沉降槽宽度，在施工影响范围内的左右线隧道各布设13组监测点，分别监测隧道及轨道结构沉降，如图7，图中:JG代表结构，如JG－106表示第6个隧道结构沉降监测点;DC代表道床，如DC－101表示第1个道床结构沉降监测点.穿越中心两侧的9组监测点间距为5 m，其余4组间距为10 m.在施工影响范围外布设1组基准点，采取自动化监测方式观测，监测频率为30 min/次.因正常运营的既有地铁列车振动会对自动化监测数据采集产生扰动，为了规避该扰动的影响，在采集的数据与之前的数据相比发生突变时，电脑自动在接下来的1 min内再重复采集3次，由操作人员选用其中的1组数据.

图7 自动化监测布点Fig.7 Arrangement of automatic monitoring

3.1 穿越既有左线隧道施工及结果

2014年1月17日23:00～1月19日16:30，盾构机进行既有左线隧道正下方747～767环管片的掘进与拼装，结合工前试验段经验，同时参考数值模拟结果，确定盾构施工参数为:盾构推力13 000 kN;平均掘进速度 8 mm/min;排土量41 m3/环;土仓压力 0.27 MPa;注浆量 5.82 ～6.38 m3/环，注浆压力 0.3 MPa.

实际每环施工的关键参数如下:

(1)掘进速度

如图8(a)所示，穿越既有左线隧道实际平均掘进速度为 10.3 mm/min.

(2)排土量

如图8(b)所示，穿越既有左线隧道实际平均排土量为 40.93 m3/环.

(3)土仓压力

如图8(c)所示，747～750 环为0.280 MPa，751～7 64 环为0.260 MPa，765～767 环为0.270 MPa.

(4)同步注浆量

如图8(d)所示，穿越既有左线隧道实际平均同步注浆量为60.03 m3/环.

既有左线隧道的沉降最大监测点JG-106数据如图9所示.由图9可知，当盾构机完成767环拼装后，沉降达到 18.5 mm.

图8 施工关键参数Fig.8 Key parameters of construction

图9 既有左线隧道沉降时程曲线Fig.9 Time-history settlement curve of existing left tunnel floor

典型环片拼装完成时既有左线隧道沉降槽曲线见图10.由于新建隧道与既有隧道是斜交，沉降槽具有非对称性.

图10 既有左线沉降槽曲线Fig.10 Settlement curves of existing left tunnel in typical stages

既有左线隧道沉降过大，远超出数值模拟预测结果，究其原因如下:

图11 施工关键参数Fig.11 Key parameters of construction

(1)土仓压力在穿越施工初期保持在0.280 MPa，穿越既有左线隧道施工中急剧下降至0.260 MPa.土仓压力急剧变化造成开挖面失稳，导致既有隧道沉降增大.在黏性土中，土仓压力调整级差不宜大于 0.005 MPa［18］.(2) 同步注浆压力未达到数值模拟要求的0.50 MPa，也未采取二次补浆措施，导致建筑空隙充填不密实.(3)新建隧道位于半径R=400 m的曲线地段，当掘进速度过快且波动较大时，盾构纠偏量、土仓压力及注浆质量不易控制，导致土层受扰过大且不能得到及时抑制.

3.2 穿越既有右线隧道施工及结果

吸取穿越既有左线隧道失败的经验教训，对盾构施工参数作出如下调整:盾构推力提高2 000 kN达到15 000 kN;同步注浆压力提高0.2 MPa达到0.5 MPa;增加二次补浆措施:浆液为水泥-水玻璃双液浆，补浆位置距拼装管片6～8环，注浆量1.00～1.50 m3/环，注浆压力 0.20～0.35 MPa;掘进速度、土仓压力必须严格执行既定方案.

2014年1月19日16:30～1月22日5:00盾构机完成既有右线隧道正下方768～790环管片的掘进与拼装.实际每环施工的关键参数如下:

(1)掘进速度

如图11(a)所示，穿越既有右线隧道实际平均掘进速度为 7.80 mm/min，较之前减慢了 2.50 mm/min.

(2)排土量

如图11(b)所示，穿越既有右线隧道实际平均排土量为40.97m3/环，与之前一致.

(3)土仓压力

如图11(c)所示，始终保持在0.270 MPa.

(4)同步注浆量

如图11(d)所示，穿越既有右线隧道实际平均同步注浆量为60.06 m3/环，与之前一致.

既有右线隧道沉降最大监测点JG-207数据如图12所示，当盾构机掘进完成790环拼装后，沉降达到 1.8 mm.

图12 既有右线隧道沉降时程曲线Fig.12 Time-history settlement curve of existing right tunnel floor

典型环片拼装完成时既有右线隧道沉降槽曲线见图13，由于隧道沉降较小，沉降槽未呈现明显的非对称性.

图13 典型阶段既有右线隧道沉降槽曲线Fig.13 Settlement curves of existing right tunnel in typical stages

3.3 穿越既有左右线隧道施工结果总结

归纳了盾构机掘进到不同位置时既有左右线隧道沉降值如表4.

总结分析盾构穿越施工参数及监测数据，得到如下结论:

(1)采用合理的盾构施工参数是控制既有隧道沉降的关键:宜在合理范围内提高顶推力;土仓压力调整级差不宜大于0.005 MPa;宜在合理范围内提高注浆量和注浆压力，同步注浆压力为0.5 MPa，二次补浆压力为 0.20～0.35 MPa，严格保证二次补浆质量;适当减缓掘进速度，有利于精确控制纠偏量和土仓压力、提高注浆施工质量.

表4 盾构掘进至不同位置时既有隧道沉降值Tab.4 Settlement of existing tunnels when shield tunnels to different locations mm

(2)数值模拟可准确评估穿越施工对既有隧道影响程度.盾构机穿越既有右线隧道时严格依照了原定施工参数且略有加强，故其沉降规律与数值模拟结果一致，且沉降值略小于预测值.

(3)综合图 9、12，虽然既有左线隧道沉降23.90 mm，右线沉降 4.80 mm，沉降差异明显，但其随盾构机掘进的沉降规律较为一致.盾构机到达隧道外缘前，既有隧道受到了一定程度的扰动，在0上下产生小幅波动;盾构机距离隧道外缘0.5D～1.0D时，沉降速率缓慢增大;盾构机抵达隧道下方直至盾尾脱出期间，沉降速率达到极值;盾尾脱出隧道外缘2.0D～2.5D后，沉降速率方逐渐减小;待盾尾脱出隧道外缘4.5D～5.5D后，沉降方趋于稳定.总体规律与数值模拟分析结果较为吻合.

4 隧道产生的病害及整治

盾构机驶离影响范围后，既有隧道由于沉降新增了如下病害:

(1)盾构管片接缝处及螺栓孔处发现27处渗漏水，如图14;(2)左线轨道几何尺寸偏差超出了综合维修管理值［19］;(3)道床表面新增18条横向裂缝，宽度在0.50～1.69 mm，深度在 50～195 mm，长度在 0.13～1.7 m.

因运营地铁夜间天窗作业时间短，治理设计方案必须针对盾构管片接缝漏水、螺栓孔漏水以及道床裂缝快速处置.

图14 典型渗漏照片Fig.14 Typical tunnel leakage photos

4.1 盾构管片接缝渗漏水治理

管片接缝渗水不同于结构裂缝渗水，不能通过直接封堵或下半圆铁片封堵.考虑到流动水条件，需要采取化学材料注浆止水.具体方法是在确定的渗漏部位两端布设限定终止孔(孔深至止水条)，终止孔范围内的拼缝采用速凝水泥外封，终止孔之间沿拼缝埋注浆铝管，孔径 80 mm，孔深 50～80 mm，孔距 350～400 mm，速凝水泥嵌缝埋管.采用环氧树脂注浆，压力 0.3～0.4 MPa，次日检查孔口管，及时补浆.

4.2 盾构螺栓孔渗漏水治理

螺栓孔渗漏处理需要拆卸螺栓孔螺帽，同时清除螺栓的泥垢、锈迹.类似接缝渗漏水的治理方法，采用阻塞球堵塞螺栓孔一端，另一端插入小铝管，采用早强水泥密封，在对拉螺栓两侧钻终止孔，孔径6 mm，孔深80 mm，采用环氧树脂注浆，压力0.3～0.4 MPa，次日检查孔口管，及时补浆，5～7 d后拆管和拔出塞球，清除螺栓孔中的早强水泥，涂上环氧树脂浆液，并安装螺栓帽.

4.3 道床结构裂缝治理

考虑到道床始终受动荷载影响，为满足裂缝处理后伸缩要求，裂缝化学注浆处理采用压力注胶器压注高韧性、低收缩的AB-4可挠型灌浆树脂，抗压强度大于 70 MPa(韧性)、拉伸强度大于10 MPa、粘接强度大于3 MPa、延伸率为30～50%.

对宽度小于0.5 mm的裂缝直接压入树脂，其余的裂缝采用树脂加入可滑石粉进行灌注，树脂与可填充物的比例不小于20%.注浆后恢复混凝土结构完整性，填充树脂的抗拉、抗压强度须大于原混凝土强度.

渗漏及裂缝病害的整治结束后至今已有3 a，原渗漏的接缝和螺栓孔未再发现湿渍;道床裂缝充填密实，未再开裂.

5 结 论

结合盾构穿越既有地铁盾构隧道实例，采用数值模拟、现场监测等方法，分析了既有隧道沉降监测数据以及盾构施工参数，分析了既有左右线隧道沉降差异较大原因，得出如下结论:

(1)受穿越施工影响，虽然既有左右线隧道沉降差异明显，但沉降规律较为一致.在充分考虑盾构施工参数前提下，数值模拟可准确评估穿越施工对既有隧道影响程度.

(2)盾构穿越施工中尤其需要注意控制土仓压力，适当提高注浆压力，确保同步注浆及二次补浆充填质量，曲线段适当减缓掘进速度.

(3)针对施工结束后既有隧道出现的管片接缝和螺栓孔渗漏水、道床结构裂缝等病害，考虑到运营地铁维修作业时间短，宜通过化学注浆治理渗漏水;考虑到道床受动荷载影响，为满足裂缝处理后的伸缩要求，宜通过压力注胶充填可挠型树脂治理裂缝.

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