盾构近距离下穿既有铁路隧道沉降控制技术研究

李孝谭

摘 要：以深圳地铁某区问盾构下穿既有铁路隧道工程为背景，运用FLAC3D软件对施工过程进行模拟，结合现场实时监测数据对沉降进行分析，并通过对盾构近距离下穿既有铁路隧道的整个施工过程进行调查、研究与分析，提出盾构下穿既有铁路隧道沉降控制的有效技术措施。结果表明：1）设置试验段，根据试验段监测反馈对施工方案进行调整，对穿越段施工有极大的参考意义;2）适当增大推进土压，提升推进速度，可提高沉降控制效果;3）在盾尾设置双液浆隔离环和盾体注入厚浆，在沉降控制中起到了十分积极的作用。

关键词：盾构隧道;近距离;下穿既有铁路;数值模拟;沉降控制

伴随我国城市轨道交通建设的发展，新建地铁线路将越来越多地穿越重要建筑物及隧道，施工所面对的环境条件越来越复杂。如果盾构在复杂环境中的掘进对已有结构的稳定性影响较大，导致其安全及使用功能无法保障，将造成巨大的损失和不良的社会影响，故如何控制隧道开挖对既有线路稳定性的影响，是近年来盾构法施工面临的一个重要问题。

目前针对盾构近距离下穿既有隧道的措施多采用既有隧道超前预加固的方式，但存在工程造价高的问题。本文以深圳某地区地铁隧道近距离下穿既有铁路隧道为背景，借助数值模拟软件进行模拟分析，结合实际监测数据，在未对既有隧道采取超前预加固的前提下提出比较合理的盾构施工方法，以最大程度地减小盾构施工对既有隧道稳定性及地表沉降的影响。

一、工程概况

新建地铁隧道采用土压平衡式盾构机，线路间距12m，最大坡度28‰，盾构管片外径6.7m，内径6m。新建地铁隧道与既有穗莞深铁路隧道近距离下穿，既有隧道为盾构施工隧道，沉降控制标准6mm，地表沉降控制标准30mm。下穿影响区域内，与穗莞深铁路隧道净距仅4米，主要穿越的地层为中风化混合花岗岩和微风化混合花岗岩。

二、数值模拟分析

（一）计算模型的建立

本文运用数值模拟的方法，采用FLAC3D软件建立的三维模型进行分析计算。根据数值模拟计算结果，得出地铁盾构下穿既有铁路隧道的扰动程度，以指导施工，从而确保已运营地铁隧道的安全。

（二）模型分析結果

1、城际铁路隧道结构竖向位移

地铁区间隧道施工模拟完成后，选取评估断面，得到地表、城际铁路隧道拱顶及拱底纵向沉降位移曲线，可以得到以下结论：

1.1随着距新建隧道对称面距离的增加，不同位置的沉降均逐渐减小，且各沉降槽曲线形式基本相同，符合高斯沉降曲线特征;

1.2随着距地表距离的增加，即逐渐靠近新建隧道，沉降槽曲线逐渐变得越来越深，宽度越来越窄，峰值增加;

1.3新建区间双幅隧道施工完成后，管片底部位置沉降槽曲线具有“双峰”性，峰值点分别位于新建隧道中心线位置。但随着距新建隧道距离的增加，这一特征发生变化，拱顶和地表位置沉降槽曲线表现出“单峰”性，峰值出现在新建隧道的对称面上;产生此结果的原因是越靠近新修隧道受影响越大。

1.4评估断面地表最大沉降值为0.424mm，拱顶位置最大沉降值为0.588mm，拱底位置具有两个峰值，分别为0.412mm和0.509mm，因此城际铁路隧道拱底位置最大沉降出现在区间右线隧道中心位置处。

由以上结论可知城际铁路隧道沉降位移满足城际铁路隧道变形控制标准。

2、城际铁路隧底差异沉降

本着隧道底部的差异沉降与道床一致性要求，通过分析隧底的差异沉降来反映道床的差异沉降规律。城际铁路隧道左右线隧底沉降槽曲线具有“双峰”性，而且沉降基本集中在峰值前后10～15m范围内，根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》规定，差异沉降评估弦长取10m，允许差异沉降为4mm，而由上节数据可知，左右线最大差异沉降值为0.496mm，因此，差异沉降满足规范要求。

3、城际铁路隧道结构水平位移

区间隧道施工模拟完成后，得到城际铁路隧道拱腰纵向水平位移曲线，可以得到以下结论：

3.1城际隧道左右线位置处水平位移曲线规律性不强，隧道周围土体受扰动显著，但是整体趋势一致;

3.2距新建隧道左右线线中间点（断面）的距离为40m范围外，管片中部位置处的水平位移逐趋近于0;

3.3左右线管片中部水平位移峰值分别为0.191mm和0.193mm。

由以上结论可知城际铁路隧道结构整体水平位移值较小，满足城际铁路隧道变形控制标准。

三、施工措施

（一）盾构区间穿越在建穗莞深隧道风险区划分

为加强穿越工程中的过程控制，实施差别化管理，并为正式穿越施工提供可靠的各项技术参数，对穿越工程实施穿越掘进风险分析。

结合相关工程经验，并考虑到本工程特点，分区设置如下：

1、左线分区：自349环→382环为预警区，自383环→426环（下穿段）为施工高风险区，自427环→460环为预警区;

2、右线分区：自372环→405环为预警区，自406环→445环（正式下穿段）为施工风险区，自446环→479环为预警区;

（二）下穿前准备工作

1、穗莞深隧道调查

盾构始发前，联合监理、业主及穗莞深施工单位对穗莞深隧道表面、渗漏点和裂缝等及隧道的现状情况进行详细检测并记录。

2、技术准备

根据对在建隧道的调查与补充地质勘探成果，紧密结合工程条件，评估盾构施工的特点和水平，提前编制施工技术方案，并通过内部讨论、专家会审等程序对技术方案进行优化。

3、物资准备

按照施工方案、技术交底以及应急预案做好施工所需物资准备。

4、监控量测

采用人工监测，在穗莞深隧道内采用实时监测采集数据系统数据为依据，分别对垂直沉降、水平位移、隧道断面收敛变形等进行详细监测，做到数据的快速采集、确保及时的反馈。

（三）盾构施工参数控制

1、土仓压力

土压平衡式盾构机掘进的原理是建立在开挖面前后的水土压力平衡。在盾构掘进的不同阶段，土压力设定是变化的，施工中考虑不同地质和隧道覆土的变化，结合环境监测数据不断调整。因此，平衡土压值的设定是土压平衡式盾构施工关键，通过计算理论土压力与实际设定土压力进行比较，判断土压力是否满足施工需要，设定土压力。

2、出土量

土压平衡盾构是以切口环做为密闭土仓，盾构推进中切削后土体进入密闭土仓，随着进土量增加建立一定的土压力，在通过螺旋输送机完成排土，而土仓压力值是通过出土量进行控制。因此，出土量的多少、快慢与设定的土压力值密切相关，操作人员可通过每环理论出土量与实际每环出土量进行比较，判断出土量

3、掘进速度

盾构掘进速度主要受盾构设备进、出土的限制，若进出土速度不协调，极易出现正面土体失稳和地表沉降等不良现象，因此，应尽量保持均衡匀速连续组织掘进作业。当出现异常情况时，应及时停止掘进，封闭正面土体，查明原因后采取相应的措施处理。

4、千斤顶推力

盾构是依靠安装在支撑环周围的千斤顶推力向前推进，推力的大小与盾构掘进所遇到的阻力有关，正确地使用千斤顶是盾构是否能沿设计轴线（标高）方向准确前进的关键。因此，在每环推进前，应分析盾构趋势，正确的选择千斤顶编组，合理的进行纠偏。

5、注浆措施

同步注浆时要求在地层中的浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补同时又不产生劈裂。注浆压力过大，管片周围土层将会被浆液扰动而造成后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆;而注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不充足，会使地表变形增大，本标段即0.3～0.45Mpa.

6、二次注浆

二次注浆通过二次注浆泵将浆液通过管片吊装孔注入管片与周围土体之间，二次注浆采用压力控制，压力控制在0.5MPa之间。二次注浆泵安装在移动平台上，可对脱出盾尾4环后的管片进行二次注浆。

7、盾体上注厚浆

本工程选用海瑞克盾构机，为减少该阶段沉降，应尽量缩短盾体通过时间，因此需保证盾构能连续掘进，防止盾构机发生不必要的停机。

8、渣土改良技术

土压平衡盾构在上软下硬地层掘进时，渣土改良是保证盾构安全、顺利、快速的一项不可或缺的重要技术手段。本工程选用法国唐达特泡沫剂进行土体改良。

四、变形数据分析

新建区间隧道中心线与穗莞深隧道相交正穿范围沿成型穗莞深隧道方向按6m间距向两侧布设监测点，两边次影响范围按照10米间距向两侧布设监测点，点位布设在隧道侧壁的管片上，各监测点用埋点元件配合观测连接杆和圆棱镜，测点元件锚固于监测位置的侧壁中，每条隧道共布设20个断面。

在数据监测中设定警戒指标，監测点预警分析情况，当变形速率或变形量达到相关指标时，监控人员马上发出警戒信息，及时向有关各方汇报，并加强监测频次，加强隧道结构巡查。

（一）沉降数据统计

由于南北方向水平位移较小，本次只统计分析穗莞深城际线东西方向水平位移及垂直沉降数据。本次下穿最大沉降2.2mm。

（二）沉降数据分析

1、盾构推进对前方铁路隧道结构影响范围大约在30m范围内。从图上可知，对于前方铁路隧道结构的沉降为微微隆起+0.4mm。但是持续的时间较长，沉降是在一个缓慢的过程中完成的，并且有发生地表隆起的现象。

2、盾构推进对后方土体扰动沉降的影响范围主要在0～10m范围内，所以本阶段沉降一般会有突然变化，且变化速率最大，为-1.5mmm，为最大沉降值的35%。

3、盾构通过和盾尾脱出阶段铁路隧道结构沉降同样较大，是最大沉降值的45%。因此，盾构通过和盾尾脱出阶段是沉降的主要阶段。要控制最大沉降，必须从以上两个阶段着手。

4、固结沉降是一个较长期的过程，为沉降值的15%，二次注浆对铁路隧道结构最终沉降有着较大的影响，通过二次注浆，可以使铁路隧道结构最大沉降值减小，不仅使后期沉降大大减小，而且使沉降有所回升。

五、结论和建议

就盾构施工而言，软硬不均地层条件下穿越铁路隧道的确是盾构法施工中的重大难题，施工风险高，控制难度大。就目前所具有的技术水平来看，这个难题是可以克服的，其风险也是可控的，主要应做好以下几点：

1、对盾构下穿施工工程本身的特点、难点、重点，如工程地质、水文地质及其对工程的影响，内外环境的影响，工程风险等，对其全面、深刻的认识和理解是克服施工难题、控制风险的前提。

2、盾构选型设计制造合适的盾构机，确保其功能、技术性能的适应性和可靠性，保证盾构机能够适应工程的地质和环境条件，是克服施工难题、控制施工风险的基础。

3、完善的监测手段、合理的监测频率、及时的信息反馈和动态调整是确保工程安全的关键，也是实现“人-盾构-环境”复杂系统自我调节、自我完善的保证。

4、“管理高于技术”，优秀的组织管理，确保现场按照方案和技术手段落实，精心策划、科学组织、规范施工、严格过程管理控制是克服施工难题、控制施工风险的基础。

5、充分估计困难和风险，采取必要的辅助措施，并充分准备应急预案，做到有备无患，是克服施工难题、控制施工风险的必要手段。

6、由于盾构下穿既有线工程的复杂性，针对具体工程加强技术研究和攻关，积极运用新技术、新设备和新装备，对安全顺利的下穿既有线施工是很有必要的。