盾构近距离始发下穿既有线沉降控制技术

练才园

中铁十一局集团城市轨道工程有限公司

1 工程概况

1.1 区间概况

梁家巷站～前锋路站区间出梁家巷站后沿一环路北四段下方进行敷设，在一环路北四段东侧进入前锋路站。梁家巷站～前锋路站区间里程为YCK30+398.840～YCK31+240.578。隧道顶部埋深10.55m～20.4m，区间设置1 个联络通道，中心里程为YCK30+817.000。区间最小转弯半径为800m，最小坡度2‰，最大坡度25‰。成都地铁6 号线下穿既有运营3 号线：位于梁家巷站～前锋路站区间大里程端。

1.2 地铁6号线与既有3号线位置关系

6号线梁家巷站～前锋路站盾构区间于大里程端下穿既有3号线，里程范围为YCK31+202.578～YCK31+240.578。既有3 号线至前锋路车站主体端墙外侧距离为8m，正穿长度为20m；下穿出盾构隧道埋深20.39m，与3 号线既有盾构隧道竖向净距约为4.065m。6号线下穿既有3号线盾构隧道平面图见图1。

图1 6号线下穿既有3号线盾构隧道平面图

1.3 既有3号线概况

成都地铁3号线，是成都市一条西南-东北方向的主干线地铁，于2016年7月31日开通运营。列车运营时间为5:30～23:30，全日运营18h，设计时速80km/h，进出站时速50km/h，既有地铁3号线前锋路站与新建地铁6号线前锋路站通道换乘。

1.4 水文地质情况

6 号线下穿3 号线地层均位于饱和、中密卵石层，地质条件自稳性差。

6号线下穿3号线区间处于岷江水系冲积平原一级阶地，地表水为府河水。地下水主要有三种类型：一是赋存于黏性土层之上填土层中的上层滞水，二是第四系砂、卵石土层的孔隙潜水，三是基岩裂隙水。

中密卵石层<3-9-3>：褐灰色、浅灰色，中密，局部稍密，饱和，圆砾、中砂充填，卵石粒径2cm～15cm，含漂石，漂石含量小于10%，最大粒径达25cm；卵石原岩为石英砂岩、花岗岩。据颗粒分析实验：粒径＞20mm 的颗粒含量为62.1%～66.6%，粒径为2mm～20mm 的含量为12.8%～16.3%。该层厚1.30m～25.60m，在场内普遍分布。

1.5 工程重难点

（1）富水砂卵石地层，地层自稳性差，地面沉降较难控制。

（2）地层含水量大，富水含砂量较大时，容易发生喷涌现象。

（3）始发下穿既有3号线对既有线、建构物、地面沉降控制要求高。

（4）处于一环路上端头管线多、埋深大、管径大、处理难度高（一根DN1200、埋深6.69m 污水管，一根DN1200、埋深5.45m 雨水管，位于隧道正上方）。

（5）卵石粒径大、含量高，渣土改良不好影响盾构机掘进参数。

2 技术准备

2.1 端头加固

地面端头采用Φ42@1000mm 袖阀管注浆加固［1］。平面加固范围：由主体围护桩外侧沿掘进方向纵向长度4m，横向宽度16m，即加固平面范围为4m×16m。竖向垂直加固范围：由地面至洞身隧道中部整个竖向高度范围24m。

2.2 端头降水

始发端头共布置5口降水井（车站端头4口、3号线左侧设置1口），受管线以及地质条件影响，降水井数量无法足量打而且降水水位只能降到洞门3、9 点位竖向上方1m 位置（基坑深度为28m）。

2.3 大管棚超前支护

采用Φ194×10mm+ Φ146×10mm（共72 根）管棚进行管棚群超前支护：在洞门范围打设4 层管棚，上部两层Φ146×10mm管棚打设长度为30m，下部两层194×10mm管棚打设长度为33m。Φ194管棚竖向偏移均向上偏移，最大施工偏移量为+133cm，水平偏移量最大为+10cm和-19cm；Φ146管棚竖向偏移均向上偏移，最大施工偏移量为+122cm；管棚偏移满足既有线安全距离及不侵入盾构开挖界限。Φ194 管棚注浆量0.8m3～1.3m3（理论填充量0.74m3），Φ146管棚注浆量1.2～1.3方（理论填充量0.37m3）。

2.4 短钢套筒

2.4.1 钢套筒定位

钢套筒定位原则：（1）平面位置：由洞门预埋钢套筒向车站大里程延伸2m，按照实测洞门偏移量，其钢套筒中心轴线按照设计中心轴线沿掘进方向水平偏移；（2）高程位置：钢套筒中心高程按照设计高程及相应的坡度并抬高2cm定位。

2.4.2 钢套筒支撑

基座支撑：基座底部凹槽部分使用2道20工字钢马凳支撑；基座底部两侧使用钢板进行支垫；基座两侧使用3 道20 工字钢支撑于上翻梁和主体侧墙上；钢套筒支撑：两侧上、下部分别使用3道20工字钢支撑于上翻梁、侧墙及中板框边梁上；底部基座混凝土导台筑：钢套筒底部及基座底部采用C30 混凝土浇筑导台，加强基层座支撑及固定。

2.4.3 钢套筒密封

（1）钢套筒与预埋套筒板连接：采用连接板过渡连接方式，连接板与钢套筒采取满焊连接，连接板与预埋钢套筒满焊连接；其连接板与预埋钢套筒板、钢套筒分成内、外两部分焊接，下半圆在钢套筒内侧满焊连接，上半圆在钢套筒外侧满焊连接，焊接完成后，在所有焊缝位置涂抹堵漏剂。

（2）钢套筒中部设置两道钢丝刷，尾部设置一道帘布密封，形成三道空腔，沿每道空腔在钢套筒的外侧设置7个直径2寸的球阀，两道钢丝刷涂抹盾尾油脂，在刀盘抵至掌子面，磨桩之前，在钢丝刷的空腔内注满特殊浆液进行密封。

2.4.4 钢套筒内防栽头

（1）导轨安装：导轨长度40cm，导轨前端与结构侧墙相平齐，导轨后端距离托架前端1.8m，导轨的顶面高度低于托架轨道顶面高度2cm，导轨的后端面（即盾体首次接触导轨面）施作45°坡脚以让盾体顺利推进上导轨。

（2）洞门范围填充：洞门无轨道范围采用细砂填充，填充高度与轨道相平。

2.5 设备改造

为保证既有线安全，通过对铁建重工盾构机的改造，在膨润土系统下面增加了2台施维英泵，可向盾构机中盾注入惰性浆液及时填充刀盘开挖面与盾体之间的间隙，减小既有线沉降；在刀盘切口环位置增加内置管路注入膨润土，起到土仓保压和减小刀盘扭矩的作用；泡沫采用单管单泵的注入方式，每路泡沫可独立工作，提高渣土改良效果。

2.6 自动化监测

对既有线进行自动化监测，并将监测数据连接至监控室，根据沉降数据的实时变化来调整掘进参数与注浆量。加密监测频率，并辅以夜间停运期对3号线隧道内展开人工巡视、裂缝观测、轨道测量等手段对隧道结构进行监测和观察，保证隧道结构和行车安全。

3 下穿过程控制

3.1 始发段控制措施

始发掘进段：由负环拼装至围护桩磨除

（1）盾体防扭转。在刀盘准备转动磨桩时，在中盾及盾尾设置防扭块，防扭块采用2cm 厚的钢板做挡块，中盾每隔40cm 设置1道，盾尾间隔80cm一道，盾体两侧全部设置。

（2）负7 环管片拼装、固定。-7 环拼装点位为1 点位即K 块在1 点位置，每拼装3～9 点位以上管片时用厚度为20mm、390×150mm七字板焊接在盾壳上予以固定。待-7环管片拼装完成、螺杆复紧完毕，割掉七字板，油缸同步顶伸（以下部油缸为主）管片贴合基准环，然后固定管片，同时将3～9点以上管片用倒七字板固定在基准环上，防止管片下掉。

（3）掘进参数控制。除严格控制掘进参数外，同时派专人观察托架、防扭块和反力架、短钢套筒情况，若有异常情况立即汇报。同时注意回转角，随时切换刀盘转向，滚动角控制在5mm/m以内。

3.2 下穿段控制措施

下穿掘进段：由围护桩磨除完成到盾尾脱出距离既有3号线外边缘水平距离为10m处。

3.2.1 掘进控制措施

（1）掘进参数控制。下穿期间掘进是否超方是决定既有线沉降的关键，因此首先必须保证掘进参数正常，根据以往在成都地层掘进的经验，确定了下穿期间最佳的掘进参数。下穿段掘进参数见表1。

表1 下穿段掘进参数表

（2）渣土改良。在富水砂卵石地层中掘进采用泡沫剂、膨润土和水对渣土进行改良有明显效果，可显著降低刀盘、螺旋输送机的油压及盾构推力，减小刀盘扭矩，减轻砂卵石地层对盾构设备的磨损，提高掘进速度和设备的使用寿命，增加渣土的和易性和流塑性。渣土改良是保证掘进参数的前提，在下穿既有线过程中，对于改良材料的注入参数须做到精细化管控。

（3）出土量控制。出土量是决定既有线是否沉降的根本因素，下穿期间必须严格控制出土量，采用体积法和称重法双控的原则。掘进过程中，土木工程师精确计算每斗出渣量，操作司机在通过分析每斗渣土的推进管理行程，判断是否过程超方，并及时对掘进参数进行调整，掘进完成后对总出渣量与总管理行程进行对比，分析当环超方量，对本环掘进情况进行总结。

3.2.2 注浆控制措施

注浆是控制既有线沉降的保障措施，在下穿既有线期间采用五步注浆法，大大减小了既有线沉降，主要包括中盾注浆、同步注浆、二次注浆、三次补注砂浆及四次补注双液浆。五步注浆法示意图见图2。

图2 五步注浆法示意图

（1）中盾注浆。盾体径向孔注入惰性浆液，施维英注浆泵1#、#2 泵管路接1 点位、11 点位径向孔球阀，往径向孔注惰性浆液填充盾构机壳体间隙。从0环开始推进时向中盾径向孔注入惰性浆液，每环注入量约为0.7m3～1.1m3，压力为2～4bar，直至+28环推拼完毕时，此时盾尾脱出至既有线外侧10m，停止中盾注浆。

（2）同步注浆。同步注浆浆液应具有注浆后体积收缩小，初期强度高，凝结速度快，稠度大的特点，才能保证管片在脱出盾尾后，浆液能够及时,凝固，减少地面沉降。同步注浆浆液的初凝时间为4h～6h，浆液稠度：11cm～12cm。盾构机同步注浆泵接盾尾1、2、3、4 号同步注浆管，同步注浆量7m3～8m3，注浆压力1.5bar～3.0bar。同步浆液配合比见表2。

表2 同步浆液配合比

（3）二次注浆。二次注浆采用双液浆，双液浆采用水玻璃和水泥浆配置而成，体积比为1:1，水泥浆水灰比为1:1，水玻璃的波美度为20～22，双液浆凝结时间为30s。下穿过程中在盾尾第3环跟随注浆，压力不超过4bar。

（4）三次补砂浆及四次补注双液浆。从第10环开始在盾尾倒数第8 环进行三次补砂浆，采用已备用同步注浆管注入，每5环进行一次补注砂浆，注浆压力控制在4bar以内，防止压力过大造成管片错台及破损。根据既有线沉降监测情况进行四次补双液浆，注浆压力控制在5bar以内。

4 沉降监测情况

目前已顺利下穿既有三号线，既有线监测数据如下：

（1）右线穿越前后既有线累计沉降最大点位DM11-3沉降值为-0.86mm（控制值±10mm）。

（2）左线穿越前后既有线累计沉降最大点位DM30-3沉降值为-0.17mm（控制值±10mm）。

监测结果表明，此次下穿既有线过程中所采取的上述一系列技术措施，有效地控制了既有线沉降。

5 结论

（1）采用大管棚对土体进行提前加固，对既有线起到支撑作用，可有效减少掘进超方。

（2）掘进参数和出土量正常是控制既有线沉降的决定因素。

（3）运用五步注浆法可有效控制既有线沉降，是既有线安全运营的重要保障。