卵石地层中地铁盾构近距下穿盾构隧道施工沉降控制

马文辉，杨成永，彭 华，程 霖，车敬珂，王永刚

(1.北京交通大学 土木建筑工程学院，北京 100044；2.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京 100082；3.中铁一局集团有限公司北京分公司，北京 100176)

盾构法广泛应用于基础建设领域，随着地铁网络的形成与发展，盾构施工穿越既有盾构隧道的工程愈来愈多，然而针对北京卵石地层环境条件下类似工程及其经验总结极少。为了减小盾构穿越施工对既有隧道的影响，确保地铁的安全运营，有必要开展盾构施工影响规律及参数控制方面的研究。

许多学者针对盾构穿越施工对地表及既有建(构)筑物沉降的影响及其控制方法做了一定的研究。在盾构穿越施工对地表沉降影响方面：宫亚峰等[1]依托长春地铁2号线盾构施工工程，通过数值模拟和现场实测，探讨了双线盾构施工影响下地表沉降的规律。CHAKERI et al[2]通过理论分析、数值模拟及现场实测等方法，研究了盾构施工时的隧道埋深、围岩压力以及土仓压力等参数变化与地表沉降的内在联系。ZHANG et al[3]通过数值模拟，研究了双线盾构施工引起的刀盘上方及其前方的地层变形规律。在盾构穿越施工对既有建(构)筑物沉降影响方面：张润峰等[4]依托杭州地铁2号线盾构下穿既有建筑工程，通过现场实测，研究了盾构施工影响下建筑物沉降的规律。廖少明等[5]、李磊等[6]、ZHANG et al[7]依托上海地铁11号线盾构上下叠交穿越既有4号线隧道工程，通过数值模拟和现场实测，分析了盾构施工影响下既有隧道沉降的规律。卢岱岳等[8]考虑了土仓压力和盾尾土体损失等因素，推导了盾构施工引起的周围土体位移的解析表达式，进而计算了平行、正交以及重叠等形式下盾构施工引起的既有隧道附加位移。张晓清等[9]通过模型试验和数值模拟，分析了多线叠交盾构隧道在多种穿越形式下地表和既有隧道沉降的规律。同时一些学者讨论了盾构主要施工参数的变化对既有隧道沉降的影响：SZE et al[10]依托新加坡地铁盾构下穿既有隧道工程，通过现场实测，研究了盾构施工的关键参数及其变化对既有隧道的影响。张琼方等[11]依托杭州地铁4号线盾构下穿既有1号线隧道工程，通过现场实测，分析了盾构施工影响下既有隧道沉降的规律，探讨了顶推力、土仓压力等施工参数的选取与优化。刘建国等[12]依托深圳地铁5号线盾构上穿既有11号线隧道工程，阐述了参数设置和施工监测等软土地区盾构穿越施工经验。

目前研究成果多偏重于盾构穿越施工影响下地表和既有隧道沉降规律的分析与总结。缺少针对卵石地层条件下，结合盾构穿越施工参数的既有盾构隧道沉降规律的研究。

依托北京西部地区典型的卵石地层中地铁16号线双线盾构施工近距下穿既有4号线盾构隧道工程，本文讨论了适合卵石地层的盾构特征，分析了盾构穿越施工影响下既有隧道沉降的规律，总结了调控盾构施工参数的经验，可为类似工程提供参考。

1 工程背景

盾构施工采用了曾承担南宁地铁1号线施工的中铁装备CTE6650土压平衡式盾构机，盾体直径6.64 m，辐条刀盘直径6.68 m.

如图1所示，新建隧道与既有隧道均位于R=350 m的曲线段。既有隧道中心线间距14.0 m，新建隧道中心线间距17.0 m.隧道均由6块衬砌管片组成，既有隧道外径6.0 m，环宽1.2 m，管片厚0.3 m；新建隧道外径6.4 m，环宽1.2 m，管片厚0.3 m.

图1 穿越施工平面图Fig.1 Planar graph of traversing construction

如图2所示，既有隧道顶部埋深13.5 m，新建隧道位于其下方3.99 m，隧道间交角51°.

图2 穿越施工剖面图Fig.2 Profile of traversing construction

穿越施工位于永定河冲洪积扇北部，地貌为典型的第四纪冲洪积平原，地层依次为①填土、②5卵石、③粉质黏土、⑦卵石、⑧粉质黏土、⑧3粉细砂、⑨4粉质黏土，见表1.既有隧道位于粉质黏土层，而新建隧道位于卵石层。

表1 地层参数Table 1 Stratum parameters

新建左线隧道先于右线隧道施工。如图1所示，新建左线隧道第196～246环和右线隧道第179～229环属于穿越施工的影响段，其中左线隧道第208～218环、第223～233环和右线隧道第191～203环、第208～218环位于既有隧道正下方。

新建与既有隧道的净距仅为3.99 m，此时必须针对卵石地层特点对土压平衡盾构机进行升级改造，准确地预判施工的影响程度及其范围，严格地控制盾构施工参数，加强洞内注浆、补浆措施，方能在确保既有地铁安全且不限速运营的同时，顺利完成左右线隧道先后2次的穿越施工。

2 盾构适应性改造

施工采用的土压平衡盾构机曾承担南宁地铁1号线某标段的施工作业，其技术参数适合粉土、泥岩等地层的掘进。而新建隧道位于北京典型的卵石地层，卵石粒径40～60 mm，最大粒径100 mm，粒径大于20 mm颗粒的质量占总质量的65%～75%，亚圆形，母岩成分为中粗砂充填的灰岩、安山岩、石英砂岩、白云岩。卵石地层力学不稳定地层，开挖面反应灵敏，易坍塌；卵石颗粒塑流性差，土渣外排较难，土压平衡不易形成[16]；盾构施工时刀盘、刀具易磨损，而开仓换刀难度大。

为了使盾构机充分地适应卵石地层的掘进，盾构机整体性能需要从以下几方面改造提升。

2.1 耐磨性能

盾构刀盘确定为六牛腿、六辐条结构的Φ6 680 mm辐条刀盘，刀盘开口率60%.刀盘面板及外圈梁选用耐磨性能优越的耐磨复合板覆盖，未覆盖区域焊接耐磨网格。刀盘圈梁靠近切口环处镶焊耐磨保护刀具。

盾构采用内径800 mm的螺旋输送机，轴式叶片，螺距630 mm，最大出渣粒径达到Φ300 mm×560 mm.螺旋轴的取土端外壳焊接耐磨合金条，螺旋叶片边缘焊接硬质合金块，受碴土摩擦一侧叶片的堆焊接硬质合金条纹如图3所示。

图3 螺旋输送机的耐磨合金条纹Fig.3 Wear resistant alloy stripe of screw conveyor

2.2 脱困性能

盾构主驱动在原有驱动基础上，新增1组马达和1组减速机，共计9组马达，提高额定扭矩至6 650 kN·m，脱困扭矩至8 100 kN·m.

2.3 注浆及泡沫系统性能

盾构除常规两侧布置的注浆管外，在盾尾上方增设2根同步注浆管，直接对拱顶部位同步注浆，进一步抑制地层沉降。

为了改善土体粒状构造，增强卵石颗粒流动性，减小刀盘磨损，盾构增设4路采取预混合方式的单泵单管单喷口泡沫注入系统，通过刀盘上6个注入口注入。

3 数值模拟分析

在施工前依据初步的设计方案，采用Ansys软件建立有限元模型，逐步序地模拟盾构掘进过程，以掌握盾构施工对既有隧道的影响范围、程度和规律，为隧道沉降监测布点和盾构施工参数的确定提供依据。

3.1 数值模型

考虑模型边界效应[17]，建立长度垂直新建隧道方向200 m，沿新建隧道方向160 m，高度50 m的有限元模型。隧道采用Shell63单元，土体采用Solid45单元，符合Druck-Prager屈服准则，如图4所示。模型的四周及底部均为法向约束，上表面自由。

图4 三维有限元模拟模型图Fig.4 3D finite element model

盾构逐环掘进的过程采用刚度迁移法[13-15]模拟。盾构隧道结构及等代层的参数如表2所示，设定顶推力9 600 kN，土仓压力0.11 MPa，注浆压力0.2 MPa.既有盾构隧道考虑错缝拼装，横向刚度折减0.3.

表2 盾构结构参数Table 2 Shield structure parameters

3.2 数值模拟结果

图5为关键施工阶段的既有隧道底部沉降的曲线。

首先左线盾构先行施工，既有隧道在施工前期有轻微上浮；随着盾构施工，既有隧道的沉降增大，最大沉降位于左线盾构上方，沉降曲线呈“V”型；左线盾构施工结束后，既有左右线隧道最大沉降分别为1.95 mm、2.08 mm.随后右线盾构施工，位于右线盾构上方的既有隧道沉降逐步增大，最终沉降曲线呈“W”型。根据隧道沉降槽的型式、宽度、反弯点等要素初步确定沉降监测点的布点位置如图5所示。既有左右线隧道虽有先后受扰之分，但最终的沉降形态一致，最大沉降均发生在新建隧道的上方，最终沉降分别为2.38 mm、2.49 mm.

4 现场施工与沉降监测

为实时了解穿越施工过程中既有隧道的沉降趋势，预判工程风险，考虑新建与既有隧道间的位置关系，参照数值模拟计算的施工影响范围，最终确定自动化沉降监测点的布点位置及其间距，其中在既有隧道沉降较大区域布置14个监测点，在施工影响区域外布置2个监测基准点，如图6所示。

图5 既有隧道沉降曲线Fig.5 Settlement curves of existing tunnels

图6 自动化监测布点Fig.6 Arrangement of automatic monitoring

为确保穿越施工中既有地铁隧道结构及运营的安全，盾构需要在预设参数基础上，根据监测数据实时优化掘进速度、土仓压力、同步注浆等关键参数以减小穿越施工中既有隧道的沉降。

4.1 左线盾构施工及结果

依据盾构先期施工经验，参考数值模拟结果，确定盾构穿越施工参数：顶推力9 600 kN、掘进速度50 mm/min、出土量47 m3/环、土仓压力0.11 MPa，纠偏不超过1%.

同步注浆采用水泥砂浆(水泥100 kg、粉煤灰450 kg、膨润土150 kg、砂子150 kg、水520 kg)，浆液初凝时间6～8 h，注浆量5 m3/环，同步注浆压力0.2～0.3 MPa.

盾构施工参数受施工现场诸多因素影响，实测数据较为离散。在绘制图7和图9时，盾构每环的施工参数以散点标示，同时采用多项式拟合的方法，绘制参数拟合曲线，以更为直观的方式揭示施工参数的变化趋势。

从2016年5月22日21:15开始至5月24日20:57止，左线盾构完成穿越施工，实际施工参数如下：1) 如图7(a)所示，顶推力逐步降低，平均顶推力为9 544 kN；2) 如图7(b)所示，随着顶推力的逐步降低，扭矩也逐步降低，平均扭矩为2 235 kN·m；3) 如图7(c)所示，掘进平均速度为55 mm/min；4) 如图7(d)所示，平均出土量为49 m3/环；5) 如图7(e)所示，平均土仓压力为0.11 MPa；6) 如图7(f)所示，平均注浆压力为0.22 MPa，平均注浆量为6.1 m3/环。

图7 施工参数Fig.7 Construction parameters

通过处理新建隧道与既有隧道中心线交点处的JCZ3、JCY3、JCZ5、JCY5测点在穿越施工中的沉降监测数据，得到既有隧道沉降的时程曲线，如图8所示。

图8 既有隧道沉降时程曲线Fig.8 Time-history settlement curves of existing tunnel floors

左线盾构施工中测点的沉降分析如下：

第196～207环，即盾构到达既有右线隧道前，JCY5测点波动上浮，最大上浮0.62 mm.第208～218环，即盾构穿越既有右线隧道过程中，施工对既有隧道下方土层的扰动较大，随着盾构施工参数的调整，JCY5测点达到最大上浮0.75 mm后随即快速下沉，最大沉降-1.42 mm.

第196～222环，即盾构到达既有左线隧道前，JCZ5测点波动上浮至0.33 mm后下浮至0.30 mm.第223～233环，即盾构穿越既有左线隧道过程中，JCZ5测点快速下沉至-1.52 mm.

在左线盾构施工结束后，既有左右线沉降分别为-1.68 mm、-1.73 mm.根据实时的监测数据，既有右线隧道在左线盾构到达前产生了较大程度的上浮，盾构施工参数随即进行了调整：逐步减小顶推力至9 400 kN，提高出土量至48 m3，减小土仓压力至0.10 MPa，从而有效地减小了既有左线隧道的上浮。从图7(f)也能反映出，在穿越影响段同步注浆量及注浆压力有所提高，充分地填充了空隙，通过抑制土层的沉降使得既有左线隧道的沉降较右线隧道减小约0.3 mm.

4.2 右线盾构施工及结果

在总结左线盾构施工经验的基础上，调整优化了右线盾构穿越施工参数，进一步地减小了施工对既有隧道的影响：1) 顶推力提高至9 400 kN；2) 出土量提高至49 m3/环；3) 土仓压力降低至0.10 MPa；4) 保证二次补浆质量，浆液配合比为水泥150 g、水60 mL、水玻璃108.4 mL，初凝时间2 min 40 s.

从2016年6月6日9:50开始至6月9日10:43止，右线盾构完成穿越施工，实际施工参数如下：1) 如图9(a)所示，顶推力逐步提高，平均顶推力为9 807 kN；2) 如图9(b)所示，刀盘扭矩随着顶推力的逐步提高，扭矩也逐步降低，平均扭矩为2 866 kN·m；3) 如图9(c)所示，掘进平均速度为46 mm/min；4) 如图9(d)所示，平均出土量为47 m3/环；5) 如图9(e)所示，平均土仓压力为0.11 MPa；6) 如图9(f)所示，注浆平均压力为0.26 MPa，平均注浆量为5.8 m3/环。

右线盾构施工过程中JCY3、JCZ3测点的沉降情况如图8所示。

盾构到达既有隧道前，JCY3、JCZ3测点由于左线盾构施工影响，已产生了-0.39 mm、-0.30 mm的沉降。

第179～190环，即右线盾构到达既有右线隧道前，JCY3测点继续波动下沉，最大沉降-0.58 mm.第191～203环，即盾构穿越既有右线隧道过程中，JCY3测点快速下沉至-1.65 mm.

第179～207环，即盾构到达既有左线隧道前，JCZ3测点波动下沉至-0.35 mm.第208～218环，即盾构穿越既有左线隧道过程中，JCZ3测点快速下沉至-1.58 mm.

虽然右线盾构根据左线盾构施工经验调整了参数设定值，但根据监测数据，既有右线隧道在右线盾构到达前，产生了一定程度的下沉。随即调整了施工参数：逐步提高顶推力至9 700 kN、降低出土量至47 m3，土仓压力提高至0.11 MPa.在盾构离开穿越影响段后，依然保持了较高的同步注浆量及注浆压力，注浆量虽比左线盾构施工时略有降低，但注浆压力的提高确保了注浆质量，从而抑制了既有隧道的沉降。

图9 施工参数Fig.9 Construction parameters

从图8中可以直观地看到，右线盾构施工过程中，既有隧道的沉降速率明显小于左线盾构施工时的沉降速率；右线盾构施工对JCZ5、JCY5的扰动小于左线盾构施工对JCZ3、JCY3的扰动。

在穿越施工结束后，既有左右线隧道沉降分别为-1.74 mm、-1.91 mm.受到右线盾构二次穿越施工的影响，JCY5测点产生了-0.18 mm沉降。数值模拟与监测结果比较可知，数值模拟准确地预判了穿越施工对既有隧道的影响程度，由于在施工现场，盾构施工参数实时根据沉降监测数据调整优化，既有隧道沉降监测值略小于预测值。

在穿越施工现场，盾构刀盘性能稳定，区间掘进中未进行过换刀作业，盾构接收后刀具磨损情况也不严重，仅需要更换个别的刀具；同时也未出现过大粒径卵石颗粒将螺旋输送机卡死的现象，证明了盾构适应性改造满足了卵石地层中的施工需求。

5 结论

结合工程实例，采用数值模拟、现场监测等手段，总结了适应卵石地层的盾构改造要点，分析了盾构先后穿越施工影响下既有隧道沉降的规律以及调控盾构施工参数的经验，得到如下结论：

1) 为保证在卵石地层条件下顺利施工，盾构须提高刀盘面板、圈梁以及螺旋输送机的耐磨性能，增设耐磨保护刀具，提高盾构脱困性能，优化增设同步注浆和泡沫注入系统。

2) 既有隧道在盾构穿越施工的先期和后期产生的沉降较小，在盾构通过时产生了较大且快速的沉降；既有隧道沉降受盾构先后穿越施工的再次扰动影响显著。

3) 盾构施工参数应根据监测数据实时调控，保持较高的顶推力、土仓压力可有效地抑制既有隧道的沉降；适当提高注浆压力、缩短注浆浆液的初凝时间，确保注浆质量，可有效地减小既有隧道的工后沉降。