黄土地层盾构下穿既有地铁隧道施工参数及变形控制试验研究

刘旭全 刘惊东 宋领弟

摘 要：结合西安地铁 5 号线南稍门站—文艺路站盾构区间下穿地铁 2 号线施工实践，对盾构下穿既有运营隧道施工过程中隧道变形控制进行试验研究。通过现场施工试验及现场监测，研究分析既有隧道变形规律，提出盾构掘进施工参数动态取值范围和既有隧道变形控制技术措施，从而保证地铁2 号线正常运营。

关键词：地铁;黄土地层;盾构隧道;施工参数;隧道变形;控制

1 工程概况

西安地铁5号线南稍门站—文艺路站区间起于南稍门站，经过南稍门十字、南关正街及长安北路以西，沿友谊东路东西方向布设，洞顶覆土10.14～18.46 m。右线隧道长度为719.510 m，起止里程为YDK33+700.174～YDK34+419.684，左线隧道长度为719.502 m，起止里程为ZDK33+700.174～ZDK34+419.684，线间距为15.5～17 m，用盾构法施工。隧道设计为圆形衬砌断面，采用单层钢筋混凝土装配式结构形式，盾构管片形式为平板型，管片外径为6.0 m，内径为5.4 m，环宽为1.5m。盾构机选用日本小松TM614PMX土压平衡式盾构机，自文艺路站始发，南稍门站接收出洞。下穿的既有地铁2号线区间隧道里程段落为ZDK33+723.967～DK33+743.375，长度为19.408 m，5 号线隧道结构拱顶和2号线隧道仰拱底最小净距为2.52 m。 按照施工要求，5号线盾构下穿期间必须保证2 号线正常运行，其环境风险等级为II级。

根据施工设计图及地质勘查报告等资料，工程所在地地貌属黄土梁洼区。地层自上至下依次为全新统人工填土、新黄土、老黄土、粉质黏土。场地内素填土、新黄土及古土壤均具湿陷性，施工过程中易遇水湿陷。地层主要存在潜水，地下水位埋深9.5～12.1m，具微腐蚀性。水位距5号线隧道拱顶8.7 m，距隧道底部14.7m。盾构隧道与既有隧道关系如图1所示。

2 盾构施工参数选择

本隧道采用日本小松公司生产的TM614PMX土压平衡式盾构机施工，盾壳厚度为40 mm，盾尾间隙为 30mm，主机总长（刀盘—螺旋机尾部）为8.68 m;刀盘开口率为45%，刀盘开挖直径为6.16 m，最大推力为37730kN。南稍门站—文艺路站区间盾构下穿2号线可以分为试验段和下穿段2部分组织施工，其中试验段包含第393环～第 442环，下穿段范围为第443环～472 环。

2.1 试验段盾构掘进参数

2.1.1 土仓压力

根据公式P= kγh（P为平衡压力，γ为土体的平均重度，取18 kN/m3，h为隧道埋深，取值18.24～18.45m），土的侧向静止平衡压力系数k取0.44，由此计算可得盾构机上部土压力设定值范围为0.14～0.15MPa。

2.1.2 推进速度及推力

结合业主工期要求和西安地区地质条件，并借鉴其他城市施工经验，试验段盾构掘进速度控制值为20mm/min，推力为10 000～15000kN。

2.1.3 掘进方向

考虑该施工段因地层原因管片有上浮现象，盾构垂直姿态允许范围为-30～-40 mm，盾构机水平偏差不大于±20 mm 。

2.1.4 出土量

在施工中严格按理论出土量出土，每环出土量偏差不超过1 m3，经计算理论出土量为44.8 m3 /环。为了维持一定土压力，保证盾构正面土体的稳定，实际出土量为理论出土量的98%～100%。

2.1.5 同步注浆量和压力

经计算，每环的理论建筑空隙为2.43 m3，实际注浆量应为理论值的130%～180%，即为3.16～4.37m3，暂定注浆量4 m3，实际根据监测数据不断调整，注浆压力控制在0.25 MPa，这样地表沉降能够得到有效控制。

同步注浆浆液采用现场自拌而成，下穿段同步浆液初凝时间不大于6 h，浆液稠度为100～120，泌水率<5%。同步注浆压力应控制在0.25 MPa，注浆量与注浆压力可根据监测结果作适当调整。根据监测数据，当沉降量超限时，及时进行二次注浆，注浆液选用水泥、水玻璃双液浆，水玻璃（40波美度）与水按1 ： 3稀释，水泥浆水灰比为1 ： 1，水泥浆 ： 水玻璃溶液为1 ： 1（体积比），初凝时间为20 s，注浆压力为0.3 MPa。

2.2 下穿段盾构掘进参数

结合试验段盾构掘进参数以及适时监控变形情况，对下穿段盾构掘进参数进行统计分析，并不断优化调整。下穿段盾构推力分布曲线如图2所示，由图2可知，盾构机的推力控制范围为17 300～17 990 kN;盾构推进刀盘扭矩分布曲线如图3所示，由图3可知，盾构刀盘扭矩为1685.4～1774.5 kN · m; 盾构掘进速度分布曲线如图4所示，由图4可知，盾构掘进速度为30～45mm/min;注浆压力分布曲线如图5所示，由图5可知，注浆压力为0.13～0.18 MPa。

3 既有隧道变形監测分析

3.1 监测方案及仪器

在地铁2号线运营隧道内安装全自动化监测系统，实施自动化监测。监测点分别按左线隧道和右线隧道2 个区域布设。每条隧道从监测区域中间位置开始布点，盾构下穿2号线正上方主要影响区域内按5 m间距布设1组监测断面，两端外延区域内按10 m间距布设1组监测断面，每个断面布设5个监测点。其中，隧道结构中下部布设2个监测点（A，C），监测结构净空收敛及水平位移;隧道拱顶布设1个监测点（B），用于监测隧道拱顶沉降;地铁道床每个断面布设2个监测点（D，E），用于监测地铁道床沉降。监测点布设如图6所示。

自动化监测系统设备的软、硬件主要包括测量机器人、棱镜、通讯箱及供电电缆、信号转换器、计算机及专用软件等。测量机器人自动化监测系统通过专用软件实现全自动化监测，并生成监测报告。

3.2 监测频率及周期

盾构下穿2号线运营隧道时，按照1次/4～8 h的频率进行监测，当施工影响较大或出现变形征兆时按照1次/ 2～4 h进行连续监测。盾构下穿2号线运营隧道前50 m时，测定初始值，然后进行正常的自动化监测，在施工完毕后持续监测3个月。

3.3 监测数据分析

3.3.1 既有隧道结构变形分析

图7～图10给出了既有隧道结构部分变形数据，包括隧道顶竖向变形、水平变形随时间变化情况，由图7～图10可见。

（1）左隧道顶竖向累计变形为4.93 mm，变形速率为0.12mm /天，右隧道顶竖向累计变形为1.78mm，变形速率为0.04mm/天，左右隧道竖向累计变形均小于变形控制值6mm和变形速率1mm/天。

（2）左隧道水平累计变形为1.21 mm，变形速率为0.03 mm /天，右隧道水平累计变形为0.64 mm，变形速率为0.02 mm /天，左右隧道水平累计变形均小于变形控制值5mm和变形速率1mm /天。

（3）左右隧道对比分析可以得出，先期下穿的左隧道变形值大于右隧道变形值，左隧道最大变形对应的环号为451～455，右隧道对应的环号为461～466，均位于既有隧道正下方。左隧道变形值大于右线变形值的主要原因是，左隧道先期下穿，后期下穿右隧道时部分应力已提前释放，同时先期注浆加固减少了变形。

3.3.2 既有轨道变形分析

图11～图14给出既有轨道系统变形数据，包括道床竖向变形时程曲线和轨道纵向差异变形时程曲线，由图11～图14可见。

（1）左轨道竖向累计变形为4.06mm，变形速率为 0.1mm/天，右轨道竖向累计变形为2.14mm，变形速率为0.05mm/天，小于累计变形控制值6mm和变形速率1mm/天。

（2）左轨道纵向差异累计变形为2.07 mm，变形速率为0.05mm/天，右轨道纵向差异累计变形为1.72mm，变形速率为0.04mm/天，左右轨道纵向差异累计变形均小于累计变形控制值4mm和变形速率1mm/天。

4 结论及建议

（1）通过下穿期间既有隧道的监测结果来看，对既有隧道的变形影响最大的因素主要是盾构机掘进的推力和速度。盾构机的推力控制范围为17 300～17990kN，掘进速度控制范围为30～45 mm/min。在盾构机过既有隧道之前既有隧道会有一定程度的上拱，但是在最佳的推力和速度之下，这个上拱值接近于 0。

（2）同步注浆浆液的类型、注浆的时机、注浆量是控制既有隧道变形的重要手段，由于下穿施工时既有2号线正常运营，及时进行同步注浆非常必要。注浆的压力應控制在0.15MPa，最大值不应超过0.18MPa。

（3）在盾构下穿过程中掘进和同步注浆完成并不代表既有隧道稳定，相反在这之后周边的地层会继续收缩直到稳定，二次注浆就是控制这个过程的一个重要指标。当既有隧道单次变形值超过0.4 mm，或变形速率超过0.5 mm/天时，就应该对变形点位和附近进行二次补浆，此时双液浆的初凝时间按30 s控制，压力按0.18 MPa控制。

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收稿日期 2019-05-14

责任编辑 朱开明