绍兴地铁1号线盾构支线与主线上下平行叠交施工控制研究

邸滨友

（中铁二十二局集团轨道工程有限公司，北京 100040）

0 引言

绍兴地铁1号线群贤路站～站前大道站区间支线隧道约YK25+354.500～YK25+629.800范围与镜水路站～站前大道站区间正线隧道上下平行叠交后依次下穿横江、现状鱼塘、鲨鱼江，最后接入站前大道站，叠交段总长约280米，竖向最小净距约2.42米。主线在下，埋深约22米，先行施工。支线在上，深约12米，后续施工。隧道穿越的主要地层为淤泥质软土层，局部下层有黏质粉土层，土层渗透系数及无侧限抗压强度均无法满足叠交区盾构隧道的变形量要求，而且下部隧道的弹性模量无法完全承载上部隧道盾构施工产生的附加应力，施工风险较大，如不采取土层改良加固措施，会给平行叠交区盾构施工带来很大的风险[1]。要想保障平行叠交区隧道盾构施工顺利地完成，必须对盾构通过该区段的施工技术和控制措施提出相当高的要求。

1 上部隧道盾构推进对下部隧道变形的控制标准

上部支线隧道盾构推进对下部主线隧道引发的附加变形应该在允许值范围之内，否则会造成管片开裂、管片错动，导致隧道渗水与管片连接失效的严重后果。

1.1 叠交区隧道推进的变形控制标准

表1 隧道推进的变形控制标准

1.2 非叠交区盾构施工沉降控制标准

非叠交区地面观测点日变量控制值黄色预警为+3/-4mm，橙色预警+4/-6mm，红色预警+6/-8mm或连续3天超过+3/-4mm；累计控制值黄色预警为+7/-21mm，橙色预警+8.5/-25mm，红色预警+10/-30mm。

可以看出，叠交区盾构施工控制标准要标准比较高，对下部隧道变形量的控制更加严格，给叠交区盾构施工带来很大难度和挑战[2]。

2 盾构施工对周围土层应力状态的影响分析

盾构机的开挖过程，使周围地层的应力状态发生变化：土舱压力、总推力和推进速度、出土量和刀盘转速、注浆压力和注浆量均会对周边地层产生附加应力，使周围土体在开挖过程中发生变形。

（1）盾构机在掘进过程中，开挖面前方土体的应力变化：盾构机在隧道掘进过程中，当盾构机千斤顶推力大于地层阻力和设备阻力，盾构机前方土体将受到挤压，使前方土体处于被动应力状态。当盾构机在掘进过程中出现盾构支护力不足（例如千斤顶发生故障或盾构机前方土体发生超挖）盾构机前方的土体松动产生卸荷，从而使前方土体处于主动应力的状态中。

（2）盾构机在掘进过程中，开挖面上方土体的应力变化：盾构机的刀盘对前方土体进行切削，由于盾构机的刀盘外径＞管片外径，所以在盾构掘进过程中开挖面和管片之间会形成一定的建筑间隙。盾构通过后，原来受盾构机外壳支承的土体脱出盾尾，建筑空隙会被周围土壤迅速填充，产生较大的向隧道内的变形，从而引起盾构隧道上方土体的松动、塌落，导致地表下沉[3]。

（3）盾构机掘进过程中，开挖面下方土体的应力变化：一方面，盾构机掘进的过程中，开挖面的土体不断卸荷，盾构下方土体可能在上方土体的不断卸荷的作用下出现微量隆起变形；另一方面，盾构下方土体在衬砌结构及盾构机的自身重力的压载作用下产生下沉。

3 叠交区上部盾构施工对下部隧道的影响分析

绍兴地铁1号线盾构支线与主线上下叠交施工，竖向最小净距仅为2.42 米，原有地层的渗透系数高和无侧限抗压强度低，上部支线盾构施工时，由于开挖面的应力释放，导致这部分土体的应力重分布，会产生较大的纵向挠曲变形和剪力作用，对下部主线隧道产生较大的附加应力，又因盾构管片结构的抗压强度与抗拉强度差别很大，受拉管片容易产生开裂，也容易损害管片之间的螺栓连接，造成结构破坏。纵向剪切作用会使结构变形缝与管片连接处产生应力集中，从而可能造成管片错动，可能导致隧道渗水与管片连接失效。支线与主线隧道侧向的位置关系，也会使主线隧道发生水平位移。另一方面，下部隧道盾构施工会使上部土体会发生位移和沉降，上部土体应力状态会发生改变，上部土体应力分布不均，会使得上部支线盾构掘进中不确定因素增多。为保证盾构叠交区施工的安全，应采取更加有效的地层加固措施减少地层变形及沉降，如不采取地层加固措施，叠交区上下层隧道盾构势必无法保证施工的安全。

4 叠交区盾构施工采取的主动保护措施

（1）地层加固的技术措施。为保证叠交区上部支线及下部主线的盾构施工安全，应对立交段地层预先进行加固处理，并将加固区域分为强加固区和弱加固区，在大幅降低渗透系数、提高无侧限抗压强度的同时，节省成本。可采用水泥搅拌桩对地层进行加固，具体要求如下：用水泥为固化剂，采用三轴搅拌桩机，将固化剂和淤泥质软土层进行拌和，通过水化反应使盾构穿越的地层结成具有整体性、稳定性和具有一定强度的桩体。开挖区域周边弱加固区水泥掺量宜为7%，水泥土加固体28天龄期无侧限抗压强度不小于0.5 MPa；开挖区域强加固区土体加固区水泥掺量宜为20%。采用P42.5级普通硅酸盐水泥，水灰比宜为1.2至1.5，水泥土加固体28天龄期无侧限抗压强度不小于1MPa。

（2）盾构掘进过程中，加密设置地表监测点。主线在下，先行施工，支线在上，后续施工，上部支线隧道盾构施工时，应对下部主线隧道进行实时监测，通过测量数据的反馈，确保及时调整盾构施工的掘进参数，控制隧道变形[4]。

（3）对下部主线隧道设置预应力钢支撑，控制隧道变形。采用水泥土加固之后，叠交区上部支线盾构施工中，对下部主线隧道影响将会减轻，但是为了保证下部隧道在土体压力下不发生变形，还在应力影响较大的主线隧道设置预应力钢支撑，控制隧道变形，在应力影响较小的主线隧道管片每环之间安装纵向拉紧联系装置，增加隧道整体抗变形能力。

5 盾构掘进中采取的控制措施

（1）盾构掘进时，需加强对盾构与衬砌间的环行空隙同步注浆的管理，减少盾尾通过后隧道外周围形成的建筑空隙，减少隧道周围土体的水平位移及因此而产生的对桩基的负摩阻力。同步注浆量应根据监测数据动态调整，要求填充率≥200%，管片采用可全断面注浆的定制管片，确保管片围岩间隙及时充填密实。

（2）在盾构掘进过程中，降低推进速度，增加刀盘转速，减小盾构推进过程中对土体的剪切挤压作用；同时严格控制盾构推进姿态，严格控制盾构方向和一次纠偏量≤2mm，以避免对土体的超挖和扰动。

（3）严格控制出渣量：盾构掘进时，应严格控制加气保压，使土仓内的压力值保持恒定，以确保开挖面的稳定；并严格控制出土量，避免碴土的少出或多出，施工人员应根据以往施工经验及现有地层特点严格控制出渣量，避免超挖或欠挖，导致前方土体产生挤压或塌陷[5]。

（4）控制均匀掘进速度：在进行平行叠交区盾构时，要严格控制盾构掘进速度，匀速通过，避免出现速度的较大波动，将对地层的扰动降至最小，因此盾构掘进时速度应保持在35mm～45mm/min为宜。众所周知，在隧道盾构开挖过程中，洞身围岩塑性区的发展是具有一定滞后性的。换言之，在围岩塑性区得到完全发展之前迅速通过后，随即向尚未被软土变形所填充的管片背后的建筑空隙中充分注浆，如此一来可有效控制隧道上方覆土沉降。然而要引起重视的是快速的通过并不是指单纯地加大盾构推力，加快掘进速度，而是指通过快速地完成管片拼装的方式来减少盾构机停留的时间。

（5）土体改良：为了使盾构机前方土压计反映的土压更加准确，改善渣土的流塑性和减少刀盘扭矩，确保螺旋机出土顺畅，利用刀盘上的加泥孔，向前方土体加入膨润土和泡沫剂，并根据掘进情况及时调整加入量，泡沫注入量宜为60L/环，或膨润土注入量为出土量的30%为宜。

6 采取地层加固措施前后，施工沉降最终观测数值对比

为了验证采取地层加固措施及盾构掘进控制措施的效果，采用普通盾构区间及采取加固措施后的叠交区的地面沉降观测数据进行对比，对比数据见下表。

表2 采取地层加固措施前后，施工沉降最终观测数值对比表

7 结语

绍兴地铁1号线平行叠交区盾构工程在淤泥质软土层中进行上下平行叠交盾构施工，并依次下穿横江、现状鱼塘、鲨鱼江，施工难度极大，通过对平行叠交区淤泥质软土地层进行水泥搅拌桩进行加固的方法，同时加强盾构掘进中的控制措施，解决了采用盾构的方法在淤泥质软土地层中进行上下平行叠交施工的问题。对以后在类似地层，地铁盾构工程穿越既有隧道施工或上下两层盾构隧道叠交施工有借鉴意义。