富水砂卵石地层盾构近距离下穿既有线施工技术

舒 波，饶仁强，任 建

(成都地铁运营有限公司，四川 成都 610000)

0 引言

伴随我国施工技术发展与轨道线网的迅速扩张，新线中盾构穿越既有线路越来越多，新线施工安全与运营安全已经成为重点关注的问题之一。为确保施工与运营安全，关于盾构掘进施工对既有线路的影响，学者们做了大量研究。王立新等[1]通过数值模拟，研究了在黄土地区新线与既有线不同竖向净距的盾构掘进施工中既有隧道变形与应力变化规律，并提出相应的控制标准；骆保胜[2]以大连地铁5号线下穿既有地铁2号线为工程背景，采用理论和实际结合的手段研究了新线穿越既有线施工对围岩变形影响规律；张毅等[3]采用三维有限元数值模拟手段，研究了新建盾构隧道十字交叉施工对既有隧道位移的影响；隋晓燕[4]研究了大直径土压平衡盾构施工下穿既有线U形槽的施工技术与变形规律；邵华等[5]以上海某隧道穿越新线工程为背景，利用监测数据分析既有线隧道扰动变形规律；孙国庆[6]以深圳地铁7号线、9号线下穿既有1号线为工程背景，研究盾构接收端加固技术；曾良峰[7]以成都地铁6号线穿越既有地铁3号线为背景，研究了始发延长钢环密封保压、中盾注浆盾构间隙、辅助注浆纠偏、自动化实时监测等技术措施；杨冬[8]以成都地铁4号线下穿既有地铁2号线为工程背景，研究了土压平衡盾构机切割暗挖素混凝土二衬结构下穿既有隧道施工技术；吴全立等[9]以深圳地铁9号线下穿既有地铁4号线为工程背景，采用 ABAQUS仿真模型分析手段，研究了盾构近始发端钢套筒保压、克泥效充填盾构间隙、辅助注浆纠偏等综合技术，并对风险分区管理、自动化实时监测等管理手段进行探讨；赵铭[10]以深圳地铁9号线下穿既有地铁3号线为工程背景，研究了盾构近距离穿越既有线施工技术。

本文以成都地铁9号线近距离下穿既有运营地铁线为工程背景，研究了富水砂卵石地层盾构下穿施工技术，分析了盾构下穿施工对运营隧道结构变形影响，探讨了相关管理手段，技术经验可为下穿施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

成都地铁9号线区间隧道下穿既有地铁4号线区间盾构隧道，穿越长度约22m。9号线盾构隧道采用幅宽1.5m、外径6.7m、内径6.0m的盾构管片，采用中等减振道床，隧道埋深约9m；既有地铁4号线盾构隧道采用幅宽1.5m.、外径6.0m、内径5.4m的盾构管片，采用普通道床，隧道埋深约19m；新线与既有线左线最小竖向间距约3.65m，与右线的最小竖向间距为3.78m。

盾构隧道工程穿越地层从上到下依次为:杂填土、稍密卵石土、中密卵石土、密实卵石土。其中密实卵石层卵石含量约占60%～80%，孔隙率e=0.27，卵石一般粒径40～80mm，最大粒径150mm，其中漂石含量约占5%，漂石粒径20～25cm。场地地下水平均埋深约5.2m，主要有2种类型：一是赋存于黏土层之上人工填土层中的上层滞水；二是第四系松散岩土颗粒孔隙水。既有地铁4号线盾构隧道位于中密卵石土、密实卵石土层；新建地铁9号线盾构隧道位于密实卵石土层。该穿越工程施工难度高、风险大，平面与剖面位置关系如图1，2所示。

图1 平面位置关系

图2 剖面位置关系

2 施工技术措施

2.1 降水措施

综合考虑周边车站基坑工程降水，采用分阶段、分梯度降水，在既有隧道两侧分别设置降水井，井深45m，与既有线的安全距离为5m，并相应设置3口静态水位监测井，监测水位变化情况，以确保水位降至设计深度，避免既有隧道承受侧水压力。同时由于场地为砂卵石地层，严格控制出水含砂率，并做好含砂率测试。

2.2 土体注浆加固

土体注浆加固分为2个阶段，第1阶段在新线车站端头与既有线之间土体进行袖阀管跟踪注浆；第2阶段在盾构下穿既有线隧道土体影响范围内进行袖阀管跟踪注浆，并预留注浆孔。在第2阶段注浆加固前，预先对既有线盾构隧道下穿影响范围内结构及以下土层现状调查，若检测有空洞，应提前注浆加固。为减小注浆孔施工对运营安全的影响，应确保钻孔施工过程中和既有线隧道的安全距离>3m。其中注浆管采用φ48mm，t=3.25mm袖阀管，间距1 000mm×1 000mm。注浆浆液为1∶1普通水泥浆液，注浆压力为0.3MPa。加固范围平面位置关系如图3所示。

图3 加固区平面

2.3 管棚施工

车站端头进行超前加固，采用“双排大管棚+管棚内注浆”的方式，其中左线管棚长40m，右线管棚长35m，共计90根，管棚布置如图4所示。

图4 管棚加固剖面

1)大管棚钢管采用直径194mm，壁厚16mm的钢管，丝扣连接。

2)管棚布置范围为隧道拱顶120°(上排)/130°(下排)，上排23根，下排22根，2排管棚孔口位置分别布置在洞门轮廓线外200mm和600mm位置，注浆管环向中心间距400mm，管棚倾角为1.5°。

3)大管棚钢管上钻孔注浆，孔径10mm，孔间距200mm，呈梅花形布置。

4)注浆浆液采用1∶1的P·O 42.5普通硅酸盐水泥砂浆进行注浆，注浆压力控制在0.5MPa。

5)设置600mm厚，宽度为800mm的导向墙，并设置定位钢筋与导向钢管。定位钢筋直径20mm，长0.6m；导向钢管直径219mm，壁厚6mm，长度为0.4m，导向钢管角度与管棚角度均为1.5°，导向管的外露长度为10cm。

2.4 试验段参数设置

将穿越前一次停机点至既有线影响范围前30m设置为试验段，长度90m，模拟穿越既有线工况，对掘进参数进行模拟总结，并在正式下穿前20环进行重新下穿参数交底，确保盾构快速、匀速、稳定穿越既有线区间隧道。同时在穿越时，应及时总结经验，调整相应参数，为后续穿越做准备。试验段参数如表1所示。

表1 试验段参数

2.5 掘进技术措施

1)盾构姿态控制

盾构姿态控制在±35mm范围，推进速度匀速，具体推进速度参数以盾构推进后优化参数为准且纠偏量不得超过5mm/m。管片选型顺应盾构的运行走向进行拼装，盾尾测量间隙原则上不得小于50mm。

2)出土量控制

出土量控制采取出土参数控制与出土方量质量双控措施：①严格按照螺旋出土速度与掘进速度参数控制出土速度和出土量，如表2所示；②严格执行方量质量控制措施，根据地勘报告与试验段模拟掘进分析结果，松散系数为1.15，则穿越段每环出土方量不得超过66m3，每环出土量不得超过133t。在掘进过程中根据分析结果及时修正当环同步注浆量并进行二次补注浆。

表2 参数控制

3)渣土改良

渣土改良的目的是增加渣土的和易性和流塑性，并依据掘进参数的变化及时对改良剂应用参数进行调整，防止喷涌的发生，确保掌子面稳定[12]。穿越施工中渣土改良采用钠基膨润土+巴斯夫泡沫方式。采用巴斯夫泡沫剂，初始泡沫发泡率为3%，泡沫混合液注入率暂定60%，每环泡沫原液使用量为90～120L，每环泡沫原液用量90～120L；钠基膨润土配合比为0.2∶1膨化，每环加入量不小于7m3。

4)同步注浆

在掘进过程中应保证同步注浆的及时性。根据试验段结果，同步注浆浆液选用单浆液，注浆量控制在8～9m3以上，注浆压力0.2～0.3MPa，浆液初凝时间6h，通过6路管路注入。同步注浆浆液配合比如表3所示。

表3 同步注浆浆液配合比 kg·m-3

5)二次注浆

二次注浆可及时填充管片背面空腔，能有效控制地表后期沉降。对已成型管片每间隔3环进行二次补注浆，采取间歇、多点、少量注浆的方式。二次注浆采用双液浆，浆液配合比为水∶水泥∶水玻璃=1∶1∶1，注浆压力为0.2～0.3MPa。在管片脱出盾尾后第2环开始注浆，注浆点位选择隧道正上方16点位。

2.6 预警及相应施工措施

根据监测和预测分析结果，按照可能发生事故的危害程度、紧急程度和发展势态，建立黄色预警、橙色预警、红色预警三级预警制度，进行分级预警管理，根据施工情况制定分级管理施工措施(见表4)。

表4 预警应急措施

3 既有结构监测技术

3.1 监测系统及监测控制值确定

为确保新线施工与既有线运营安全，做好城市轨道交通保护区既有结构监测工作是必要的手段之一，在本工程中采用地铁常用的监测手段全站仪自动化监测系统。同时采用人工监测复核手段，确保监测数据准确有效。

根据城市轨道交通的结构安全保护技术要求、现行国家标准及安全评估报告确定既有线监测项目、监测点布置间距及监测控制值。监测点布置如图5所示，监测项目控制值如表5所示。

图5 监测点布设

表5 监测项目控制值

3.2 既有结构监测数据分析

该工程右线盾构于7月11日进入盾构影响区，7月13日完成既有线穿越，左线盾构于7月26日完成既有线穿越，在施工过程中监测数据在可控范围内。

本文主要以9号线右线盾构穿越4号线右线的监测数据进行分析：①降水及管棚施工中引起地层固结、砂卵石地层扰动，导致隧道结构沉降，竖向变形最大基本在1mm范围内波动；②盾构穿越过程中，既有线结构呈现先沉降后隆起，最后稳定的变形趋势，右线盾构掘进引起的最大沉降为2.99mm，后采取同步注浆，地面注浆及二次注浆等措施，隧道结构隆起约0.9mm，经过约4d后变形稳定，最终竖向沉降累计值约为2mm，如图6所示；③盾构穿越过程中，轨道结构变形与结构变形一致，均呈现先沉降后隆起，最后稳定的趋势，最终竖向累计值为2mm，由于轨道变形趋势一致，差异沉降在可控范围内，为1.20mm，如图7所示；④结构水平变形较小，远小于结构竖向位移，最大值为 0.78mm，基本在±1m范围内波动，表明既有隧道水平方向受力均衡，如图8所示。

图6 隧道结构竖向变形

图7 轨道竖向变形

图8 隧道结构水平变形

4 结语

1)新线在富水砂卵石地层近距离下穿既有线对新线施工及既有线影响极大，必须采取严格的地铁保护施工技术，确保运营与施工安全。

2)盾构穿越前，采用袖阀管与管棚注浆措施能够填充原有地层空洞，有效加固既有结构周边土体，确保运营与施工安全。

3)在盾构穿越过程中采取出土参数与出土方量双控措施能有效控制出土量、开挖量，能有效控制超挖，最大限度减少对既有结构扰动。

4)在盾构穿越过程中采用同步注浆措施及盾构穿越后采用二次注浆能完成管片背后间隙填充，可以有效控制地层下沉与既有线结构变形，是保障运营安全的措施。

5)既有线自动化监测能够及时反馈盾构掘进过程中既有结构变形，提供及时的监测信息，指导盾构掘进施工。