城市盾构下穿既有隧道的沉降控制及参数优化研究

张 凯

(中铁十四局集团大盾构工程有限公司, 江苏南京 210008)

随着国家城市化步伐的加快及高速铁路突飞猛进的发展，城市隧道盾构施工在我国得到广泛应用，下穿地下建构筑物及既有轨道线路将不可避免[1-3]。张哲[4]对超大直径盾构隧道下穿棚户区沉降控制技术进行了研究，现场试验确定最佳水灰配比为0.8∶1，将沉降值控制在15 mm以内；张飞[5]以石家庄地铁4号线盾构隧道区间下穿京石高速铁路路基段为工程依托，总结了U型槽沉降特点及合理施工参数，得出了U型槽沉降控制标准值为5.2 mm的结论；杨艳玲等[6]通过数值模拟及现场监测相结合方法，对盾构下穿施工扰动下顶管隧道最大允许沉降值进行了分析，取27 mm为标准值；杨传坡[7]对大直径盾构下穿密集管井群的施工参数进行了研究，提出此类工程条件下应当对掘进参数进行严格控制，并建议使用克泥效技术和高质量泥浆；仇文革等[8]以成都地铁5号线下穿宝成铁路咽喉区为工程背景，使用双层大管棚结合地层跟踪注浆的工法对地层进行加固，保证了施工过程中地表最大沉降在2 mm以内。

上述学者对隧道盾构施工下穿既有建筑物沉降控制进行了较为详细的说明，在此基础上，本文依托望京隧道出口段试验段工程，引入具有止水充填作用的环保材料克泥效，总结归纳出城市隧道盾构施工顺利下穿地下车站结构的盾构施工参数，得出一套类似工况下施工参数控制定额，为日后盾构隧道下穿无法拆除或不能及时拆除的地下建构筑物或轨道线路的沉降控制提供依据。

1 工程概况

新建北京至沈阳铁路专线望京隧道出口段采用大直径泥水平衡盾构施工，出口段起讫里程DK22+710.7～DK26+550，全长3 840 m，设计为双单线，如图1所示，区段内将以近似正交角度穿过北京地铁15号线马泉营站。马泉营车站底板埋深约17.2 m，拟建望京隧道设计轨面埋深约35 m，其顶部距离马泉营车站底板约9.9 m，距离车站围护桩底约3.98 m，距离车站降水井距离不足0.9 m。拟建望京隧道穿越地层主要有细砂、粉质黏土、黏土，拱顶地层为细砂，盾构掘进断面黏土占比30%，粉细砂占比70%。

图1 拟建望京隧道下穿马泉营车站示意

2 试验段及监测点布置

2.1 试验段划分

在下穿马泉营车站区段内每50 m划分一个试验段，本文对左、右线两个试验段进行对比分析，左线试验段一为DK23+220-DK23+170，右线试验段二为右DK23+150-右DK23+100，通过设置多个监测点及监测断面，对比分析试验参数。

2.2 监测点布置

试验段监测点布置两种方式：深层沉降监测点和地表沉降监测点。深层沉降监测能够模拟地下车站、出入口、风亭底板深度处的沉降变化，地表沉降监测能够模拟下穿隧道盾构施工对地表沉降的影响范围及大小。

2.2.1 地表监测点布置

在一个试验段落内每10 m布置一个断面，共5个监测断面，如图2所示，以隧道中心往两侧分别布设地表沉降监测点，间距分为3 m、3 m、5 m、5 m、10 m、15 m，双线隧道上方每个监测断面布设19个地表沉降观测点。

图2 拟建望京隧道上方地表监测点布置(单位:mm)

2.2.2 深孔监测点布置

在每个试验段落的地层深部纵向设置3个深层沉降监测断面，3个断面分别模拟地下车站底板(深16.7 m)、出入口底板(深9.6 m)、风亭底板(深5.8 m)的沉降值，以隧道中心往两侧分别布置地层深层沉降监测点，间距分别为11.15 m、15 m，双线隧道上方每个监测断面布设为5个地层深层沉降观测点(图3)。

3 试验段沉降控制结果

3.1 试验段一

试验段一起止里程为DK23+220～DK23+170，试验参数与实际施工接近一致，如表1所示。试验掘进后，试验段一轴线测点各阶段沉降数据如表2所示。

图3 拟建望京隧道深孔监测点布置(单位:mm)

通过对试验段一各监测点数据进行统计，同一监测断面上位于盾构隧道轴线正上方的监测点沉降最大，地层深层沉降观测点距离盾构隧道越近沉降越大，分析所述：

(1)初始沉降占比13.3%，判断为泥浆指标较低，切口水压偏低，使泥浆在砂层中未能形成较好的渗透带和泥膜，地下水渗入开挖仓。为更好的控制沉降应提高切口水压，将泥浆指标调整为相对密度1.20～1.22，粘度22 Pa·s。

表1 试验段一参数设置

表2 试验段一轴线测点各阶段沉降数据 单位：mm

(2)脱出盾尾前沉降占比43.79%，判断为切口水压偏低，再次验证初始阶段中需要提高 切口水压的论证，同时盾体通过时，开挖轮廓面与盾体外壳存在一定锥度空间，盾构姿态过大纠偏等一定程度增加盾壳与地层间的摩擦力与剪切作用，从而导致地表沉降。为更好的控制沉降，将切口水压增加0.02 MPa，刀盘转速降低0.1 r/min。同时，注入克泥效3.75 m3，及时填充开挖直径和盾体间的空隙。

(3)脱出盾尾10 m沉降占比25.72%，判断为管片脱出盾尾时，砂浆注入不及时，与掘进速度不匹配，产生的建筑空隙引起较大的地层损失。为及时注入足量砂浆，将砂浆注入百分比调整为150%，注浆压力提高0.02 MPa。在确保盾构机同步注浆的同时，匀速稳定控制掘进速度为20～25 mm/min。

(4)脱出盾尾30 m沉降占比14.88%，判断为砂浆和易性不达标，浆液太稀，初凝时间过长，收缩率过高，会造成二次沉降。为提高砂浆的和易性，将砂浆稠度适量提高，减少砂浆的初凝时间。

(5)后期沉降占比2.31%，判断为盾构施工扰动土体造成固结沉降，二次注浆滞后导致地层沉降。为减少沉降，管片脱出盾尾后及时跟进背后二次注浆，适当提高注浆压力、注浆方量及注浆频次。

3.2 试验段二

试验段二起止里程为右DK23+150-右DK23+100，经过试验段一参数优化后，试验段二参数如表3所示。试验掘进后，试验段二轴线测点各阶段沉降数据如表4所示。

表3 试验段二参数设置

表4 试验段二轴线测点各阶段沉降数据 单位：mm

与试验段一相比，试验段二沉降值均变小，轴线累计沉降为3.21 mm，较试验段一减少6.1 mm，降幅65.5%。地层深层沉降监测点的累计沉降分别为4.29 mm(深5.8 m)、6.16 mm(深9.6 m)、7.79 mm(深16.7 m)，较试验段一分别减少7.6 mm、8.05 mm、8.86 mm，降幅均超过了50%，证明对盾构施工参数的调整是正确有效的，分析所述:

(1)初始沉降占比13.9%，地表微隆，判断泥浆指标符合要求，切口水压适中，形成的泥膜较好，渗透带及泥膜隔离层较好。

(2)脱出盾尾前沉降占比29.67%，沉降量小，判断为切口水压取计算上限值适中，克泥效对盾体锥度空间封堵具有很好的效果，为了减小掘进过程中的沉降占比，更好的控制沉降，可将克泥效注入量微调，提高到3.8 m3。

(3)脱出盾尾10 m沉降占比25.16%，注浆量百分比为150%，注浆压力正常，沉降量小，判断为浆液和易性符合要求。

(4)脱出盾尾30 m沉降占比25.15%，沉降量小，判断为砂浆初凝时间短，且收缩率低，对地层沉降影响小。

(5)后期沉降占比5.49%，沉降量小，判断为及时对脱出台车的管片严格按标准进行补强补浆，对控制地层沉降效果明显。

4 结论与建议

本文通过对望京隧道下穿马泉营地铁站试验段掘进施工的研究，采用对比试验法优化掘进参数，得到了良好的效果，能为类似工程提供借鉴。

(1)大直径泥水平衡盾构下穿既有地铁，盾构隧道轴线正上方的沉降最大，地层深层距离盾构隧道越近沉降越大。

(2)泥浆指标和切口水压的调整能形成适合掘进的泥膜，渗透带及泥膜隔离层均较好。

(3)管片脱出盾尾时，注浆量百分比为150%，掘进速度20～25 mm/min时使得注浆在沉降加速累积之前及时发挥作用。

(4)注入克泥效新工艺对盾体锥度空间封堵具有良好效果，其止水充填作用能及时控制地层内部沉降发展，本工程建议注入量为3.8 m3。

(5)经过本文掘进参数优化，轴线累计沉降为3.21 mm。下一步研究建议继续优化参数，以期将轴线累计沉降控制在2 mm之内。