盾构在上软下硬地层中下穿运营地铁线路施工控制技术

盾构在上软下硬地层中下穿运营地铁线路施工控制技术

秦伟

中铁建设投资集团有限公司广东深圳518045

摘要：通过工程实践，从渣土改良、土仓压力控制、推进速度、刀盘转速、出土量控制、同步注浆、二次注浆、管片拼装、盾构姿态控制、穿越后土体加固、信息化施工、质量控制及预警机制等方面详细介绍了深圳地铁2号线东延段土建工程2225-2标燕南站-大剧院站区间工程盾构机在长距离上软下硬复合地层中、小间距下穿运营的地铁1号线盾构下穿运营地铁的施工控制技术，对今后地铁施工中类似地质条件下，盾构机下穿运营地铁线路施工有很好的参考作用。

关键词：地铁；盾构；下穿运营地铁；施工控制

1工程概况

深圳地铁2号线东延段土建2225-2标燕大区间盾构始发井～大剧院站区段位于既有地铁1号线的下方。新建2号线和既有1号线线路交叉重叠范围为：左线ZDK31+124.004～ZDK31+197.848，该段区间管片位置为76～125环，共计70.485m；右线YDK31+084.567～YDK31+155.052，管片位置为105～152环，共计73.844m。两线重叠段加上重叠段前、后高风险段，左、右盾构掘进施工长度均超过110m。

根据详勘报告与补勘资料、施工过程中的千斤顶的压力、盾构机姿态、渣样分析、开仓换刀对掌子面的观察，盾构始发井～大剧院站区段下穿地铁1号线范围隧道拱顶距离地面20.2m～23.6m，该区段地层依次为素填土、中砂、细砂、砾质粘性土、全风化花岗岩。下穿范围隧道洞身处于全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩均有存在的复合地层中，左线上软下硬地段长83.44米、右线上软下硬地段长57.12米（上软下硬花岗岩地层具备以下特征：上部强风化花岗岩风化程度高，裂隙发育，岩芯主要呈土状，自稳性很差；中风化花岗岩风化程度较弱，石英含量高，原岩结构完整，岩芯主要呈硬岩状，抗压强度较高（抗压强度为70～90MPa），完整性好（RQD值为60%～80%）；软、硬岩之间为岩土分界线，且存在含水量丰富的破碎带。）。

地铁2号线下穿地铁1号线地段位于深南大道下方，2号线距离1号线最小距离1.853m，下穿施工难度极大，安全风险极高，地质条件复杂，地层石英含量高。

2施工控制

2.1渣土改良

在上软下硬花岗岩地层中掘进表现出推力大、速度慢、土仓压力波动大、出土量不易控制、易结泥饼、刀盘前方和上方岩体自稳时间短、刀具偏磨严重等不良情况，渣土改良对防止结泥饼、渣土分层、刀具偏磨等情况的作用尤其重要。

试验段掘进时，先后进行了泡沫改良、土仓内注水改良、刀盘前方注水改良、泥饼分散剂改良、高分子聚合物改良、膨润土泥浆改良等一系列尝试，效果均不理想。经过反复论证与分析，确定了在刀盘前方通过均匀注水和泡沫进行改良的核心思想，并辅以泥饼分散剂改良、高分子聚合物改良、膨润土泥浆改良等综合改良措施。通过施工实践综合渣土改良方式取得了成功，综合改良措施的核心思想是：进行详细的渣土分析，判断软、硬地层的比例，注重监测改良后的渣土的干稀状态和温度，实时调整加水量和泡沫的发泡率；实时通过承压墙和人闸上球阀检查土仓渣土状态，判断土仓内渣土的干稀状态、分层离析情况、土仓内温度等，根据需要加入泥饼分散剂、高分子聚合物、膨润土泥浆等。

2.2土仓压力控制

在盾构推进过程中为支撑掌子面及刀盘切口上部的软弱岩层，需长期保持较高的土压力。根据下穿地铁既有地铁线区段地质详勘资料，各层土体物理参数如表1所示：

盾构始发井～大剧院站区段下穿地铁1号线范围隧道拱顶距地面20.2m～23.6m，平均刀盘顶埋深取22m，平均刀盘底埋深取28.28m，承压墙上1号土压传感器距离地表的平均深度取23m，隧道洞身处于全风化和强风化花岗岩中，所以此次计算以此两种地层试验数据为例。γ取土体平均天然容重18.28kN/m3，k0取0.34，根据k0=1-sinΦ，计算得有效内摩擦角Φ=41.3o，平均粘聚力取25.5KPa，主动土压力系数ka=tan2（45o-Φ/2）=0.205，被动土压力系数kp=tan2（45o+Φ/2）=4.88。

2.2.1土压力的理论数值选择

（1）静止土压力

静止土压力为处于静止的弹性平衡状态下的原状天然土体的土压力，也就是没有受到盾构施工扰动时的土压力。在深度H处，在竖直面的主应力，即静止土压力为pH=k0γH。所以1号土压传感器深度的静止土压力值pH=0.34*18.28*23=142.95（KPa），即1.42bar。

（2）主动土压力

根据盾构的特点及盾构施工的原理，采用朗肯土压力理论计算主动土压力与被动土压力。在施工过程中，由于施工的扰动，改变了原状天然土体的静止弹性平衡状态，从而使刀盘前方土体产生主动或被动土压力。

当盾构推力或土仓压力偏小，土体处于向下滑动的状态时，土压力将由静止土压力逐渐减小，当土体达到主动极限平衡状态并出现滑动面时，土压力减至最小，即转变成为主动土压力。此时土体内的竖直应力σH相当于最大主应力σ1，水平应力σx相当于最小主应力σ3，也就是主动土压力。

将σ1=σr=γH，σ3=Pa代入粘性土极限平衡条件σ3=σ1tan2（45o-Φ/2）-2ctan（45o-Φ/2），得主动土压力Pa=σ3=σ1tan2（45o-Φ/2）-2ctan（45o-Φ/2）=γHka-2c（ka）1/2，其中：γ为土的重度，kN/m'；c为土的粘聚力，KPa；Φ为土的内摩擦角；H为计算点的深度，m；ka为主动土压力系数，ka=tan2（45o-Φ/2）。

所以1号土压传感器深度的主动土压力值Pa=18.28*23*0.205-2*25.5*0.2051/2=63.1（KPa）即0.63bar。

（3）被动土压力

当盾构的推力偏大，土体处于向上滑动的状态时，土压力将由静止土压力逐渐增大，当土体达到主动极限平衡状态并出现滑动面时，土压力增至最大，即转变成为被动土压力。此时土体内的竖直应力σH相当于最大主应力σ3，水平应力σx相当于最小主应力σ1，，也就是主动土压力。

将σ1=γH，σ1=Pp代入粘性土极限平衡条件σ1=σ3tan2（45o+Φ/2）-2ctan（45o+Φ/2），得主动土压力Pa=γHtan2（45o+Φ/2）+2ctan（45o+Φ/2）=γHkp+2c（kp）1/2，其中：γ为土的重度，kN/m'；c为土的粘聚力，KPa；Φ为土的内摩擦角；H为计算点的深度，m；kp为被动土压力系数，kp=tan2（45o+Φ/2）。

所以1号土压传感器深度的被动土压力值Pp=18.28*23*4.88+2*25.5*4.881/2=243.18（KPa），即2.43bar。

由于地铁2号线施工期间，地铁1号线正常运营，所以2号线盾构掘进施工时，必须保证刀盘前方的土体的稳定，尽可能减小围岩沉降，所以盾构掘进时，1号土压传感器预设压力P应满足Pa〈P〈Pp，即设定土压力P为1.42bar〈P〈2.43bar，具体参数根据试验段掘进确定。

2.2.2实际土压力控制

为了避免土仓压力的波动产生“风箱效应”，对地层造成过多的扰动，推进过程中需保持土仓压力长期处于平稳状态，起伏不宜大于±0.2bar。

（1）根据施工过程中记录的土仓压力统计分析，左线下穿掘进时1号土仓压力传感器最小压力值为1.5bar，最大压力值为2.1bar，平均值1.75bar；右线下穿掘进时1号土仓压力传感器最小压力值为1.4bar，最大压力值为2bar，平均值1.65bar。根据盾构下穿施工实际土仓压力的反馈，可以证明在上软下硬花岗岩地层施工，采用朗肯理论计算的理论土压力值是合理的，可以为实际施工提供理论依据。

（2）右线1号土压力传感器的平均值为1.65bar，左线的平均值为1.75bar。右线先行于左线施工，之所以左线的平均值比右线的平均值大，是因为右线施工时已经对周围岩体造成了扰动，岩体内的粘聚力减小，自稳能力减弱，所以左线施工时的土仓压力要高于右线施工时的土仓压力，以减小土体扰动对既有线路沉降的影响。

（3）实际施工过程中土仓压力控制是根据1号线洞内实时监测值动态调整所得。

2.3掘进参数控制

（1）掘进速度及贯入度、刀盘转速、

盾构机在上软下硬地层中掘进，局部岩石强度较高，硬岩处刀盘的刀具受力较大，而软岩部分只需对掌子面进行切削即可破坏土层，但局部硬岩对刀具的损伤较大，应适当降低刀盘转速，控制贯入度以使刀具受到的瞬时冲击小于安全荷载25t为准。

为避免刀盘转速过低造成切削硬岩时贯入度过高，推进过程中应控制刀盘转速在1.7～2.0r/min。刀盘工作压力上限设置为200bar，防止刀具产生过大的冲击荷载。

（2）刀盘扭矩与油缸推力

由于硬岩对刀具的磨损很严重，通过降低刀具在持续工作时受到的冲击力来保护刀具。刀具在受到冲击力后直接体现在刀盘扭矩上，所以通过降低刀盘扭矩就能减少刀具所受冲击力。在上软下硬地层中刀盘扭矩的最大值应保持在1700kN/m，推力在1000～1800t之间。

（3）盾构姿态控制

控制盾构掘进姿态，首先就要掌握开挖面的地层分布情况，以及地层分界面的变化情况，制定初步的掘进参数计划；其次，根据导向系统来判断盾构机的掘进方向是否正确，如果盾构线路偏离设计线路，及时调整各项掘进参数，遵循“及时、限量、连续”的原则，逐环、小量纠偏对盾构姿态进行调整，避免纠偏过猛引起盾构机蛇形前进，造成刀具磨损、损坏已拼装管片和盾尾密封。根据以往施工经验，盾构纵坡最大纠偏量按下式计算：

i=（i盾-i衬）≤[i]

式中i———盾构与管片相对坡度；i盾———盾构推进后实际纵坡；[i]———允许坡度差值。

盾构平面最大纠偏量按下式计算：

△L＜S×tanα

式中α———盾构与衬砌允许的水平夹角；S———两腰对称的千斤顶的中心距（mm）；△L———两腰对称千斤顶伸出长度的允许差值（mm）。

盾构姿态调整过程中会对地层造成超挖和额外扰动，可能引起土体失衡和出土量变大。在下穿既有地铁线路的掘进过程中，必须严格控制盾构机单位进尺每环的纠偏量在10mm以内，推进时不猛纠、不急纠，通过观察盾尾间隙和不同区域推进油缸的绝对行程差判断是否过度纠偏。当地质条件很差时，只要水平、垂直姿态偏差不超过±50mm，推进时可暂时不考虑设计轴线，保持当前姿态径直前行，尽量减少对地层的扰动，待地质条件好转后再进行缓慢纠偏。

2.4出土量控制（以盾构外径为6m为例）

每1环进尺的理论出土量为：V=L×πd2/4=46.4m3，根据该段区间施工经验和监测数据反馈显示，取松散系数k=1.5是比较合理的。故每掘进1环进尺的出土量应控制在70m3以下。在推进过程中值班技术人员应准确量取每一厢土的实际方量，随时对比出土量与进尺量是否匹配。每出一厢土需在螺旋机后闸门处量取一次碴土温度，每推进一环需进行一次碴土筛洗分析，并将相关情况记录在盾构推进出土量记录表上。对出土超量的情况必须进行分析和预判，并第一时间汇报现场领导小组。

2.5壁后注浆

（1）同步注浆

下穿既有地铁路线过程中同步注浆量原则上控制在7～9方/环，注浆压力控制在2.5～3.0bar，通过控制注浆速度当千斤顶行程达到1700mm时注浆完成，并确保4根注浆管同时工作。若2、3#同步注浆管因压力过高注浆困难，可将注浆管从盾尾拆除，连接在已脱出盾尾3环以上的管片上进行注浆，注浆位置应选择高于2点、10点的点位。注浆量与注浆压力可根据监测结果作适当调整。

推进过程中现场土木技术员负责对注浆量、注浆压力作好详细记录，并根据每环的进尺情况及监测数据及时对注浆参数进行调整，确保同步注浆的质量。注浆同时注意盾尾是否出现漏浆现象，若盾尾漏浆立即采用手动模式对漏浆点位进行盾尾油脂补注。若漏浆严重需在对应管片脱出盾尾后及时进行二次注浆。

下穿既有地铁线区段同步注浆配合比根据试验确定，现场土木技术人员需检查每次进洞浆液的质量，每3环取一组试样并观察记录其稠度、粗颗粒含量、初凝时间、终凝时间和泌水率，确保浆液质量合格。同步注浆浆液配合比及性能指标见表2所示，物资部应保证浆液原材符合设计配合比要求。

（2）二次注浆

同步注浆采用的水泥砂浆存在达到强度时间较长、容易收缩变形、受扰动可能液化等缺陷，管片周围地层在盾构通过一段时间后仍存在继续沉降变形的可能。为控制土体沉降，推进过程中应根据监测数据对脱出盾尾的管片进行二次注浆，使隧道周围土体彻底固结，保证既有地铁线的运营安全。

下穿既有地铁线路区段采用特制管片，除封顶K块以外每块管片都增加2个注浆孔，所有增设注浆孔在管片进场前均已打通，并在注浆孔内安置单向逆止阀。每环管片进行同步二次注浆时首先选择好合适的注浆孔位（优先选择1点、11点的点位），再连接注浆接头、三通混合器、水泥浆管和水玻璃管即可。注双液浆时应注意先注纯水泥浆液1min后再打开水玻璃阀进行混合注入，终孔时应加大水玻璃的浓度。在一个孔注浆结束后等待5～10分钟再将该注浆头打开疏通查看注入效果，如果渗漏严重，应再次补注至渗水基本消失方可终孔，拆除注浆头，用双快水泥砂浆封堵注浆孔，扣上塑料螺堵，并进行下一个孔位注浆。

二次注浆应保证在盾尾管片后二环，确保注浆压力不小于1Mpa，注浆过程应该根据监测结果适量调整。

（3）二次深孔注浆

本次双液注浆孔布置在隧道加固段范围内的拱底、标准、邻接块中的压浆预留孔内。注浆前先用冲击钻将预留孔疏通，跟踪注浆将1.5米的注浆管振动插入孔内至隧道管壁外侧1.0米处；土体加固注浆将2.0米的注浆管连接振动插入孔内至相应的注浆深度。随即将特制的防喷装置安装好，并将单向球阀接在注浆管上，以便注浆。

根据监测信息以及注浆产生的滞后影响等情况，为了使加注的可硬性双液速凝浆液充分置换惰性浆液并均匀加固土体，并确保既有地铁路线和在建地铁线隧道变形量在允许范围内，在注浆时遵循少量、慢速、低压、多次、跳孔、分层注浆的原则。

2.6管片拼装

在盾构停机进行管片拼装时，由于千斤顶的收缩可能造成盾构机后退，导致土仓压力平衡被破坏。因此应尽量减少在盾构停机进行管片拼装时收回的千斤顶，满足管片拼装即可。管片拼装过程中，加强对土仓压力的监控，出现土仓压力持续降低的情况应及时向土仓内补注泥浆直至达到设定压力。

2.7自动化监测和信息化施工

为不影响既有地铁的正常运营采用自动化监测仪器，每30MIN报告一次测量数据，施工过程中应密切注视既有地铁线路自动监测情况，并考虑注浆对既有地铁线路影响的滞后效应；在注浆的同时，既有地铁线路的沉降曲线含有一定的变化，如果曲线（或某一个点）变化较大时应立即停止注浆，选择其它孔进行注浆。同样，在建地铁线的地表监测和洞内管片姿态测量资料要及时反馈，利用监测结果指导施工，不断优化施工参数，将既有地铁路线隧道、在建地铁线隧道和地面及构筑物变化控制在允许范围内。监测报警值设定为：单次变形±2.5mm；施工过程中累计变形±5mm；最终变形：注浆结束后6个月累计变形控制在±10mm。

3质量控制

（1）严格按照制定的施工方案和有关注浆的规范进行监控。

（2）严把注浆材料的质量关，对所用水泥必须具有出厂质保单和水泥复检合格证。

（3）注浆前必须要进行试注浆，通过试注浆获取既保证质量又切合实际的行之有效的数据。

（4）注浆施工必须如实填写值班报表，准确记录压力、流量、注浆时间等。

（5）注浆前必须做好注浆准备，注浆开始后应连续进行，中途避免间断。

（6）施工结束后，要及时清洗浆管，避免管内水泥浆液沉积、凝固，对于沉积凝固严重的输浆管要及时更换。

（7）在施工过程中必须对质量进行有效的跟踪监控。对隧道的任意点的附加沉降和水平位移控制在规定范围内。

4结语

深圳地铁2号线东延段土建工程2225-2标燕南站-大剧院站区间的顺利贯通证明通过控制盾构掘进参数、渣土改良、出渣量、壁后注浆和信息化施工能有效降低上软下硬地层中下穿运营地铁线路的盾构施工中安全风险，并提高盾构掘进效率。可以为国内外其它类似不良地层盾构施工工程所借鉴，并为复杂地质条件下盾构法施工的理论研究提供宝贵的数据资料

参考文献：

[1]竺维彬，鞠世健.地铁盾构施工风险源及典型事故的研究.暨南大学出版社.2009年.

[2]竺维彬，鞠世健.复合地层中的盾构施工技术.中国科学技术出版社.2006年.

[3]陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学.清华大学出版社.1994年.