盾构始发后短距离、小净距下穿道路与运营地铁盾构隧道重合风险源技术浅析

盾构始发后短距离、小净距下穿道路与运营地铁盾构隧道重合风险源技术浅析

傅  杰

身份证号码：371402198402282334

摘  要：盾构始发是盾构施工中的关键工序，因为始发初期，盾构保压能力弱，容易造成地面沉降，危及端头建（构）筑筑物安全。而盾构小净距下穿风险源同样是盾构施工中风险极大的工序，掘进参数尤其是土压力控制不好容易造成建构筑物沉降或隆起，而风险源重合时，地面埋深可能有变化，土压力控制又成为了难点，为了规避该类风险，必须选择较好的土压控制施工方式。文章以北京地铁27号线二期（昌平线南延）工程19号线支线清河站南侧区间右线始发后下穿小营西路及昌南线盾构区间为研究背景，通过工前评估、严格控制端头加固质量、土压分析与反馈、盾壳注入粘稠膨润土、二次注浆、径向注浆跟进等方式，研究盾构始发后短距离、小净距下穿道路与运营地铁盾构隧道重合风险源技术，研究成果可为同类工程提供参考依据。

关键词：盾构施工 短距离 小净距 重合风险源

引言

盾构始发是盾构施工中的关键工序，因为始发初期，盾构保压能力弱，容易造成地面沉降，危及端头建（构）筑筑物安全。而盾构小净距下穿风险源同样是盾构施工中风险极大的工序，掘进参数尤其是土压力控制不好容易造成建构筑物沉降或隆起，而风险源重合时，地面埋深可能有变化，土压力控制又成为了难点，为了规避该类风险，必须选择较好的土压控制施工方式。文章以北京地铁27号线二期（昌平线南延）工程19号线支线清河站南侧区间右线始发后下穿小营西路及昌南线盾构区间为研究背景，通过工前评估、严格控制端头加固质量、土压分析与反馈、盾壳注入粘稠膨润土、二次注浆、径向注浆跟进等方式，研究盾构始发后短距离、小净距下穿道路与运营地铁盾构隧道重合风险源技术，研究成果可为同类工程提供参考依据。

1 工程概况

1.1 区间简介

北京地铁19号线支线清河站两侧区间为预留工程，与北京地铁27号线二期(昌平线南延)工程清河站南侧区间同期实施。

19号线支线清河站南侧区间，在原07标始发场地内新建盾构始发井。盾构区间从新增盾构始发井引出后，以半径350m的曲线向北敷设，依次下穿小营西路挡墙、昌平线南延盾构区间、侧穿京张高铁清河站匝道桥、京张高铁垃圾楼及其管线，穿越二号横通道5、6号导洞砖砌回填区域后，下穿京张高铁车库出入口、老站房博物馆，到达经过清除锚索、注浆回填与临时封端墙处理后的暗挖初支结构下方，进行盾构机洞内拆解。

区间穿越的主要地层为：④粉质黏土重粉质黏土（约50%）、③4卵石圆砾（约40%），④2黏质粉土砂质粉土、⑤1中粗砂、⑤4粉质黏土等（约10%）。

区间拟投入2台中铁装备CTE6680型土压平衡式盾构机（536#、537#）进行掘进施工任务。

19号线支线清河站南侧区间平面位置示意图

1.2 小营西路简介

小营西路为东西走向的两幅路，为分隔往返车流，以避免快速车辆驶入对向行车道导致交通事故，道路中间设置中央分隔带，为了改善城市道路景观，在两侧设置路旁绿化带。同时，道路两侧设置非机动车道和人行道。中间道路为双向4车道道路，两侧非机动车道均为单向单车道。小营西路挡墙高度为0~5.0m,为装配式挡土墙，挡墙厚度为1.5~3.0m。挡墙变形缝间距为12m。

小营西路道路宽度 40 米。盾构区间结构与小营西路竖向净距约为 18.661~18.992m。区间所处地层自上而下主要为粉质粘土、粉细砂、粉质粘 土、粉细砂、中粗砂、卵石圆砾、粉质粘土、粉细砂等土层。风险工程等级为一级。小营西路与盾构掘进方向夹角为57°。小营西路道路横断面如图所示。

小营西路断面图

19号线支线穿越小营西路为盾构区间，左线穿越长度73.52m（约62环），右线穿越长度86.995m（73环），区间外径6400mm，内径5800mm，管片厚度300mm，管片形式为加强型多孔管片。区间结构与小营西路垂直净距为18.861~18.922。加固措施为洞内同步注浆、二次注浆、径向注浆；左线径向注浆长度99.665m，右线径向注浆长度95.588m，径向注浆范为为拱部140°，采用DN25钢花管，长2m，扩散半径0.6m，浆液采用水泥浆。

小营西路与盾构位置关系剖面图

1.3 昌南线盾构区间简介

昌平线南延盾构隧道区间，右线总长2148.115m,左线总长2189.851m。盾构区间覆土约4～26.8m。盾构区间在小营西路站先过站，沿小营西路继续向西掘进，下穿小营西路挡墙后区间左线在预留横通道内接收、运输，最后由盾构井吊出；既有昌平线南延盾构区间外径∅6000mm，内径∅5400mm，管片厚度300mm。

昌南线、小营西路与盾构位置关系剖面图

1.4三维实体模拟

对于小营西路进行三维实体单元模拟，模型计算左、右及底部边界均按距离区间宽度的3~5倍洞泾考虑。道路结构采用三维实体单元模拟，盾构管片采用shell单元模拟，注浆加固通过提高相应的土体参数模拟。模型总体尺寸为：230（长）×150（宽）×60（高）m，单元总数162863，节点总数85236。

经过模拟，施工完成后，小营西路最大沉降值约为13mm，纵向最大沉降坡度0.33‰。

经过模拟，施工完成后，挡墙结构的最大沉降值为12mm，挡墙沉降缝处错缝差为3.2mm。

小营西路与盾构三维实体单元模拟图

小营西路沉降模拟图

计算模型里小营西路及道路挡墙沉降值模拟计算结果均满足要求控制值。但是在昌南线隧道穿越时，已经有地面扰动发生，因此施工单位和第三方监测要引起重视，在盾构穿越过程中全程实时监测，严格按照三级预警机制采取必要的准备措施。

对于昌南线进行三维实体单元模拟。考虑到施工过程中的空间效应，三维计算分析对新建区间开挖区域和既有线结构进行实体建模，三维地层-结构模型见下图。为了确保三维模型有足够的计算精度并尽量减少收敛时间，本次计算对模型范围作出了一定的限定，区间两侧边界土体取的4至5 倍洞径，底部取 5 倍埋深，即南、北向长度取 170m，东西纵向宽度取 150m；垂直方向上从地表以下取50m。

盾构下穿昌南线三维地层-结构模型

新建 19 支盾构区间施工对既有昌南线轨道结构有一定影响，可能威胁行车安全，有必要对该影响开展分析。

根据工前检测结果轨道结构道床与行车轨道间变形连续、无分离脱开，近似将轨道结构变形视为轨道变形。

路基段轨道变形云图（mm）

通过建立三维地层-结构模型，对既有轨道交通结构进行了附加变形计算和分析，结果表明：19 支盾构区间施工会引起既有昌南线盾构区间附加变形，从而对轨道交通结构造成一定程度的影响：

（1）新建 19 支盾构区间开始施工后，既有盾构区间随新建施工不断发生沉降，最大沉降位于北侧盾构下穿点，最大沉降值为-2.75mm；南侧盾构下穿点，最大沉降值为-2.59mm。其中左线 ZK33+372.200~ZK33+514.400（142.2m）及右线

YK33+421.000~YK33+535.400（114.4m）为下穿影响区，沉降值较大。

（2）既有区间主要受阴影范围内新建区间影响，阴影外 15m 范围内产生少量沉降影响，15m 范围外基本无影响。

（3）在新建工程影响范围内，典型测线轨道左线最大沉降为 2.75mm，右线最大沉降为 2.59mm，小于《线路设备维修规程》（北京市地铁运营有限公司技术标准 2021 年版）规定的 3mm，说明新建线施工对既有线轨道的影响可控。

轨道交通结构安全性验算表明：新建19支盾构区间施工，引起的既有昌南线盾构区间应力变化较小，且均在允许范围内，既有结构受力安全。

2施工控制要点

2.1 严格控制端头加固质量

本工程端头加固范围为隧道边线上下左右各3m范围，左线加固长度10m、右线加固长度13m。注浆施工要呈角度进行，采用双液注浆的形式，加固土体。加固后的土体应满足:土体有良好的均匀性和自立性，加固后土体不得有明显的渗水。其无侧限抗压强度不小于0.8MPa，渗透系数不大于1.0x10-6cm/s。

端头加固平面图                端头加固剖面图                                  

钻机钻孔，钻杆直径54mm，钻孔过程通过操纵仪控制钻杆角度，水平钻孔，根据钻孔水情况判断前方地质状况并做记录，以及时调整钻孔参数并对注浆时浆液配比提供依据。

钻孔达到相应深度后，进行双液注浆，注浆压力控制在0.5~1.0MPa，一段注浆完成后，拔管0.3m~0.5m，根据实际情况，选择配合比直至单孔注浆完成，移至下一孔。深孔注浆单孔注浆步序图

注意事项：端头加固距离风险源距离较近时，注浆过程中要时刻注意压力变化，注意端头地表隆起监测、明确注浆结束标准，并严格执行。

2.2土仓压力计算与掘进参数控制

2.2.1重合风险源土压力计算

区间穿越层为粉质黏土地层、中粗砂层，上层覆土为杂填土、中粗砂、粉质粘土。根据穿越段地层埋深及地下水位情况对土压力进行计算。

土仓压力 P 的确定 

P 值与地层土压力和静水压力相平衡，设刀盘中心地层静水压力、土压力之和为P0，P0 ＝γ•h（γ－土体的平均重度，h－刀盘中心至地表的垂直距离），则 P＝K•P0 ，K—土的侧向静止侧压力系数取 0.43。具体施工时，根据盾构所在位置的埋深、土层状况及地表监测结果进行调整。

而在本工程中，由于小营西路存在地表高差，因此h为范围值，刀盘半径为3.34m，h取17.7~22.6m

土压最大值：P1=γ•h=20200×22.6=456520Pa

P= K·P0=468640×0.43=201515.2Pa≈2.01bar

土压最小值：P2=γ•h=20200×17.7=357540Pa

P3= K·P=357540×0.43=153742.2Pa≈1.53bar

P4= K·P=456520×0.43=1.96303.6Pa≈1.96bar

掘进阶段，根据计算及施工经验，在刀盘位于不同埋深时，采用不同的土压进行掘进，结合现场掘进及测量地面监测情况调整土压。

掘进过程中，加强对地面沉降的监测，根据监测结果及时调整土压力的大小。

2.2.2始发时土压力及掘进参数的控制

盾构始发后，掘进至0环时，刀盘进入小营西路下方，此时洞门密封处仅为压板及橡胶帘布，密封保压能力差，盾构始发掘进阶段由于受到尾盾密封及洞门密封等因素的限制，土仓压力实际设定值不宜过高，且此时为了避免土压波动及水土流失，应当保实压。

盾构始发后与风险源关系图

2.3盾壳注入粘稠膨润土

区间盾构机采用2台中铁装备CTE6650盾构机，盾构机刀盘直径φ6680mm，尾盾直径φ6650，掘进过程中通过中盾盾体上的注浆孔向盾体外注射粘稠膨润土浆液填充开挖完产生的空隙，减少上方覆土自然沉降，控制盾构推进时所引起的第三阶段沉降，辅助第四阶段沉降控制。

粘稠膨润土沉降控制图

粘稠膨润土泥浆注浆系统

盾构机注浆孔位示意图

2.4二次注浆、径向注浆跟进

2.4.1 洞内二次注浆

二次补强注浆一般在管片与围岩间的空隙充填密实性差，致使隧洞变形得不到有效控制或管片衬砌出现渗漏的情况下实施。穿越风险源时为保证浆液在管片外充 填密实，减小地面沉降，从盾构进入施工影响区（前15米）开始直至盾尾脱出施工影响区（后15米），对盾尾后部10环以内的管片（从盾尾第3环开始）每隔一环进行壁后二次补浆，用以控制第五阶段沉降。

二次注浆沉降控制图

2.4.2 洞内径向注浆

盾构穿越段管片采用加强型管片，每环管片壁后注浆孔共计16个，通过壁后注浆孔向区间结构拱部140°范围内进行深孔注浆，径向注浆长度2.0m，注浆扩散半径不小于0.6m。注浆采用直径DN25无缝钢管。

注浆浆液采用单浆液，可根据地层条件添加调节浆液凝结时间和可注性的外加剂，注浆后的土体应满足：土体有良好的均匀性和自立性，渗透系数不大于1.0*10-6cm/s，无侧限抗压强度不小于0.5MPa。注浆压力控制在0.5~0.8MPa，大范围深孔注浆前，应提前施做注浆试验，确定合理的浆液配比、注浆压力等指标，必要时可适当调整注浆压力等相关参数，确保有效扩散半径大于0.6m，并满足注浆加固体的相关要求。

径向注浆沉降控制图

隧道内径向注浆范围示意图

3 实施效果分析

3.1 施工组织

通过施工组织优化，盾构机在始发过程中，每个工序，每掘进一环都有相关的指导，施工工序衔接顺畅，没有出现计划之外的突发状况，较原计划提前4天完成下穿施工。

3.2 工程安全

盾构机始发及下穿过程中，没有出现重大安全事故，洞门未出现大量涌水涌沙情况，小营西路及昌南线沉降在设计范围内，运行良好。

3.3 工程质量

由于及时采用二次注浆及径向注浆工艺，始发端管片无错台及渗漏水现象，有效的控制了工程质量。

4结论

（1）面对复杂的盾构始发后短距离、小净距下穿道路与运营地铁盾构隧道重合风险源以及类似的工程概况，应当进行三维实体模拟，对后续施工进行指导；

（2）在始发后立即进行风险源下穿的工程，要十分重视端头加固的施工质量，明确施工工艺、过程监测，确保注浆过程风险源安全，以及达到加固效果确保后续施工过程中安全；

（3）在始发后立即进行重叠风险源下穿的工程要充分分析地表是否有埋深变化，每一环进行CAD模拟相对位置关系，针对性制定掘进参数。

（4）盾壳注入粘稠膨润土，既可以减少阻力，确保施工过程的顺利，又可以填充刀盘开挖面和盾壳之间的间隙，建议类似工程大量采用；

（5）面对复杂工程，及时跟进的二次注浆和径向注浆十分有必要，能把对地层的扰动降到最低。

参考文献

[1]侯秀芳, 梅建萍, 左超. 2020年中国内地城轨交通线路概况[J]. 都市快轨交通, 2021,34(1): 12-17。

[2]阮雷, 孙雪兵, 申兴柱, 等. 新建盾构隧道施工对既有铁路路基的影响研究[J]. 铁道标准设计, 2018,62(06): 99-104。

[3]娄国充. 铁路隧道下穿既有路基沉降规律及控制标准研究[D]. 北京交通大学, 2012。

[4]邢烨炜. 北京地铁14号线盾构下穿京津城际铁路变形规律及动力响应分析[D]. 北京交通大学, 2011。

[5]周小文,吴宏伟.用于估计多隧道开挖地面沉降的解析解（英文）[J].岩土工程学报,2007(11):1703-1710。

[6]施成华,彭立敏.随机介质理论在盾构法隧道纵向地表沉降预测中的应用[J].岩土力学,2004(02):320-323。

[7]马险峰,王俊淞,李削云,余龙.盾构隧道引起地层损失和地表沉降的离心模型试验研究[J].岩土工程学报,2012,34(05):942-947。

[8]邱明明,杨果林,段君义,张沛然.近距双线盾构隧道开挖诱发地层变形演变规律及数值模拟[J].自然灾害学报,2021,30(01):60-69。

[9] 包小华,章宇,徐长节,付艳斌,崔宏志,谢雄耀.双线盾构隧道施工沉降影响因素分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2020,39(03):51-60。