盾构法地铁隧道近距离穿越地铁既有运行线施工技术

1工程概况
深圳地铁3151标段购物公园站—福田站盾构区间隧道在福华路与民田路交汇处的福华路上，里程ZDK5+477.17—ZDK5+497.25及YDK5+476—YDK5+496.3处下穿地铁1号线购物公园站—香蜜湖站区间既有隧道，如图1所示。该交汇最近点距离本区间购物公园站只有31m，地面交通繁忙，车流量大。
新建隧道覆土厚度约为18m，线路坡度为－5‰。盾构区间圆形隧道采用通用型钢筋混凝土管片，管片厚0.3m，外径6.0m，内径5.4m。管片宽1.5m，分为6块(1块K块、2块L块、3块B块)。深圳地铁1号线是深圳市目前正在运营的地铁线路，是深圳市主要交通线路。列车运行频率高，人流量大，营运时间每天6:00至23:30，深圳地铁3151标段下穿的1号线购物公园站—香蜜湖站区间采用盾构法施工，管片厚0.3m，外径6.0m，内径5.4m，每环管片长度1.2m。


左线新老隧道之间的净距为1.23m，右线新老隧道之间的净距为1.46m。1号线既有隧道上覆土层为素填土、粗砂、砾(砂)质黏性土、砾质黏土层，既有线隧道主要位于砾质黏土层和全风化花岗岩层中;新建区间隧道主要穿越全风化花岗岩层和强风化花岗岩层，新老隧道之间所夹土体为全风化花岗岩。各岩土层特性描述如下:素填土松散～稍密状，由砾质、砂质黏土组成，表层0.1～0.6m为混凝土路面及砂垫层，密度ρ=1.60～2.06g/cm3，孔隙比e=0.47～1.07，压缩模量Es0.1－0.2=3.43～14.83MPa，压缩系数a0.1－0.2=0.54MPa－1，属中～高压缩性土。粗砂中密，主要物质成分为石英质粗颗粒，含少量黏性土，级配良好，ρ=1.84～2.07g/cm3，e=0.43～0.89，Es0.1－0.2=4.49～19.93MPa，a0.1－0.2=0.25MPa－1，中压缩性土。砾(砂)质黏性土可塑状，以黏粒为主，含少量角砾，岩芯呈土柱状，黏性较好，土质不均。砾质黏土层硬塑状，土质较均匀，含少量石英质粗砂砾，由下伏花岗岩残积而成，岩芯呈土柱状，ρ=1.76～1.73g/cm3，e=1.03～1.04，Es0.1－0.2=3.15～4.12MPa，a0.1－0.2=0.56MPa－1，高压缩性土。全风化花岗岩岩石风化强烈，原岩结构可辨析，岩芯呈坚硬土柱状，遇水软化，矿物成分除石英质残留外，其他已基本风化呈土状，ρ=1.86～1.83g/cm3，e=0.68～0.70，Es0.1－0.2=4.54～4.60MPa，a0.1－0.2=0.36MPa－1，中压缩性土。强风化花岗岩层岩石风化强烈，岩芯呈坚硬土柱状，微含约5%角砾状强风化碎石，手可折断，遇水软化崩解。
区间范围地下水主要是第四系孔隙水。第四系孔隙潜水主要赋存于冲洪积砂层及沿线砂(砾)质黏土层中。地下水位埋深4～7.4m，以孔隙潜水为主，局部地段呈微承压，主要由大气降水补给。第四系孔隙水水量较丰富，水质易被污染。
2施工设备
2.1盾构选型
从安全性、经济性、适用性等方面综合考虑，并综合考虑盾构区间的整体情况，区间隧道采用2台加泥式土压平衡盾构机。主要技术参数:总推力34210kN，额定扭矩5300kN·m，推进速度0～10cm/min，刀盘开口率28%。刀盘上配置有齿刀64把、单刃滚刀32把、双刃滚刀4把，边缘刮刀8把，在刀盘面板上有8个注射口，用来注入泡沫或膨润土。
2.2土压平衡模式机理
土压平衡式模式的基本工作原理如下:盾构机推进掘削开挖面土体使碴土充满土仓，并使土仓内的渣土密度尽可能与隧道开挖面上的土壤密度接近。在推进油缸的作用力下，土仓内充满的渣土具有一定的压力，渣土压力与隧道开挖面上的水土压力实现动态平衡，隧道开挖面上的土壤就不会轻易坍落，达到既完成掘进又不会造成开挖面土体失稳的目的，如图2所示。


3施工控制指标及施工难点
3.1主要施工控制指标
根据深圳市地铁公司《城市轨道交通安全保护区施工管理办法(暂行)》的规定，对既有地铁线路按三级预警制度进行管理，即预警值、报警值、控制值。预警值取控制值的50%，报警值取控制值的80%，结构变形控制指标如表1所示。


表1中，监测控制值是指既有运行线地铁列车正常运行的极限值，预警值是指引起警戒措施的起始值，报警值是指需提出警告的初始值。
3.2施工难点
新建地铁与下穿的既有运行线距离较小，盾构掘进对既有运行线影响较大。如何在施工过程中减小地层沉降，从而将1号线隧道变形控制在允许范围之内，避免因沉降过大而影响既有1号线隧道的正常运营是施工过程中的难点。
4施工关键技术
4.1施工总体方案
由于新老隧道之间间距不足1.5m，且新老隧道之间所夹土体为全风化花岗岩，存在遇水软化的特点。如果提前对夹层土体采用管棚加固等预加固措施可能会破坏原有土体的稳定性，造成所夹土体变形、沉降，甚至有可能影响既有1号线隧道的安全，所以经研究决定:采用严格控制盾构机掘进参数的方法，不预先加固直接掘进下穿既有1号线隧道。
左右线各采用1台海瑞克盾构机进行下穿地铁既有运行线的施工。盾构机由石厦站始发，施工完成石厦—购物公园站区间后，在购物公园车站过站，二次始发进行下穿地铁1号线盾构施工。
在盾构机下穿既有隧道前，对盾构机进行维修保养，确保盾构机以最佳状态下穿交汇区。进行下穿地铁1号线施工时，在自动监测系统反馈的监测数据指导下，采用了向盾体周围注入膨润土的方法，土压平衡模式直接掘进通过既有运营隧道。
4.2施工关键技术
4.2.1掘进前盾构机检查
盾构机在下穿既有隧道前，对所有设备进行彻底的检查和维修(刀具、注浆系统、盾尾刷等)，特别是土压传感器的检查，以确保盾构机在绝对良好的状态下穿地铁1号线。
1)盾构机同步注浆系统、发泡系统维修
对盾构机同步注浆管路进行清理，保证4条注浆管均可用。对注浆泵进行维修，保证2台泵均可用。对注浆压力传感器进行维修，保证每个传感器压力显示正确。对发泡管路进行疏通，确保发泡系统可用。
2)土压平衡系统及数据传输系统
为指导盾构掘进，土压力的显示必须正确，掘进数据必须可以传输到地面监控室，以便值班人员了解盾构施工情况，所以需要做好如下工作:清理土压传感器，检查传感器的连线，确保土压力在面板显示正确;维修数据传输系统，确保可用。
3)盾构油脂注入系统
为确保盾尾注浆时不漏浆或少漏浆，必须对盾尾油脂注入系统进行检查维修，检查油脂泵、油脂管路，确保油脂管路畅通。
4)刀盘和刀具
在盾构始发前，对盾构机刀盘磨损的地方要用耐磨合金进行补焊，确保刀盘的掘削性。刀具全部更换，确保刀具的耐磨性，避免因刀盘或刀具原因而影响下穿地铁1号线隧道施工。
4.2.2采用合理掘进模式，确保下穿过程连续作业
根据下穿区域的工程地质与水文地质条件，采用土压平衡模式进行该段隧道掘进。掘进过程中始终保证土仓压力与作业面水土压力的动态平衡，同时利用螺旋输送机进行与盾构推进量相应的排土作业，掘进过程中始终维持开挖土量与排土量的平衡，以保持正面土体稳定。另外，做好掘进、拼装等各工序的衔接以及盾构队作业班的交接工作，尽量减少非工作时间。在掘进过程中，各关键岗位(盾构司机、管片拼装工、电瓶车司机、龙门吊司机)选用有丰富施工经验的人员，定岗定人。在施工过程中加强对机械设备的维修保养，尽量保证不因机械故障而停机，保证盾构机连续掘进。
4.2.3选用合理盾构施工参数，严控施工过程
盾构机开始下穿既有隧道区域前20m作为试验段，按控制1号线隧道沉降的50%控制地面沉降，以确定合理的盾构施工参数，最终施工参数选定如下:理论排土量46.4m3/环;掘进速度15～25mm/min;土仓压力200～240kPa;推力15000～17000kN;扭矩800～1200kN·m;刀盘转速1.5r/min;注浆压力350～450kPa。
4.2.4加强注浆
当管片脱离盾尾后，在管片与土体之间会形成一道宽度为115～140mm的环形空隙，此间隙采用同步注浆的措施来填充。
同步注浆的目的主要是为了尽快填充环形间隙使管片尽早支撑地层，防止地面变形过大而危及周围环境安全。同步注浆采用盾尾壁后注浆方式。壁后注浆装置由注浆泵、清洗泵、储浆槽、管路、阀件等组成，安装在第1节台车上。同步注浆速度与掘进速度匹配，按盾构完成一环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。为确保既有隧道安全，通过控制同步注浆压力和注浆量(注浆压力控制在0.4MPa左右，每环注浆量6.5m3左右)双重标准来确定注浆时间。注浆量和注浆压力达到设定值后才停止注浆，否则仍需补浆。注浆配合比如下:水泥250kg/m3，膨润土75kg/m3，粉煤灰50kg/m3，砂400kg/m3，水根据实际情况调整，初凝时间180min。
盾构机穿越后考虑到同步注浆浆液收缩的因素，为确保既有隧道安全，防止既有隧道产生后期沉降，将下穿区及下穿区前后10m范围设定为施工区域，进行洞内二次注浆，充填管片背后同步注浆浆液收缩产生的空腔。当台车全部脱出1号线区域后，将下穿区域的每环管片顶部注浆孔打开注双液浆。注浆压力为0.4MPa，注浆配合比如下:水泥150g，水60mL，水玻璃108.4mL，初凝时间2min40s，终凝时间14min30s。
4.2.5径向注膨润土
1)在盾构机下穿对沉降敏感的建(构)筑物之前，疏通中盾径向注浆孔管路，以确保管路畅通，径向注浆孔布置如图3所示。
2)事先将膨润土搅拌桶、二次注浆机、膨润土等注浆设备材料运输至隧道内并安放在盾构机台车的适当位置。
3)当盾构机刀盘抵达既有建(构)筑物的下方时，打开中盾径向注浆孔的球阀，将二次注浆机用接头与径向注浆孔连接在一起。


4)当盾体处于既有线隧道的下方时，用二次注浆机向盾体外侧注入高稠度膨润土，以填充土体与盾体之间环形间隙。注浆压力不超过土仓压力，如土仓压力明显升高，则立即停止注膨润土。
4.2.6施工监测措施
1)地面沉降监测按国家二等水准测量规范的要求，用精密水准仪、条码铟钢尺由高程控制网的基准点对预先设置在地面的监测点逐点进行量测，并将各沉降点沉降值存入计算机监测管理系统汇总成沉降变化曲线、沉降速度变化曲线以备施工需要。
2)既有隧道监测方案该系统以徕卡全站仪TCA1800为数据采集设备，配以计算机及相应的通讯机后处理软件，以实现对既有隧道变形的自动化监测，测量系统构成如图4所示。


工作基站设置在隧道侧壁，同时设置4个基准点以校核工作基点。全站仪安装于基站上，通过CDMA模块与后台建立通讯联系，由后台控制全站仪对基准点和监测点按照一定顺序进行扫描、记录、计算机自校，并将测量结果发送至后台计算机入库存储并进行整编分析。
基准点位于盾构施工影响区域之外，最外观测点以外40m左右的隧道中，既有隧道位移监测数据只反映监测区域相对基准点的位移量。工作基站布置于监测区域中部，离道床1.2m左右，便于全站仪自动寻找目标。
沿轴线5m设1个监测断面，每断面5个监测点，如图5，6所示。其中2个监测点布置于中腰位置附近，1个监测点布置于既有隧道顶部，剩下2个监测点在既有隧道与新建隧道相交位置的断面道床边缘管片上。各监测点用膨胀螺栓固定安装小规格反射棱镜，棱镜反射面指向工作基点。




5实施效果分析

项目部在2010年先后两次成功下穿既有地铁1号线隧道。在左线盾构机下穿施工完毕后，在左线盾构机下穿施工完毕后，1号线既有运行线的上行线结构监测点最大沉降稳定在－