劉旭全 劉驚東 宋領弟

摘 要：結合西安地鐵 5 號線南稍門站—文藝路站盾構區(qū)間下穿地鐵 2 號線施工實踐，對盾構下穿既有運營隧道施工過程中隧道變形控制進行試驗研究。通過現場施工試驗及現場監(jiān)測，研究分析既有隧道變形規(guī)律，提出盾構掘進施工參數動態(tài)取值范圍和既有隧道變形控制技術措施，從而保證地鐵2 號線正常運營。

關鍵詞：地鐵;黃土地層;盾構隧道;施工參數;隧道變形;控制

1 工程概況

西安地鐵5號線南稍門站—文藝路站區(qū)間起于南稍門站，經過南稍門十字、南關正街及長安北路以西，沿友誼東路東西方向布設，洞頂覆土10.14～18.46 m。右線隧道長度為719.510 m，起止里程為YDK33+700.174～YDK34+419.684，左線隧道長度為719.502 m，起止里程為ZDK33+700.174～ZDK34+419.684，線間距為15.5～17 m，用盾構法施工。隧道設計為圓形襯砌斷面，采用單層鋼筋混凝土裝配式結構形式，盾構管片形式為平板型，管片外徑為6.0 m，內徑為5.4 m，環(huán)寬為1.5m。盾構機選用日本小松TM614PMX土壓平衡式盾構機，自文藝路站始發(fā)，南稍門站接收出洞。下穿的既有地鐵2號線區(qū)間隧道里程段落為ZDK33+723.967～DK33+743.375，長度為19.408 m，5 號線隧道結構拱頂和2號線隧道仰拱底最小凈距為2.52 m。 按照施工要求，5號線盾構下穿期間必須保證2 號線正常運行，其環(huán)境風險等級為II級。

根據施工設計圖及地質勘查報告等資料，工程所在地地貌屬黃土梁洼區(qū)。地層自上至下依次為全新統(tǒng)人工填土、新黃土、老黃土、粉質黏土。場地內素填土、新黃土及古土壤均具濕陷性，施工過程中易遇水濕陷。地層主要存在潛水，地下水位埋深9.5～12.1m，具微腐蝕性。水位距5號線隧道拱頂8.7 m，距隧道底部14.7m。盾構隧道與既有隧道關系如圖1所示。

2 盾構施工參數選擇

本隧道采用日本小松公司生產的TM614PMX土壓平衡式盾構機施工，盾殼厚度為40 mm，盾尾間隙為 30mm，主機總長（刀盤—螺旋機尾部）為8.68 m;刀盤開口率為45%，刀盤開挖直徑為6.16 m，最大推力為37730kN。南稍門站—文藝路站區(qū)間盾構下穿2號線可以分為試驗段和下穿段2部分組織施工，其中試驗段包含第393環(huán)～第 442環(huán)，下穿段范圍為第443環(huán)～472 環(huán)。

2.1 試驗段盾構掘進參數

2.1.1 土倉壓力

根據公式P= kγh（P為平衡壓力，γ為土體的平均重度，取18 kN/m3，h為隧道埋深，取值18.24～18.45m），土的側向靜止平衡壓力系數k取0.44，由此計算可得盾構機上部土壓力設定值范圍為0.14～0.15MPa。

2.1.2 推進速度及推力

結合業(yè)主工期要求和西安地區(qū)地質條件，并借鑒其他城市施工經驗，試驗段盾構掘進速度控制值為20mm/min，推力為10 000～15000kN。

2.1.3 掘進方向

考慮該施工段因地層原因管片有上浮現象，盾構垂直姿態(tài)允許范圍為-30～-40 mm，盾構機水平偏差不大于±20 mm 。

2.1.4 出土量

在施工中嚴格按理論出土量出土，每環(huán)出土量偏差不超過1 m3，經計算理論出土量為44.8 m3 /環(huán)。為了維持一定土壓力，保證盾構正面土體的穩(wěn)定，實際出土量為理論出土量的98%～100%。

2.1.5 同步注漿量和壓力

經計算，每環(huán)的理論建筑空隙為2.43 m3，實際注漿量應為理論值的130%～180%，即為3.16～4.37m3，暫定注漿量4 m3，實際根據監(jiān)測數據不斷調整，注漿壓力控制在0.25 MPa，這樣地表沉降能夠得到有效控制。

同步注漿漿液采用現場自拌而成，下穿段同步漿液初凝時間不大于6 h，漿液稠度為100～120，泌水率<5%。同步注漿壓力應控制在0.25 MPa，注漿量與注漿壓力可根據監(jiān)測結果作適當調整。根據監(jiān)測數據，當沉降量超限時，及時進行二次注漿，注漿液選用水泥、水玻璃雙液漿，水玻璃（40波美度）與水按1 ： 3稀釋，水泥漿水灰比為1 ： 1，水泥漿 ： 水玻璃溶液為1 ： 1（體積比），初凝時間為20 s，注漿壓力為0.3 MPa。

2.2 下穿段盾構掘進參數

結合試驗段盾構掘進參數以及適時監(jiān)控變形情況，對下穿段盾構掘進參數進行統(tǒng)計分析，并不斷優(yōu)化調整。下穿段盾構推力分布曲線如圖2所示，由圖2可知，盾構機的推力控制范圍為17 300～17 990 kN;盾構推進刀盤扭矩分布曲線如圖3所示，由圖3可知，盾構刀盤扭矩為1685.4～1774.5 kN · m; 盾構掘進速度分布曲線如圖4所示，由圖4可知，盾構掘進速度為30～45mm/min;注漿壓力分布曲線如圖5所示，由圖5可知，注漿壓力為0.13～0.18 MPa。

3 既有隧道變形監(jiān)測分析

3.1 監(jiān)測方案及儀器

在地鐵2號線運營隧道內安裝全自動化監(jiān)測系統(tǒng)，實施自動化監(jiān)測。監(jiān)測點分別按左線隧道和右線隧道2 個區(qū)域布設。每條隧道從監(jiān)測區(qū)域中間位置開始布點，盾構下穿2號線正上方主要影響區(qū)域內按5 m間距布設1組監(jiān)測斷面，兩端外延區(qū)域內按10 m間距布設1組監(jiān)測斷面，每個斷面布設5個監(jiān)測點。其中，隧道結構中下部布設2個監(jiān)測點（A，C），監(jiān)測結構凈空收斂及水平位移;隧道拱頂布設1個監(jiān)測點（B），用于監(jiān)測隧道拱頂沉降;地鐵道床每個斷面布設2個監(jiān)測點（D，E），用于監(jiān)測地鐵道床沉降。監(jiān)測點布設如圖6所示。

自動化監(jiān)測系統(tǒng)設備的軟、硬件主要包括測量機器人、棱鏡、通訊箱及供電電纜、信號轉換器、計算機及專用軟件等。測量機器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)通過專用軟件實現全自動化監(jiān)測，并生成監(jiān)測報告。

3.2 監(jiān)測頻率及周期

盾構下穿2號線運營隧道時，按照1次/4～8 h的頻率進行監(jiān)測，當施工影響較大或出現變形征兆時按照1次/ 2～4 h進行連續(xù)監(jiān)測。盾構下穿2號線運營隧道前50 m時，測定初始值，然后進行正常的自動化監(jiān)測，在施工完畢后持續(xù)監(jiān)測3個月。

3.3 監(jiān)測數據分析

3.3.1 既有隧道結構變形分析

圖7～圖10給出了既有隧道結構部分變形數據，包括隧道頂豎向變形、水平變形隨時間變化情況，由圖7～圖10可見。

（1）左隧道頂豎向累計變形為4.93 mm，變形速率為0.12mm /天，右隧道頂豎向累計變形為1.78mm，變形速率為0.04mm/天，左右隧道豎向累計變形均小于變形控制值6mm和變形速率1mm/天。

（2）左隧道水平累計變形為1.21 mm，變形速率為0.03 mm /天，右隧道水平累計變形為0.64 mm，變形速率為0.02 mm /天，左右隧道水平累計變形均小于變形控制值5mm和變形速率1mm /天。

（3）左右隧道對比分析可以得出，先期下穿的左隧道變形值大于右隧道變形值，左隧道最大變形對應的環(huán)號為451～455，右隧道對應的環(huán)號為461～466，均位于既有隧道正下方。左隧道變形值大于右線變形值的主要原因是，左隧道先期下穿，后期下穿右隧道時部分應力已提前釋放，同時先期注漿加固減少了變形。

3.3.2 既有軌道變形分析

圖11～圖14給出既有軌道系統(tǒng)變形數據，包括道床豎向變形時程曲線和軌道縱向差異變形時程曲線，由圖11～圖14可見。

（1）左軌道豎向累計變形為4.06mm，變形速率為 0.1mm/天，右軌道豎向累計變形為2.14mm，變形速率為0.05mm/天，小于累計變形控制值6mm和變形速率1mm/天。

（2）左軌道縱向差異累計變形為2.07 mm，變形速率為0.05mm/天，右軌道縱向差異累計變形為1.72mm，變形速率為0.04mm/天，左右軌道縱向差異累計變形均小于累計變形控制值4mm和變形速率1mm/天。

4 結論及建議

（1）通過下穿期間既有隧道的監(jiān)測結果來看，對既有隧道的變形影響最大的因素主要是盾構機掘進的推力和速度。盾構機的推力控制范圍為17 300～17990kN，掘進速度控制范圍為30～45 mm/min。在盾構機過既有隧道之前既有隧道會有一定程度的上拱，但是在最佳的推力和速度之下，這個上拱值接近于 0。

（2）同步注漿漿液的類型、注漿的時機、注漿量是控制既有隧道變形的重要手段，由于下穿施工時既有2號線正常運營，及時進行同步注漿非常必要。注漿的壓力應控制在0.15MPa，最大值不應超過0.18MPa。

（3）在盾構下穿過程中掘進和同步注漿完成并不代表既有隧道穩(wěn)定，相反在這之后周邊的地層會繼續(xù)收縮直到穩(wěn)定，二次注漿就是控制這個過程的一個重要指標。當既有隧道單次變形值超過0.4 mm，或變形速率超過0.5 mm/天時，就應該對變形點位和附近進行二次補漿，此時雙液漿的初凝時間按30 s控制，壓力按0.18 MPa控制。

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收稿日期 2019-05-14

責任編輯 朱開明