【摘要】隨著軌道交通建設的快速發(fā)展以及地鐵線路的擴建，地鐵隧道穿越高鐵橋梁的情況越來越多。然而，現(xiàn)有的盾構(gòu)法新建地鐵隧道研究在分析這種情況方面略有不足。因此文中從盾構(gòu)掘進技術(shù)的角度出發(fā)，對一種新的隧道施工技術(shù)進行了探討和研究，即施工前對盾構(gòu)端進行加固，安裝地鐵區(qū)間隧道的隧道段，劃分地鐵區(qū)間隧道的隧道區(qū)，然后在特殊區(qū)間進行隧道施工。通過該技術(shù)的應用，可以有效地減少隧道向弧外的位移和沉降，保證隧道施工的安全。

【關(guān)鍵詞】盾構(gòu)法；掘進施工技術(shù)；監(jiān)控量測；路基沉降

【中圖分類號】TU744 【文獻標志碼】A 【文章編號】1673-6028（2024）08-0158-04

0 引言

盾構(gòu)法在城市地鐵的應用廣泛，可以加快施工進度，減少對結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境的影響。但由于地質(zhì)條件復雜多變，施工擾動對路基沉降的影響無法準確預測。因此理論方法和數(shù)值模擬都難以反映盾構(gòu)掘進的真實作業(yè)環(huán)境[1]。文中介紹了對路基沉降和盾構(gòu)機運行參數(shù)的全面實地監(jiān)測。分析盾構(gòu)掘進中操作參數(shù)及變化特征與路基沉降的關(guān)系以及控制措施的基礎上，提出了鐵路線下盾構(gòu)掘進操作參數(shù)的合理設置建議和變形控制措施。

1 項目概述

1.1 新建某地鐵隧道與既有線路位置關(guān)系

采用盾構(gòu)法挖掘的新建隧道是南京地鐵的一部分，線路從Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ號既有運營線下方穿過。既有隧道的覆土深度為14～22 m，每段襯砌的寬度為1.2 m，厚度為0.3 m。隧道垂直凈空最小為7.85 m。

1.2 地質(zhì)條件

項目工程地形基本平坦，自上而下的地質(zhì)條件為回填土、淤泥和礫石。掘進隧道主要位于礫石層中。根據(jù)剪切波速和重力貫入試驗，異質(zhì)礫石層屬于低壓縮性土。土粒組成較好，局部含漂石，30%為砂土和黏性土。地下水屬于溶蝕水，范圍為23.6～25.3 m。

1.3 加固措施和控制標準

采用一些加固措施，主要有灌漿加固和加固緊固軌道兩種。以有效控制地面沉降、有砟軌道沉降，提高路基土強度?？刂茦藴室姳?。

1.4 監(jiān)測點布局

在雙盾構(gòu)隧道挖掘過程中，影響區(qū)域內(nèi)三條監(jiān)測線XXH1、XXH2和XXH3沿既有鐵路線的兩側(cè)和中間布置，與軌道平行。每條監(jiān)測線包含10個監(jiān)測點（ZDH1-1～ZDH1-10、ZDH2-1～ZDH2-10、ZDH3-1～ZDH3-10），共設置了30個路基沉降自動監(jiān)測點。自動監(jiān)測使用靜壓液位系統(tǒng)檢測現(xiàn)有鐵路路基沉降。中央監(jiān)測系統(tǒng)用于觀測靜壓液位計發(fā)出的信號。

1.5 盾構(gòu)隧道的運行參數(shù)設置

項目根據(jù)隧道工作面與自動監(jiān)控區(qū)域的相對位置，將盾構(gòu)隧道的掘進過程分為三個階段。

第Ⅰ階段：盾構(gòu)穿越前；第Ⅱ階段：盾構(gòu)穿越期間；第Ⅲ階段：盾構(gòu)穿越后。

根據(jù)現(xiàn)場試驗，盾構(gòu)運行參數(shù)設置為：土壤壓力設定為（1.1～1.3）×105 Pa，并根據(jù)不同的地質(zhì)條件和埋深而變化；盾構(gòu)勻速掘進速度保持在30～60 mm/min；同步注漿量應為理論注漿量的1.5～2.0倍，約為每環(huán)5～7 m3，以確保盾構(gòu)段后方填土密實；開挖土方量應控制在46.5～48 m3之間，其中土方松動系數(shù)為1.14；總推力需要根據(jù)實際情況進行調(diào)整；刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩需要根據(jù)盾構(gòu)機的其他運行參數(shù)進行綜合考慮。

2 地鐵右線情況

2.1 右線隧道引起的路基沉降

圖1顯示了監(jiān)測線路ZDH1、ZDH2和ZDH3上現(xiàn)有路基的沉降發(fā)展情況。

1）由于盾構(gòu)機首先駛?cè)隯DH1，然后到達ZDH3，因此盾構(gòu)掘進引起的最大沉降產(chǎn)生在監(jiān)測點ZDH3-1和ZDH3-2。

2）盾構(gòu)隧道在第Ⅰ階段掘進時，隨著監(jiān)測點與隧道面距離的減小，路基沉降量增大。

3）當盾構(gòu)隧道在第Ⅱ階段掘進時，由于盾構(gòu)掘進引起的大量體積損失，首先會引起現(xiàn)有路基的劇烈沉降。隨后，由于盾構(gòu)機運行參數(shù)的實時調(diào)整，路基沉降逐漸減小。

4）當盾構(gòu)隧道開挖到第Ⅲ階段時，基底沉降逐漸趨于平緩。原因是隧道工作面距離監(jiān)測點較遠，分段已拼接成環(huán)，補償和二次沉降也已完成，并進行了補償和二次注漿。

5）ZDH1、ZDH2和ZDH3這三條監(jiān)測線上現(xiàn)有基層的沉降發(fā)展呈S形曲線。最大沉降介于1.2～2.5 mm之間，主要位于第880環(huán)附近。監(jiān)測數(shù)據(jù)明顯小于預警值（7.0 mm），如表1 所示。

6）盾構(gòu)隧道掘進區(qū)主要位于卵石夾少量淤泥質(zhì)黏土中。 地質(zhì)條件相對簡單，因此，路基變形容易控制。

2.2 右線隧道盾構(gòu)運行參數(shù)隨時間變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)

右線隧道運行參數(shù)隨時間變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)如圖 2所示。運行參數(shù)的變化特征及對既有路基沉降的影響分析如下。

1）如圖2（a）和（b）所示，開挖土方量和同步注漿量控制在0.5 m左右，土方開挖量和同步注漿量分別控制在47 m3和5.1 m3左右。路基沉降得到了很好的控制。當同步注漿量增至最大值，隧道掘進引起的路基沉降減小，甚至轉(zhuǎn)化為隆起。

2）如圖2（c）所示，870環(huán)附近刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩從5 500～6 000 kN．m，發(fā)展到變化曲線的谷底3 500～4 000 kN．m時，現(xiàn)有路基會產(chǎn)生最大沉降。這表明扭矩會導致現(xiàn)有路基沉降顯著增加。

3）如圖2（d）所示，當盾構(gòu)駛至第840～850 環(huán)時，總推力為1 500～1 600 t。由于第875～885環(huán)的總推力為1 350～1 500 t，因此在監(jiān)測線路ZDH1和ZDH2處產(chǎn)生了2.5 mm的最大沉降?？偼屏榫蜻M過程中最小值。當總推力為1 500～1 750 t，第885～900環(huán)時，監(jiān)測線ZDH3的沉降量抬升了2.5 mm。這表明在盾構(gòu)掘進過程中，應實時調(diào)整總推力，可有效控制路基沉降。

4）圖2（e）顯示了盾構(gòu)掘進速度，主要在40～48 m m/min之間。當盾構(gòu)掘進至第880環(huán)附近時，掘進速度達到最大值。此時，現(xiàn)有基層的沉降量增加到最大。極速導致刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩和總推力最小。這表明應嚴格控制盾構(gòu)掘進速度，防止刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩和總推力減小，影響地面沉降。

5）如圖2（f）所示，土壤壓力的變化特征與刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩和總推力的變化特征相反，而與盾構(gòu)驅(qū)動速度的變化特征相似。旋轉(zhuǎn)扭矩和總推力的減小與盾構(gòu)掘進速度的增加會導致地面極度沉降。

2.3 右線盾構(gòu)隧道運行參數(shù)對路基沉降的影響

圖1和圖2所示，在隧道右線行駛過程中，第870～880環(huán)和第900～910環(huán)的路基沉降和運行參數(shù)表現(xiàn)出異?，F(xiàn)象。該異?，F(xiàn)象有助于研究右線盾構(gòu)隧道運行參數(shù)對路基沉降的明顯影響規(guī)律。刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩和總推力不足、盾構(gòu)掘進速度過快都會增加路基沉降，導致土壤壓力增大。這三個運行參數(shù)之間存在著內(nèi)在聯(lián)系，即突然提高的掘進速度會導致刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩和總推力突然下降，從而無法平衡隧道面的土壤壓力。

此外，雖然同步注漿可以補償路基沉降，但注漿量控制不當會導致沉降轉(zhuǎn)化為隆起。此外，及時、動態(tài)地調(diào)整運行參數(shù)對現(xiàn)有路基的變形控制是有利和必要的。通過同步、二次注漿和及時拼接成環(huán)，可以更快地穩(wěn)定路基變形。

3 地鐵左線情況

3.1 左線隧道引起的路基沉降

左線隧道引起現(xiàn)有路基沉降發(fā)展情況如圖1。研究結(jié)果如下：

1）在盾構(gòu)隧道開挖的第Ⅰ、第Ⅱ階段，左線隧道誘導的沉降特征與右線隧道相同。需要注意的是，ZDH3-9和ZDH3-10在第Ⅱ階段比其他監(jiān)測點有更大的下降率。原因之一是位于第810～820環(huán)附近低位的運行參數(shù)導致，所有監(jiān)測點的下降率都變大了。另一個原因是運行參數(shù)對ZDH3-9和ZDH3-10的影響更大，因為隧道工作面距離更近。

2）當盾構(gòu)隧道在第Ⅲ階段掘進時，由于各段立即拼接成環(huán)并進行補償注漿，路基沉降變化趨穩(wěn)[2-3]。而ZDH2-6和ZDH2-7等監(jiān)測點的沉降量突然增加是由于盾尾脫節(jié)、注漿不及時、土體滲透性強以及硬化時間過長，對土體未形成足夠的支撐力和剛度[4]。

3）當盾構(gòu)隧道穿越監(jiān)測線ZDH1-6區(qū)域時，沉降急劇下降，導致差異的影響因素可能是不同的地質(zhì)條件。

4）由于左線隧道在卵石、細砂和淤泥質(zhì)黏土的復合地層中開挖，左線隧道引起的路基沉降小于右線隧道。

3.2 左線隧道盾構(gòu)運行參數(shù)隨時間變化的監(jiān)測數(shù)據(jù)

與圖2相似，且與右線相同。根據(jù)前述調(diào)查得到如下結(jié)果。

1）在盾構(gòu)掘進過程中，土方開挖量和同步注漿量控制在設計值，對現(xiàn)有路基沉降的影響并不敏感。

2）在突變點，旋轉(zhuǎn)扭矩的動態(tài)平衡可使路基變形趨于穩(wěn)定[5]。

3）當盾構(gòu)駛至第755～765 環(huán)時，總推力設置為建議值，無法平衡隧道工作面的壓力，故路基的沉降量明顯增大。在765～775環(huán)時，為保持既有路基沉降的穩(wěn)定，增加了總推力。當盾構(gòu)駛至第810～820環(huán)時，總推力逐漸減小，既有路基沉降量增至最大。因此總推力是控制路基變形的關(guān)鍵因素。

4）由于土壤壓力得到有效控制，左線隧道引起的路基沉降相對均勻。

3.3 左線盾構(gòu)隧道運行參數(shù)對路基沉降的影響

如圖1和圖2所示，左線盾構(gòu)隧道的路基沉降發(fā)展特征和運行參數(shù)與右線基本相同。

然而，左線隧道的運行參數(shù)也與右線隧道一樣存在異?，F(xiàn)象。如適當調(diào)整運行參數(shù)后，右線隧道誘發(fā)的沉降發(fā)展曲線明顯回升，而左線卻有所不同。

4 結(jié)語

文中介紹了一項案例研究，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)，對鐵路線路基沉降和盾構(gòu)機運行參數(shù)進行了全面研究。若干結(jié)論歸納如下。

1）根據(jù)盾構(gòu)隧道工作面與自動監(jiān)測區(qū)域之間的相對位置，將既有鐵路路基的沉降發(fā)展分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ階段，分別表示盾構(gòu)機穿越監(jiān)測區(qū)域之前、期間和之后的階段。在盾構(gòu)機穿越監(jiān)測區(qū)域之前，鐵路路基就已經(jīng)產(chǎn)生了超前沉降和隆起。路基沉降在第Ⅰ階段逐漸增大，在第Ⅱ階段急劇增大，在第Ⅲ階段由于立即拼接成環(huán)并進行補償注漿而變?yōu)槠骄彙Ｓ捎诘刭|(zhì)條件多變，一些產(chǎn)生極端沉降的監(jiān)測點需要更多關(guān)注。

2）雖然路基變形的發(fā)展特征相似，但如果操作參數(shù)控制不當，也會出現(xiàn)驟升驟降甚至冒漿的情況。當運行參數(shù)設置較低時，路基沉降總是增加且難以穩(wěn)定。運行參數(shù)的控制在很大程度上影響著既有路基的變形控制。

3）分析了盾構(gòu)機運行參數(shù)的影響。開挖土方量的影響不敏感，容易控制。同步注漿量可以減小和恢復變形，但如果注漿量控制不當，會使基底產(chǎn)生隆起。刀盤旋轉(zhuǎn)扭矩、總推力和盾構(gòu)掘進速度是控制路基沉降的關(guān)鍵因素，需要實時調(diào)整才能達到動態(tài)平衡。驅(qū)動速度過快會導致旋轉(zhuǎn)扭矩和總推力突然下降。

4）加固措施包括硅酸鹽水泥―水玻璃灌漿加固路基土和軌道扣件加固。分析表明，其他措施，如補償灌漿、二次灌漿、分段拼接成環(huán)等，都能立即很好地控制路基沉降。該案例研究可為相關(guān)工程中地鐵隧道掘進施工技術(shù)設計提供一些有價值的參考。

參考文獻

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[作者簡介]孫少輝（1986—），男，陜西渭南人，本科，工程師，研究方向：地下工程。