粉砂地层土压平衡盾构下穿既有线路施工
摘 要: 杭州地铁粉砂地层具有易液化、高渗透性、稳定性差等特点，盾构穿越既有线时对既有线的保护难度极大; 杭州地铁 1 号线九堡东站—下沙西站区间粉砂地层面临下穿既有线作业，隧道距离既有线最小距离 4． 95 m。在此以杭州地铁工程粉砂地层土压平衡盾构下穿既有线路为背景，介绍穿越时的既有隧道的保护措施及穿越时的施工技术，对类似工程具有一定的借鉴作用。
关键词: 粉砂地层; 既有线; 盾构; 掘进; 参数控制; 土压平衡
盾构隧道施工改变了原地层的状态，必然会引起或多或少的地层位移和地表沉陷，它将影响到邻近建( 构) 筑物安全，对周围的环境造成一定的损害。
在盾构隧道施工前对临近建( 构) 筑物进行地基预加固处理是盾构隧道施工过程中常用的措施。
在地面条件不允许的情况下，譬如: 有多股道轨道群、重要建( 构) 筑物群( 间距小、密集度大) ，没有加固所需的空间，不能从地面对建( 构) 筑物进行预先加固。如何在这些不利于地面预注浆条件下，只从盾构施工本身解决地层缺失，以及减少对地层的扰动，从而最终控制地面沉降是个亟待解决的问题。
今结合杭州地铁 1 号线［九堡东站—下沙西站区间］在无法进行预加固的情况下，下穿既有线施工案例，研究盾构参数控制、径向注浆等措施，对控制既有线沉降量、位移量所起到的作用，为类似工程提供参考。
1 工程概况
1． 1 工程概述
杭州地铁 1 号线［九堡东站—下沙西站区间］位于下沙区( 区间隧道起点里程为 K31 + 573． 447，终点里程为 K28 +571． 326，单线全长 3 002 m，隧道外径 6 200 mm，内径 5 500 mm) ，隧道从下沙西站过松华河后沿九沙大道向西，过月牙路后沿九沙大道北侧向西，避让规划运河二通道桥至东湖路，下穿临平支线盾构( 即已完成的［九堡东站—乔司站］盾构区间) 段至九堡东站。沿线主要分布有 1 号线临平支线( 既有线路) 、九沙大道、规划运河二通道以及沿线 1 ～4 层民居等。两段区间隧道纵坡均为“V”型坡，最大坡度为 25‰，隧道顶部埋深为 9． 0 ～20． 6 m，最小平面曲线半径为800 m，最大平面曲线半径为2 000 m。
重叠处九堡东站—下沙区间隧道埋深约18．4 m，临平支线隧道埋深约 6．7 m，两条隧道之间最小净距为 4．95 m。见图 1。
九堡东站—下沙西站区间左线隧道在里程 K28 +861．214 5 处与临平支线左线隧道在里程 K28 +861．215 处两条隧道中线重叠，九堡东站—下沙西站区间左线隧道在里程 K28 + 923．108 1 处与临平支线右线隧道在里程 K28 +915． 955 处两条隧道中线重叠，重叠段长度为 111．437 m，具体见图 2。
1． 2 工程地质及周边状况
1． 2． 1 工程地质 两重叠隧道之间地层为③3 粉砂夹砂质粉土层: 灰色、灰黄色，很湿，稍密，含云母碎屑。摇振反应中等，切面无光泽反应，干强度低，韧性低; ③4 砂质粉土: 灰色，很湿，中密，含云母碎屑，局部夹黏性土薄层。摇振反应中等，切面无光泽反应，干强度低，韧性低，局部缺失。③6 层 粉砂夹砂质粉土: 灰、青灰色，中密，饱和，含云母屑，属中等压缩性土。
区间穿越地层为③4 砂质粉土、③5 砂质粉土夹粉砂、③6 粉砂夹砂质粉土，其中主要穿越的③4层为易液化土层，盾构施工时应采用相应措施防止震动液化、流砂及坍塌变形的发生。重叠段隧道地质剖面见图 3，重叠区段土土体力学指标见表 1。
1． 2． 2 水文地质 本区域地下水主要为浅层潜水及承压水，具体如下:
( 1) 浅层潜水。浅层潜水主要赋存于上部填土层及粉土、砂土层中，补给来源主要为大气降水及地表水，其静止水位一般深0．8 ～2 m，高程4．12 ～5．63 m。
沿线场地地下潜水对混凝土结构一般无腐蚀性; 对钢筋混凝土结构中钢筋一般不具腐蚀性，但局部钻孔揭露其潜水对钢筋混凝土结构中钢筋具中等腐蚀性; 对钢结构一般具弱腐蚀性或中等腐蚀性。
( 2) 承压水。沿线承压含水层主要分布于重叠段隧道附近区段，赋存于地层深部的( 12) 1 中砂及( 14) 1 圆砾层中，隔水顶板为其上部的黏性土层。
1． 2． 3 周边建筑物及管线情况 重叠段为居民房屋拆迁空地，场地空旷，无其他建筑物及管线。
2 工程难点分析
本工程需进行既有线的下穿，其最大的难点是对既有线的保护，在实际的穿越过程中，穿越前由于盾构机对周边土体的挤压，可能造成既有线的偏移，穿越过程中盾构土体损失或土压力控制不合适，可能造成既有线的隆起或沉降，穿越后盾构注浆不及时以及后期的土体在固结，亦可能造成既有线的隆起或沉降过大。因此，结合现场实际情况，本工程的难点主要有如下几点:
2． 1 地层情况复杂，沉降控制困难
盾构穿越区域为粉砂夹砂质粉土和砂质粉土，既有隧道位于砂质粉土地层中，穿越地层地质条件差，该土体摇振反应迅速，扰动后易形成流砂，沉降大，达到稳定沉降所需时间长。
2． 2 既有隧道变形控制要求高
( 1) 临平支线隧道任意一点变形≤20 mm;
( 2) 引起的附加曲率半径应大于15 000 m，相对弯曲 ＜1/2 500。
2． 3 成型隧道保护困难
与成型隧道最小净距仅 4．95 m，而且穿越距离长，盾构成 13．7°斜向穿越已成型隧道底部，穿越距离长达 111．44 m，长期的受力影响对成型隧道结构松弛控制难度大。且需下穿的既有线无条件进行地基加固，更是加大了线路沉降的难度。
3 施工方案的确定
3． 1 盾构掘进引起地层变形的因素
盾构掘进引起的土体变形通常取决于以下因素:施工引起的地层损，地层初始应力的改变，扰动土体的固结与土体的蠕变，隧道结构的变形及其他因素等。
施工引起的地层损失主要由正常的地层损失、不正常的地层损失以及灾害性的地层损失组成，盾构掘进中的施工工艺是造成地层损失的主要因素。为此，盾构施工关键在于怎样减少地层的不正常损失及灾害性的地层损失。
3． 2 盾构机选型
由于该区间穿越砂性土，因此针对此区间加大了盾构机的输出扭矩及总推力，并加大了刀盘的开口率，便于渣土进入仓。在沉降控制方面采用外置注浆管，并在卸土口增设保压泵碴装置。具体情况如下:
( 1) 本段区间沿线地质构造和地层，为钱塘江河口相冲海积地貌，地表以下分布有比较厚的河口相粉性土及砂性土。九堡东站—下沙西站、下沙东站—文泽路站盾构区间穿越的土层主要为: ③3 砂质粉土层;③层粉土、砂土性质不一，密实度变化大，自松散—中密度变化。盾构机设计最大扭矩5 147 t·m，设计最大掘进推力为37730 kN，刀盘开口率40%。
( 2) 为了减少盾尾与开挖轮廓之间的间隙，以尽量减少地层损失由之增大的可能，采用外置式注浆管。
( 3) 为满足本工程在不良地质条件下掘进时发生涌水、涌泥时保压掘进的需要，本盾构机采用了轴式螺旋输送器，在卸土口处配备有双开门装置和保压泵碴装置。
( 4) 为能有效地稳定开挖面地层、减少对周围土层的扰动，实现地表沉降控制，保护地表建筑物，盾构机具选用土压平衡盾构。
3． 3 成型隧道结构主动控制
除对既有隧道穿越范围内的管片螺栓进行复紧外，还在既有隧道内利用预先准备好的槽钢和连接件对沉降点左右 24 m 范围内管片进行 4 道纵向加固，将管片连成一体，形成整体受力。见图 4。
3． 4 关键施工参数的控制
( 1) 盾构推进速度对既有隧道的隆沉变形影响较大，推进速度须综合考虑土仓压力等因素，匀速通过。推进速度控制在 20 mm/min，不间断监测盾尾间隙，不断复核盾构纠偏量，并结合监测数据及时调整施工参数，每 10 环测量一次管片姿态，杜绝大幅度纠偏，以减少地层损失和周围土体的挠动，降低对既有隧道的影响，推进过程中，既有隧道的隆起量均控制在 5 mm 以内［1 －2］。
( 2) 开挖面维持土压平衡模式。土压力的波动值控制在 ±0． 01 MPa。
( 3) 选取合适的同步浆液配合比及压注量，采用注浆量和注浆压力双控的模式进行浆液的压注。
3． 5 信息化施工
本工程采用人工与电子水准仪监测既有隧道及地面的隆沉值，收敛仪监测既有隧道的变形情况，每2 h 监测一次( 异常时加密频次) ，24 h 不间断进行，并及时与盾构操作间沟通，分析监测数据，掌控既有隧道及地面的隆沉情况，不断调整施工参数，对减少盾构施工对既有隧道的影响效果明显。监测点布置见图 5。
4 施工中的问题及关键技术
4． 1 严格控制土仓压力
盾构掘进过程中，盾构切屑面土体受到水平支护应力与原始侧向应力关系，当水平支护应力小于原始侧向应力，切屑面土体向土仓方向移动，引起地层损失而导致盾构上方地面沉降; 相反，引起盾构前上方土体隆起。所以，合理控制土仓压力平衡对减少地层损失造成的地层位移效果明显。在穿越该区间推进过程中土压力设置值为静止土压力的1． 008 ～ 1． 085 倍( 0． 26 ～ 0． 28 MPa) ，实际控制值为静止土压力的0． 930 ～1． 163 倍( 0． 24 ～0． 30 MPa) 。现场监测数据表明，在掘进过程中刀盘前方隆起值在 5 mm 以内。
4． 2 合理选用注浆工艺，有效控制地面沉降
4． 2． 1 同步注浆 为确保既有盾构隧道及本区间隧道累积沉降小于 5 mm，施工过程中采用同步注浆和二次注浆相结合的措施，为填充脱出盾尾的管片与土体间的间隙及浆液收缩间隙，同步注浆量往往超过理论空隙体积，每环同步注浆量均控制在 4． 8 ～5． 1 m3( 设计每环注浆量3．4 m3) 。注浆浆液配比为:水泥∶粉煤灰∶膨润土∶砂∶水 =120∶400∶100∶830∶720( 质量比) 。
4． 2． 2 二次注浆 因同步注浆浆液早期强度低，隧道受侧向分力影响大的问题，在管片脱出盾尾 8～ 10 环后，结合监测数据当沉降达到 5 mm 时，及时进行二次注浆，浆液采用单液浆，每环注浆量控制在0．5 m3以内。
为增强扰动后地层的稳定性，在盾构下穿及盾尾出既有隧道结构交线前、后 10 环处通过整环 6 个注浆孔位注入单液浆进行封环。
4． 2． 3 注浆孔布置 ( 1) 盾构下穿既有隧道前对同步注浆系统进行系统的检修，确保注浆管路畅通，保证同步注浆饱满。减少现施工隧道的沉降量，并有一定量的隆起。( 2) 根据监测数据从 15 点、1 点两个注浆孔隔环注入单液浆。
4． 2． 4 注浆压力及速度控制 ( 1) 整个注浆过程中，同步注浆压力控制在 0. 45 MPa 以内，每环注浆量均控制在4．8 ～5．1 m3范围内( 如出现漏浆等异常情况时，根据实际情况调整注浆量) 。( 2) 二次注浆压力控制在0．2 MPa 以内，浆液配比采用水∶ 水泥 =1∶1的单液浆或水泥浆∶ 水玻璃溶液 = 1∶ 1 的双液浆( 水∶ 水玻璃 =3∶1) ，根据监测数据控制注浆量( 本区间每环注浆量约 0． 5 m3) 。
4． 2． 5 注浆效果 盾构穿越既有隧道的初期及稳定后，其监测数据显示沉降量均在 10 mm 以内。
4． 3 合理设置施工参数，减少地层不正常损失引起的地层位移
在盾构掘进中根据监测情况制定盾构总推力及刀盘扭矩值，加大盾尾油脂注入量至正常段的 1． 5倍，并严格执行; 盾构姿态偏差不应大于 ± 30 mm，每环波动位于 －10 ～ +20 mm 范围，避免参数波动过大导致的不必要的地层位移［3］。
5 结 语
盾构施工产生地面隆沉是必然的，但是通过精心施工，合理设定目标土压力值，严格控制出土量，仔细调整控制盾构姿态，均衡施工，采用同步注浆，二次注浆，加强变形监测，采用信息化施工等综合技术措施可以控制并将盾构法施工对土体的扰动降低到最小。
本工程在不具备对既有线预加固的情况下严格控制施工参数、加强注浆管理等，成功地穿越了既有线隧道，在穿越过程中主要通过同步注浆、二次注浆和严控盾构施工参数来控制。同步注浆的浆液质量对管片快速凝固起决定性作用，合理的浆液配比尤为重要。
参 考 文 献
［1］ 孙玉勇，周顺华，向科，等． 近距离下穿既有隧道的盾构施工参数研究［J］． 中国铁道科学，2010，31( 1) : 54 －58．
［2］ 张凯，贺婷． 盾构近距离下穿地铁营运隧道施工技术［J］． 隧道建设，2008，28( 4) : 483 －488．
［3］ 汪春生． 新建地铁隧道下穿既有地铁施工技术［J］． 都市快轨交通，2010，23( 1) : 82 －84．
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