盾构始发即近距离下穿既有隧道施工探讨
摘 要: 基于盾构隧道下穿既有隧道的已有技术和设计理念，结合深圳地铁 2 号线下穿深圳地铁 4 号线的工程实例，阐述了在下穿此类地层中的一些技术和盾构机相应参数问题，也结合作者的设计体会提出了自己的见解。
关键词: 盾构隧道; 近距离; 始发下穿; 技术参数
0 引 言
在中国各行各业日新月异、经济腾飞的时代，城市基础设施的路网建设也在其中扮演一个非常重要的角色，以地下铁道为中心的城市轨道交通系统的建设也获得空前的发展。随着城市轨道交通的发展，选择一种合理的轨道施工技术非常重要。而盾构施工技术作为其中一项重要的技术之一，虽然其投资大、造价高，但其快速、安全、减少地面沉降等，也是其他施工技术无法比拟的。
盾构施工技术是指使用盾构机，一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳，一边进行隧道掘进、出渣，并在盾构机内拼装管片成衬砌、实施壁后注浆，从而在不扰动围岩的基础上修筑隧道的方法。
1 工程概述
深圳地铁2 号线东延线工程土建2224 标段( 福田站 ～ 市民中心站区间) ，工程位于深圳深南大道北侧，沿市民中心向华强北方向，线路出福田站东端后，沿深南大道向东以两个曲线半径为 700 m 的曲线进入市民中心站，设计起止里程为( Z) YDK25 +941． 33 ～ ( Z) YDK26 + 283. 86，左线全长 342. 47 m，右线全长 342. 53 m。盾构掘进断面Ф6280 mm，采用 1. 5 m 宽通用环管片，管片外径为Ф6000 mm、内径为 Ф5400 mm，本文涉及的施工范围是左线掘进的过程探讨。
1． 1 地铁 2 号线隧道平纵断面设计及地铁 4 号线基本情况
2 号线该段隧道下穿地铁 4 号线时，两者的线间距为 15. 197 m，位于曲线半径 R = 700 m 平曲线上，并且左线 27. 435‰的坡，右线 27. 428‰的坡。区间地段线路左右线坡度基本一致，过 4 号线所处的地形起伏不大，地面高程 8. 5 m，隧道顶面埋深约19. 58 m。
1． 2 工程地质条件分析
如图 1 所示，2 号线左右线盾构下穿地铁 4 号线时，在 ＜9 －1 ＞ 全风化花岗岩和 ＜9 －2 －1 ＞ 土状强风化花岗岩地层中通过，地铁 4 号线上部为 ＜8 －3 ＞ 硬塑状砾质粘性土，下部为 ＜ 9 － 1 ＞ 全风化花岗岩，＜8 －3 ＞ 地层弱透水性，＜9 －1 ＞ ，＜9 －2 －1＞ 地层遇水软化、崩解。盾构施工时，应控制好掘进工艺和参数，防止上部土体坍塌引起地铁 4 号线隧道下沉。区间范围内地表水不发育。地下水主要表现为第四系孔隙水、基岩裂隙水。第四系孔隙水主要赋存于冲洪积砾砂及残积层砾( 砂) 质粘土层中。基岩裂隙水较发育，广泛分布在花岗岩的中 ～ 强风化带，盾构隧道通过 4 号线地段地下水埋深 3. 0 ～3. 9 m，以空隙潜水为主。
1． 3 工程难点分析
福田站 ～ 市民中心站区间由于地铁 4 号线距离始发端只有 6. 542 m，施工难度大，工程风险高，施工中容易造成 4 号线隧道沉降超限、地铁停运等不良社会影响。根据运营部门的要求，盾构隧道施工期间，4 号线既有隧道结构位移应控制在 ± 15 mm以内。因此，必须确保 4 号线万无一失。主要施工难点及风险分析如下:
1) 由于地铁 4 号线距离始发端只有 6. 542 m，盾构机还未完全进洞就要下穿，土压建立不起来，容易造成 4 号线沉降超限。
2) 盾构机在下穿过程中不能进行同步注浆，4号线沉降无法控制。
3) 盾构机在破除洞门进洞时，容易造成水土流失，4 号线底板下沉超限。
4) 由于地铁 4 号线底部到 2 号线隧道上方最近距离只有 1. 567 m，盾构机掘进过程中容易造成土体扰动垮塌，4 号线下沉。
5) 2 号线施工中容易造成 4 号线墙体开裂，出现涌水事故。
2 主要的技术方案和施工措施
2． 1 地面垂直加固
地面垂直加固主要采用从 4 号线两侧打入的袖阀管注浆加固，以达到支护盾构上方土体的要求。工法如下:
从 4 号线两侧距离 1 m 采用地质钻机钻孔后，将带注浆孔的袖阀管扦入地层，封闭孔口，在监测的前提下，采用静压注浆措施，使水泥浆液在压力条件下较均匀地渗入地层，从而提高地基承载力，降低地层渗透能力，保证盾构机安全通过。
注浆参数: 水灰比 0. 75 ～ 1. 1，注浆压力 0. 2 ～0. 3 MPa，注浆速度 30 ～ 50 L / min。注浆参数可根据注浆情况进行调整。
注浆孔布置: 沿 4 号线隧道轮廓外 1 m 纵向间距 0. 5 m，横向间距 0. 5 m 梅花型布置钻孔，如图 2所示。
2． 2 钢套筒钢丝刷洞门密封
由于市民中心站西端隧道埋深深，端头为 ＜9 －1 ＞ 全风化花岗岩和 ＜ 9 － 2 － 1 ＞ 土状强风化花岗岩地层，渗透系数大，井外地下水位高。要确保 4 号线安全，只有确保盾构始发时洞门密封不漏水，土仓内建立起土压力。因此，单依靠洞门橡胶帘布板和洞门压板对洞门进行密封，是不可靠的。
故在盾构进洞时，拟采用一种特殊的封门形式，即在井内洞门加一个 800 mm 长度的钢套筒，内径与端墙预留洞口相同 6500 mm，钢套筒与井壁连成一体，钢套筒后端设有密封装置，筒体上设置两道钢丝刷密封，如图 3 所示。
2． 2． 1 钢套筒设计
钢套筒长 800 mm，直径( 内径) 6500 mm，外径6840 mm。分为上下两个半圆。筒体采用 16 mm 钢板卷制而成。每段筒体的外周焊接纵、环向筋板以保证筒体刚度。筒体的端头和上下两半圆接合面均焊接法兰，筒体纵向及上下均采用法兰连接，用高强度螺栓连接紧固。另外，每节钢套筒分别于顶部设置两个起吊用吊耳。
2． 2． 2 钢套筒与洞门连接
洞门环板 A 已预埋在车站主体结构上，通过已经焊接好的锚固钢筋与主体结构钢筋相连。钢套筒后端与洞门预埋环板进行焊接，如图 4 所示。
2． 2． 3 钢套筒固定
在筒体底部制作托架，制作的托架与筒体底部焊接固定一体。托架与下部筒体焊接连成一体，焊接时，托架板先与筒体焊接，再焊接横向筋板、底板和工字钢。托架组装完成后，工字钢底边与车站底板预埋件焊接，托架需用型钢与车站侧墙顶紧，钢套筒安装完毕，检查确认后，即进行安装横向支撑。横向支撑采用 200H 型钢支撑在基坑侧墙结构上，支撑在侧墙的一端要加钢板封盖，保证支撑与侧墙的接触面积。竖向高度要求支撑在距离钢套筒托架底部 500 mm 处，如图 5，6 所示。
2． 2． 4 钢套筒内钢丝刷安装
钢套筒的安装过程按照先安装下半部分，再安装上半部分，最后固定各个位置支撑的步骤进行安装。安装前，需在地面进行钢套筒内钢丝刷的焊接，安装完成后，要仔细检查各连接位置的紧固程度及密封情况。
该封门形式具有如下特点:
1) 由于洞门直径大于盾构机直径，该方法消除了盾构机与洞门钢圈之间间隙水土流失。
2) 盾构进洞前就已建立起了很好的密封性，土仓内土压力能够提前建立。
3) 洞口间隙密封效果好，水土不易流失，不影响工期。
2． 3 盾构机掘进模式和参数的选择
2 号线下穿地铁 4 号线时的地层为 ＜ 9 － 1 ＞ 全风化花岗岩和 ＜9 －2 －1 ＞ 土状强风化花岗岩地层，但隧道顶部地层较薄，离 4 号线只有 1. 567 m，自稳性差，容易坍塌。掘进时，尽量减少对土体的扰动，采用土压平衡模式掘进，以保证土体稳定，防止地下水土流失引起地表过大的沉降。在盾构下穿 4 号线过程中，加强对地铁 4 号线和地面的沉降观测，及时调整掘进参数。
2． 3． 1 刀盘转速的选择
由于该段为全风化花岗岩和土状强风化花岗岩地层，刀盘转速控制在 1. 2 ～1. 5 r/min 即可。
2． 3． 2 土仓压力
首先根据实际地质情况和隧道埋深，计算出掌子面的理论土压力。通过对土压力的计算，得出土压力范围为 1. 1 ～1. 9 内。在过地铁 4 号线时，4 号线距离始发井端头只有 6 m，盾构机还未完全进洞，为稳定地层，尽量接近真正土压平衡进行掘进和防止土压过大引起 4 号线底板隆起，因此土压力不宜过大。
另外，在盾构掘进时，在车站端头地面建一造泥浆池，一旦可以保压，在盾构推进过程中，从刀盘前方 8 个注浆孔中位于盾体上方的 4 个注浆孔用向土仓内注入泥浆的方法，减少土仓内的压缩空气，使土仓内的压力尽量接近土压平衡。
2． 3． 3 油缸推力的选择
在盾构始发段，盾构机向前前进的反力主要来自反力架提供的反力，推力过大将会导致反力架变形等，应控制推力在 800 ～ 1000 t 之间。推进过程中，各组千斤顶压力不能增加过猛，应缓慢增加，盾构机操作手根据实际情况可进行适当调整，可以调整反力架提供 1500 t 的反力。
2． 3． 4 螺旋输送机转速的选择
土压保持是非常重要的，由于洞顶土层薄，受 4号线矿山法隧道施工时的影响，土体可能松动，要保持掌子面的稳定性，需要保持土仓压力，螺旋输送机转速设置在 3 ～5 r/min 之间，实际操作可根据土压力波动情况定。
2． 3． 5 同步注浆量控制
同步注浆采用单液浆，在盾构过 4 号线时，调整同步注浆的配合比，缩短初凝时间，以便在填充地层的同时能尽早获得浆液固结体强度。施工中控制好注浆量和注浆压力，即每循环的注浆由注浆量和注浆压力双重控制，注浆压力可以控制在 0. 2 ～ 0. 4MPa。每环同步注浆量计算如下:
Q = K × ∏ × ( D2 × d2) × L /4
式中 K———注浆率( 1. 3 ～1. 8) ;
D———盾构机切削外径( D = 6280 mm) ;
d———管片外径( d = 6000 mm) 。
则每环同步注浆量 Q = ( 1. 3 ～ 1. 8) × ∏ ×( 6. 282 －62) ×1. 5/4 =4. 05 ～5. 6 m3。每环注浆量不少于 5 m3，在 4 号线隧道下方，应达到 6 m3，注浆初凝时间缩短到 8 ～10 h。
在同步注浆量不足的情况下，掘进后采取二次注浆进行补充，保证管片与围岩之间充填密实。二次注浆采用水泥—水玻璃双液浆，通过管片吊装孔注入，二次注浆压力达到4 bar 时停止。隧道推进过程中，注浆量应根据地表隆陷和 4 号线监测情况进行调整和动态管理。
2． 3． 6 掘进速度控制
本着安全均匀快速掘进的原则，保证一次掘进通过。在过 4 号线时，由于 4 号线处在运营中，需业主与 4 号线运营处联系协调，采取减速运营、减少运营次数或停运，尽可能在盾构过 4 号线时不要停留在 4 号线下方，待盾构通过后恢复正常运营。按照始发阶段每天 3 环计算，左右线通过地铁 4 号线各需 7 d。
2． 3． 7 出土量控制
在盾构掘进过程中，出土量是衡量土压设定正确与否和控制地表沉降的要素之一，理论的出土量是: 每环 = ∏/4 × D2 × L = ∏/4 × 6. 282 × 1. 5 =46. 44 m3，渣土的松散系数按 1． 4，那么每环的渣土量是 65 m3，如有超出，则应立即增大土压或增加注浆量。遇到容易发生坍塌的地层，出土量往往偏大。因此，在掘进过程中，对出土量的控制十分必要，也可采用每箱土 0. 33 m 进尺来控制出土量，如渣土车中残留有渣土时，及时安排工人进行清理，施工中采用双控标准来控制出土量。
2． 3． 8 盾构机姿态控制
由于 4 号线离盾构始发井只有 6. 542 m，盾构始发时又是曲线掘进，盾构机未完全进入隧道内就要过 4 号线隧道。因此，在车站底板预埋钢板，始发托架安装时与车站地底板预埋钢板焊接固定，以保证盾构机有足够扭矩。盾构应严格按照设计线路进行掘进，尽量直线掘进，避免对地层的扰动和盾构机发生偏离。即使盾构机发生偏离，纠偏时也不要过急，避免姿态调整过大，扰动地层范围加大，对 4 号线隧道造成不利影响。经核算，该段盾构隧道姿态误差可按 ±70 mm 控制( 一般地段为 ±50 mm) 。
2． 4 施工监测
盾构下穿地铁 4 号线施工过程中，为了及时获取施工信息，及时调整盾构掘进参数或采取相应的工程措施，根据设计和 GB50446 －2008《盾构法隧道施工与验收规范》的要求，对正在运营的地铁 4 号线隧道的变形实行自动化监测，尽量减少人员进入隧道及减少测量对运营的影响( 由第三方监测单位施工) 。对新建盾构隧道地面进行常规人工检测，采用钻孔的方法，然后，放入长 100 ～ 150 mm，直径为 20 ～30 mm 的圆头钢筋，周围用沙或泥土填实即可，每 5 m 设一监测断面，每个断面 3 个监测点，间距 3 m。
3 施工中的一些不足和总结以及相类似工程的技术讨论和展望
尽管盾构施工已顺利下穿地铁 4 号线隧道，但在实际施工中暴露的一些问题，仍然值得重视。
为了对始发洞门进行密封，在洞门橡胶帘布板和洞门压板基础上增加一 800 mm 长度的钢套筒，内径与端墙预留洞口相同为 6500 mm，钢套筒与井壁连成一体，钢套筒后端设有密封装置，筒体上设置两道钢丝刷密封。由于钢套筒是通过与洞门预埋环板焊接而固定，故焊接质量好坏关系着该措施的成败。施工过程中就发生过因同步注浆压力提高，而造成钢套筒漏浆的现象。另外，盾构隧道下穿地铁4 号线工程成败的影响非常大，应在各种措施准备充分后，才能开始施工，避免仓促上阵。
关于技术的总结，主要是在盾构开始阶段，前盾还未完全进入隧道时就要下穿既有隧道，不能完全建立土压平衡的系统，故采用了钢套管来建立一个土压平衡的系统也能够有条件作盾尾的注浆条件，在掘进过程中，随着原状土的扰动，强风化的地层有些坍塌，此时普通的同步注浆不能满足外部土体的加固效果，故此时通过注浆孔采取二次注浆的措施来加固受到扰动的土体，避免上面的 4 号线继续下沉而造成隧道开裂。
可以把此类的下穿隧道技术引伸到更恶劣的地层条件当中，如上软下硬的地层，下穿全风化岩层和部分中风化的岩层中来探讨，可以预见的是，当在上软下硬的地层中开挖隧道的时候，会由于下方硬质土体的不好掘进，导致道具严重损害和上方土体不断地扰动，造成土体坍塌; 同时，由于上软下硬土体之间的裂隙水较多，很容易造成隧道内部的喷涌和出渣量的不正常，也可以导致开挖掌子面的失稳坍塌。此时，可以用以下两条建议来减少土体扰动和减缓地下水的流失:
1) 为了减少上软下硬的地层中掘进而造成的上部土体严重扰动以致坍塌，可以在推进过程中向土仓内灌注膨润土泥浆的方法，以达到填补坍腔、调和渣土和易性、形成护壁泥浆的效果。至于膨润泥浆的配合比，可以根据现场的地层情况来相应调配。
2) 为了减少由于裂隙的丰富地下水流失造成的土体塌陷问题，可以采用加注高分子聚合物控制螺旋机喷涌，减缓地下水损失。这种高分子聚合物可以在土仓内改良土仓内土体的配合比以及水土比例，从而减缓了地下水的流失，为盾构管片拼装后注浆加固地层提供了宝贵的时间。
4 结 语
随着国内的各项基础设施的不断飞速发展和开展，地铁施工已经成为了城市交通发展的一个必然趋势，其中盾构隧道的修建则是越来越多地运用到各个城市地铁施工当中，随着时间的发展，随着隧道的不断修建，以后隧道下穿既有隧道的情况将会越来越多的出现在施工当中，此次盾构隧道近距离下穿矿山法隧道工程成功的实施，为今后的工程施工提供了宝贵的意见和经验，有着很实在的作用。
参 考 文 献:
［1］ 赵运臣． 关于当前我国盾构工程施工技术发展中存在的问题探讨［J］． 西部探矿工程，2004( 8) ．
［2］ 朱 伟． 盾构隧道施工技术现状及展望( 第 3 讲) ［J］． 岩土工程界，2002( 1) ．
［3］ 洪开荣． 关于地铁盾构隧道几个问题的探讨［J］． 隧道建设，2003( 1) ．
［4］ 朱科峰． 盾构法隧道施工技术简介［J］． 人民珠江，2003( 5) ．
［5］ 张荣国． 盾构法施工的几点问题及其发展方向［J］． 国外建材科技，2004( 4) ．
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