胡高鵬，袁 剛，侯振華，李 陽，謝 維

(1.北京市軌道交通建設(shè)管理有限公司，北京 100068；2.中國鐵建二十局集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710000；3.中國鐵建大橋工程局集團(tuán)有限公司，天津 300457）

1 工程概況

1）8 號線下穿2 號線、國鐵直徑線概況 北京新建地鐵8 號線王府井站～前門站盾構(gòu)區(qū)間隧道長約1650m，頂覆土厚25～36m，在前門大街連續(xù)斜下穿國鐵直徑線和地鐵2 號線區(qū)間，曲線半徑450m，下穿后左線與地鐵2 號線臨近并行400m，水平距離8.5～50m，如圖1 所示。管片外徑6m，內(nèi)徑5.4m，環(huán)寬1.2m。地鐵2 號線隧道為單層雙跨矩形框架結(jié)構(gòu)，頂板埋深7.5m，與盾構(gòu)區(qū)間豎向凈距17.5m；國鐵直徑線區(qū)間隧道拱頂埋深13.2m，與盾構(gòu)區(qū)間豎向凈距3.6～4.2m，下穿影響范圍200m。區(qū)間擬建場區(qū)共分11 個(gè)大層，表層為人工堆積層，以下為第四紀(jì)沉積層，共4 層地下水。下穿地層主要為卵石-圓礫⑥、卵石-圓礫⑦。水位線距地面25.8m，距結(jié)構(gòu)頂面0.5～8.9m，區(qū)間位于承壓水中。

圖1 王前盾構(gòu)區(qū)間下穿國鐵直徑線、地鐵2號線平面關(guān)系圖

2）17 號線下穿機(jī)場線概況 新建地鐵17 號線工人體育場～香河園站盾構(gòu)區(qū)間垂直下穿機(jī)場線東直門～三元橋站盾構(gòu)區(qū)間，下穿長度各30m，拱頂與既有線最小垂直凈距2.94m，如圖2 所示。機(jī)場線道床敷設(shè)感應(yīng)板供電，變形控制指標(biāo)+1/-2mm。區(qū)間下穿機(jī)場線場區(qū)地層從上往下分別為雜填土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、粉細(xì)砂等，頂覆土厚23.5～26.3m，穿越土層主要為中砂、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、圓礫層，地下水主要為層間潛水～承壓水，含水層以砂層、卵礫石為主滲透性強(qiáng)，和機(jī)場線夾層土主要為粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂。

圖2 工香盾構(gòu)區(qū)間與既有機(jī)場線平面關(guān)系圖

3）17 號線下穿五環(huán)路、上穿南水北調(diào)東干渠、下穿京津城際概況 新建地鐵17 號線北神樹站～朝陽港站盾構(gòu)區(qū)間長5635m，在康化橋附近下穿東南五環(huán)路基段，上穿南水北調(diào)東干渠（夾角74°，頂覆土6.99m，豎向凈距6.4m，盾構(gòu)隧洞雙層襯砌，外層外徑6.0m 內(nèi)徑5.4m，內(nèi)層0.4m 厚模筑防水混凝土），在K9+343～K9+526.7 范圍下穿京津城際鐵路橋（跨五環(huán)路三跨預(yù)應(yīng)力連續(xù)箱梁中跨穿越，交角40°，無縫雙線無砟軌道。左線與281#、右線與282#主墩樁基鄰近，水平最近距離18.5m、18.1m。墩高8.8m，樁基為24 根69m 長鉆孔灌注樁）。下穿五環(huán)路段隧道所處地層主要為細(xì)砂層、粉質(zhì)黏土層、粉砂層。上穿南水北調(diào)東干渠段以砂土和黏性土交互地層為主，地鐵區(qū)間與東干渠夾層主要為粉土、粉細(xì)砂及細(xì)中砂。下穿京津城際高鐵橋段地層主要為粉細(xì)砂及粉砂層，拱頂以上為砂質(zhì)粉土、素填土等細(xì)顆粒地層。兩層地下水層間潛水～承壓水及承壓水標(biāo)高分別為8.3m、5.874m，位于區(qū)間隧道底板以下，東干渠洞身范圍內(nèi)。

2 工程風(fēng)險(xiǎn)源及風(fēng)險(xiǎn)管控措施

工程風(fēng)險(xiǎn)源如表1 所示。盾構(gòu)施工引起地表沉降主要由盾殼與土體之間的摩擦力和土體損失造成，分別占比約30%、70%，須通過針對措施控制變形。

表1 工程風(fēng)險(xiǎn)源

2.1 優(yōu)化盾構(gòu)選型

考慮地質(zhì)及環(huán)境因素，王前區(qū)間采用泥水平衡盾構(gòu)，工香、北朝區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)。

泥水平衡盾構(gòu)優(yōu)勢：①泥水壓力傳遞速度快而均勻，對開挖面周邊土體干擾少，開挖面平衡土壓力和地面沉降量控制精度高；②刀具刀盤磨損小，易于長距離掘進(jìn)；③在承壓水中能規(guī)避突涌風(fēng)險(xiǎn)；④出土由泥水管道輸送，速度快而連續(xù)，減少電機(jī)車運(yùn)輸量，施工進(jìn)度快；⑤刀盤所受扭矩小，進(jìn)一步較小土層擾動(dòng)。

土壓平衡盾構(gòu)可減少泥漿處理設(shè)備及場地。

2.2 設(shè)置最優(yōu)參數(shù)

為確保正式穿越時(shí)掘進(jìn)順暢、沉降可控，三盾構(gòu)區(qū)間均設(shè)置試驗(yàn)段。同穿越既有線相同組段劃分的最優(yōu)施工參數(shù)如表2 所示。

表2 下穿既有線相同組段劃分的盾構(gòu)施工參數(shù)表

2.3 施工技術(shù)及變形控制措施

2.3.1 優(yōu)化并控制掘進(jìn)參數(shù)

依監(jiān)測數(shù)據(jù)嚴(yán)控并動(dòng)態(tài)調(diào)整各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)，穿越既有線參數(shù)如表3～表5 所示。

表3 工香區(qū)間穿越既有線掘進(jìn)主要參數(shù)

2.3.2 掘進(jìn)過程變形控制措施

穿越前檢修盾構(gòu)及各配套設(shè)施，確保平穩(wěn)、連續(xù)穿越；及時(shí)注漿填充，嚴(yán)控注漿參數(shù)，確保變形受控；保持盾構(gòu)姿態(tài)，控制軸線偏差，減小地層擾動(dòng)；控制拼裝精度，避免襯砌變形，降低地表下沉。

2.3.3 渣土改良

工香和北朝區(qū)間通過注入膨潤土、泡沫劑及刀盤中心加水實(shí)現(xiàn)渣土改良，提高土體塑性流動(dòng)性，降低推力扭矩和刀具磨損，減少地層擾動(dòng)。

1）膨潤土改良 選用優(yōu)質(zhì)鈉基膨潤土，從膨化池直接泵送至盾構(gòu)，掘進(jìn)中向土倉內(nèi)勻速均流量注入膨化好的膨潤土，每環(huán)總量2m3，水灰比1 ∶0.15。

表4 王前區(qū)間穿越既有線掘進(jìn)主要參數(shù)

表5 北朝區(qū)間穿越既有線主要掘進(jìn)參數(shù)

2）泡沫劑改良 采用350L/min 大氣量干泡沫，泡沫混合液流量25L/min，掘進(jìn)中泡沫混合液總量≤5m3/環(huán)。

3）刀盤中心加水 依據(jù)渣土干濕控制加水流量70～100L/min；突發(fā)噴涌時(shí)立即關(guān)閉加水。

2.3.4 工香區(qū)間克泥效減阻填充支護(hù)

因刀盤直徑大于盾構(gòu)外徑，穿越期間須填充開挖過程中地層與盾體間空隙，刀盤進(jìn)入既有線區(qū)域時(shí)，通過盾體徑向孔注入克泥效，填充支護(hù)并對盾體前行潤滑減阻，防止注漿填充前盾體上部土體沉降?？四嘈楦唣ざ人苄阅z化體，24h 后整體穩(wěn)定性較好且有一定承載能力，濃度400kg/m3，注入系數(shù)1.3。克泥效∶水玻璃=20∶1（體積），40°Bé水玻璃；為防壓力過大造成機(jī)場線差異沉降，注入量0.4m3/環(huán)，低于理論量0.81m3/環(huán)。

2.3.5 同步注漿及關(guān)鍵部位抬升控沉

采用雙泵多管路對稱同步注漿，及時(shí)填充管片脫離盾尾后圍巖與管片間的環(huán)形間隙，彌補(bǔ)地層損失。盾構(gòu)通過后若出現(xiàn)超挖，要加大同步注漿量并視情況二次注漿。嚴(yán)控注漿參數(shù)及時(shí)機(jī)，防止注漿過程中隆沉過快或差異沉降。

工香區(qū)間采用可硬性漿液，由水泥、粉煤灰、膨潤土、砂子和水按220∶350∶180∶250∶500（kg） 配比混合，初凝時(shí)間＜4h，結(jié)實(shí)率＞95%，終凝強(qiáng)度≥2.5MPa，注漿壓力0.2～0.5MPa，填充系數(shù)1.5～2.0，約5m3/環(huán)。王前區(qū)間采用成品拌合料漿液，水、水泥、細(xì)沙、膨潤土、粉煤灰按475∶400∶625∶60∶240（kg）配比混合，電腦程序控制。稠度3.0s，初凝時(shí)間1.5h，注漿壓力0.2～0.4MPa，填充系數(shù)1.5～2.0，約6m3/環(huán)，結(jié)合監(jiān)測收斂數(shù)據(jù)調(diào)整注漿量。

盾尾完全進(jìn)入既有線到脫出既有線后3～4 環(huán)范圍，通過管片注漿孔和盾殼上備用注入孔同步注漿補(bǔ)漿，自動(dòng)化監(jiān)測少量多次方式抬升控沉，壓力0.3～0.45MPa。

2.3.6 二次注漿及徑向注漿

通過自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測，掌握盾尾通過后既有線變形狀態(tài)和趨勢，在同步注漿無法夠到填充量不足且盾尾脫出的管片位置采用二次注漿及徑向注漿控制調(diào)整沉降。

二次注漿在管片脫出盾尾后5～7 環(huán)位置，盾構(gòu)上半斷面外輪廓外2.5m 內(nèi)，每環(huán)一次，雙液漿，水泥∶水=1 ∶1（質(zhì)量比），水泥漿∶水玻璃=2 ∶1（體積比）。注漿壓力0.3～0.4MPa，穩(wěn)壓≥30min，嚴(yán)控防止壓力過大造成錯(cuò)臺及淺土地層隆起超限。

王前區(qū)間下穿段左右線及并行段左線進(jìn)行徑向補(bǔ)償注漿。盾尾脫離管片3～5 環(huán)后，奇偶數(shù)環(huán)選取不同的點(diǎn)位鉆孔開始徑向注漿，注漿半徑≥0.8m，先注水玻璃凝固再注雙液漿。工香區(qū)間待管片脫出盾尾后15 環(huán)（同步及二次漿液凝固），出現(xiàn)超方時(shí)徑向補(bǔ)償注漿，注漿半徑≥1m，壓力＜0.5MPa，穩(wěn)壓≥30min，如圖3、圖4 所示。徑向注漿后根據(jù)地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)以確保注漿效果。

圖3 工香盾構(gòu)區(qū)間徑向注漿范圍示意圖

圖4 工香盾構(gòu)區(qū)間注漿位置示意圖

2.3.7 加強(qiáng)型管片、注漿加固隔離

盾構(gòu)穿越五環(huán)路主路基段采用II 類加強(qiáng)型管片，通過壁后注漿孔向影響區(qū)域結(jié)構(gòu)拱部180°范圍內(nèi)深孔徑向注漿，雙液漿，長度3m（圖5）。

圖5 隧道內(nèi)徑向注漿剖面示意圖

采用地面豎直、斜向注漿管深孔注漿加固地鐵區(qū)間與東干渠之間地層，范圍：縱向穿越段及前后各6m、豎向?yàn)榈罔F區(qū)間底板以下5.4m、橫向?yàn)榈罔F區(qū)間外側(cè)各6m。

盾構(gòu)下穿京津城際鐵路橋前，對緊鄰的281#、282#主墩樁基側(cè)面采用地面打設(shè)袖閥管隔離注漿加固，寬度29m。穿越過程中補(bǔ)充注漿，并及時(shí)洞內(nèi)徑向二次深孔注漿，如圖6 所示。及時(shí)壁后注漿，適當(dāng)加大同步注漿量；盾尾脫出后增加同步及徑向注漿減小地面沉降；嚴(yán)控漿液質(zhì)量，及時(shí)二次補(bǔ)漿及深孔注漿，控制盾尾通過后的沉降；及時(shí)補(bǔ)償注漿，控制后期固結(jié)沉降。

圖6 下穿京津城際鐵路高架橋地面袖閥管加固范圍

3 監(jiān)測情況分析

采用基于小型化壓差式靜力水準(zhǔn)儀及相應(yīng)智能采集和數(shù)據(jù)分析設(shè)備的自動(dòng)化沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)，24h 不間斷監(jiān)測既有線結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)掌握沉降數(shù)值并調(diào)整施工參數(shù)。

3.1 工香區(qū)間監(jiān)測情況分析

機(jī)場線結(jié)構(gòu)變形整體為下沉，變形量自鄰近下穿位置至兩側(cè)逐漸減小，各部位累計(jì)沉降值隨施工逐步增大，施工影響范圍較?。欢軜?gòu)掘進(jìn)至既有線下穿部位時(shí)沉降速率明顯加快；沉降最大值在全部施工完成后區(qū)間中部底板處-1.76mm。

1）上行線 穿越前地面隆起0.2mm，穿越中沉降-1.3mm，盾尾剛出既有線范圍時(shí)沉降-2mm，盾尾脫出后通過同步及二次注漿隆起+1.2mm，最終累計(jì)沉降約-1.5mm。

2）下行線 穿越前地面隆起0.3mm，穿越中沉降-1.1mm，盾尾剛出既有線范圍時(shí)沉降-1.8mm，盾尾脫出后通過同步及二次注漿隆起+0.9mm，最終累計(jì)沉降約-1.0mm（圖7）。

圖7 工香區(qū)間左右線穿越機(jī)場線動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)變形曲線

3.2 王前區(qū)間監(jiān)測情況分析

變形集中在盾構(gòu)切口切入及盾尾脫出階段，盾尾脫出后8 日趨于穩(wěn)定，有明顯沉降突變；盾構(gòu)掘進(jìn)前后變形形態(tài)變化明顯，下沉持續(xù)時(shí)間基本在8 日以上，變化速率約0.5mm/d。

盾構(gòu)穿越2 號線：下穿完成既有結(jié)構(gòu)累計(jì)變形最大-1.39mm，下穿段沉降最大-1.26mm，占90%，既有結(jié)構(gòu)沉降主要集中在下穿期間，側(cè)穿基本無影響。如圖8 所示。

圖8 王前區(qū)間穿越地鐵2號線沉降變形時(shí)程曲線

盾構(gòu)穿越國鐵直徑線：下穿完成國鐵直徑線軌道結(jié)構(gòu)累計(jì)變形最大-0.72mm，在控制值1mm 之內(nèi)。沉降主要集中在下穿期間盾尾脫出階段，可通過同步注漿等少量多次的注漿方式控制；盾尾通過后可通過二次補(bǔ)漿對已沉結(jié)構(gòu)進(jìn)行微量抬升至變形穩(wěn)定。如圖9 所示。

圖9 王前區(qū)間穿越國鐵直徑線沉降變形時(shí)程曲線

3.3 北朝區(qū)間監(jiān)測情況分析

三處特一級風(fēng)險(xiǎn)源穿越前后地表、橋墩沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)及沉降槽變化：①穿越過程中京津高鐵橋和南水北調(diào)東干渠整體變形較小；②穿越五環(huán)路造成最大沉降13mm 左右，穿越后仍有一定變形量并逐步穩(wěn)定。

4 風(fēng)險(xiǎn)管控主要措施效果評價(jià)

1）盾尾通過階段通過同步注漿阻止沉降發(fā)展的總量達(dá)到近-0.93mm，采取二次注漿補(bǔ)漿方式繼續(xù)微量抬升既有線結(jié)構(gòu)，使之始終不超過控制值，直到沉降趨穩(wěn)，沉降最終達(dá)到近-0.35mm（圖10）。通過實(shí)時(shí)監(jiān)測調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)使得穿越過程中對既有線影響較小，盾構(gòu)區(qū)間穿過后造成2號線結(jié)構(gòu)沉降最大約-1.39mm，造成國鐵直徑線沉降最大約-0.72mm。

圖10 王前區(qū)間下穿地鐵2號線自動(dòng)化沉降變形時(shí)程曲線

2）加強(qiáng)型管片及注漿隔離加固。北朝區(qū)間穿越段采用加強(qiáng)型管片、提前注漿對既有線路隔離加固保護(hù)、補(bǔ)充注漿、嚴(yán)控出土量、嚴(yán)禁超挖超排等措施，安全、平穩(wěn)穿越了特一級風(fēng)險(xiǎn)源。

5 結(jié)語

1）3 個(gè)盾構(gòu)區(qū)間均成功穿越特一級風(fēng)險(xiǎn)源，措施有效變形可控。掘進(jìn)參數(shù)控制應(yīng)“勻速、連續(xù)、均衡、飽滿”。

2）自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測對變形控制發(fā)揮了重要作用，高精度測量及高頻度監(jiān)測為每個(gè)環(huán)節(jié)提供及時(shí)數(shù)據(jù)支持，確保穿越施工風(fēng)險(xiǎn)可控。

3）穿越既有線可按照如下思路風(fēng)險(xiǎn)管控：試驗(yàn)段積累總結(jié)-刀盤進(jìn)入前微隆控沉-刀盤切入后盡量控沉-盾構(gòu)通過階段同步注漿反復(fù)調(diào)整控沉-盾尾脫出同步注漿跟進(jìn)-盾尾脫出后二次注漿徑向注漿至穩(wěn)定并可微量抬升。

4）進(jìn)度控制8～12 環(huán)/d，考慮時(shí)空效應(yīng)，左右線應(yīng)錯(cuò)距50m 以上。