维普资讯 http://www.cqvip.com 复杂条件下盾构穿越既有线 设计与施工技术 郑凯马福东石伟强 Ｘ为距离隧道中心线的距离（图１）。 摘要：在阐述盾构区间隧道沉降分析的理论基础上，给出了区间盾 （２）纵向地表隆陷按上海经验 公式计算，即： 构在始发条件下以小半径、小交角成功穿越既有线的设计施工方法， 以供其他类４￣．Ｙ－程借鉴。 关键词：盾构隧道；小半径；小交角；下穿；既有线 ｓ（ ）一（ ¨／２７Ｚｉ）｛妒［（ ～Ｙ ）／ ］ 妒［（ —Ｙ，）／ ］｝＋（ ：／２７ｃ ）｛妒 ［（ —Ｙ ）／ ］一妒［（ Ｙ ，）／ ］｝ 地层损失是盾构法施工中实 ０引言 （２） 其中： 为盾构开挖面引起的 ，为盾尾空隙压浆不 际开挖土体的体积和竣工隧道体 地铁作为一个带形构筑物，它 积之差。主要有几种因素：①开 地层损失； 在建筑物稠密、地下管线繁多的城 挖面土体的移动，包括地面的隆 足及盾构改变推进方向为主的、所 市环境中建设，不可避免地要穿越 起和沉降；②土体挤入盾尾空隙；有施工因素引起的地层损失；Ｙ为 各种建（构）筑物，因而，掌握地层 ③改变了推进方向；④隧道衬砌的 沉降点到坐标原点的距离；Ｙ．为盾 变形规律，并预先评估其对周边环 变形；⑤饱和松软地层的渗漏引起 构推进点处盾构开挖面至坐标原点 境的影响程度，对保证工程在施工 沉降等。的距离；Ｙ 盾构开挖面至坐标原点 ～Ｌ，Ｙ ｒ＝），ｒ—Ｌ；Ｌ为 和运营期间自身与工程环境的安全 由于盾构推进中的挤压作用和 的距离；Ｙ 盾构机的长度；和稳定有重要意义。以北京地铁４号 盾尾后面的压浆作用等施工因素， （ ）为正态分布函 线角门北路站一北京南站区问盾构 致使周围地层形成正值的超空隙水 数的积分形式（图２）。 穿越既有线为工程背景，在分析盾 压区，其超空隙水压在盾构法施工 构下穿既有构筑物时地层变形的机 后的一段时间内消散，在此过程中 理和规律的基础上，给出了在复杂 地层排水固结，从而形成地面沉降， 条件下盾构成功穿越既有铁路的设 称之为固结沉降。计、施工方法。 Ｗ ２ ５ｉ （３）盾构掘进时，还会引起地 ２ ｌＩ ０ ；０也Ｉ．地Ｊ 变ＪＰ； 引 盾构法施工产生地层变位，主 １ 理论分析 ， 要表现在以下３个方面。 拖ｌ 山Ｊ ：空 （１）横向地表沉降规律一般服 盾构法施工引起地层损失和隧 从Ｐｅｃｋ公式，即：道周围受扰动或受剪切破坏的重塑 土的再固结，是导致地层沉降的基 本原因。 ｓ （ ２７ｃ ）ｅｘｐ（－ｘ２／２ｉ ）（１） 一 率点 其中： 为盾构隧道单位长度 地层损失；ｉ为沉降槽宽度系数； 图１横向地表沉降曲线图 郑 凯：中铁第四勘察设计院集团有限公司，助理工程师，武汉４３００６３ 坝代垣市轫娼交懂 ３／２００８ ＭＯＤＥＲＮＵＲＢＡＮＴＲＡＮＳＩＴ 维普资讯 http://www.cqvip.com ２环境安全风险源概述 ４０．２２ ｍ；区间右线结构在右Ｋ３＋ ５５３．０～Ｋ３＋５８３．０处下穿铁路，区 （］ ／／ Ｓ 椭ｌ蚌盾杜ｆ ２ １地 Ｉｊ、Ｉ ｌ ｉｊ 啪 ，Ｊ１，ｊ ｊ Ｉ；０ ０＞ 糸 间线路与既有铁路线路的交角约为 ２４。，影响铁路里程在Ｋｌ０＋９５８．０～ 初田 甲赢 凹 Ｌ＿ｊ推进 Ｉｈｊ ｌ广＿叶 ｉ图２ 纵向地表隆陷曲线图 角门北路站 北京南站区间起 Ｋｌ０＋９８６．４５处，共２８．４５ ｍ。 点为位于北京市丰台区马家堡西路 （２）地铁区间穿越京山铁路段 的角门北路站，出站后下穿京山铁 处于小半经曲线 ，曲线半径仅为 路，转向西北进入北京南站。区间以 ３ ５０ ｍ，昏构在推进过程中一方面 晤构法施 为主，部分采用矿山法 控制推力、扭矩，控制推进速度，以 层水平变位，一般靠近盾构处的水 施上。盾构始发井设在区间终点处， 控制地表的沉降或隆起，另一方面 平变位较大。 位于北京南站和京山铁路之间。地 还要不断地调整姿态，以满足线路 综合上述分析，盾构掘进将对 铁区间与京山铁路的详细位置关系 的要求，这给盾构的推进带来很大 地层产生三维空间的影响，如图３ 见图４。 所示。 ２ ２ － 忮 协分 的眶力。 （３）盾构始发井距离京山铁路 （１）区间与京山 较近。ｌ号唇构始发井与京山铁路最 铁路斜交，区间穿越 西侧轨道最近距离为１ ８．４ ｍ，２号盾 铁路段比较长，对控 构始发井与京…铁路最西侧轨道最 制铁路路基的沉降极 近距离为１ ８．０ ｍ。由于盾构在始发 为不利。区『自Ｊ左线结 处各种掘进参数还在不断地摸索和 构约在左Ｋ３＋４９６．０ 调整过程中，这给京山铁路的保护 ～Ｋ３＋５３６．０处下穿 以及控制后期沉降也带来了不便。 铁路，区间线路与既 （４）地铁区间埋深相对较浅。 有铁路线路的交角约 区间过京山铁路段埋深在ｌ０ ｍ左右， 为ｌ ９。，影响铁路里 属浅埋隧道。 程在Ｋ ｌ ｌ＋００２．２～ 图３地层三维变位示意图 （５）地质条件比较差。在盾构 Ｋｌ ｌ＋４２．４２区段，共 穿越的京山铁路段，为Ｖ～Ⅵ类围 岩，地质条件为中粗 砂、粉细砂及卵砾石 等，卯砾石粒径较大， 最大直径可达２０ Ｃ１ＴＩ， 对盾构的掘进形成不 利因素。 （６）地下水比较 丰富。根据勘测报告， 该地段有２层地下水， 第ｌ层为上层滞水，第 ２层为层问潜水，水位 水头标高在整个区间 线路稳定分布，地下 图４区间结构与既有线位置关系图 （单位：ｉＴＩ） 水状况参见表ｌ。 黪ＭＯＤＥＲＮＵＲＢＡＮＴＲＡＮＳＩＴ ３／２００８坝代垣市轨晤交懂 维普资讯 http://www.cqvip.com 表１ 地下水情况一览表 含水层及其特征 地下水性质 上层滞水 ～ 等对地层的 （３）盾构下穿凉水河，防止发生 影响，精确 透水事故。 测定地层的 水位埋深／ｍ 水位标高／ｍ岩性名称 圆砾层 ・ Ｉ＇Ｕ 委５ （４）与京山铁路近距离（４ ｍ）、 ｌ００ 变形与盾构 长线路（６００ ｍ）并行，须确保铁路 机推力设定 运行安全。 值、盾构掘 ４．２№ｌ 啦 讲涑摩的实 。・ ・ ～２９・ 细砂层 层间潜水 １６．８～２１・８ １７．２～２２．７５ 卵石层 １８０ （１）京山铁路作为进出京的关 从表ｌ中可以看出上层滞水水 际值之间的关系，测得穿越铁路前 键运营线路，车辆运行速度快，车流 头较高，再加上受北京南站排水回 最优施工参数，指导施工。 量大，对施工工期有严格要求。 灌的影响，整个区间段的地下水又 （２）在铁路路基下实施深孔静 （２）始发段掘进容易引起管片错 大大加大，对盾构掘进的掌子面的 压注浆加固（图５）。考虑到地下水的 台及开裂问题。 稳定形成丫极为不利的因素。 影响，浆液采用双液浆，同时注浆压 （３）盾构掘进时，纠偏量较大， （７）地面列车动荷载的影响较 力不应太高，控制在０．５ ＭＰａ以下， 对土体扰动的增加易发生较大沉 大。根据现场的调查，京山铁路运 以控制路基的沉降；注浆加固后的 降量。 行比较繁忙，列车在该地段的运行 土体应具有良好的均匀性和自立性， （４）穿越铁路时盾构姿态控制 时速又比较大，最高速度可达１ ２０ 其单轴抗压强度不小于０．８ ＭＰａ，渗 难度大。 ｋｍ／ｈ，再加上地下水比较丰富，极 透系数小于１．０ Ｘ ｌ０ ｍ／ｓ。 （５）小交角穿越铁路，对土压 易形成振动液化现象，故地面列车 （３）施工时加强地表沉降观 力、推力、注浆压力等参数的控制有 的动荷载埘区间施工造成的影响不可 测，及时补填道碴，实行信息化施 了更高的要求。 忽略。 工，同时加强同步注浆和二次补充 （６）盾构在全断面砂卵石地层 ３专项设计 注浆，以控制后期沉降。 中掘进，刀具磨损严重，刀具更换 （４）对列车实施限速控制，在 困难。 根据现场情况，结合一定的理 盾构推进期间，其最高速度不应超 （７）隧道下穿凉水河并与京山 论分析，设计采取地面、地下相结合 过６０ ｋｍ／ｈ． 铁路近距离、长线路并行，施工风 的加固方案。 险大。 （１）模拟推进，优化施工参数。 ４施工难点和应对措施 ４．３录 的 埘 弛 在左线穿越铁路前３０ Ｉｉ］处设立模拟 ４．１ 构№ 一 ． ４．３．１ ３５０ ｍ小半径曲线始发技术 试推进区，设置相应深度的上体垂 （１）在半径为３５０ ｍ小曲线始 措施 直及水平位移监测点、地下水位及 发，轴线要严格控制。 （１）提前对始发角度进行计算， 水压监测点。自始至终监测深层监 （２）在小曲线始 情况下以２ｌ。 确定始发角度。 测点的变化状况，摸索不同盾构推 交角下穿京山铁路，要严防地表发 （２）考虑反力架单侧受力较大 进速度和出土量以及盾构注浆工艺 生不均匀沉降。 的情况，对反力架进行了提前加固 处理。 （３）选择合适位置进行超挖刀 施工和使用盾构铰接施工，进行姿 态控制。 （４）针对小曲线段的管片选型， 进行提前电脑模拟。 ４．３．２小交角、小半径下穿京山铁路 图５ 静压注浆加固范围图 （单位：ｍ） （１）提前在京山铁路路基北侧 坝代城市轨厦交匠 ３／２００８ ＭＯＤＥＲＮＵＲＢＡＮＴＲＡＮＳＩＴ露 维普资讯 http://www.cqvip.com 表２ 盾构施工各参数控制表 推进 速度 ／ｍｍ．ｓ＿。 为此，应根据地面 注浆 压力 ／ＭＰａ 掘进状态 推力 ／ｔ 土仓压力／ＭＰａ 上土压 下土压 出土量 ／ｍ 注浆量 ／ｍ 每环加 每环泡 泥量 沫量 实时控制，在管片 ／ｍ３ ／ｍ３ 实时监测结果进行 衬砌背后实施跟踪 回填与固结注浆， 尤其对拱部ｌ ２０。 范围进行地层固结 曲线段始发ｌ５～２５ ２ ８００～３ ２００ 直线段 ３０～４０ ｌ ６００～２ ０００ ０．１２ ０．１０ ０．１８ ０．１５ ３６ ３．０～３．７ ０．３０～０．５ ５～７ ８～９ 进行高压旋喷注浆地层加固施工， 裂等问题，为以后其他类似工程的 注浆是非常重要的。 降低始发初期对铁路的影响。 （２）针对以下７项施工管理指 标加强掘进控制管理：①土仓压力； ②排土量；③推进速度；④总推力； 施工提供了借鉴。 （６）盾构通过建筑物基础时， 一（２）地铁区间选线时，应充分 般立足于盾构施工管理和加强监 考虑盾构下穿既有建筑物的影响， 控量测，做到事先预测、事中监测以 应尽量避开重要的建筑物，即使无 及事后检测。应适量放慢掘进速度， ⑤刀盘转速和扭矩；⑥注浆压力和 法避让，也应最大程度地以正交的 有效控制土压平衡和同步注浆，必 注浆量；⑦泡沫、泥浆注入量。其中 方式下穿。 土仓压力是主要的管理指标。严格 要时，进行地面跟踪注浆和洞内补 （３）盾构区间隧道地表的隆起 强注浆。另外，应针对不同的建筑物 控制施工的各参数（表２），以保证 或沉陷是由于开挖面的推力大于或 结构形式、基础形式，做好预案。 施工安全。 小于原始侧向地应力引起的，因此， 参考文献 ［１］王梦恕、地下工程浅埋暗挖技术 通论、合肥：安徽教育出版社， ２００４． （３）进行实时监测和信息化管 应通过调整推进速度及减少或增加 理，建立信息化施工系统，指导施工 出土量，提高或减小正面土仓压力 参数的调整。 ４、３、３与京山铁路近距离、长线路并 行技术措施 来控制沉降。 （４）盾构通过时，地层发生沉降 是不可避免的。如果沉降超限可以 ［２］ＧＢ５０１５７—２００３地铁设计规范． ［３］张凤祥．盾构隧道施工手册．北 京：人民交通出版社，２００５． （１）根据施工段的具体情况， 采取控制掘进速度和出土量，调整 确定合适的施工参数，确保士压力 土仓压力，控制同步注浆的压力及 及出土量正常；提高注浆量及注浆 注浆量，从而达到有效控制地层的 压力；保证盾构掘进匀速稳定。 弹塑性变形。 ［４］金建峰．盾构施工引起的地表沉 降规律分析．科学技术与工程， ２００７，７（５）． 收稿日期２００８—０５—１０ （２）加强地面监控量测工作， （５）盾构通过后，由于应力松 及时反馈，做到信息化施工，保证铁 弛的影响，地层还会发生固结沉降，路安全。 ５结论及建议 （１）此次成功穿越京山铁路， 是国内首次以小半径、小交角在始 发状态下成功穿越既有铁路，并将 地面沉降控制在４ ｍｍ以内。通过此 次工程，形成了～套完整的施工工 艺，基本解决了盾构在小交角、小半 径情况下穿越既有铁路过程中地表 沉降大、隧道轴线及盾构姿态难于 控制、防水难度大、易造成错台及开 静ＭＯＤＥＲＮＵＲＢＡＮＴＲＡＮＳＩＴ ３／２００８ Ｉ贝代壤市轨值交厦
