砂卵石地层盾构始发段下穿既有线施工技术

砂卵石地层盾构始发段下穿既有线施工技术
曾良峰
【摘要】新建盾构隧道下穿既有地铁线路施工时会引发交汇段地表沉降叠加,对既有地铁线路运营安全产生威胁.本文以成都砂卵石地层新建地铁6号线盾构始发段下穿既有3号线施工为例,针对盾构在始发端头下穿施工时存在的建压困难、沉降控制难度大、施工安全风险高等难题,采用了始发延长钢环密封保压、中盾注浆盾构间隙、辅助注浆纠偏、自动化实时监测等技术措施及管理手段,顺利通过下穿既有地铁.
【期刊名称】《铁道建筑技术》
【年(卷),期】2018(000)003
【总页数】4页(P110-112,125)
【关键词】盾构;始发阶段;下穿地铁既有线;延长钢环
【作者】曾良峰
【作者单位】中铁十五局集团城市轨道交通工程有限公司广东珠海 519000
【正文语种】中文
【中图分类】U455.4
1 引言
近年来，我国城市轨道交通获得长足发展，轨道交通行业迎来建设高峰期，施工期引起的安全问题相应也有所增多，盾构法隧道施工事故多集中在盾构进出洞时,成
都市地铁6号线一、二期工程施工中面临前期已建的错综复杂的地铁网络，下穿
既有地铁4次，给施工安全带来种种困难，其中比较典型的是成都地铁6号线在
梁家巷站～前锋路站区间下穿3号线，下穿段刚好位于始发端头，离始发端头只
有8 m，使得盾构施工下穿安全风险极高。

为此，本文主要研究成都地铁6号线
盾构始发段下穿既有线施工技术[1-3]。

2 区间概况及风险、难点分析
2.1 区间概况
成都地铁6号线梁家巷至前锋路站区间左线投入中铁装备327盾构机；右线拟投
入中铁装备177盾构机，两台盾构机其分别由前锋路站左、右线始发，掘进至梁
家巷站接收吊出。

梁家巷至前锋路站区间下穿既有3号线段地层均位于饱和、中密卵石层，地质自
稳性差。

处于岷江水系冲积平原一级阶地，地表水主要为府河水。

地下水主要有3种类型：一是上层滞水赋存于黏性土层之上填土层中，二是孔隙潜水位于第四系砂、卵石土层，三是基岩裂隙水。

2.2 与既有线位置关系
6号线梁家巷站～前锋路站盾构区间于大里程端下穿既有3号线，里程范围为YCK31+202.578～YCK31+240.578。

既有3号线至前锋路车站主体端墙外侧距
离为8 m，正穿长度为20 m；下穿处盾构隧道埋深20.39 m，与3号线既有盾构隧道竖向净距约为4.065 m。

2.3 工程风险和难点分析
盾构施工工程风险最大的阶段为盾构始发和到达(进出洞)，盾构始发和到达(进出洞)是盾构隧道施工的主要难题之一，盾构进出洞常面临掌子面失稳、涌水涌砂、
土体坍塌、掘进超方、地表沉陷、反力架失稳等施工风险。

本项目采用的中铁装备盾构机盾体长度为8.7 m，按常规的盾构始发方法，只有盾
尾进去3 m后封堵洞门才能完全建立压力，但是本项目刀盘开挖面到3号线还未
能封堵洞门未建立土压力，掌子面土体失稳而危及3号线运行安全，施工安全风
险极高[4]。

因此，从保证地铁3号线正常运营要求出发，对本项目施工提出了非常高的要求，要求本项目的施工必须万无一失，绝对不能发生事故和险情。

同时，既有线对沉降控制要求非常严格，如何将既有线变形控制在允许范围内，对施工技术提出了很高要求。

同时，既有线对沉降控制要求非常严格，在盾构距离既有线净间距只有
4.065 m的情况下，如何将既有线变形控制在允许范围内，对施工技术也提出了
很高要求。

3 盾构机的选型及改造
3.1 盾构机选型
下穿既有3号线段地层均位于饱和、中密卵石层，砂卵石地层掘进盾构机需要适
应以下2个特点：
(1)砂卵石地层一旦扰动，地层反应灵敏、范围大，开挖面失稳易产生坍塌；地表
沉降不易控制。

(2)卵石颗粒的流塑性、改良性差；刀具、刀盘、螺旋机磨损严重；大粒径卵石存
在卡刀盘与螺旋机风险；刀盘扭矩大；土压平衡不易实现，当渣土改良不好时，建立土仓压力则刀盘扭矩急剧增大，可能导致盾体管片扭转。

若不建立土仓压力掌子面容易失稳，地面沉降会过大。

为此，选用土压平衡中铁装备327、177型盾构机，此两台盾构机先后在成都地
层掘进过，且性能优良，能够满足成都地层的要求。

3.2 对既有盾构机针对性的改造
(1)刀盘为面板式，开口率36%左右，开口处设有网格栅，面板上加焊更密、更耐磨的耐磨板。

(2)滚刀配置：刀盘周边配置10把双刃滚刀；正面采取22把单刃滚刀，其刀具配置形式以刀尖轨迹为依据，保证其刀尖轨迹间距在100 mm左右，同时保证对称
配置；刀盘中心1～8#配置4把双联滚刀；为了提高正面单刃滚刀的极限磨损，
刀圈从以前的432 mm加大到448 mm，提高使用周期，减少因换刀而导致的停机。

(3)磨损检测：刀盘设置有4处磨损检测装置，以及时判断刀盘刀具磨损情况，防
止刀盘盘体被磨损破坏[5]。

(4)泡沫剂注入系统：盾构配置4组单管单泵单喷口泡沫注入系统。

①泡沫系统采用单管单泵的方式，每路泡沫均可独立工作。

②采取预混合方式，增强发泡效果，降低泡沫消耗量。

③为便于维修或更换，喷口总成改成从刀盘背面抽出。

(5)膨润土系统：配置有2台单独膨润土泵；2台泵可通过单独管路向刀盘前注入
用于渣土改良，也可一路注入盾体外。

(6)中盾注浆孔：盾构推进过程中利用盾构机中盾径向孔，在盾构机下穿过程中同
步进行中盾注浆，及时填充开挖面与盾体之间的施工间隙。

4 土体加固控制技术
4.1 管棚群施工
端头加固采用φ194×10 mm+φ146×10 mm管棚进行管棚群超前支护，分4层打设，上面两层管棚打设长度为30 m，下面两层管棚打设长度为33 m。

(1)两排φ194 mm钢管布设在隧道圆心角180°范围拱部，两排φ146 mm钢管
水平布设在φ194钢管上方。

(2)φ194 mm钢管环向间距350 mm，需打设150根，φ146钢管水平间距100 cm，需打设34根。

(3)最内侧管心与隧道设计外轮廓线间距为74.7 cm，环状每排间排距为84.4 cm，
管棚倾角1.5°～4.5°。

(4)φ146 mm管棚采用1∶1水泥浆液进行注浆及填充，注浆压力控制在0.5 MPa 左右。

φ194 mm管棚使用C30无收缩免振捣砼灌注填充，填充完成后使用1∶1水泥浆对未填充饱满的缝隙进行压实填充。

4.2 端头降水施工
分阶梯降水，按照梯度降水原理在车站端头布设3口降水井，在3号线左侧远离基坑一侧设置1口降水井，井深37 m，降点位置至既有线距离为5 m[6]。

5 盾构始发延长钢环密封辅助工法
5.1 始发延长钢环
前锋路站始发采用的盾构机的盾体长度为8.7 m，为确保盾构刀盘在进入既有3号线前土仓能够提前建压，减少刀盘上方土体的坠落，在盾构始发时采用洞门延长钢环，钢环长度为3 m，延长钢环与洞门预埋环板满焊连接[7]。

5.2 安装3道密封
(1)钢环尾部采用帘布、折页板密封。

(2)钢环内中部焊制两道钢丝刷、填充油脂进行密封。

(3)延长钢环内底部采用细砂填实。

6 盾构始发下穿控制技术
6.1 中盾注浆洞门封堵
在-2环开始推进时，由中盾径向孔注入惰性浆液材料；填充延长钢环与盾壳之间的间隙进行洞门封堵，土仓建压推进；在同步注浆未到达之前填充开挖土体与盾壳之间的间隙，防止开挖土体沉降，当+28环推拼完毕时，此时盾尾脱出至既有线外侧10 m，停止中盾注浆。

为保证注入效果，盾构施工推进过程中的施工间隙得到有效填充，为后续管片背后的同步注浆以及土体加固注浆赢得关键时间，其施工参数见表1。

表1 注浆配合比石灰/(kg·m-3)粉煤灰/(kg·m-3)砂/(kg·m-3)膨润土/(kg·m-3)水
/(kg·m-3)注入量/(m3·环-1)注入点位100380760504700.71或11点位
6.2 二次注浆洞门封堵
(1)当+2环推、拼完成，+3环开始推进时，此时由0环、-1环管片吊装孔或延长钢环预留注浆孔，注入水泥+水玻璃双液浆，进行洞门封堵。

(2)水泥浆液的水灰比为1∶1，水玻璃浓度为50%(水玻璃与水体积比1∶1稀释)，水泥浆与水玻璃体积比为1∶1，注浆压力控制在1.0 bar以内。

(3)由于此时盾尾至注浆位置距离较近，为防止浆液包裹盾尾及盾体，因此注浆与
掘进需同步进行。

(4)封堵注浆时采取多点位、少量、低压的原则。

6.3 渣土改良
在富水砂卵石地层中掘进采用泡沫剂、膨润土对渣土进行改良对减少盾构推力及扭矩有明显效果，同时可以减少刀盘结饼、刀盘及螺旋和卡顿机率，减轻砂卵石地层对设备的磨损[8-9]。

采用渣土改良剂(泡沫和膨润土、水)进行渣土改良，增加渣土的和易性和流塑性，并依据掘进参数的变化及时对改良剂应用参数进行调整。

使用分散型泡沫剂，并掺入15%的聚合物，防止喷涌的发生[10]。

泡沫剂改良参数：掘进时泡沫采用半自动模式，稀释比例2.5%～5%，注入35%～60%混合液，流量15～25 L/min，空气流量300～400 L/min。

膨润土改良：在刀盘扭矩变化很大或扭矩达到4 000 kN·m并有持续增大的趋势时，向土仓内注入膨润土。

6.4 出土量控制
(1)采用体积法和称重法双控。

成都地层1.5 m管片出碴量约为56方/环，称重依
据地层的密实情况约为112 t左右。

(2)掘进过程中分析每斗渣土的推进管理行程，判断是否过程超方，及时对掘进参
数进行调整。

(3)掘进完成后对总出碴量与总管理行程进行对比，分析当环超方量，便于修正当
环同步注浆量及确定二次补注浆措施。

7 盾构穿越后控制技术
在盾构穿越后，即盾尾脱出既有线水平距离10 m后，对已成型隧道管片每间隔3环开孔进行二次补注浆，需间歇、多点、少量注浆，采用水泥浆液注浆，水灰比为1∶1；采用水泥+水玻璃双液浆封口，水泥浆液的水灰比为1∶1，水玻璃波美度
为22(水玻璃与水体积比1∶1稀释)，水泥浆与水玻璃体积比为1∶1，注浆压力控制在3 bar以内[11]。

8 始发段施工监测控制技术
8.1 深层土体监测
通过对盾构隧道上方土体埋设观测点，对土体的沉降进行监测，监测点沿6号线
隧道中心线进行布置，深度埋至6号线盾构隧道上方5 m处，共设置6个监测点，监测点距离既有线边缘5 m。

8.2 既有线监测
监测测点布置在隧道洞身断面上，每隔10 m布置一个断面，每个断面布设5个棱镜，相交段每5 m布置一个断面；分别为隧道道床2个(在布设道床沉降自动化监测点旁，同时布设人工监测点，并定期对监测数据进行检校)、收敛2个以及拱部
位置1个，沿隧道洞身环向布置。

为了避开隧道顶部接触网，将拱顶处测点移至
隧道靠近基坑侧拱部位置[12-13]。

9 结论
(1)采用延长钢环密封用于近始发端下穿既有线运营地铁施工，可以提前封堵洞门，提前建立土压，有效地防止始发时土压力降低而产生的提前沉降，对今后类似工程
有一定的借鉴意义。

(2)采用盾构机中盾径向孔在盾构机下穿过程中同步进行中盾注浆，有效地防止盾体通过时产生的沉降。

(3)设置自动化监测装置监测既有线隧道，是进行指导盾构施工的眼睛，也是既有线行车安全的重要保障。

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