摘要 地鐵盾構(gòu)隧道施工過程中對原狀土體擾動較大，極易引起地表較大變形，影響地表既有道路的安全。該文以北京地鐵17號線下穿北四環(huán)段為研究對象，首先通過對盾構(gòu)試驗段的分析確定盾構(gòu)施工參數(shù)，隨后通過數(shù)值模擬的方法分析了盾構(gòu)施工過程對周圍土體的影響機理和變形情況，最后研究了實際穿越環(huán)線公路段時盾構(gòu)設(shè)備的參數(shù)變化過程。施工期監(jiān)測結(jié)果表明：該研究所采用的盾構(gòu)施工方法所產(chǎn)生的最大地表沉降量為7.618 mm，滿足相關(guān)要求。該文研究內(nèi)容對城市盾構(gòu)隧道穿越環(huán)線公路施工工作的開展具有指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞 北京地鐵；盾構(gòu)隧道；下穿立交；盾構(gòu)施工；盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

中圖分類號 U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）21-0142-03

0 引言

盾構(gòu)技術(shù)作為現(xiàn)階段城市地鐵隧道建設(shè)的主要方式之一，應(yīng)用十分廣泛，同時隨著城市立體交通的發(fā)展，地鐵線路不可避免地會穿越城市內(nèi)的高大建筑物、地面環(huán)線交通線路等位置[1-2]。盾構(gòu)隧道施工過程中對原狀土層的擾動較大，極易使地表產(chǎn)生變形和沉降，影響既有道路和建筑物安全，因此此類工程往往具有較高的施工風(fēng)險[3-4]。為確保地鐵盾構(gòu)隧道施工以及地表城市環(huán)線公路的安全，有必要對新建隧道下穿城市環(huán)線公路的盾構(gòu)施工過程進(jìn)行研究?；诖?，該文以北京地鐵17號線穿越北四環(huán)段的盾構(gòu)隧道施工關(guān)鍵技術(shù)展開研究，以期為后續(xù)相關(guān)工作的開展提供借鑒。

1 研究背景

1.1 工程概況

北京地鐵17號線工程太陽宮站～望京西站盾構(gòu)區(qū)間處朝陽區(qū)望京區(qū)域，盾構(gòu)區(qū)間左線長2 113.8 m，右線長1 821.4 m，雙線全長3 935.2 m，區(qū)間左線先從2號盾構(gòu)井暗挖段始發(fā)，掘進(jìn)至區(qū)間風(fēng)井接收，整機空推64 m后二次始發(fā)，再掘進(jìn)至太陽宮站接收后拆機轉(zhuǎn)場區(qū)間右線盾構(gòu)1號井。區(qū)間右線盾構(gòu)1號井暗挖段裝機始發(fā)，掘進(jìn)工序與左線相同。隧道在里程YK32+127.000～YK32+269.000處下穿一級風(fēng)險源北四環(huán)東路及輔路，長度142 m。區(qū)間隧道平面最小曲線半徑為R=500 m，線間距11～21.2 m，軌面標(biāo)高約13.074～23.399 m，線路縱向坡度最大坡度9.87‰。

1.2 工程地質(zhì)條件

前期勘察工作對場內(nèi)各地層巖性進(jìn)行了明確，各地層土體物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

對于盾構(gòu)隧道而言，線路地層巖土體巖性比例對于盾構(gòu)施工過程中的盾構(gòu)姿態(tài)、土倉壓力、注漿加固等關(guān)鍵參數(shù)的確定具有決定性作用[5]。以左線隧道為例，經(jīng)地勘計算可知：該工程中盾構(gòu)隧道地層以粉質(zhì)黏土和黏質(zhì)粉土為主，占比分別為49%、19%，說明地層巖土體質(zhì)量較為穩(wěn)定，但需要在注漿過程中注意土體結(jié)構(gòu)，避免出現(xiàn)較大變形。

勘察期間最深鉆孔為62 m，勘探范圍內(nèi)地層中的地下水可劃分為上層滯水（1）、潛水（2）、層間潛水（3）、層間潛水～承壓水（4）、層間潛水～承壓水（5）和承壓水（6）。其中隧道頂板上方為潛水（2）、局部穿越層間潛水（3）、層間潛水～承壓水（4）、隧道地板穿越層間潛水～承壓水（5），其余含水層對隧道施工影響較小。

2 施工前盾構(gòu)參數(shù)的確定

選取與北四環(huán)下部地層基本一致的進(jìn)入北四環(huán)前100環(huán)作為盾構(gòu)下穿隧道的試驗段，試驗段以地表沉降可控為目的，以保證效率減少設(shè)備磨損為目標(biāo)對各參數(shù)進(jìn)行確定。經(jīng)試驗段確定，此區(qū)間采用盾構(gòu)機開挖直徑為6 640 mm，管片外徑為6 400 mm，管片寬度為1 200 mm。每環(huán)開挖方量Q土環(huán)=π/4×D2×L=42.03 m3，每環(huán)出渣量方量為45.69 m3。掘進(jìn)推力控制在1 200～1 400 t，掘進(jìn)速度控制在30～50 mm/min。盾構(gòu)的切削刀盤扭矩根據(jù)式（1）計算。

F=aD3 （1）

式中：F——刀盤裝備總扭矩（kN·m）；D——刀盤外徑（m）；a——扭矩系數(shù)。

經(jīng)計算，試驗段切削刀盤扭矩為2 537 kN·m，施工時，在保證勻速掘進(jìn)情況下，適當(dāng)調(diào)整膨潤土注入比例減小刀盤扭矩，刀盤扭矩按照1 800～3 500 kN·m進(jìn)行控制。

3 盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

3.1 盾構(gòu)姿態(tài)控制與掘進(jìn)參數(shù)

盾構(gòu)姿態(tài)是確保隧道盾構(gòu)施工質(zhì)量的重要指標(biāo)，在該工程的下穿城市環(huán)線公路段的推進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制推進(jìn)方向，將施工測量結(jié)果不斷地與導(dǎo)向系統(tǒng)對比校核，及時調(diào)整，以確保盾構(gòu)姿態(tài)的正確性。該工程中的主要盾構(gòu)參數(shù)如表2所示，盾構(gòu)施工過程中的主要控制要點如下：

（1）盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，嚴(yán)格控制姿態(tài)突變，保持姿態(tài)變化不能超過±5 mm。

（2）對初始出現(xiàn)的小偏差及時糾正，避免盾構(gòu)機走“蛇”形，盾構(gòu)機每環(huán)一次糾偏量不超過10 mm（1.2 m），以減少對地層的擾動。

（3）加強管片運輸和拼裝過程保護(hù)，防止碰撞掉邊掉角，影響防水質(zhì)量；同時加強管片選型控制，每環(huán)推進(jìn)完成后須進(jìn)行盾尾間隙量測，根據(jù)盾尾間隙選擇管片F(xiàn)塊安裝位置。

（4）加強止水密封條的粘貼質(zhì)量，防止?jié)B水滲漿。

（5）嚴(yán)格按照“管片軸線跟隨盾構(gòu)機走”的原則進(jìn)行管片拼裝控制，減少錯臺破損。

盾構(gòu)施工過程中的盾構(gòu)機部分環(huán)號的推力變化圖如圖1所示，可知在施工過程中的推力是在時刻變化的過程中，施工過程中根據(jù)盾構(gòu)推力的反饋和盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整確保整體推力在施工前確定的8 000～17 000 kN范圍內(nèi)。圖3的推力分布結(jié)果可知，在實際施工過程中，掘進(jìn)推力的大小與土層性質(zhì)、地下水賦存條件等具有較強的相關(guān)性，在該工程中由于土層性質(zhì)比較穩(wěn)定，因此掘進(jìn)總推力能夠控制在11 000～13 000 kN之間，且掘進(jìn)推力整體起伏較小，說明地層情況比較均勻，施工過程較為穩(wěn)定。

3.2 注漿關(guān)鍵技術(shù)

該工程隧道盾構(gòu)施工過程中的注漿主要包括同步注漿和二次注漿兩部分，其中盾構(gòu)過程中的同步注漿過程示意圖如圖2所示，同步注漿是在盾構(gòu)推進(jìn)過程中進(jìn)行的地層注漿填充作業(yè)，以及時充填土體與管片圓環(huán)間的建筑間隙，防止地面發(fā)生沉降和地面的變形。在該工程施工過程的同步注漿中，堅持“注漿與盾構(gòu)施工同步，不注漿不推進(jìn)，要推進(jìn)必注漿”的原則。

同步注漿漿液凝固后，體積會有一定的收縮，局部漿液與土體之間仍存在空隙，二次注漿能有效地進(jìn)一步充實背襯空隙和提高止水能力，提高管片周圍土體密實度，有效控制地層變形和地表沉降。盾構(gòu)進(jìn)入設(shè)計加固范圍時后，根據(jù)變形監(jiān)測結(jié)果，如果變形超過監(jiān)測圖中的報警值，利用管片預(yù)留注漿孔進(jìn)行管片外徑向注漿，先在注漿預(yù)留口安裝球閥，再用電動沖擊鉆進(jìn)行開孔，進(jìn)行二次注漿加固，注漿加固完成后，用快速水泥進(jìn)行封堵，填實注漿孔。該工程中所采用的二次補漿采用雙液漿形式，雙液漿漿液可在地層內(nèi)快速凝固，漿液配料比如表3所示。注漿壓力初設(shè)值擬定為0.3～0.5 MPa，注漿擴散半徑約為400 mm，結(jié)實強度不小于2 MPa。在施工中，根據(jù)注漿施工現(xiàn)場情況和地表沉降監(jiān)測值及時調(diào)整，以注漿壓力和注漿量雙重控制，以達(dá)到最優(yōu)效果。

3.3 盾構(gòu)土倉壓力控制

該工程穿越城市環(huán)線公路階段的盾構(gòu)施工過程中部分環(huán)號的土倉壓力監(jiān)測情況如圖3所示。在實際施工過程中土倉壓力能夠控制在2.2 bar左右，且較為穩(wěn)定，分析其原因可知，盾構(gòu)地層中粉質(zhì)黏土和黏質(zhì)粉土為主，占比分別為49%、19%，在開挖導(dǎo)致地層應(yīng)力重分布過程中，細(xì)粒土所產(chǎn)生的主動土壓力較大，同時盾構(gòu)隧道位于含水層以下，土體處于飽和狀態(tài)，而地下水的存在會增大土體運動趨勢，也就導(dǎo)致盾構(gòu)過程中土倉壓力較弱，但整體仍處于合理范圍內(nèi)。

為確保施工過程對地表環(huán)線公路的影響在合理范圍內(nèi)，該工程還對盾構(gòu)施工過程中的各項參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明兩條隧道施工所引起的地表最大沉降分別為7.321 mm、7.618 mm，滿足規(guī)范要求的小于等于15 mm的要求，說明該工程施工控制效果出色。同時分析實際施工過程中盾構(gòu)機的相關(guān)參數(shù)控制結(jié)果可知，在該工程的施工過程，確保試驗段參數(shù)的準(zhǔn)確性和確保施工過程中的盾構(gòu)參數(shù)一直在合理范圍內(nèi)是控制盾構(gòu)隧道施工過程中地表變形的重要手段。通過上述兩部分的聯(lián)合控制，也使得該工程盾構(gòu)隧道施工所引起的沉降未對地表環(huán)線公路產(chǎn)生任何不利影響。

4 結(jié)論

該文以北京地鐵17號線穿越北四環(huán)段為研究對象，深入分析城市地鐵盾構(gòu)隧道施工過程的關(guān)鍵技術(shù)，所得結(jié)論如下：

（1）該文所選用的盾構(gòu)施工參數(shù)在粉質(zhì)黏土+砂土的地層條件下所引起的地表最大沉降為7.618 mm，與數(shù)值分析計算所得的最大沉降量6.632 5 mm基本接近，能夠滿足開挖穩(wěn)定性需求。

（2）盾構(gòu)開挖過程主要是由于開挖導(dǎo)致原狀土體卸荷進(jìn)而產(chǎn)生變形，其中上部沉降量遠(yuǎn)大于下部隆起量，其主要原因在于上部土體除卸荷導(dǎo)致變形外還需考慮自身重力作用。該文研究成果可為后續(xù)相關(guān)工作的開展提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

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