土压平衡盾构近接施工关键技术

肖　筱　中电建南方建设投资有限公司

摘要：以11号线车公庙站-红树湾站区间所需上跨下穿既有线的实际情况为例，通过地面加固、控制盾构施工掘进参数及ANSYS数值模拟计算，结合施工监控结果进行分析，以减小施工所引起的地面沉降及临近既有线变形的影响。总结针对复杂工况下浅覆软土层下穿、跨越既有线掘进施工经验，为今后类似盾构施工情况提供参考和借鉴。

关键词：地铁隧道；既有线；浅覆；软土层

一、工程概况

区间隧道穿越地层主要为砾质粘性土，全、强风化花岗岩。固处理[1]。加固完成后，将加固地表清理干净，在高边坡挡墙内侧设局部洞顶位于砂层或砾砂层内，局部底板位于中、微风化花岗岩中。围岩等级以Ⅴ、Ⅵ级围岩为主。微风化岩天然抗压强度为47.7-153.0MPa，平均值为86.11MPa；沿线地层广泛发育花岗岩风化球，单轴抗压强度92.5-130Mpa，均值为108Mpa，极值为170Mpa。车红区间人工湖下方微风化岩段，左线长277m，右线长255m，天然抗压强度为71-125MPa。其中，别墅群下方左线72.3m、右线66.5m已进行地表深孔爆破预处理。二、浅覆软土地层盾构下穿竹子林车辆段施工关键技术

1.盾构下穿竹子林车辆段主要技术措施。

（1）咽喉区扣轨加固。为确保盾构隧道施工不影响地面车辆段的正常运营，在盾构通过前对轨道进行保护。扣轨两层，上层1扣2，纵轨每隔1.2m用U型箍绑紧一次。扣轨剖面图见图1。图1　咽喉区扣轨剖面示意图

左右线穿越咽喉区需要进行扣轨加固的共有9股轨道，累计长度650m，包含道岔8个。详见图2所示。图2　咽喉区扣轨剖面示意图

（2）浅埋和高边坡挡墙段地面加固处理。区间隧道下穿车辆段咽喉区至车辆段挡墙范围，此段隧道覆土只有5.03-6.7m，小于一倍的隧道半径，属于浅埋隧道，地面为空地。根据地质勘察情况，此段地层以疏松的素填土和砾质粘性土地层为主，局部分部有回填石，地层较差。根据以往盾构下穿浅埋段的施工经验和沉降要求，结合此段地质补堪情况，为确保竹子林车辆段地面及列车运营的安全，盾构机到达前需进行地面加置砼框架支撑起到顶推防止往内侧倒塌的作用。砼框架支撑与高挡墙非刚性连接，以避免由于地面沉陷后拉垮挡墙，截面0.5×0.5m，间距2m，底部铺设φ8@150×150的钢筋网，然后浇筑10cm厚C20的混凝土硬化，硬化范围为注浆加固范围。硬化完成后用袋装土堆载，高度3m。待第二台盾构机通过后恢复地面原状。图3　浅埋段剖面示意图

（3）下穿车辆段盾构掘进参数控制。盾构穿越车辆段施工遵循“连续掘进、匀速通过”的原则，动态优化调整主要掘进参数（如土仓压力、推进速度、刀盘转速和推力等）、做好渣土改良，控制出土量、加强盾构的同步注浆。盾构掘进参数统计如表1所示。表1　盾构掘进参数表

序号项目

参数1推进速度（mm/min）50-602刀盘转速（r/mim）1.5-1.73刀盘扭矩（KN·m）

550-6204总推力（T）1300-14005顶部土仓压力（Bar）

0.6-1.46注浆量（m3）7-7.57注浆压力（Bar）2.0-3.08出土量（m3）80-909

螺旋机转速（r/mim）8-1210螺旋机压力（bar）50-7011铰接油缸压力（bar）80-10012渣土温度（℃）28-3013泡沫剂（L）6014盾尾油脂（kg）4015

加水量（M3)

3-5

2.监测结果分析。

通过现场实施自动化监测成果，盾构施工过程中，线路沉2019/22 CHENGSHIZHOUKAN城市周刊73

综合信息降量基本控制在要求范围内，合理的提前加固措施和盾构施工控制手段有效确保了既有车辆段的运营安全。3.结论。

对于土压平衡盾构浅覆土下穿既有运营车辆段施工，控制盾构施工对地层影响是重点。（1）在环境要求较高的区域进行盾构施工，首先要详细探明周围环境的情况，根据实际情况划分风险等级，并制定详细的风险应对措施。（2）针对下穿车辆段施工，在盾构到达前，根据具体情况对现有轨道采取扣轨加固的措施，提高轨道整体刚度和抗变形能力，并对局部高风险区域进行注浆加固，有效降低了施工风险。（3）在盾构施工中，实时调整施工参数，并严格控制出碴和注浆回填量，将地层土体损失降到最小，有效保证盾构施工过程中地面环境安全。（4）盾构下穿后，继续监测地面变形情况，确保车辆段安全。综上，通过采取合理有效的措施，11号线车红区间顺利完成了下穿竹子林车辆段的盾构施工，取得了良好的经济、社会和环境效益。三、盾构上跨既有1号线施工关键技术

1.11号线上跨既有1号线施工模拟。

通过ANSYS数值模拟计算，分别模拟了新建隧道左右线分别上跨既有隧道的施工过程，计算结果可以看出随着新建隧道左线的盾构掘进，与既有隧道的距离越来越近，既有隧道的最大变形点也逐渐趋于靠近新建隧道侧。既有1号线隧道随着新建隧道11号线开挖，其变形一直在持续，根据数值模拟计算的结果，第一次开挖11号线时，既有隧道1号线最大位移发生在-20m处为3.1mm，在全部开挖完成后既有1号线隧道最大位移发生在0m处为8.2mm，而随着隧道走向开挖，当再次变形值达到3mm时，位置接近Z=20m。因此在Z=-20至20m的位置处，即在交叉位置处沿着既有隧道1号线前后20m（交叉隧道交角为25°）的区段内需要重点进行监测和保护。2.盾构施工技术。

（1）盾构上穿施工控制技术。①土压控制。上穿段隧道埋深由12m-10m过渡，根据隧道覆土埋深将每环的土仓压力进行计算和明确，掘进过程中土压计算压力提高0.1bar，保持均匀性，波动范围±0.05bar范围之内，防止忽高忽低。②碴土管理。上穿段应动态调整泡沫用量，使碴土具有良好的流动性；掘进时应勤量渣温，当环渣温升高2℃时，应立即检查加水系统、泡沫系统是否完好，当渣温超过35℃时，应立即停机，找到原因后，在恢复掘进；出碴量按车控制，每车出土量按油缸行程进行控制。③掘进速度控制。浅埋段掘进速度过快出碴不及时易造成土压增大，导致前方隆起。速度过慢则给地层充分的时间应力释放，延长了对地层的扰动时间，从而引起较大的地层位移。掘进时需选择适宜的速度保证在上穿时均匀快速的通过，把对地层的扰动降至最小。④姿态控制。姿态调整遵循“及时、连续、限量”的原则，姿态调整不宜过大、过频，减少纠偏，避免较大纠偏造成对土体的超挖和扰动。严格控制四个推进油缸分区油缸行程差及控铰接油缸行程差。确保盾构推进轴线与设计轴线相吻合，姿态调整控制在±50mm范围内[2]。⑤同步注浆。基于对地面及既有线的保护，防止地表及既有线较大变形发生，应提高同步注浆量。注浆过程必须保证六管同时注浆，为减小注浆压力对既有线的影响，应减小底部注74城市周刊CHENGSHIZHOUKAN 2019/22

浆流速，降低底部注浆孔压力，减少底部注浆孔注浆量，同时增加中部及顶部注浆孔注浆量，总注浆量不变。（2）孤石段掘进。根据深圳地质特点判断盾构遇到孤石为抛填石层，出现孤石位置的恰好位于既有线竹侨区间左线隧道的上方，上穿施工风险进一步加大。施工过程中主要采取了以下措施。①掘进时密切关注刀盘扭矩情况，推进时扭矩不大于600KN.m，当扭矩波动至800KN.m时，立即停止推进，停止刀盘转动，进行换向。②刀盘转速控制在1.0r/min以内；放慢掘进速度，控制在15mm/min以内。③控制铰接压力，铰接压力不能持续上涨，最大铰接压力不能超过300bar。④控制加水量，使渣土相对处于偏干状态，根据渣土状态适当调整泡沫用量和加气量。3.监测数据分析。

施工前期通过对盾构近距离上穿既有线隧道进行了有限元数值模拟研究，得出了既有隧道的变形规律，即盾构不断向前推进，既有隧道的隆起变形点也逐渐向盾构掘进方向推移，后期的监测数据也表明盾构上穿时，既有隧道的变形以隆起为主，随着注浆加固施工的保护，既有隧道的实际变形很小，完全符合既有地铁安全运营的标准。4.盾构4线下穿既有1号线施工关键技术。

（1）盾构施工技术。①土压控制。根据隧道覆土埋深将每环的土仓压力进行计算和明确，掘进过程中土压计算压力提高0.1bar，保持均匀性，波动范围±0.05bar范围之内，防止忽高忽低。②碴土管理。上穿段应动态调整泡沫用量，使碴土具有良好的流动性；掘进时应勤量渣温，当环渣温升高2℃时，应立即检查加水系统、泡沫系统是否完好，当渣温超过35℃时，应立即停机，找到原因后，在恢复掘进；出碴量按车控制，每车出土量按油缸行程进行控制。③掘进速度控制。浅埋段掘进速度过快出碴不及时易造成土压增大，导致前方隆起。速度过慢则给地层充分的时间应力释放，延长了对地层的扰动时间，从而引起较大的地层位移。掘进时需选择适宜的速度保证在上穿时均匀快速的通过，把对地层的扰动降至最小[3]。④姿态控制。姿态调整遵循“及时、连续、限量”的原则，姿态调整不宜过大、过频，减少纠偏，避免较大纠偏造成对土体的超挖和扰动。严格控制四个推进油缸分区油缸行程差及控铰接油缸行程差。确保盾构推进轴线与设计轴线相吻合，姿态调整控制在±50mm范围内。⑤同步注浆。基于对地面及既有线的保护，防止地表及既有线较大变形发生，应提高同步注浆量。注浆过程必须保证六管同时注浆，为减小注浆压力对既有线的影响，应减小底部注浆流速，降低底部注浆孔压力，减少底部注浆孔注浆量，同时增加中部及顶部注浆孔注浆量，总注浆量不变。（2）既有隧道沉降变形监测。盾构四线下穿既有1号线隧道，盾构施工过程中对既有1号线采取自动化监测，得到既有1号线的整体变形情况如下：①既有1号线左线沉降变形。既有1号线隧道左线整体呈现出整体隆起的特性，与数值模拟计算的结果吻合，最大隆起变形值为1.2mm，在既有地铁安全运营范围之内。②既有1号线右线沉降变形。结合监测数据和实际施工情况，可以看出既有1号线隧道右线整体呈现出沉降变形的特点，其变形规律完全与既有1号线隧道左线完全相反，其主要原因是，当四线下穿时，新建盾构隧道7&9号线先下穿既有线左线，再接着下穿既有线右线，当盾构刀盘到达既有线前方时，综合信息对土体有个推挤作用，造成既有隧道的隆起变形，当盾构隧道到达既有隧道右线以及完全通过既有隧道时，在既有隧道下方有个卸载的作用，造成既有隧道右线的下沉。（3）结语。通过ANSYS对四线下穿既有隧道进行建模分析，可以得出新建盾构隧道7&9号线的施工，对既有1号线隧道的影响很大，且存在多次叠加影响的作用，结合监测数据和实际施工情况，得出以下结论：①ANSYS数值模拟三维建模发现，当新建7号线隧道左线盾构掘进至既有隧道处时，最大隆起变形发生在新旧隧道交叉处，随着盾构的继续推进，7号线右线推进，9号线左右线分别掘进，既有隧道在各个工况的最大变形位置均发生在新旧隧道交叉处，当7&9号线四线完全通过既有隧道时，既有隧道左线整体呈现出隆起变形的特征，最大隆起位置为既有隧道中心位置，隆起值为1.8mm。②数值模拟的计算得到既有隧道的变形受到新建隧道多次穿越的影响，当四线隧道依次下穿时，既有隧道的变形逐渐增大，呈现叠加影响的趋势。③结合既有1号线隧道的自动化监测数据，看出既有隧道左线整体呈现出隆起变形的趋势，既有隧道右线呈现出沉降变形的趋势，其主要原因还是因为盾构在掘进过程中先经过既有隧道的左线，后通过既有隧道右线，掘进到达前盾构对刀盘前面土体存在一个推挤作用，当盾构通过后既有隧道下方土体相当于一卸荷作用，使之发生沉降变形。监测数据表明，最大隆起变形值为1.1mm，最大沉降值为7.8mm，均小于既有地铁安全运营标准（10mm），符合安全。参考文献：[1]王炳军,党彦,等.盾构法隧道开挖对摩擦桩的影响[J].水利与建筑工程学报,2006,4(3):11-13.[2]郑宜枫,丁志诚戴仕敏超大直径盾构推进引起周围土体变形和土水压力变化分析[J].地下空间与工程学报2006,(2):1349-1353,1378.[3]郭栋.北京地铁盾构隧道近接施工技术研究[D].北京交通大学,2008.（上接第16页）库房安装监控，管理人员必须定时对爆破工具进行盘点核对数量，施工人员领用爆破工具必须出示领用申请单，同时管理人[4]员登记领用人信息，领用爆破工具的型号和数量。爆破工具出库后管理人员及时更新库存数量。四、结语

港口和航道工程由于水上作业的特殊性，工程量大，在建设过程中，往往存在着许多的问题，这些问题不但影响了工程建设质量，还威胁到施工人员的人身安全。负责人需要重视这些问题，严格把控港口与航道工程施工及其安全管理工作，不忽视每一个细节，落实好对每一个施工人员的安全教育工作，要让建设团队的每一个人都认识到安全工作的重要性。参考文献：[1]吴天娃.港口与航道的炸礁工程施工技术要点初探[J].江西建材,2018(1):158.[2]吴婷.广州市港口航道与海岸工程专业人才发展机制研究一基于广州国际航运中心建设的背景[J].北京城市学院学报,2018(1):83-87.[3]余凯,黄苑婷.疏浚施工过程中保障港口与航道通航的措施探讨[J].中国水运,2017,38(5):55-56.[4]尹云峰.疏浚施工中港口与航道通航安全保障措施研究[D].中国水运,2017(1):28-29.4.加强对施工现场的安全管理工作。

不同于地面建设，航道和港口建设不能封闭建设水域，由于建设工程中会涉及到爆破工作，而航道内来往船只较多，一旦操作失误很容易造成安全事故。为降低风险，海事安全监督局要充分发挥职能，在爆破前海事安全监督局要和施工团队达成良好的沟通，海事安全监督局要提前发布通知，告知船运企业爆破的位置和爆破程度，让过往船只了解到具体情况从而降低爆破带来的风险。在施工过程中,施工团队需要设立警示标志，海事安全监督局进行现场督查工作，疏导施工水域水上交通，确保过往船只安全通行。施工人员进行爆破作业要科学计算炸药雷管的数量，一切工作围绕安全开展。（上接第30页）提升而言，具有非常重要的意义[5]。进而有效提高机电设备管理质量和效率。3.物联网技术在高速公路通讯系统设备管理中的运用。高速线路上广泛安装着机电装置，各个部分都有着相应的功效，而从本质来看，都无法脱离通讯独自使用，可以将通讯系统看作是机电设备的大脑，整体来看，通讯系统通常涵盖着光纤线路，影音文件等能够有效传送信息的系统。任何单独的功能部分都无法脱离通讯，所以可以把各个机电装置当成组成大型机器的分离器件，而通讯系统就像是其中联结线路，存在于各个位置，使信息进行有效流通。尤其是物联网的深入推进，通讯系统作用更为显著。而一旦通讯系统出现问题，不仅会影响到机电装置无法正常运行，更有可能造成高速整体线路的故障。四、结语

在高速线路上的各部分机电设备作为架构物联网的基础元件，也是物联网实际应用的前提，一旦出现问题或者被损坏就可能影响到整体公路的崩溃，因此在日常管理装置时，整体系统要实时掌握各部分实际工况，综合性的管理。在物联网技术中最为重要的一环便是网络，如果期望联网就必须要产生通讯，一旦通讯无法架构形成，数据传输也就成为空中楼阁，由此可见，高速公路中的管理不仅仅需要针对使用的机电装置，同时也要聚焦在通讯之上。这也是系统持续稳定运行的核心所在。参考文献：[1]王鹏.高速公路机电系统维护管理中的物联网技术应用若干思考[J].绿色环保建材,2018(02):100.[2]林江伟.探究分析物联网技术与高速公路机电设备管理的关系[J].中国新通信,2017,18(21):72.[3]杜益文.高速公路机电系统维护管理中的物联网技术应用思考[J].华东公路,2018(02):86-87.[4]赵文洁.基于RFID的物联网技术在机电资产管理中的应用[J].中国交通信息化,2018(12):130-131.[5]杜益文.高速公路机电系统维护管理中的物联网技术应用思考[J].华东公路,2018(02):86-87.4.加强机电系统巡检报告管理。

在机电设备管理中，机电系统巡检报告管理也是一项尤为重要的工作，根据巡检报告可以提出有效的措施，进而使机电设备得到更好的管理。对此，可以在机电设备中应用物联网技术，利用射频芯片为每台设备编制唯一的身份编码，并在系统中与相应的巡检报告建立关联，实现对机电设备巡检的科学、系统管理。比如在机电设备巡检过程中，对于机电设备的巡检情况、结果、故障等信息，可以第一时间传输到设备相对应的巡检报告中，便于管理人员、检修人员更加具有针对性地开展工作，2019/22 CHENGSHIZHOUKAN城市周刊75