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0 引言

盾构施工工法是地下非开挖施工的主要技术之一，也是城市繁华地区地铁隧道建设的首选施工方案，被广泛应用于我国城市地铁隧道建设中。采用盾构施工，可以大幅减少对地面交通的干扰。然而，随着城镇化的推进，后续待建地铁隧道不可避免地要与既有运营线路交叉，正交及斜交下穿等近接施工的情况非常普遍，盾构施工对运营线路的扰动问题成为了施工过程中的最重大的风险源。施工过程中操作稍有不当，即可能造成既有线路隧道甚至轨道变形超限，造成安全事故，引发不良社会影响。因此，新建盾构隧道施工时对既有运营线路的扰动控制就显得尤为重要^[1]。

国内外学者对盾构下穿既有运营线路施工过程中的土体扰动问题进行了大量研究。胡群芳等^[2]分析对比了盾构近距离下穿越施工的过程和特点，讨论地铁隧道周围地层土体的沉降变形和规律；丁传松等^[3]根据实测数据分析新建隧道下穿运营隧道时运营隧道的变形规律，得出隧道变形与盾构类型、地质条件、注浆施工控制及线路姿态调整等紧密相关的结论；马忠政^[4]通过优化盾构技术参数、注浆参数、实时监测等手段，探讨复杂环境下穿越既有隧道施工中产生的地表沉降、已建隧道的沉降或隆起等问题。

深圳地铁13号线深大站~科兴站区间盾构下穿既有地铁1号线，距离较近（两区间隧道最小净距为1.9m），穿越段掘进地层为土状强风化黑云母花岗岩，小净距60%斜交下穿既有运营隧道施工风险大，且既有地铁1号线的变形监测困难，总体风险突出。该区间的顺利穿越对深圳地铁建设后续出现类似的下盾构穿既有线施工安全风险控制有较好的指导借鉴意义。

1 工程概况

1.1 工程简介

深大站～科兴站区间位于深圳市南山区，区间线路出深大站后，沿科苑路向北敷设，下穿深南科苑立交及既有1号线高新园站～深大站区间，然后在深南大道以北与地下空间明挖共建，最终进入科兴站。区间正线采用盾构法+明挖法施工，区间左线盾构段与明挖段总长为725.807m，区间右线盾构段与明挖段总长为725.800m，线间距为13.0～17.2m，隧道埋深12.7m～19.1m。

区间盾构段左线起止里程为ZDK5+201.900~ZDK5+608.756，长406.856m，右线起止里程为：YDK5+201.900~YDK5+608.821，长406.921m。地下线拟采用两条平行的单洞单线结构形式，纵向呈V形坡，左线前坡2‰、后坡26.671‰，右线前坡2‰、后坡28.434‰。

区间盾构段采用2台复合式土压平衡盾构机，由深大站大里程端头始发，由深大站~科兴站区间明挖段小里程端吊出。盾构管片衬砌厚度350mm，内径5500mm，采用C50，P12钢筋砼。盾构区间与既有1号线平面位置示意如图1所示。

图1 盾构区间和既有地铁相对位置关系图

1.2 工程地质和水文地质

深大站～科兴站区间盾构段地势南低北高，区间地层自上而下分别为：素填土、可塑粉质粘土、砂砾、硬塑粉质粘土、全风化黑云母花岗岩、强风化黑云母黄岗岩。盾构穿越区存在上软下硬地层，1号线地层主要为硬塑粉质粘土和全风化黑云母花岗岩，区间盾构段地质剖面图如图2所示。

图2 区间盾构段地质剖面图

2 下穿前准备工作

2.1 下穿既有隧道安全风险分析

新建地铁13号线深科区间斜交下穿既有地铁1号线区间，竖向最小净距为1.9m。盾构掘进过程中，隧道周围地层不断发生变化，需要及时进行盾构掘进参数的优化调整。若下穿既有线隧道过程中未按设计要求严格控制沉降值及变形量，可能造成1号线盾构隧道位移扰动甚至开裂的风险，风险若得不到有效管控，将严重影响列车运营安全。

根据《盾构法隧道施工与验收规范》（GB 50446-2017），隧道净间距小于0.7倍盾构直径的地段统称为小净距地段，本区间盾构与地铁1号线最小净间距为1.9m<0.7×6.2=4.3m。盾构隧道小净距施工主要考虑以下几种影响：（1）盾构推进对既有隧道的挤压效应；（2）构的盾尾穿越时对既有隧道的松动效应；（3）后续盾构过大（过小）同步注浆对既有隧道的挤压（松动）效应等^[5]。

2.2 自动化监测

（1）监测项目

针对于既有隧道，监测项目包含：结构竖向位移；结构水平位移；轨道结构（道床）竖向位移；轨道几何形位（轨距、轨向、高低、水平等）；管片裂缝；管片接缝张开量。其中，管片裂缝及管片接缝张开量采用人工巡视观测，其余采用自动化监测系统实时监控。根据及相关规范及设计要求，既有1号线的监测控制标准如表1所示。

表1 既有1号线监控标准

（2）监测设备

为确保盾构下穿既有线施工过程中工程师能够实时掌控既有线的扰动信息，盾构下穿施工之前在既有1号线隧道内安装自动化监测系统。该系统的软、硬件安装主要包括：测量机器人、棱镜、通讯箱及供电电缆、信号转换器、计算机及专用软件等。

（3）监测点布设

根据设计要求，在盾构下穿过程中，主要影响区前后50m范围内，按照每5m设置一个监测断面，每个监测断面共布置7个监测点，分别是隧道底部2个、轨面2个，侧壁2个、拱顶1个，监测频率暂定1次/2h。

2.3 下穿施工数值模拟

针对区间隧道盾构下穿方案，采用Midas-Gts建立三维有限元模型进行计算分析。

长度方向：垂直方向为Z轴，沿13号线方向为Y轴，垂直于13号线方向为X轴。X方向取160m，Y方向取120m，Z方向取80m。

模型计算采用四面体单元，共划分节点67313个，单元143925个。

模型中具体几何关系和空间位置等来自相关图纸信息。

计算假定：

（1）认为各土层均质呈水平层状分布且同一土层为各向同性；

（2）既有隧道结构的受力、变形均在弹性范围内。

边界条件：

本模型的边界条件如下：模型顶面为自由面，无约束；模型底面和四个侧面均采用自动边界约束。

分析步骤设定：

计算采用动态模拟施工过程的计算方法，共分为以下三个步骤：

（1）初始地应力平衡；

（2）清零位移；

（3）根据施工流程进行施工模拟；

数值模拟得到的既有1号线竖向位移云图如图3所示。

图3 既有1号线区间竖向位移云图

根据数值模拟结果，1号线的最大竖向沉降为4.8mm，接近报警值（5mm）。可知，下穿施工方过程中需重点关注既有隧道竖向位移的控制。

3 下穿施工安全风险控制措施

3.1 试验段掘进

试验段掘进参数是下穿既有线施工过程中的重要依据。选取与下穿段地层相同的相同工程地质及水文地质掘进段作为试验段，试验段盾构掘进完全按照下穿既有地铁1号线掘进方式进行参数控制，掌握盾构掘进参数与地层沉降规律。同时，以控制地层沉降为目地进行试验掘进，对盾构机推进速度、推力、扭矩、刀盘转速、出土量、注浆量、渣土改良等参数进行调整，总结出对地表变形影响最小的施工参数。

3.2 下穿段施工

（1）设备维保

在穿越既有地铁施工前，停机对盾构机及后配套设备进行一次全面的检查、维修及保养。停机维保重点是对盾构机的螺旋机系统、渣土改良系统、同步注浆系统、中盾支撑泥注浆系统、二次注浆设备、控制电路及液压系统、电瓶车刹车及电路进行检查，以确保设备能以最佳状态匀速不间断地穿越既有线。

（2）土压控制

在穿越过程中，严格按照预先设定的土压参数控制，并根据现场巡视情况和监测数据，及时对土压进行调整，防止超挖、欠挖，尽量减少平衡压力的波动，推进过程中土仓压力波动控制在0.02Bar范围。掘进施工过程，确保穿越地铁1号线时保持匀速、连续不停机通过，遇无法避免停机情况，及时往土仓充填浓泥浆，确保土仓全土压，减小土仓压力波动。

（3）掘进速度控制

盾构机推进过程中保持掘进速度稳定，并保持推进速度、土压、出土速度和注浆速度相匹配，做到均衡施工，减少对周围土体扰动。

（4）出土量控制

出土量控制的质量决定地层扰动控制量的大小。穿越施工过程中，严格控制每环的出土量，出土量采用体积和质量双控的方式进行控制。其中，体积控制通过人工测量（渣土体积扩散系数根据试验段确定，经分析，本工程为1.3）、质量通过龙门吊称重。出土量波动控制在0~0.5m³范围。同时，根据土压的变化情况、地层情况和监测数据情况，及时对出土量进行调整，避免超挖或欠挖。

（5）同步注浆控制

施工过程，加强对同步注浆的控制，确保推进速度与注浆速度相匹配，为同步注浆预留充足的时间，注浆压力的设定根据实际覆土厚度计算，注浆压力控制在1.4~1.5Bar。每环同步注浆量按理论计算值的1.5~1.8倍进行控制，即π×（6.48²-6.2²）/4×（1.5~1.8）×1.5=6~7.5m³/环。同时，施工过程中，根据实际注浆情况及沉降监测反馈，不断调整优化注浆量及注浆压力，同步注浆效果控制原则采用注浆量和注浆压力双控。注浆材料配比如表2所示。

表2 同步注浆材料初步配比表（kg/m³）

（6）盾构姿态控制

1、为确保盾构均衡匀速施工，盾构姿态变化不可过大、过频，盾构水平姿态：刀盘±20mm，盾尾±20mm；高程姿态：刀盘-10～-20mm，盾尾-30～-40mm。确保线路不偏，即便超过控制目标，也便于回纠。

2、每隔5环检查管片的超前量，隧道轴线和盾构轴线折角变化不能超过0.4%。避免盾构与管片间夹角过大造成土体损失，推进时不急纠、不猛纠。

3、分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向，根据需要调节各组油缸的推进力，控制掘进方向。

4、当滚动角超限时，及时采用盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。

5、做好盾尾间隙管理，每10环人工复核盾尾间隙测量系统的准确性。

（7）管片拼装

1、做好管片拼装点位选择，加强拼装质量管控，现场对盾尾间隙实测实量，控制盾尾间隙量均匀，注意管片拼装的椭圆度，防止尾刷与管片碰撞导致盾尾密封失效、损坏。

2、三次复紧螺栓。为防止因管片的变形引起地层的过度扰动，对管片螺栓拧紧要求三次复紧，即拼装管片时一次拧紧，推进下一环时二次复紧，推出盾尾后三次复紧。

（8）信息化施工

在穿越施工期间，各参建方安排专人24小时在下穿段巡查，每2小时发一次掘进参数及监测数据快报，发现沉降量剧增，立即采取应急措施。

4 结束语

本工程施工过程中，通过一系列准备工作及应对措施，在不影响1号线运营的情况下，成功地将地铁1号线的最大沉降值控制在4mm以内。该区间的顺利穿越对类似工程建设也具有很好的指导和借鉴意义。

参考文献：

[1] 杨春山,莫海鸿,陈俊生等.近距离下穿盾构隧道对上覆运营地铁隧道的影响研究[J].现代隧道技术, 2015, 52(05):145-151.

[2] 胡群芳,黄宏伟.盾构下穿越已运营隧道施工监测与技术分析[J].岩土工程学报,2006(01):42-47.

[3] 丁传松,杨兴富.盾构近距离下穿对已运营隧道的变形分析[J].施工技术,2012,41(01):84-86+91.

[4] 马忠政.复杂环境下软土地区地铁隧道近距离穿越施工技术[J].施工技术,2013,42(08):60-64．

[5] 潘晓马.邻近隧道施工对既有隧道的影响[D].成 都:西南交通大学,2002.