建筑技术丨泥水平衡盾构近距离下穿铁路隧道施工技术

1  工程概况

北京直通线全长9.156 km，为双线Ⅰ级电气化铁路，设计时速100 km/h，运营时速80 km/h。北京直通线前三门隧道全长7.285 km，设计为单洞双线，采用明挖（盖挖）、浅埋暗挖法、盾构法施工。北京直通线横剖面如图1所示。

盾构隧道长5 175 m，盾构管片内径10.5 m，管片外径11.6 m，管片厚55 cm，强度等级C50钢筋混凝土结构。施工时采用一台直径为12 m的泥水平衡盾构自天宁寺桥附近的4号井始发，向东掘进，隧道最大埋深40 m左右（轨面至地面）。盾构穿越地层主要为卵石、圆砾层、砂层及部分粘土层。

为满足隧道消防、疏散要求，隧道轨下设置为3个贯通洞室，中间为疏散通道，左侧为管线及设备洞室，右侧为风道。轨下采用强度等级为C40的钢筋混凝土结构，轨下结构通过植筋形式与盾构管片连接。

隧道内主要设备有刚性接触网、消防水管、通信、信号、电力管线，设备均与隧道结构刚性连接。

1.1  北京地铁8号线概况

北京地铁8号线王府井站至前门站盾构区间为标准双线双洞区间，管片外径6.0 m，管片厚30 cm，环宽1.2 m，长约1650 m。区间隧道顶覆土厚约25~36 m，泵房埋深约45 m。

盾构区间自前门站始发，过车站暗挖段，出前门站后右转进入前门大街，东行至首都大酒店，左转进入台基厂大街，北行至王府井站后盾构接收井接收。区间最大曲线半径450 m，最小曲线半径300 m。线间距11~19 m。设计最大纵坡27‰。

1.2  下穿段概况

新建8号线三期王府井站至前门站区间与北京直通线为斜交，王府井–前门区间为曲线隧道，左右线曲线半径均为450 m，左线与北京直通线区间结构交角约24°，右线与北京直通线区间结构交角约27°。8号线王府井站–前门站区间隧道拱顶埋深为27.9 m，既有北京直通线区间隧道拱顶埋深13.2 m，两者竖向净间距为3.6~4.2 m。下穿段平面关系如图2所示。

图2  下穿段平面关系示意

8号线王府井站–前门站区间下穿北京直通线盾构区间隧道断面内地层主要为⑦₁细砂–中砂层以及⑦卵石–圆砾地层中。区间地下水为潜水~承压水，水位标高为19.050 m，距离地面25.3 m，距离隧道拱顶约3 m。

2  机械设备情况

2.1  盾构机配置

结合本工程特点，为更好地管控风险，区间右线采用一台铁建重工6250泥水平衡盾构机，区间左线一台海瑞克6250泥水平衡盾构机。盾构机刀盘开挖直径6 280 mm。盾构机刀盘采用复合面板式刀盘，开口率为33%~35%。盾构机刀盘选用重型刀具，增加合金尺寸，加密合金数量，减小盾构机在砂卵石地层掘进时刀具合金及母体的磨损，在砂卵石地层掘进具有较好的适应性。盾构机主要参数见表1。

表1  盾构机主要参数

2.2  附属设备配置

泥水分离设备采用某机械有限公司生产的ZX–1000泥水处理系统。盾构机排出的泥浆由P2.1泵经分配管路送入ZX–1000泥浆处理系统。其中ZX–1000由预筛、一级处理系统、二级处理系统组成。

主要技术参数：（1）最大泥浆处理量1 000 m³/h；（2）预筛分离d≥3 mm，一次处理分离d≥74 μm，二次处理分离d≥20 μm；（3）渣料筛分能力为500 t/h，可根据进尺的不同而调整；（4）筛分出的渣料含水率小于30%（砂层）。因项目施工场地狭小，本区间施工安装一台施工离心设备。单日处理废浆量约800 m³。泥水分离设备下部设置约520 m³废浆弃浆池临时存放。

3  试验段设置

下穿段新建8号线设计主要措施如下：

（1）掘进速度控制：8~10环/d。

（2）加强同步注浆：注浆量不小于管片外缘与开挖面之间空隙体积的220 %。

（3）加强二次注浆：注浆量不小于同步注浆量的25 %，每隔5环注1次，将压力控制在0.2~0.5 MPa。

（4）二次深孔加强注浆：拱部180°，深3 m，仰拱180 °，在深1 m范围进行二次深孔加强注浆。

（5）采用克泥效作为掘进时的辅助措施。

为了更加安全平稳地下穿风险源，通过设置试验段验证设计采取的措施及盾构机掘进各项参数，左线在站后110~160环设置试验段，右线在站后90~140环设置试验段。通过试验段的验证，得出初步控制参数见表2。

表2  下穿段设置参数

4  下穿段施工

4.1  施工工效分析

在王府井站–前门站区间盾构下穿北京直通线期间，合理安排人员、材料、机械设备的紧密配合，区间盾构施工中左线平均13环/d，右线以平均9环/d的施工进度完成了下穿特级风险的盾构掘进施工任务，且下穿段既有隧道沉降得到了有效控制。左线、右线下穿北京直通线段日进度柱形如图3、图4所示。

图3  左线下穿北京直通线段日进度柱形

图4  右线下穿北京直通线段日进度柱形

区间盾构下穿段掘进时间内，待机时间占比为5.97%，掘进时间占比为17.9%，拼装时间占比为29.12%，其余有效掘进时间占比为47.02%。通过分析下穿段内盾构施工掘进、拼装、材料运输各个环节紧密衔接，达到了连续快速下穿的施工目标。

4.2  出土量控制

区间泥水盾构施工中，在泥水厂设置泥水盾构渣土自动化称重系统，在北京地铁8号线王府井–前门区间盾构下穿北京直通线期间，每环掘进出渣开始记重，掘进结束后结束记重，累计记重次数，统计当环内出渣量。防止因自动化称重设备原因出现误差，每掘进4~5环进行人工取样称重检查。整个下穿期间出渣量与理论出渣量无较大偏差。盾构在下穿北京直通线内出渣量无超排现象。根据出渣量的统计结果，区间左右线在下穿北京直通线平均出渣量约40 m³。

4.3  盾构掘进参数

4.3.1  刀盘切口压力

根据试验段的施工总结情况，区间盾构在下穿段计划掘进的切口压力为2.3~2.4 bar，因区间受环境限制，设置试验段长度为50 m，且在北京直通线下穿段的影响范围内，试验段结束段与下穿段水文地质情况基本相符，盾构在下穿段掘进时设置的切口压力与试验段相符，盾构在下穿段掘进期间，观察泥浆池的液位无上涨情况，地下水未侵入开挖仓内，泥浆损失量与下穿段地层内理论损失量基本相同，下穿段设置的切口压力与掌子面的水土压力相适应，区间下穿段切口压力设置合理。

4.3.2  刀盘扭矩

区间左线盾构下穿段主要地质为卵石圆砾7层，与试验段在145~165环内地质情况相同，掘进中扭矩能够控制在1500~2000 kN·m，与试验段的参数相符，区间右线盾构在下穿段地质主要为卵石圆砾7层，局部含有粘土，掘进时受粘土地层的影响，与左线相比，扭矩偏大，与试验段145环内扭矩接近，右线下穿段掘进时刀盘扭矩在2 000~3 000 kN·m，右线在下穿段根据试验段的施工经验，通过调整泥浆的指标，保证盾构下穿的连续掘进。

4.3.3  推力

区间盾构在下穿段的推力与下穿前正常段掘进时推力无较大变化，左线盾构在掘进时地层单一，推力相对稳定，掘进时推力为15 000~20 000 kN，右线下穿段受粘土地层影响，推力受影响，相比区间左线的推力大，推力为16 000~22 000 kN。

4.3.4  掘进速度

区间盾构左右线在下穿段，掘进速度最快可达40~50 mm，考虑泥浆泵运输渣浆的能力，将平均速度控制在30 mm/min内，每环掘进的时间控制在40~50 min。同时与根据试验段的参数总结，控制刀盘刀盘转速在1.3转/min。

4.3.5  注浆措施

区间盾构在下穿北京直通线段及影响段，实际的同步注浆量为6.5 m3/环，同步注浆压力达到理论注浆压力的200 %，注浆压力为0.3~0.4 MPa。保证在盾尾脱出管片后管片与土体之间的空隙填充密实，减小盾构施工中第四阶段的沉降，有效控制既有线隧道在盾构机盾体脱出管片之后的沉降，保证既有线铁路的运营安全。

在管片脱出盾尾5环后，及时进行二次注浆，采用水泥水玻璃双液浆，通过在管片上开孔，安装注浆三通进行二次注浆。二次注浆采用双液变量型注浆泵。二次注浆每隔5环开孔注浆，设计的二次注浆量为同步注浆量的25 %，现场注浆过程中根据注浆压力及注浆量进行双控。为防止二次注浆压力过大、注浆量超限造成的既有线隧道隆起，下穿段施工前在注浆三通位置增加注浆压力表，以便于控制注浆压力。目前已完成下穿及影响段二次注浆，注浆压力控制在0.5 MPa内，注浆量平均每环1.5 m³左右。

区间盾构下穿段掘进施工过程中，在管片脱离盾尾5环以后进行径向补偿注浆，径向补偿注浆深度最大为3 m，扩散半径不小于0.5 m。盾构机内作业空间限制，区间径向补偿注浆施工时间采用打设注浆管的方法进行补偿注浆加固。注浆分节加工，每节使用螺纹对接连接。在第一节打设完成后进行第二节注浆管打设，完成后进行注浆加固。

4.3.6  克泥效辅助措施

下穿段施工前，分别选用克泥效浆液为350 kg/m³、400 kg/m³、450 kg/m³，进行现场搅拌，试验得出不同比例的克泥效浆液搅拌后的粘性强度。本区间地层含水较大，且采用泥水盾构施工，综合选取溶液浓度为450 kg/m³的克泥效施工。克泥效配合比为克泥效粉∶水=450∶827，粘性强度400d Pa·s，水璃玻璃40 be'，克泥效粉与水混合后的A液与水玻璃B液在盾尾混合的比例按20∶1注入。考虑开挖仓内压力，区间在克泥效施工时注入压力控制在0.3bar以内，防止注入压力过高将克泥效注入开挖仓内，造成材料浪费。统计现场实际注入量，在下穿影响段及下穿段克泥效的注入量为0.7~1 m³。

4.4  监测分析

区间在下穿段根据前期盾构施工总结经验以及试验施工总结，对下穿铁路北京直通线段进行盾构掘进的参数、泥浆指标、同步注浆以及二次注浆的注浆量和注浆压力进行合理设置，同时在正式下穿段以及下穿影响段的盾构掘进中，在盾体外侧进行克泥效注入施工，使既有线路北京直通线隧道结构以及轨道沉降变形得到有效控制。在北京直通线布置的自动化监测点无沉降预警点，无轨道结构位移预警点。隧道结构竖向位移最大值为–0.8 mm，隧道结构水平位移最大值为1.2 mm，轨道竖向位移最大值为–0.86 mm，轨道结构水平位移最大值为1.2 mm。

5  结束语

通过精心组织施工，整个施工过程中严格按方案及相关要求实施，人员配备、设备状态、材料供应、施工工序等环节都达到了最优状态。同时强化监测工作，全过程实行信息化指导施工，形成了有效联动机制。8号线区间盾构顺利完成安全平稳下穿工作，可为以后类似工程提供成功经验。