盾构隧道穿越上软下硬地层施工力学特性分析
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盾构隧道穿越上软下硬地层施工力学特性分析
盾构隧道穿越上软下硬地层施工力学特性分析 盾构隧道穿越上软下硬地层施工力学特性分析 何祥凡，申兴柱，王 帆，姚佳兵 (西南交通大学交通隧道工程教育部重点实验室，成都 610031) 摘 要：上软下硬复合地层在盾构施工中常常造成盾构掘进姿态不佳及地表塌陷，严重时还可能导致管片局部出现破损。结合深圳地铁7号线穿越上软下硬地层的工程实例，采用数值模拟方法研究盾构隧道穿越上软下硬地层段(“由软入硬”与“由硬入软”)的施工力学特性，对地表及管片拱顶沉降、管片应力的变化规律进行分析，研究结果表明：盾构在穿越上软下硬交界地层过程中，地表沉降出现显著增大(增量最大可达1 cm)，拱顶不均匀沉降的现象较为严重；对较软侧地层进行适当加固，可以有效减小上软下硬地层交界处的地表及管片拱顶沉降，同时能够降低“由软入硬”段管片的应力水平。 关键词：盾构隧道；上软下硬地层；施工力学特性；地层加固 软硬互层地层盾构隧道施工过程中常因地层的不均一性导致盾构姿态控制上的困难，造成盾构隧道纵向线形不佳，进而导致刀盘卡死及管片裂损等问题；此外，软硬互层地层对于盾构刀盘及刀具的配置也提出了新的挑战，在一定程度上易导致刀盘刀具的高磨耗问题，同时掘进过程中对于上覆土体及地表变形的控制难度也大大增加，易造成地表塌陷。上述问题已在深圳、广州、福州等地铁工程及大量水下盾构隧道的建设过程中凸显。因此，针对复合地层条件下盾构施工的研究也较多，如：上软下硬地层中盾构施工技术的研究[1-5]，盾构施工对土体影响的研究[6]，衬砌结构的受力及变形的数值模拟分析[7]。李俊伟等[8]结合广州地区的复合地层条件，对复合地层条件下盾构施工时盾构机的选型进行了风险分析，指出了盾构机的选型是复合地层条件下盾构隧道施工中的一项重要的风险因素，并且对在复合地层条件下盾构施工时的盾构机选型提出了建议。张厚美[9]结合广州地铁3号线工程实例，通过正交试验方法对刀盘转速、盾构推力、土仓压力等掘进参数对刀盘扭矩以及掘进速度的影响进行了分析，并分别以在软土地层中盾构施工时土压平衡式盾构机的掘进速度以及刀盘扭矩为参数建立了数学模型。赵先鹏[10]以深圳地铁5号线隧道穿越上软下硬地层施工为工程背景，采用现场技术调研、FLAC3D数值模拟和现场试验相结合的方法，对施工引起的地表沉降、盾构施工关键技术和管片的力学特性进行了研究。刘晓毅[11]分析了盾构机在复合地层中掘进时刀盘的磨损机理，并提出刀盘改良方法。江招胜、竺维彬[12，13]等结合广州地铁4号线工程实例，对复合地层条件下盾构机的适应性改良进行了研究。 以上对盾构隧道穿越软硬互层的研究多集中在盾构机的选型、掘进参数的选取、施工过程对周围地层的扰动、盾构机的适应性改良等几个方面；而对于以广州深圳为代表的上软下硬地层条件下，盾构施工对“由软入硬”段及“由硬入软”段地表沉降、管片内力及变形规律的影响有待深入研究。本文主要以深圳地铁7号线盾构隧道穿越上软下硬地层段为工程依托，采用有限元软件Ansys进行三维数值模拟，研究隧道穿越上软下硬地层时，盾构施工对软硬交界处“由软入硬”及“由硬入软”段地表沉降、管片内力及变形的影响规律，具有较为重要的理论意义和实用价值。 1 工程概况 深圳市地铁7号线西丽湖站—西丽站区间(以下简称“西西区间”)隧道采用盾构法施工，隧道结构采用两个单线圆形衬砌形式，盾构管片环内径5 400 mm，外径6 000 mm，管片厚度300 mm，幅宽1 500 mm。 西西区间盾构隧道全线多处存在穿越软硬不均地层情况，隧道于DK0+763.427～DK0+863.427段由较软地层(主要为全风化花岗岩)进入较硬地层(主要为微风化花岗岩)，再穿越中风化花岗岩层进入较软地层(主要为全风化花岗岩、强风化花岗岩)。此区段左线隧道上覆素填土、砾质黏性土及部分全风化花岗岩，下伏微风化花岗岩、中风化花岗岩及全风化花岗岩，其地质纵剖面见图1。 图1 此区段左线地质剖面 此区段普遍分布的全、强风化层，水理性质差，饱和状态下受扰动后，易软化变形，强度、承载力骤减，造成围岩失稳。基岩受区域构造影响，节理裂隙发育，部分揭露的中、微风化花岗岩均较破碎，地下水位高于隧道顶部，地质条件较差。在此区段盾构掘进穿越上软下硬地层时，由于坚硬岩层仅在开挖面下半部分出露，下部硬岩自稳性较好而上部软岩自稳性较差，软硬不均现象明显，局部存在不均匀风化夹层，给盾构施工造成了很大的困难，如：盾构姿态难以控制，出现“抬头”现象，产生不均匀沉降；刀具磨损严重、刀盘受力不均致使主轴承受损或主轴承密封被破坏；工况转换频繁造成较大地表变形等问题。 2 计算模型及参数 2.1 计算模型及材料参数 根据西西区间盾构隧道穿越上软下硬地层段(DK0+763.427～DK0+863.427段)的地质概况建立数值模型，土体、管片衬砌、注浆填充层在模型中均采用Solid45实体单元予以模拟，隧道管片及注浆填充层按弹性材料看待，土体材料采用各向同性弹塑性本构模型，屈服准则为直线Mohr-Coulomb准则，计算时按自重应力场考虑。 考虑隧道开挖的影响范围并将其包含在计算模型范围内，模型尺寸为：隧道横向断面宽60 m(X向)，地层竖向深度为30 m(Y向)，隧道纵向掘进距离为99 m(Z向)。隧道埋深为9 m，隧道底部以下取15 m，左右边界距隧道为18 m。盾构外径取6.4 m，注浆填充层厚度取0.2 m，衬砌外径取6 m，每环衬砌厚0.3 m、幅宽1.5 m。边界条件：模型四周法向约束，底部为XYZ全约束，地表为自由面，有限元模型如图2所示。 图2 模型-地层位置示意 管片衬砌采用C50混凝土，考虑到衬砌接头对衬砌结构刚度的影响，将管片结构的横向抗弯刚度折减0.25[14]，纵向等效刚度折减0.01[15]，有限元模型中管片弹性模量取为2.932 5×104 MPa。根据深圳地铁7号线西西区间岩土工程勘查报告及《混凝土结构设计规范》，各地层及结构物理力学参数见表1。 表1 地层及结构参数名称天然重度/(kN·m-3)内摩擦角/(°)黏聚力/kPa泊松比弹性模量/MPa①1素填土19.422.619.20.421.5⑦1砾质黏性土18.1.7⑧1全风化花岗岩19.6.1⑧2强风化花岗岩19.5⑧3中风化花岗岩0⑧4微风化花岗岩33000管片26——0.229325注浆层21——0.2400 2.2 开挖过程的三维模拟 在数值模拟中采用以下做法来对盾构隧道的动态掘进过程进行模拟：(1)施加注浆压力来模拟盾尾注浆的过程；(2)更换注浆层材料参数来模拟盾尾注浆对盾尾空隙的填充效果，更换衬砌单元材料参数来模拟管片拼装；(3)将开挖开始之前提取的掌子面节点力乘以1.1反加至掌子面上来模拟开挖面土体的移动；(4)以应力释放的方式来模拟管片环脱环瞬间外围临空面围岩变形效应，即将土体开挖后，此位置围岩释放25%[16]荷载，在注浆层及管片环施作完成后，围岩释放剩余75%荷载，同时掌子面前移。实际掘进时采用密闭式的土压平衡盾构，根据相关的研究成果[17]，洞周应力大致释放20%，在此次计算分析中取为25%[16]。 利用有限元模拟隧道开挖时，首先进行自重沉降以形成自重应力场，并将其作为计算的初始状态。数值模拟时将开挖过程简化为循环开挖步，将每个计算开挖步(step)取为3 m长(即2环衬砌长度)，则双线共66个开挖步。每个开挖步基本分为3个时间步(time)进行：(1)杀死之前所有开挖步中已开挖的核心土体单元，赋予相应部分衬砌及注浆填充层单元属性，并对最后一环管片施加反力；杀死此个step要开挖的土体部分并施加注浆压力，将上个time施加的洞周节点力释放0.25(即将提取的节点力乘以0.75反加到洞周节点上)，掌子面节点力完全释放；杀死下个step要开挖部分的土体，将此个step开始之前提取的洞周节点力不做释放反加到洞周节点上，掌子面节点力乘以1.1反加到当前掌子面上(即掌子面前移一个开挖步)。(2)杀死核心土体，赋予衬砌及注浆层单元属性(包括此开挖部分)；取消上个time施加的注浆压力、管片反力，并对此时的最后一环管片施加反力；将此个step要开挖的土体部分的洞周节点力完全释放；下个step要开挖部分土体的节点反力的施加不做改变。(3)杀死核心土体，赋予单元属性及施加管片反力同上个time；将下个step要开挖部分土体的洞周节点力释放0.25，掌子面节点力的施加不做改变。 2.3 上软下硬地层加固范围 数值模拟分3种不同的掘进工况进行，工况1未做地层加固，工况2、工况3为对上软下硬地层段做地层加固情况下的掘进。根据此段隧道实际穿越上软下硬地层时的掘进参数表，其千斤顶推力基本在9 500～11 000 kN，对应掌子面压力在0.289 5～0.335 MPa，取0.3 MPa时对应顶推力9 840 kN，对应管片所受压力为1.796 MPa，则数值模拟同时考虑了1.796 MPa管片反力及0.15 MPa注浆压力的施加。各工况下软硬互层段加固区材料参数见表2，加固区与隧道管片的空间位置如图3所示，管片反力荷载的施加如图4所示。 表2 各工况下加固区材料参数工况序号天然重度/(kN/m3)泊松比弹性模量/MPa工况1未做加固工况工况 图3 加固区与管片的空间示意(工况3) 图4 管片反力施加示意 3 计算结果分析 为便于分析盾构隧道掘进穿越上软下硬地层过程中地表沉降规律，于隧道穿越上软下硬地层处选取不同横向及纵向断面作为观测面。横向断面：观测面1(纵向30 m处“由软入硬”)、观测面2(纵向75 m处“由硬入软”)。纵向断面：观测面3(左线隧道中心处)、观测面4(右线隧道中心处)，各观测面的分布位置如图5所示。 图5 观测面位置示意 3.1 横向地表沉降 未做加固时，横向观测面处地表沉降随隧道右线掘进穿越上软下硬地层交界面的变化曲线如图6、图7所示。从图中可以看出：隧道掘进穿越上软下硬地层交界面(地层由软入硬及由硬入软)过程中，地表沉降随掘进显著增大，隧道掘进对其两侧15 m内地表沉降影响较大。 图6 观测面1处(由软入硬)地表沉降变化曲线 图7 观测面2处(由硬入软)地表沉降变化曲线 从地表沉降值增量表3中可见，隧道由观测面前6 m处掘进至其后6 m处过程中，地表沉降增量最大可达1 cm；其中每掘进1 m地表沉降增大约0.70～0.84 mm(由软入硬)、0.64～0.67 mm(由硬入软)，隧道开挖完成后地表沉降量虽然不大，但隧道掘进穿越上软下硬地层过程中地表沉降的显著增大应当引起注意。 表3 隧道掘进穿越上软下硬地层过程中隧道中心处地表沉降增量(未做加固) mm横向位置\观测面位置由观测面前6m处掘进至其后6m处过程中地表沉降增量观测面1(地层由软入硬)观测面2(地层由硬入软)左线中心地表(左线掘进)8.397.68右线中心地表(右线掘进)10.038.02 隧道双线开挖完成后，各工况下横向观测面处地表沉降曲线如图8、图9所示。从图中可以看出：对软硬交界面处较软地层进行加固能够有效减小由隧道开挖引起的地表沉降，工况2减小约4.89 mm(观测面1)、3.86 mm(观测面2)，工况3减小约7.91 mm(观测面1)、6.43 mm(观测面2)。 图8 观测面1(地层由软入硬处)地表沉降 图9 观测面2(地层由硬入软处)地表沉降 从各工况中隧道开挖完成后地表沉降的对比可以看出，虽然软硬互层段地表沉降均未超过30 mm，但针对上软下硬地层的加固，能够有效弱化隧道掘进穿越上软下硬地层段时地表沉降显著增大的趋势，并能够有效减小开挖完成后的地表沉降总量。 3.2 纵向地表沉降 图10 纵向观测面地表沉降变化曲线 隧道双线开挖完成后，各工况纵向观测面处地表沉降如图10所示。从图10可以看出：隧道掘进穿越地层“由软入硬”时，地表沉降随地层强度变强而逐渐减小；同样穿越地层“由硬入软”时，地表沉降随地层强度变弱而逐渐增大。 从各工况加固区前后地表沉降差值表4可以看出：由于地层加固缩小了较软地层与较硬地层之间的强度差异，因此与未做地层加固的工况1相比，工况2、工况3加固区内地表沉降显著降低，且地层加固减小了加固区前后地表沉降差值，这可以有效弱化上软下硬地层段地表的不均匀沉降现象。 表4 加固区前后地表沉降差值 mm加固区位置工况1工况2工况3位于地层由软入硬段(纵向18～39m段)10.348.426.66位于地层由硬入软段(纵向69～84m段)9.538.247.15 3.3 管片拱顶沉降 由于隧道下卧微风化花岗岩，地层强度大，盾构施工时地层变形很小，隧道开挖完成后其管片拱底的变形也很小；但隧道上覆地层均为较软地层，地层变形较大，隧道管片的拱顶沉降也较大。隧道双线开挖完成后，加固区范围内管片拱顶沉降随纵向距离的变化曲线如图11所示，地层加固对管片拱顶沉降的降低效果见表5。 图11 管片拱顶沉降变化曲线(加固区内范围)表5 地层加固对管片拱顶沉降的降低效果 加固区位置工况2工况3位于地层由软入硬段(纵向18～39m段)30.9%～39.5%54%～64.8%位于地层由硬入软段(纵向69～84m段)33.7%～41.9%55.9%～63.8% 从图11中可以看出：管片拱顶呈现出与纵向地表沉降相同的变化规律，而上软下硬交界处管片的拱顶沉降与地层强度呈反比。表5中的结果表明：当隧道掘进穿越上软下硬地层时，对上软下硬地层交界处进行地层加固能够有效降低管片的拱顶沉降。 3.4 管片应力 隧道双线开挖完成后，上软下硬地层交界段管片主应力变化曲线如图12、图13所示(取每2环管片中的最大主应力值绘制曲线，如图中横坐标60 m处的应力值为纵向上57～60 m内两环管片内的最大主应力值)。 图12 地层“由软入硬”段管片主应力变化曲线 图13 地层“由硬入软”段管片主应力变化曲线 从图12、图13可以看出：对“由软入硬”段地层进行加固能够在一定程度上减小位于此段中管片的第一、第三主应力，很明显地层加固强度较大的工况3对管片主应力的降低更有效，而对“由硬入软”段地层的加固却并未表现出有降低管片主应力的作用。虽然数值计算结果中管片第一主应力较大，但管片中的拉应力主要通过配筋来满足，因此加固对第一主应力的降低也是有实际作用的。 3.5 掘进参数控制 根据隧道穿越上软下硬地层时，盾构施工对地表沉降、管片沉降及应力影响的研究结果，在实际盾构施工中取定关键控制参数，并采取了一些应对措施。 (1)土仓压力：为应对地表沉降显著增大可能超限的问题，适当增大土仓压力，部分上软下硬地层交界段满仓掘进。以静止土压力为计算依据，结合10～30 kPa的预备压力来设置土仓压力。 (2)注浆量：以同步注浆控制为主，二次注浆跟进为辅，根据试验段经验拟采用8～9 m3/环。实际施工中根据上一环推进时注浆压力、地面沉降监测等情况适当调整。 (3)出土量：严禁超挖、欠挖，并根据试验段参数设计及理论出土量分析，严格控制出土量，确保盾构土压平衡模式推进。根据试验段参数经验，拟控制出土量为60 m3/环。 (4)推进速度：一般情况下，以20～40 mm/min为宜，敏感建(构)筑物地段推进速度以20～30 mm/min为宜。盾构推进过程应连续，并保持速度稳定，确保盾构匀速地穿越上软下硬地层，减少盾构推进对前方土体造成的扰动。推进速度变化曲线如图14所示。 图14 推进速度变化曲线 从图14可以看出，盾构机在穿越上软下硬地层的实际掘进过程中，由软入硬段的推进速度较为缓慢，基本控制在10 mm/min左右，而由硬入软段的推进速度波动较大且部分地段略有上升，控制在5～15 mm/min，以确保施工过程便于及时调整盾构姿态，防止隧道偏离设计轴线。 (5)盾构姿态控制措施：在“由软入硬”段掘进时适当加大下部千斤顶推力以防止盾构机磕头，而在“由硬入软”段掘进时适当增大上部千斤顶推力以防止盾构机抬头。盾构倾斜与隧道坡度差控制在20%以内，纠偏应当遵循“长距离、缓纠偏”的指导思想，避免纠偏造成的刀具磨损和难以推进现象。纠偏幅度不可以过频、过大，每个管片环的纠偏量在10 mm之内，变化的趋势在0.3%之内，将盾构施工对上覆土的影响减到最小。 (6)渣土改良控制措施：根据试验结果，并结合现场实际情况，以纳基膨润土作为主要材料，辅以高分子聚合物，对渣土进行改良。膨润土泥浆浓度为10%，高分子聚合物溶液浓度为5‰，使用量为9～10 m3/环。 4 结论 通过有限元数值模拟分析，得出盾构隧道穿越上软下硬地层时施工力学特性的结论如下。 (1)在盾构隧道掘进穿越上软下硬复合地层的过程中，其软硬交界面处地表沉降会随隧道的掘进显著增大。在横向断面上，隧道掘进对其两侧15 m内地表沉降影响较大；在纵向断面上，上软下硬地层交界段地表沉降随地层强度变强而逐渐减小，随地层强度变弱而逐渐增大，使地表沉降的不均进一步增大。 (2)由于隧道下卧微风化花岗岩，地层强度较大，盾构施工时地层变形很小，其管片拱底的变形也很小。隧道开挖完成后，在纵向上管片拱顶沉降及应力均表现出与地表沉降一致的规律，由于管片拱顶沉降较大，且沉降不均较为显著，因此可以考虑对地层较软侧进行地层加固，以减小管片变形，保证衬砌结构的安全性。 (3)在隧道穿越上软下硬地层段，对较软地层侧进行地层加固，能够显著降低此段的地表沉降，且在纵向上能够有效弱化地表的不均匀沉降。由于地层加固在一定程度上缩小了软硬地层之间的强度差距，管片的拱顶沉降及“由软入硬”段管片应力也相应有所减小，但地层加固对“由硬入软”段管片应力的影响不大。 参考文献： [1] 谭忠盛，洪开荣，万姜林，等.软硬不均地层复合盾构的研究及掘进技术[J].岩石力学与工程学报，):. [2] 李光耀.狮子洋隧道泥水盾构穿越上软下硬地层施工技术[J]. 铁道标准设计，-93. [3] 邓彬，顾小芳.上软下硬地层盾构施工技术研究[J].现代隧道技术，):59-64. [4] 杨书江.盾构在硬岩及软硬不均匀地层施工技术研究[D].上海: 上海交通大学，2006. [5] 李有兵.大直径泥水平衡盾构穿越上软下硬地层的施工技术研究[D].成都:西南交通大学，2011. [6] 杨洪杰.土压盾构掘进对土体影响的试验研究与数值模拟[D]. 上海:上海交通大学，2006. [7] 潘建阁.深圳复合地层对盾构隧道衬砌管片结构受力和变形的影响分析[D].北京:北京交通大学，2015. [8] 李俊伟，李丽琴，吕培印.复合地层条件下盾构选型的风险分析[J].地下空间与工程学报，41-1244. [9] 张厚美.地铁盾构工程设计与施工过程的若干问题研究[D].上海:上海交通大学，2004. [10]赵先鹏.穿越上软下硬地层盾构隧道施工控制技术研究[D].成都:西南交通大学，2012. [11]刘晓毅.复合地层中盾构机滚刀磨损原因分析及改进[J].隧道建设，-81. [12]竺维彬，鞠世健.盾构施工泥饼(次生岩块)的成因及对策团[J].地下工程与隧道，-29. [13]江招胜，黄威然，竺维彬.复合地层隧道盾构掘进机的改造[J].广东建材，8-139. [14]鉄道総合技術研究所.鉄道構造物等設計標準·同解説(シルードトンネル)[M].[S.l.]:丸善株式会社，1997. [15]何川，苏宗贤，曾东洋.盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加内力的影响研究[J].岩石力学与工程学报，) :. Construction Mechanical Property Analysis of Shield Tunnel through Upper-soft and Lower-hard Stratum HE Xiang-fan， SHEN Xing-zhu， WANG Fan， YAO Jia-bing (Key Laboratory of Transportation Tunnel Engineering， Ministry of Education， Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031， China) Abstract：The poor shield tunneling posture and ground surface collapsing are usually caused by the upper-soft and lower-hard composite stratum in the shield construction， which may lead to partial damage of the segment in some serious cases. Based on the shield tunnel engineering through upper-soft and lower-hard stratum in Shenzhen Metro Line7 Project， a numerical simulation method is used to study the mechanical characteristics of shield construction of the tunnel through upper-soft and lower-hard stratum (including the section “from soft into hard” and the section “from hard into soft”). The analysis of the change rule of the ground surface settlement， and the segments’ vault settlement and stress concludes that the surface subsidence increases significantly (maximum increment up to 1 cm)， and the uneven segment vault settlement is getting more serious during the construction of shield tunneling through upper-soft and lower-hard composite stratum. The results also show that suitable reinforcement in the softer side stratum can effectively reduce surface subsidence and segment vault settlement in the section of upper-soft and lower-hard stratum， and lower the stress level of the segment in the section “from soft into hard”． Key words：S Upper-soft and lower- Construction Stratum reinforcement 收稿日期：； 修回日期： 作者简介：何祥凡(1991—)，男，硕士研究生，E-mail:@qq.com。 文章编号：17)02-0089-06 中图分类号：U451 文献标识码：A DOI：10.13238/j.issn.17.02.020
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摘要：通过工程实践，从渣土改良、土仓压力控制、推进速度、刀盘转速、出土量控制、同步注浆、二次注浆、管片拼装、盾构姿态控制、穿越后土体加固、信息化施工、质量控制及预警机制等方面详细介绍了深圳地铁2号线东延段土建工程2225-2标燕南站-大剧院站区间工程盾构机在长距离上软下硬复合地层中、小间距下穿运营的地铁1号线盾构下穿运营地铁的施工控制技术，对今后地铁施工中类似地质条件下，盾构机下穿运营地铁线路施工有很好的参考作用。
关键词：地铁；盾构；下穿运营地铁；施工控制
&&&&&&& 深圳地铁2号线东延段土建2225-2标燕大区间盾构始发井～大剧院站区段位于既有地铁1号线的下方。新建2号线和既有1号线线路交叉重叠范围为：左线ZDK31+124.004～ZDK31+197.848，该段区间管片位置为76～125环，共计70.485m；右线YDK31+084.567～YDK31+155.052，管片位置为105～152环，共计73.844m。两线重叠段加上重叠段前、后高风险段，左、右盾构掘进施工长度均超过110m。
&&&&&&& 根据详勘报告与补勘资料、施工过程中的千斤顶的压力、盾构机姿态、渣样分析、开仓换刀对掌子面的观察，盾构始发井～大剧院站区段下穿地铁1号线范围隧道拱顶距离地面20.2m～23.6m，该区段地层依次为素填土、中砂、细砂、砾质粘性土、全风化花岗岩。下穿范围隧道洞身处于全风化花岗岩、强风化花岗岩、中风化花岗岩均有存在的复合地层中，左线上软下硬地段长83.44米、右线上软下硬地段长57.12米（上软下硬花岗岩地层具备以下特征：上部强风化花岗岩风化程度高，裂隙发育，岩芯主要呈土状，自稳性很差；中风化花岗岩风化程度较弱，石英含量高，原岩结构完整，岩芯主要呈硬岩状，抗压强度较高（抗压强度为70～90MPa），完整性好（RQD值为60%～80%）；软、硬岩之间为岩土分界线，且存在含水量丰富的破碎带。）。
&&&&&&& 地铁2号线下穿地铁1号线地段位于深南大道下方，2号线距离1号线最小距离1.853m，下穿施工难度极大，安全风险极高，地质条件复杂，地层石英含量高。
2.1渣土改良
&&&&&&& 在上软下硬花岗岩地层中掘进表现出推力大、速度慢、土仓压力波动大、出土量不易控制、易结泥饼、刀盘前方和上方岩体自稳时间短、刀具偏磨严重等不良情况，渣土改良对防止结泥饼、渣土分层、刀具偏磨等情况的作用尤其重要。
试验段掘进时，先后进行了泡沫改良、土仓内注水改良、刀盘前方注水改良、泥饼分散剂改良、高分子聚合物改良、膨润土泥浆改良等一系列尝试，效果均不理想。经过反复论证与分析，确定了在刀盘前方通过均匀注水和泡沫进行改良的核心思想，并辅以泥饼分散剂改良、高分子聚合物改良、膨润土泥浆改良等综合改良措施。通过施工实践综合渣土改良方式取得了成功，综合改良措施的核心思想是：进行详细的渣土分析，判断软、硬地层的比例，注重监测改良后的渣土的干稀状态和温度，实时调整加水量和泡沫的发泡率；实时通过承压墙和人闸上球阀检查土仓渣土状态，判断土仓内渣土的干稀状态、分层离析情况、土仓内温度等，根据需要加入泥饼分散剂、高分子聚合物、膨润土泥浆等。
2.2土仓压力控制
&&&&&&& 在盾构推进过程中为支撑掌子面及刀盘切口上部的软弱岩层，需长期保持较高的土压力。根据下穿地铁既有地铁线区段地质详勘资料，各层土体物理参数如表1所示：
&&&&&&& 盾构始发井～大剧院站区段下穿地铁1号线范围隧道拱顶距地面20.2m～23.6m，平均刀盘顶埋深取22m，平均刀盘底埋深取28.28m，承压墙上1号土压传感器距离地表的平均深度取23m，隧道洞身处于全风化和强风化花岗岩中，所以此次计算以此两种地层试验数据为例。&取土体平均天然容重18.28 kN/m3，k0取0.34，根据k0=1-sin&P，计算得有效内摩擦角&P=41.3o，平均粘聚力取25.5KPa，主动土压力系数ka= tan2（45o-&P/2）=0.205，被动土压力系数kp= tan2（45o+&P/2）=4.88。
2.2.1土压力的理论数值选择
（1）静止土压力
&&&&&&& 静止土压力为处于静止的弹性平衡状态下的原状天然土体的土压力，也就是没有受到盾构施工扰动时的土压力。在深度H处，在竖直面的主应力，即静止土压力为pH=k0&H。所以1号土压传感器深度的静止土压力值pH=0.34*18.28*23=142.95（KPa），即1.42bar。
（2）主动土压力
&&&&&&& 根据盾构的特点及盾构施工的原理，采用朗肯土压力理论计算主动土压力与被动土压力。在施工过程中，由于施工的扰动，改变了原状天然土体的静止弹性平衡状态，从而使刀盘前方土体产生主动或被动土压力。
&&&&&&& 当盾构推力或土仓压力偏小，土体处于向下滑动的状态时，土压力将由静止土压力逐渐减小，当土体达到主动极限平衡状态并出现滑动面时，土压力减至最小，即转变成为主动土压力。此时土体内的竖直应力&H相当于最大主应力&1，水平应力&x相当于最小主应力&3，也就是主动土压力。
将&1=&r=&H，&3=Pa代入粘性土极限平衡条件&3=&1tan2（45o-&P/2）-2ctan（45o-&P/2），得主动土压力Pa=&3=&1tan2（45o-&P/2）-2c tan（45o-&P/2）=&Hka-2c（ka）1/2，其中：&为土的重度，kN/m'；c为土的粘聚力，KPa；&P为土的内摩擦角；H为计算点的深度，m；ka为主动土压力系数，ka= tan2（45o-&P/2）。
所以1号土压传感器深度的主动土压力值Pa=18.28*23*0.205-2*25.5*0..1（KPa）即0.63bar。
（3）被动土压力
&&&&&&& 当盾构的推力偏大，土体处于向上滑动的状态时，土压力将由静止土压力逐渐增大，当土体达到主动极限平衡状态并出现滑动面时，土压力增至最大，即转变成为被动土压力。此时土体内的竖直应力&H相当于最大主应力&3，水平应力&x相当于最小主应力&1，，也就是主动土压力。
将&1=&H，&1=Pp代入粘性土极限平衡条件&1=&3tan2（45o+&P/2）-2ctan（45o+&P/2），得主动土压力Pa=&Htan2（45o+&P/2）+2c tan（45o+&P/2）=&Hkp+2c（kp）1/2，其中：&为土的重度，kN/m'；c为土的粘聚力，KPa；&P为土的内摩擦角；H为计算点的深度，m；kp为被动土压力系数，kp= tan2（45o+&P/2）。
所以1号土压传感器深度的被动土压力值Pp=18.28*23*4.88+2*25.5*4.881/2=243.18（KPa），即2.43bar。
由于地铁2号线施工期间，地铁1号线正常运营，所以2号线盾构掘进施工时，必须保证刀盘前方的土体的稳定，尽可能减小围岩沉降，所以盾构掘进时，1号土压传感器预设压力P应满足Pa〈P〈Pp，即设定土压力P为1.42bar〈P〈2.43bar，具体参数根据试验段掘进确定。
2.2.2实际土压力控制
&&&&&&& 为了避免土仓压力的波动产生&风箱效应&，对地层造成过多的扰动，推进过程中需保持土仓压力长期处于平稳状态，起伏不宜大于&0.2bar。
&&&&&&& （1）根据施工过程中记录的土仓压力统计分析，左线下穿掘进时1号土仓压力传感器最小压力值为1.5bar，最大压力值为2.1bar，平均值1.75bar；右线下穿掘进时1号土仓压力传感器最小压力值为1.4bar，最大压力值为2bar，平均值1.65bar。根据盾构下穿施工实际土仓压力的反馈，可以证明在上软下硬花岗岩地层施工，采用朗肯理论计算的理论土压力值是合理的，可以为实际施工提供理论依据。
&&&&&&& （2）右线1号土压力传感器的平均值为1.65bar，左线的平均值为1.75bar。右线先行于左线施工，之所以左线的平均值比右线的平均值大，是因为右线施工时已经对周围岩体造成了扰动，岩体内的粘聚力减小，自稳能力减弱，所以左线施工时的土仓压力要高于右线施工时的土仓压力，以减小土体扰动对既有线路沉降的影响。
&&&&&&& （3）实际施工过程中土仓压力控制是根据1号线洞内实时监测值动态调整所得。
2.3掘进参数控制
（1）掘进速度及贯入度、刀盘转速、
&&&&&&& 盾构机在上软下硬地层中掘进，局部岩石强度较高，硬岩处刀盘的刀具受力较大，而软岩部分只需对掌子面进行切削即可破坏土层，但局部硬岩对刀具的损伤较大，应适当降低刀盘转速，控制贯入度以使刀具受到的瞬时冲击小于安全荷载25t为准。
&&&&&&& 为避免刀盘转速过低造成切削硬岩时贯入度过高，推进过程中应控制刀盘转速在1.7～2.0r/min。刀盘工作压力上限设置为200bar，防止刀具产生过大的冲击荷载。
（2）刀盘扭矩与油缸推力
&&&&&&& 由于硬岩对刀具的磨损很严重，通过降低刀具在持续工作时受到的冲击力来保护刀具。刀具在受到冲击力后直接体现在刀盘扭矩上，所以通过降低刀盘扭矩就能减少刀具所受冲击力。在上软下硬地层中刀盘扭矩的最大值应保持在1700kN/m，推力在t之间。
（3）盾构姿态控制
&&&&&&& 控制盾构掘进姿态，首先就要掌握开挖面的地层分布情况，以及地层分界面的变化情况，制定初步的掘进参数计划；其次，根据导向系统来判断盾构机的掘进方向是否正确，如果盾构线路偏离设计线路，及时调整各项掘进参数，遵循&及时、限量、连续&的原则，逐环、小量纠偏对盾构姿态进行调整，避免纠偏过猛引起盾构机蛇形前进，造成刀具磨损、损坏已拼装管片和盾尾密封。根据以往施工经验，盾构纵坡最大纠偏量按下式计算：
i=（i盾-i衬）&[i]
式中i&&&盾构与管片相对坡度；i盾&&&盾构推进后实际纵坡；[i]&&&允许坡度差值。
盾构平面最大纠偏量按下式计算：
△L＜S&tan&
式中&&&&盾构与衬砌允许的水平夹角；S&&&两腰对称的千斤顶的中心距（mm）；△L&&&两腰对称千斤顶伸出长度的允许差值（mm）。
盾构姿态调整过程中会对地层造成超挖和额外扰动，可能引起土体失衡和出土量变大。在下穿既有地铁线路的掘进过程中，必须严格控制盾构机单位进尺每环的纠偏量在10mm以内，推进时不猛纠、不急纠，通过观察盾尾间隙和不同区域推进油缸的绝对行程差判断是否过度纠偏。当地质条件很差时，只要水平、垂直姿态偏差不超过&50mm，推进时可暂时不考虑设计轴线，保持当前姿态径直前行，尽量减少对地层的扰动，待地质条件好转后再进行缓慢纠偏。
2.4出土量控制（以盾构外径为6m为例）
&&&&&&& 每1环进尺的理论出土量为：V=L&&d2/4=46.4m3，根据该段区间施工经验和监测数据反馈显示，取松散系数k=1.5是比较合理的。故每掘进1环进尺的出土量应控制在70m3以下。在推进过程中值班技术人员应准确量取每一厢土的实际方量，随时对比出土量与进尺量是否匹配。每出一厢土需在螺旋机后闸门处量取一次碴土温度，每推进一环需进行一次碴土筛洗分析，并将相关情况记录在盾构推进出土量记录表上。对出土超量的情况必须进行分析和预判，并第一时间汇报现场领导小组。
2.5壁后注浆
（1）同步注浆
&&&&&&& 下穿既有地铁路线过程中同步注浆量原则上控制在7～9方/环，注浆压力控制在2.5～3.0bar，通过控制注浆速度当千斤顶行程达到1700mm时注浆完成，并确保4根注浆管同时工作。若2、3#同步注浆管因压力过高注浆困难，可将注浆管从盾尾拆除，连接在已脱出盾尾3环以上的管片上进行注浆，注浆位置应选择高于2点、10点的点位。注浆量与注浆压力可根据监测结果作适当调整。
&&&&&&& 推进过程中现场土木技术员负责对注浆量、注浆压力作好详细记录，并根据每环的进尺情况及监测数据及时对注浆参数进行调整，确保同步注浆的质量。注浆同时注意盾尾是否出现漏浆现象，若盾尾漏浆立即采用手动模式对漏浆点位进行盾尾油脂补注。若漏浆严重需在对应管片脱出盾尾后及时进行二次注浆。
&&&&&&& 下穿既有地铁线区段同步注浆配合比根据试验确定，现场土木技术人员需检查每次进洞浆液的质量，每3环取一组试样并观察记录其稠度、粗颗粒含量、初凝时间、终凝时间和泌水率，确保浆液质量合格。同步注浆浆液配合比及性能指标见表2所示，物资部应保证浆液原材符合设计配合比要求。
（2）二次注浆
&&&&&&& 同步注浆采用的水泥砂浆存在达到强度时间较长、容易收缩变形、受扰动可能液化等缺陷，管片周围地层在盾构通过一段时间后仍存在继续沉降变形的可能。为控制土体沉降，推进过程中应根据监测数据对脱出盾尾的管片进行二次注浆，使隧道周围土体彻底固结，保证既有地铁线的运营安全。
&&&&&&& 下穿既有地铁线路区段采用特制管片，除封顶K块以外每块管片都增加2个注浆孔，所有增设注浆孔在管片进场前均已打通，并在注浆孔内安置单向逆止阀。每环管片进行同步二次注浆时首先选择好合适的注浆孔位（优先选择1点、11点的点位），再连接注浆接头、三通混合器、水泥浆管和水玻璃管即可。注双液浆时应注意先注纯水泥浆液1min后再打开水玻璃阀进行混合注入，终孔时应加大水玻璃的浓度。在一个孔注浆结束后等待5～10分钟再将该注浆头打开疏通查看注入效果，如果渗漏严重，应再次补注至渗水基本消失方可终孔，拆除注浆头，用双快水泥砂浆封堵注浆孔，扣上塑料螺堵，并进行下一个孔位注浆。
二次注浆应保证在盾尾管片后二环，确保注浆压力不小于1Mpa，注浆过程应该根据监测结果适量调整。
（3）二次深孔注浆
&&&&&&& 本次双液注浆孔布置在隧道加固段范围内的拱底、标准、邻接块中的压浆预留孔内。注浆前先用冲击钻将预留孔疏通，跟踪注浆将1.5米的注浆管振动插入孔内至隧道管壁外侧1.0米处；土体加固注浆将2.0米的注浆管连接振动插入孔内至相应的注浆深度。随即将特制的防喷装置安装好，并将单向球阀接在注浆管上，以便注浆。
&&&&&&& 根据监测信息以及注浆产生的滞后影响等情况，为了使加注的可硬性双液速凝浆液充分置换惰性浆液并均匀加固土体，并确保既有地铁路线和在建地铁线隧道变形量在允许范围内，在注浆时遵循少量、慢速、低压、多次、跳孔、分层注浆的原则。
2.6管片拼装
&&&&&&& 在盾构停机进行管片拼装时，由于千斤顶的收缩可能造成盾构机后退，导致土仓压力平衡被破坏。因此应尽量减少在盾构停机进行管片拼装时收回的千斤顶，满足管片拼装即可。管片拼装过程中，加强对土仓压力的监控，出现土仓压力持续降低的情况应及时向土仓内补注泥浆直至达到设定压力。
2.7自动化监测和信息化施工
&&&&&&& 为不影响既有地铁的正常运营采用自动化监测仪器，每30MIN报告一次测量数据，施工过程中应密切注视既有地铁线路自动监测情况，并考虑注浆对既有地铁线路影响的滞后效应；在注浆的同时，既有地铁线路的沉降曲线含有一定的变化，如果曲线（或某一个点）变化较大时应立即停止注浆，选择其它孔进行注浆。同样，在建地铁线的地表监测和洞内管片姿态测量资料要及时反馈，利用监测结果指导施工，不断优化施工参数，将既有地铁路线隧道、在建地铁线隧道和地面及构筑物变化控制在允许范围内。监测报警值设定为：单次变形&2.5mm；施工过程中累计变形&5mm；最终变形：注浆结束后6个月累计变形控制在&10mm。
&&&&&&& （1）严格按照制定的施工方案和有关注浆的规范进行监控。
&&&&&&& （2）严把注浆材料的质量关，对所用水泥必须具有出厂质保单和水泥复检合格证。
&&&&&&& （3）注浆前必须要进行试注浆，通过试注浆获取既保证质量又切合实际的行之有效的数据。
&&&&&&& （4）注浆施工必须如实填写值班报表，准确记录压力、流量、注浆时间等。
&&&&&&& （5）注浆前必须做好注浆准备，注浆开始后应连续进行，中途避免间断。
&&&&&&& （6）施工结束后，要及时清洗浆管，避免管内水泥浆液沉积、凝固，对于沉积凝固严重的输浆管要及时更换。
&&&&&&& （7）在施工过程中必须对质量进行有效的跟踪监控。对隧道的任意点的附加沉降和水平位移控制在规定范围内。
&&&&&&& 深圳地铁2号线东延段土建工程2225-2标燕南站-大剧院站区间的顺利贯通证明通过控制盾构掘进参数、渣土改良、出渣量、壁后注浆和信息化施工能有效降低上软下硬地层中下穿运营地铁线路的盾构施工中安全风险，并提高盾构掘进效率。可以为国内外其它类似不良地层盾构施工工程所借鉴，并为复杂地质条件下盾构法施工的理论研究提供宝贵的数据资料
参考文献：
[1]竺维彬，鞠世健.地铁盾构施工风险源及典型事故的研究.暨南大学出版社.2009年.
[2]竺维彬，鞠世健.复合地层中的盾构施工技术.中国科学技术出版社.2006年.
[3]陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学.清华大学出版社.1994年.
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