盾构近距离侧穿团结渠桥桩风险控制技术

以北京市地铁16号线工程04合同段屯佃站~屯永区间盾构接收井盾构区间隧道为例，对盾构近距离侧穿团结渠桥桩施工技术进行分析研究，以便为今后盾构近距离穿越建构筑物施工提供技术参考。

1 工程概况

北京地铁16号线土建施工04合同段屯佃站~屯永区间盾构接收井区间采用盾构法施工。区间出屯佃站后，在北清路路北绿地内沿北清路由西向东敷设，期间下穿团结渠（并侧穿北清路跨该渠桥桥桩），到达L1、L3竖井。

区间右线设计全长1220.100m，区间左线全长1349.259m，设置2座联络通道。隧道内径为5400mm，外径为6000mm，管片宽度为1200mm。区间覆土深度为7.1~15.9m。

本区间左线采用海瑞克S–396型盾构机，右线采用日立6140型盾构机。穿越团结渠风险源，线型平面内为转弯半径800m的圆曲线右转弯，纵向剖面内为8‰下坡，不存在变坡。

1.1 工程地质和水文地质情况

隧道顶板所在土层为粉质粘土③ ₁ 层，隧道结构所在土层主要为粉质粘土③ ₁ 层、粉土③层，隧道基底位于粉质粘土④层。

工程区连续分布3层地下水：水位埋深6.42~7.80m为上层滞水，水位埋深11.20~15.30m为潜水，水位埋深20.20~20.50m为层间水。第一、二层地下水均位于隧洞上方，第三层地下水位于隧洞底部。

1.2 工程风险源

区间右线下穿团结渠及侧穿团结渠桥为一级风险源。右线BK8+011.5~BK8+039.5。团结渠位于上庄路西侧，南起京密引水渠冷泉倒虹吸，上游承接冷泉沟，向北流经屯佃村，与永丰屯北汇入宏丰渠，全长5600m，流域面积约16.1km，承担京密引水渠以南冷泉村、南羊坊及周围上去及屯佃村的排水任务，是该地区的灌溉排水河道。

团结渠与本段区间相交处，规划河道横断面采用土渠梯形断面，规划河底宽为16m，规划河底高程40.50m，边坡1∶2，纵坡为0.8?‰，规划河道上口宽30m。规划50年、100年一遇洪水位分别为42.97m及43.13m。河道规划常水位标高为42.30m。团结渠桥为北清路跨团结渠的跨渠桥，桥宽70.8m，上部结构为两跨15.4m的后张预应力混凝土简支T梁；桥面设伸缩缝；下部结构为直径1.2m的C25钻孔 灌注桩。

钻孔灌注桩接现浇钢筋混凝土盖梁形成整个下部结构，桥面结构为现浇钢筋混凝土+防水层+沥青混凝土路面，该桥于2000年9月开工，2001年10月竣工。

右线区间与团结渠净距约10.2m，与团结渠桥净距约1.99m。区间结构与团结渠及团结渠桥位置关系，如图1所示。盾构区间侧穿团结渠跨该渠桥桥桩地表主要为团结渠及绿地。

（a）

（b）

图1 区间与团结渠及团结渠桥位置示意

（a）平面；（b）剖面

1.3 存在的主要问题

盾构在 R =800m圆曲线段内下穿团结渠及团结渠桥（一级）风险源，根据以往对A型地铁列车限界控制及穿越一级风险源的施工经验，总结出在盾构掘进过程将面临以下主要问题。

（1）曲线段轴线偏差难以控制。由于曲线掘进时，盾构机千斤顶推力与管片之间形成了一定的夹角，拼装完的管片向外偏移，导致隧道向外偏离设计轴线。

（2）盾构近距离下穿既有建构筑物变形控制要求严格。根据设计要求，河堤沉降量不大于20mm，桥桩沉降量不大于10mm、隆起量不大于5mm、最大变形速率不大于1.5mm/d；盖梁同一轴横桥向任意2个桩基不均匀沉降位移控制值为2mm，桩基倾斜控制值为1/1000，各相邻墩竖向（纵向）不均匀沉降控制值为6mm。 

2 试验段分析

盾构进入正常掘进施工下穿团结渠及团结渠桥前，在穿越里程前方60m（70环~119环，共计约50环）处进行试验推进。

根据地质情况，试验段区域设在右BK8+158~右BK8+098，与团结渠桥区域地层情况相近。通过对试验段推进参数的试验和分析，得出地面沉降达到设计要求的盾构掘进参数，包括土压、推进速度、同步注浆量、注浆压力、浆液配比等技术参数。

根据现场实际情况将试验段分为3部分，每部分在掘进过程中得到如下的目标。

第1试验段（右BK8+158~右BK8+135.2），管片总计20环，通过该部分掘进得到使地表沉降处于理想状态的注浆量和注浆压力经验值。使地表沉降处于理想状态的每环注浆量应为5.0m ³ ，同步注浆压力应为0.2~0.35bar。

第2试验段（右BK8+134~右BK8+117.2），管片总计15环，通过该部分的掘进得到盾构总推力、推进速度及刀盘扭矩等相关参数。盾构掘进总推力为8000~12000kN，平均推进速度为30~40mm/min，刀盘扭矩为140~180bar等相关参数。第3试验段（右BK8+116~右BK8+098），管片总计15环，该试验段为综合试验段。

通过对试验段的试掘进，在保证地表沉降基本控制在允许最大沉降（隆起）值以内的基础上，得出表1中的掘进参数经验值。管片上浮量在70~80mm，盾构机姿态垂直姿态调整为–70~–80mm。

表1 试验段掘进参数经验参考值

3 盾构下穿团结渠及桥桩施工技术

3.1  掘进参数

盾构穿越风险源段将重点参考试验段掘进数据，严格控制相关盾构推进数据，确保盾构能够稳定地、匀速地通过团结渠及团结渠桥，对地层扰动影响降到最小，主要数据如下。

（1）土压力：土压力设置在合理范围内，土压力值依据监测数据及时进行调整，确保土压平衡，将对土体的扰动影响降到最小。

在盾构推进试验段的过程中，土压力值通过盾构机覆土和监测数据及时进行调整，调节推力，使盾构土舱内建立的泥土压力足以与地层土压力相抗衡。保持切削土量和排土量平衡，防止超挖。土压力控制值：上土压为1.3~1.5bar，停机时上土压为1.5~1.7bar。

（2）推进速度：地面的沉降变形与盾构推进速度有很大关系，推进速度过快会对土体产生较大扰动，地表沉降比较明显，推进速度应保持均匀、稳定，速度控制在35~45mm/min。

（3）刀盘转速、推力：刀盘转速控制在0.8~ 1.0rpm/min，推力控制在8000~12000kN。

3.2 盾构出土量

严格控制出土量，避免出土量过大造成地层损失，引起地面变形，计算理论出土量为每环36.80m ³ ，土体松散系数经验值为1.2，日立盾构出土量应该控制在44.16m ³ 以内。实际施工过程中，应及时观察土体状况、监测数据确定出土量。

3.3 注浆控制

由于盾构机外径大于盾构隧道结构外径，隧洞周围形成130mm的建筑空隙是造成地面沉降的直接原因。盾构施工中注浆施工是盾构侧穿团结渠跨该渠桥桥桩控制地表沉降的关键，应保证同步注浆量和推进速度的协同一致等。

同步注浆：理论计算每环的开挖空隙为3m ³ ，每环的注浆量一般为开挖空隙的130％~180％，确定每环的同步注浆量应控制在3.9~5.4m ³ ，同步注浆压力控制在0.2~0.3MPa。

二次补浆参数：每两环进行一次、二次补浆，采用单液水泥浆，补浆位置为管片两侧上半圆范围，在盾尾后6~8环开始。二次补浆量为1.2~1.5m ³ ，补浆压力控制在4bar以内，以注浆压力控制为准，浆液配合比为1∶1。

3.4 土体改良

采取合适的地层改良措施、改善土体的流塑性、保持进出土顺畅，采取措施如下：采用泡沫添加剂，通过先期试验段确定合适的泡沫添加剂配合比为3.5%~4.5%，以达到最优的土体改良效果。

3.5 盾尾密封

通过加大盾尾油脂压注量来防止浆液通过盾尾流失；采用优质油脂，预计每掘进1环使用2桶油脂。

3.6 轴线控制措施

通过控制盾构机姿态来控制隧道轴线，每环推进前根据上一环的报表来调整推进参数，主要控制手段包括：调整分区油压；斤顶编组；控制推进速度；调整相邻管片转角，控制盾尾间隙量；更换注浆位置；调整控制土压；使用盾尾“铰接”装置。

盾构推进过程中注意姿态变化随时调整，保证姿态，纠偏量控制在5mm/环；盾尾间隙小于50mm时采用左、右环进行纠偏。

当轴线偏差达到±20mm时橙色预警，需及时同技术、测量人员配合施工、盾构司机进行第一时间纠偏；盾构机姿态垂直姿态调整为–80~–70mm。

应根据上一环的报表、千斤顶左右长度差及当前推进环的设计轴线变化，来判断盾构现状是否将完成预计的纠偏量；正确使用盾构机铰接装置，保证盾构机外侧紧贴土体，控制超挖量为最小值。

在管片脱出盾尾前对相应的管片螺栓进行复拧紧，提高其抵抗切向力的能力，减少管片错台及隧道管片整体位移量。

3.7 洞内径向注浆加固

在盾构自身参数控制下，采取一定的专项加固措施，保证构筑物沉降及倾斜在设计安全允许范围内。在盾构通过后，通过壁后注浆孔向团结渠桥桩方向径向注浆，注浆浆液采用水泥水玻璃双液浆。加固范围为隧洞外侧3m，隧洞全拱360°，扩散半径为0.5m，并控制注浆压力在0.5~0.8MPa。径向注浆加固断面示意如图2所示。

图2 隧道径向注浆加固横断面示意

4 监测分析

团结渠河堤及周边地表共设置24个监测点位，团结渠桥共设置24个监测点位，如图3所示。为便于分析，在众多监测数据中选取具有代表性的河堤及 地表沉降和桥墩沉降进行分析，选择距离隧道较近的HD7–7~DB7–11和JGC–01~JGC–06监测点数据。在盾构下穿团结渠及团结渠桥过程前、中、后进行了21次数据监测，河堤及地表沉降和团结渠桥墩沉降监测曲线分别如图4、图5所示。

图3 团结渠桥周边地表及构筑物沉降监测点布置平面示意

图4 团结渠河堤及周边地表沉降监测曲线

图5 团结渠桥墩沉降监测曲线

河堤最大累计变形量10.27mm，桥墩最大累计变形量6.21mm，满足变形控制标准，保证了团结渠桥的安全稳定。

针对轴线控制，加强对VMT导向系统的复核，严格控制各项掘进参数，及时调整盾构姿态，管片拼装后及时测量，成功将隧道中心线偏差控制在±20mm之内，有效实现了质量控制目标。

从沉降监测曲线可知，由于刀盘挤压作用影响，地表有较小隆起；当盾构掘进经过监测点位时，由于刀盘切削土体扰动产生一定沉降，需严控出土量。

盾构通过后，由于土体失去盾构支撑，地表沉降变形速率较大，应保证同步注浆压力和注浆量。盾构通过后，隧道经过二次补浆和径向注浆加固，沉降趋于稳定。

5 结论

通过本次盾构顺利下穿既有构筑物的工程实践，得出结论如下。

（1）设立试验段掘进。在穿越风险源之前通过对试验段的掘进，得到可靠的土压、推进速度、同步注浆量、注浆压力等经验参数，将对后期的穿越风险源具有重要的指导作用。

（2）既有构筑物沉降控制。盾构穿越前应调整并确保盾构机性能良好，严格控制掘进参数，保证盾构匀速、连续穿越。 施工过程中严格控制掘进土压力和出土量；盾尾应及时注浆，充填管片与土体间的空隙，严格控制注浆量和注浆压力。盾构施工过程中，加强监测和巡视，及时反馈信息，根据监测结果及时调整施工参数，确保水渠及桥梁安全。

在桥区影响范围内对相应管片预埋新增壁后注浆孔，在盾构通过后，通过壁后注浆孔向团结渠桥方向采取径向注浆专项加固措施，确保管片壁后的空隙充满，减小隧道围岩径缩、地层沉降，根据地层变化及时调整推进参数，确保地层损失降至最小，从而有效控制地层的弹塑性变形，保证了构筑物沉降及倾斜在设计安全允许范围内。

（3）盾构曲线段轴线控制。施工中对盾尾间隙、千斤顶行程、左右油压差等影响盾构姿态的各项因素及时调整，保证成型隧道轴线水平偏差在±20mm之内，实现了工程质量创优。