污水盾构隧道下穿既有地铁施工技术研究

中建三局绿色投资有限公司，湖北 武汉 430000

1 工程概况

1.1 工程简介

武汉大东湖污水深隧的主隧全长约为17.5km，污水深隧采用盾构法进行施工，隧道断面为圆形，直径为3.0～3.4m，采用钢筋混凝土预制管片与现浇钢筋混凝土内衬结合的叠合式双层衬砌结构，埋深为30～49m[1]。

污水深隧于武汉地铁4号线在罗家港—铁机路站区间相交，主隧下穿地铁位置为罗家港与沙湖港交汇处，位于沙湖港，如图1所示。

图1 污水深隧与地铁平面位置关系

下穿段污水深隧里程桩K0+780～K0+820，深隧与地铁交角约为80°；下穿区段地铁覆土深度为3.39m，深隧覆土深度为22.3m；土层上部存在2m深的河水；地铁隧道外壁与深隧结构外壁垂直距离为12.87m。

武汉地铁4号线罗家港—铁机路站区间采用外径为6m、厚度为300mm的C50预制混凝管片结构；地铁隧道左右线净距8.4m；地铁轨道采用U75V型60kg/m钢轨，采用单趾弹簧扣件、短枕式整体道床，轨距为1435mm；列车最高运行速度为80km/h；地铁运营时间工作日为6：00—22：30，周末为 6：30—22：30。

地铁建成后，地面罗家港实施了综合整治工程，对地铁上部的罗家港渠道进行了拓宽，为降低渠道下挖卸土对地铁隧道的影响，采用三轴搅拌桩对隧道结构两侧及顶部的土体进行了加固，桩径为650mm，间距为500mm，桩长为12m，内插HM500mm×200mm×10mm×16mm型钢，型钢纵向间距为3m。

渠底采用厚度为100mm的砂石混合料垫层，上铺300g/m2土工布并现浇厚度为150mm的C25钢筋混凝土。

1.2 地质和水文情况

（1）地质情况。深隧下穿武汉地铁4号线区段的地质剖面如图2所示。地层由上到下依次为淤泥、黏土、粉质黏土与粉砂互层、粉细砂、砾卵石和泥质细粉砂岩。下穿段地铁穿越地层主要为粉质黏土、粉土粉质黏土与粉砂互层以及粉细砂；污水深隧穿越地层主要为砾卵石层和泥质细粉砂岩。砾卵石层由长江古河道河床底部沉积而成，饱和，中密～密实状态，物质组分不均，砂、砾、卵石混杂，含量不一，以砾卵石为主；泥质细粉砂岩的岩体基本质量等级为V级，强风化，碎块状，含钙质成分。

图2 下穿段地质情况及相互关系（单位：m）

（2）水文情况。拟建工程沿线穿越沙湖港，场地及周边还有沟坳、湖塘等地表水体分布，主要由大气降水补给。沿线地表水系较发达，并有一定深度的淤泥层。勘察期间测得沙湖港水水位标高为17.91m，水底标高为15.91m，水深2m。场地地下水有上层滞水、孔隙承压水两种类型。上层滞水稳定水位埋深为0.80～0.75m，相当于绝对标高为17.74～33.17m。该地区承压水头标高一般为15.0～19.5m，年变化幅度为3～4m。

1.3 深隧结构及变形控制要求

下穿段污水深隧支护采用钢筋混凝土预制管片与现浇钢筋混凝土内衬结合的叠合式双层衬砌结构，其中预制混凝土管片厚0.25m，现浇内衬厚0.2m，隧道断面为圆形。掘进采用中铁装备集团制造的复合式土压平衡盾构机，结构为辐条面板式符合刀盘。根据《城市轨道交通工程监测技术规范》（GB 50911—2013），穿越既有地铁隧道时地铁变形控制值如表1所示。

表1 轨道交通既有线隧道结构变形控制值

2 施工方法及控制参数

2.1 施工方法

盾构下穿地铁前需不断优化盾构掘进参数[2]，确保盾构穿越过程中地铁遂道沉降控制在10mm以下。以过地铁影响区之前的60m区段作为盾构下穿地铁前的施工试验段，不断优化盾构推进参数，以减少对周边环境的影响。进入试验段前应进行一次停机检查，做好各种维修保养，严禁使盾构机带病作业，同时使盾构机在试验段内调整到最佳状态，避免在穿越过程中进行较大的纠偏，同时避免盾构上浮、叩首和后退等现象发生，使盾构机在均匀状态下快速通过。

2.2 盾构机掘进参数

在盾构下穿地铁前进行掘进试验，试验段长度为60m。通过开展下穿前的掘进试验，能够优化盾构掘进参数，减少对周边环境的影响，同时在下穿段对地铁结构及周边环境进行实时监测，以确保安全通过。

（1）土压力控制。盾构下穿地铁4号线隧道覆土深度h为22.3m，根据《铁路隧道设计规范》（TB 10003—2016）确定隧道的浅埋和深埋，若h＜2.5H，则为浅埋隧道，深埋隧道垂直荷载高度计算公式如下：

式中：H为深埋隧道垂直荷载计算高度，m；h为隧道拱顶以上覆盖层厚度，m；s为围岩级别；B为隧道宽，m；i为每增减1m时围岩压力的增减率，以B=5m的围岩垂直分布压力为准，当B＜5m时i为0.2，当B＞5m时i为0.1。

当隧道穿越地层的围岩级别s=5时，H=0.45×25-1×[l+0.2×(4.25-5)]=6.12m，2.5H=2.5×6.12=15.3m ＞h=22.3m，因此该区间隧道属于深埋隧道。深埋段（能够形成拱效应）土压力按照穿越卵石层和强风化泥质细粉砂层计算，土压力分别为0.283MPa和0.357MPa。由于地铁的动荷载较大，综合以往的施工经验，在下穿地铁时，盾构土压力增加0.01～0.015MPa，因此在施工过程中，掘进土压力控制在0.293～0.372MPa。

（2）盾构掘进速度控制。在穿越地铁4号线时，为有效减小对周边围岩的扰动，根据掘进试验将盾构掘进速度控制在2～4cm/min，匀速掘进。掘进时密切监测地铁变形情况，并根据监测到的实际情况及时调整，掘进过程中严禁停机。

（3）出碴量控制。因为盾构掘进过程中的出碴量直接关系到土压的平衡，且会对地铁隧道变形造成影响，所以必须控制碴量。循环的出碴量按照下式计算：

式中：D为盾构直径；L为每循环的掘进长度；k为土的松散系数，取1.3～1.5。

经过计算可知，盾构机每掘进一个循环的出碴量应控制在22.12～25.52m3，同时采用龙门吊吊斗对碴土进行称重，从重量和方量两个方面对出碴量进行控制。若出碴量超出上述范围，应查明原因，采取应对措施。

2.3 同步注浆量和浆液质量控制

当盾构机掘进后，在管片与地层之间将存在一定的空隙，可采用同步注浆的方式填充，这样不仅可以控制地层变形、减少沉降，还有利于提高隧道抗渗性和管片衬砌的早期稳定性。同步注浆采用注浆量及注浆压力双重指标控制。注浆量Q的计算公式如下：

式中：V为计算空隙量；a为注浆率。

下穿段实际浆液的注浆率不小于2.0，根据计算公式得：

式中：R为注浆外环半径，m；r为注浆内环半径，m；L为每循环的掘进长度，m。计算得到注浆量为5.38m3/环。

考虑到下穿地铁地段对沉降控制要求很高，防止周边土体松动领域的扩大，对于同步注浆，根据该段的地层地质情况及以往的施工经验，盾构同步注浆配比按水泥∶水∶砂∶粉煤灰∶膨润土=2.5∶6∶5∶5∶1.5配制。根据设计资料及以往的施工经验，暂定注浆压力为0.025～0.03MPa。施工中，还需要根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验不断优化配合比参数。

2.4 二次补浆控制

为确保盾构穿越后地层不发生沉降，在下穿区段采用多孔注浆管片，每块管片上增设3个，每环增设注浆孔15个，进行深孔二次注浆加固地层。注浆浆液采用水泥+水玻璃双液浆，按水泥浆∶水玻璃=1∶1，注浆压力为0.2～0.3MPa实施。

二次压浆时必须指派专人负责，详细记录压入位置、压入量、压力值，并根据地层变形监测信息及时调整，确保压浆工序的施工质量[3-4]。

2.5 信息化施工

在盾构穿越期间，采用自动化监测技术，实时监测地铁隧道的变形情况。确保盾构洞内洞外信息沟通顺畅，根据实时监测数据调整洞内的盾构掘进和注浆参数[5-6]。

3 现场监测

为确保污水盾构下穿武汉地铁4号线顺利通过，对影响范围内的地铁进行监控量测，共布设监测断面42处，监测项目、频率及控制值如表2所示。

表2 监测项目

此次监测共持续测量4个月，结构主体沉降最大为2.1mm，隧道最大累计收敛为1.8mm，隧道水平位移最大为3.1mm。监测数据均较小，轨道差异沉降不明显，各监测对象变形量在警戒值范围内。在污水盾构下穿地铁过程中，地铁均处于安全稳定状态。

4 结论

文章以武汉大东湖污水深隧下穿武汉地铁4号线为工程背景，对盾构隧道穿越运营地铁的施工安全控制措施进行了研究，得到了以下结论：

（1）下穿地铁前，应设置盾构掘进试验段，通过试验对影响区的变形特征进行研究，积累经验，优化掘进参数。

（2）盾构掘进土压力应综合计算、现场情况及工程经验进行确定，该项目计算掘进土压力为0.283～0.357MPa；考虑列车动载较大，结合以往施工经验需适当增加轨道位置下的土压力，因此在施工过程中，掘进土压力控制在0.293～ 0.372MPa。

（3）盾构掘进速度控制在2～4cm/min，匀速推进，一个循环的出碴量应控制在22.12～25.52m3。

（4）为减小地层沉降，除了要同步注浆，还要在穿越段进行二次注浆。注浆过程中，也要严密监测，并根据实时监测数据，对注浆参数进行调整。