浅谈双螺旋土压盾构下穿既有地铁线路的风险控制

鲍迪恺

广州轨道交通建设监理有限公司广东广州510000

摘要：本文根据广州地铁十四号线一期施工12标用双螺旋土压盾构下穿广州地铁三号线的案例，通过和泥水盾构下穿广州地铁三号线的成果对比，分析在泥岩地层下穿重要建构筑物双螺旋土压盾构对比泥水盾构的优势，以及总结双螺旋土压盾构机下穿重要建构筑物的施工控制要点，对下穿过程重要建构筑物的保护措施进行分析与说明。

关键词：双螺旋土压波动控制喷涌既有线保护

0前言

随着我国经济的不断发展，对交通行业的需求越来越大，隧道和地下工程如城际轨道、越江隧道、公路隧道、铁路隧道、综合管廊隧道的呈现大规模发展的趋势，盾构法施工已成为隧道建设的主要施工方法之一。复杂的地质条件，对盾构施工带来困难和挑战，密集的城市地铁规划路线，导致盾构施工不可避免地必须下穿城市既有地铁线路和市区中心重要建筑物的情况。如何保护上方的重要建构筑物，降低土压盾构施工风险。

1工程概况

本工程为广州市轨道交通十四号线一期施工12标，主要为嘉禾望岗站～东平站盾构区间以及中间风井土建工程。其中中间风井～嘉禾望岗站区间左、右线与地铁3号线北延段正线相交，左线交叉区域765~796环，右线交叉区域771环~805环，竖向最小垂直距离为3.34m。其中左线使用的是三菱泥水盾构机1606，右线使用的是海瑞克双模盾构S851。

图1新建线路与既有三号线的位置关系

1.1地质环境

根据区间地质详勘报告显示，14号线与3号线的交叉范围所处的地层为<7-2>强风化泥岩、<8C-2>中风化灰岩、<9C-2>微风化灰岩，正处于二叠系P1q和古近系E1x岩层不整合接触带中，不整合接触带范围内可能岩层较为破碎，裂隙发育，地下水丰富，加大了盾构穿越难度。

图2下穿三号线区域的地质环境

1.2盾构下穿三号线风险分析

既有三号线作为广州市区连接白云机场的主要交通干线，每日客流量极大，十四号线隧道施工时需确保三号线隧道的安全，避免因施工影响3号线正常运营，因此，在施工前需充分分析十四号线隧道施工的风险，具体风险如下：

1.2.1影响运营风险

本工程盾构下穿的既有三号线每天都在高速运行，对开挖面顶部造成很大的扰动，下穿时如果既有三号隧道产生沉隆超过10mm或者引起左右轨道高差超过2mm，将造成地铁运营风险，三号线将停运，给沿线市民出行将产生巨大影响，并造成社会舆论风险。

1.2.2施工周期引起的风险

拟建十四号线隧道与三号线隧道平面斜交，盾构左线穿越距离达46.5m，右线穿越距离达51m，两条线路连上前后影响区域，下穿三号线的影响范围都有150米左右，施工影响周期较长，风险暴露时间长。

1.2.3地质风险

十四号线隧道与三号线隧道所处地层均为岩层，自稳性较好，但在交叉范围内存在一处二叠系和第三系岩层不整合接触带中，不整合接触带范围内可能岩层较为破碎，裂隙发育，地下水丰富，加大了盾构穿越难度。

1.2.4近距离施工的风险

十四号线隧道与三号线隧道最小间距仅3.34m，如盾构下穿时如施工参数不合理，对既有三号线隧道造成严重影响。

2双螺旋土压盾构模式下穿三号线情况

中~嘉区间右线S851双模盾构都成功下穿了三号线，其中S851下穿三号线及其影响区域用时10天，日均掘进9.4环，从刀盘进入下穿影响区域到盾尾脱出下穿影响区域后持续监控30天为止，各项沉降参数均未报警超限。与左线泥水盾构的具体对比如下表：

标三双螺旋土压盾构与泥水盾构下穿三号线监测数据对比

有上面的表格可以看出，在该地层中下穿三号线时，双螺旋土压盾构在建构筑物保护方面与泥水盾构持平甚至优于泥水盾构。

3S851成功顺利下穿三号线原因分析

一般而言，土压平衡盾构在下穿重要建构筑物的时候风险是要比泥水平衡盾构机大的，因为土压平衡盾构机在掘进过程中容易发生喷涌，在地下水、渣土流动性较强的时候，仓内的渣土在压力作用下，大量喷射出土仓，导致超挖和土仓压力瞬间降低，土仓压力的波动会扰动地层，尤其在新建隧道的顶部距离三号线结构的底部只有3米左右距离的情况下，极易引起三号线沉降和位移，造成既有三号线的结构危险和运营危险。但是S851却使用双螺旋土压平衡模式，在保护运行中的三号线的同时迅速、高质量地完成了下穿隧道的建设任务，监理部根据下穿过程的情况以及施工单位采取的施工保护措施，分析了S851盾构机用双螺旋土压模式下穿既有三号线成功的原因。

3.1两级螺旋输送机形成两级土塞效应

S851是双螺旋输送机，即在单级螺旋输送机的基础上再增设一级螺旋输送机，延伸了螺旋输送机的结构长度和叶轮数，每级螺旋输送机具备独立的驱动系统，既可联动控制也可每级独立操作。通过调节两级螺旋输送机的转速，使二级螺旋输送机转速小于一级（二级螺旋机转速主要控制出土量，根据掘进速度和出渣状况确定，掘进时两级螺旋机转速差约6~8rpm，可在两级螺旋机之间有效形成土塞），这样由于一级螺旋输送机输出的渣土多于二级螺旋输送机输出的渣土，使渣土很快在两节螺旋输送机间积聚而形成土塞，这样在土仓出渣口和两级螺旋机之间会形成两级土塞，从而可以有效地防止喷涌的发生。

图12双螺旋盾构防喷涌装置

3.2采用浓泥浆辅助掘进

通过三号线隧道施工期间，S851在渣土改良剂储罐中长期配置6m3浓泥浆，浓泥浆粘度约60s，同时可以通过柱塞泵泵送。S851在三号线下方780-800环地质不整合面范围的掘进期间由于地下水丰富，导致渣土流动性强，曾出现气压波动过大，喷涌等情况，通过渣土改良剂储罐下的柱塞泵把浓泥浆注入土仓和螺旋机内，利用浓泥浆填充地层裂隙，进行渣土改良，维持土仓压力稳定，同时利用浓泥浆填充渣土与螺旋输送机之间空隙，形成良好土塞，实现防喷涌，稳定了土仓压力和控制出土量，减少了地层的扰动。

3.3施作止水环

S851下穿三号线范围内存在地质不整合面，地下水较丰富，离掘进可能引起地下水通道相连，导致仓内水压变大，影响同步注浆的质量和成型管片的稳定，从而导致新建隧道和既有三号线出现沉隆异常。因此在穿越该段地层期间每环掘进过程中在顶部同步注双液浆，并且以注浆压力为同步注浆和二次补浆的控制指标，根据地表埋深换算，注浆压力控制在0.4Mpa，直至该压力无法注入为止，通过这种方法保证了把超挖面与管片间的有效填充，防止上方的三号线出现沉降。

4总结

双螺旋土压盾构下穿既有地铁运营线路的技术在本项目得到成功应用，比起传统的单螺旋土压盾构机，双螺旋在控制土仓压力波动、防喷涌、维持开挖面的稳定等方面有明显的进步，只要做好各项风险控制措施，在部分地层下穿建构筑物可以达到泥水盾构机的沉降控制效果，达到保护建构筑物的目的。