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摘要：以北京地铁盾构隧道穿越既有运营地铁线为例，探讨了土压平衡盾构近距离下穿既有机场线的施工技术。介绍了在近距离、砂层段下穿既有运营线等不利工况下，通过采取提前的调查分析、试验总结，到掘进控制推进参数、增加注浆和克泥效工艺，增加动态监测、穿越后径向注浆等一系列措施，实现盾构安全、稳定地穿越运营地铁线路的施工技术。
关键词：地铁；盾构隧道；既有线；近距离；盾构施工
1 工程概况
北京地铁17号线工人体育场站～香河园站区间南起工人体育场站，沿新东路向北，途经大使馆区，下穿亮马河，机场线东直门～三元桥区间，“二环~机场路联络线北线高架桥”，在新东路与东直门外斜街交叉口左转接入香河园站。区间设计起点里程YK24+825.439（ZK24+825.439）,终点里程YK26+795.646 （ZK26+762.523），右线全长1970.207m（左线全长1937.084m）。区间左线下穿既有机场线里程为ZK26+582.483～ZK26+603.302（128环-153环）、右线下穿里程为YK26+598.647～YK26+618.870（141环-167环）（下穿最小间距2.94m）。本标段采用铁建中共生产的土压平衡盾构机，隧道衬砌外径为6400mm，内径5800mm，管片厚度为300mm。
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图1 既有机场线东直门站～三元桥站区间平面示意图
区间穿越既有机场线隧道拱顶覆土厚度约23.5～26.3m（下穿最小间距2.94m），根据地质图情况，盾构区间主要穿越区间穿越土层主要为中砂、粉质粘土、粉细砂层，所处土层地下水大部分为层间潜水～承压水（四）和承压水（五），与既有线夹层土主要为粉质粘土层及砂层。
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图2 盾构穿越地层剖面图
2 穿越前施工措施
2.1既有线现状调查
既有机场线东直门站～三元桥站区间起自东直门长途汽车站场的盾构接收井，至三元桥站结束，盾构由三元桥站始发。现为已建成运营隧道，于2008年7月19日全线开通。隧道盾构外直径为6m，管片厚度0.3m，线间距13m。
根据《城市轨道交通设施养护维修技术规范》（DB 11/T 718-2016），检测范围区间隧道总体状况评定指数TCI=95.9分，总体状况评定为一级。
（一）主体结构
（1）检测范围内盾构区间管片混凝土外观质量完好，未发现麻面、露筋、掉块、渗漏等病害；区间步行板安装牢固，未见破损及缺失。在区间右线K1+536.3拱顶处见1处管片破损，S=0.08×0.15m2；
（2）检测范围在左线K1+526.8拱顶处盾构管片表面有7条裂纹；
（3）检测范围内盾构区间相邻管片的环间与环内错台量均在《盾构法隧道施工与验收规范》（GB50446-2017）成型隧道允许偏差范围之内；
（4）检测范围内盾构左、右线区间管片混凝土强度上限值分别为55.6MPa和54.9MPa，满足C50设计强度要求；
（5）检测范围内左、右线管片混凝土碳化深度均在0.5~1.5mm之间。
（二）道床结构
（1）检测范围内区间道床形式为埋入式长轨枕整体道床，道床结构混凝土表面完整、无明显缺棱掉角，排水沟无淤塞；
（2）检测范围内区间道床结构表面共发现5条横向裂缝，均位于右线道床，宽度在0.32~0.46mm之间，深度在45~72mm之间，长度在0.16~1.7m之间其中宽度最大裂缝位于K1+528.8和K1+541.8处；
（3）检测范围内左、右线区间道床混凝土强度分别为44.0MPa和44.5MPa；
（4）检测范围内左、右线道床混凝土碳化深度均在2.0~3.0mm之间；
（5）检测范围内未发现道床与结构底板剥离情况。
2.2试验段施工参数总结
对于盾构穿越既有机场线的防塌方、防沉降，作为核心管控目标，结合施工过程及不同区域（如既有区间结构和感应板）分解控制标准。通过选取2个试验段，验证施工参数的合理性并逐步优化，找出地层沉降与施工参数间的关联规律，同时采取措施闭合缺陷、梳理工序，总结出最优的施工参数和控制方式；从技术准备到施工管理方面做好充足准备，确保正式下穿机场线时掘进顺畅、沉降可控。
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2.2.1 1#试验段的总结分析
在试验段施工期间，对地表沉降采取每环进行一次监测，通过每一环完成后的监测，分析出盾构机从下穿前、下穿过程中、通过后及后期的测点沉降变化。
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图1 地表监测点平面布置图
表1 1#试验段所涉及测点沉降变化情况
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根据ZDB-05-02测点是在该试验段整体穿越的测点变化，在盾构穿越前地面会出现约0.53 mm的隆起，而在穿越过程到穿越后，在到后期沉降分别由-0.4 mm、-0.5 mm、-0.8 mm的沉降。综上，单个测点最终累计沉降约为-1.42mm~-3.38mm。
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图2 1#试验段掘进参数分析图
通过1#试验段的总结分析掘进各参数情况如下：
1、总推力：左线25～40环，此阶段掘进时各环平均推力波动较大，但总体推力值控制在18000kN以下，波动范围为11000kN～18000kN之间。
2、刀盘扭矩：左线25～40环，此阶段掘进时各环刀盘扭矩基本平稳，通过地层分析在土压1.1-1.4bar之间时,刀盘扭矩维持在2100-2800knm。
3、上部土压：左线25～40环，上部土压普遍维持在1.1-1.4bar之间.其中最大为1.8bar。
4、掘进速度：左线25～40环的掘进期间，在保障地面沉降的基础上，调整掘进施工的状态。按照上述掘进的参数对比。其掘进速度均控制在40-65 mm/min之间，最大可达到83mm/min。
表2 1#试验段掘进参数总结
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2.2.2 2#试验段总结
通过1#试验段的分析，在盾构穿越前、穿越过程中和穿越后的测点变化情况。控制沉降应该减少穿越前的隆起、减少穿越过程中的沉降和后期的滞后沉降。
由此，在1#试验段的掘进参数的基础上，在保证土仓压力的同时降低推力。从而达到减少前期隆起的目的。然后在盾构通过中和通过后增加注浆量和控制注浆压力，保证沉降情况。
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图3 试验段地表监测点平面布置图
表3 2#试验段所涉及测点沉降变化情况
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在1#试验段的基础上进行了调整，在能够保证平稳顺利的掘进状态下。在盾构穿越前地面出现约-0.1 mm的沉降，而在穿越过程到穿越后，在到后期沉降分别由-0.7 mm、-0.4 mm、-0.56 mm的沉降。综上，单个测点最终累计沉降约为-0.07mm~-1.68mmmm。
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图4 2#试验段掘进参数分析图
通过2#试验段的总结分析掘进各参数情况如下：
1、总推力：右线71～103环，相比1#试验段的推力总体要更加稳定，波动较小，其范围为13000kN～15000kN之间，最大17000kN。
2、刀盘扭矩：右线71～103环，相比1#试验段刀盘扭矩有些提高，增加至3500-4000knm。
3、上部土压：右线71～103环的土仓压力相比1#试验段普遍要高，平均约提高0.4bar最大为2.0bar。基本处于1.2-1.6bar之间
4、掘进速度：右线71～103环的掘进期间，在土压提高、总推力稳定的情况下，总体速度也基本趋于稳定。其掘进速度均控制在50-75 mm/min之间，最大可达到77mm/min。
综合2#试验段的掘进参数分析，在同样地层中，在推力稳定在13000kn-15000kn范围内，在较高的保证土压的情况，能够保证掘进的良好状态。经分析总结参数如下
（1）正常掘进参数：
表4 2#试验段掘进参数总结
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2.2.3参数总结及参数控制
表5 试验段参数总结
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3 盾构穿越过程中施工措施
3.1掘进过程控制
1 掘进控制流程
为了减少对既有机场线路的影响，减少既有线周围土体的沉降变形，盾构机在过既有线时需要优化掘进参数，主要控制的指标为：掘进速度、土压控制、同步注浆量、注浆压力、推进压力等，要求整个掘进过程土压平衡模式，避免土压忽大忽小。同时，在盾构到达影响范围通过静力水准动态监测，每10分钟反馈一次数据，采用通过的二次注浆和径向注浆控制既有线路变形。
2 掘进模式选择
根据隧道洞身地质情况及周边环境，本段隧道采用土压平衡模式掘进；土压平衡掘进模式的主要技术措施：
（1）土仓内土压力值P不小于0.8倍静水压力和地层土压力之和。穿越段隧道埋深23.5～26.3m，盾构区间主要穿越区间穿越土层主要为中砂、粉质粘土、粉细砂层，掘进过程中土仓土压力控制在0.1～0.15MPa范围。
（2）土仓压力通过掘进速度、排土量两种方法建立，并维持切削土量与排土量的平衡，以使土仓内的压力稳定。掘进速度充分考虑同步注浆的流量和注浆量；排土量采用体积、质量双重控制，螺旋机速度与出土量匹配。
（3）强调合理的贯入度，避免过多刀盘空转，防止土体间的镶嵌摩擦冲击造成的切削作用，造成掌子面坍塌，推进过程中速度不宜过快，保证同步注浆时间和质量。
（4）在实际掘进施工中根据地质条件、排出的碴土状态以及盾构机的各项工作状态参数等动态地调整优化，此模式掘进时采取碴土改良措施增加碴土的和易性。
3.2渣土改良
盾构在黏土、粉细砂地层中掘进，进行渣土改良是保证盾构施工安全、顺利、快速进行的一项必不可少的技术手段。在左、右线盾构下穿期间将采取以下渣土改良措施：
（1）泡沫剂改良
泡沫采用气量大的干泡沫，泡沫气量设置为350L/min左右，泡沫混合液流量设置为25L/min左右，掘进一环的泡沫混合液总量不超过5m³。泡沫溶液的组成：泡沫添原液浓度为2%， 泡沫组成：90～95%压缩空气和5～10%泡沫溶液混合而成，具体参数根据试验段总结的参数进行设置，可根据实际情况优化调整。
（2）刀盘中心加水控制
在渣土明显干燥时，中心加水流量控制在100L/min左右，如果螺旋机出渣口发现渣土较稀时，立即将中心加水调节至70L/min左右。出现突发喷涌时，立即将刀盘中心加水关闭。
3.3克泥效注浆
通过控制要点分析中，克泥效对地层中盾体上方的回填可有效控制地表测点沉降，通过试验段分析出克泥效的使用与地表监测变化的线性曲线，从而调整注入克泥效的方量达到监测点沉降控制的目的。
为填充盾构机开挖过程中地层与盾体之间空隙，在盾构机刀盘进入既有机场线区域范围时，通过盾体径向孔注入高黏度塑性的胶化体，对盾体前行起到润滑减阻并对盾体与土体间隙起到填充支护的作用。由于开挖直径大于盾构外径，且盾体外径前大后小，注入克泥效是对盾构机经过风险源区域的第一道支护，可有效的防止注浆填充之前盾体上部土体的沉降。
由于盾构机刀盘直径6640mm，盾体直径6600，造成盾体与土体之间存在20mm空隙，经过计算盾体上方的间隙需回填0.8方，及时通过中盾预留孔往空隙里注入克泥效，中盾注浆孔如下图所示。
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图1 中盾注浆孔图 2 克泥效填充空隙示意图
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图3 克泥效注入流程图
3.4同步注浆
盾构在推进中采用同步注浆和衬砌壁后补压浆，使土体与管片圆环间的建筑间隙密实，减少后期变形，是盾构推进施工中的一道重要工序。同步注浆的必要条件由填充性、限定范围、固结强度（早期强度）三要素组成，如下图所示。
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图4 同步注浆三要素
同步注浆采用水泥、砂子、膨润土、粉煤灰和水混合浆液，初凝时间控制在6h内，结实率大于95%，终凝强度不小于1.7MPa，注浆压力0.2-0.4MPa。为保证同步注浆质量，对注浆设备、材料及配合比进行严格控制，过程中制定专人负责记录。
1 同步及二次注浆控制
盾构在推进中采用同步注浆和衬砌壁后补压浆，使土体与管片圆环间的建筑间隙密实，减少后期变形，是盾构推进施工中的一道重要工序。同步注浆的必要条件由填充性、限定范围、固结强度（早期强度）三要素组成，同步注浆采用水泥、砂子、膨润土、粉煤灰和水混合浆液，初凝时间控制在6h内，结实率大于95%，终凝强度不小于2.5MPa，注浆压力0.2-0.4MPa。
二次注浆的时机为脱出盾尾后5~7环位置，注浆材料采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥及水玻璃，配比为水泥：水=1：1（质量比），水泥浆：水玻璃（体积比）=2：1，注浆孔布置根据现场管片拼装情况确定。压力控制在0.5Mpa以内，防止因压力过大造成管片错台，稳压时间不小于30分钟。
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图5 左线同步及二次注浆量统计
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图6 右线同步及二次注浆量统计
根据理论计算及现场实际注浆量统计，结合地面及既有线沉降情况，本次穿越既有线期间壁后注浆饱满，满足施工要求。
3.5二次注浆
盾构穿越时在管片上增设注浆孔，根据地质及掘进情况，进行跟进二次注浆，二次注浆的时机为脱出盾尾后4环位置，通过管片背后进行开孔注浆。每环一次。加固范围为盾构上半断面外轮廓外3m，注浆范围详见图4.7-1所示。
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图7 二次注浆范围
注浆材料采用P.O42.5级普通硅酸盐水泥，浆液配比、注浆压力、注浆量等注浆参数，应结合现场条件和周边环境进行试验确定，注浆孔布置根据现场管片拼装情况确定。应注意注浆压力控制，防止因压力过大造成管片错台，建议压力控制在0.2～0.4MPa之间，稳压时间不小于30分钟。
注浆完成后，做好注浆孔的密封，保证其不渗漏水。经过控制要点分析，在盾构正常掘进过程中，在盾构机脱出后，地表沉降明显，通过注入二次浆液解决同步浆液以及后面的浆液凝结时间。以提供在后期的沉降问题。
二次补注浆浆液采用水泥、水玻璃双液浆，水泥浆水灰比为1：1，水泥浆与水玻璃体积比2：1，
3.6径向注浆
当出现超方且地面条件无法处理时，采取在洞内连接桥位置进行径向注浆处理，径向注浆处理在隧道内洞顶选点，顶入注浆管后压注浆液，实现对损失地层的补充。
顶管位置首先考虑刀盘对应地表测点位置进行径向注浆，需要在掘进当环增加12环后为注浆位置，即测点正下方。方可进行径向注浆加固。
（1）在管片拖出盾尾后，安装注浆管及球阀，钢管外露10cm并接上单向球阀。
（2）采用岩石钻机进行钻孔，钻杆顶进时，注意保护管口不受损、变形，以便与注浆管路连接。
（3）为保证注浆效果、控制地层和既有线的沉降，注浆液为水泥-水玻璃双液浆，注浆压力、浆液配比，注浆方量等具体数值应根据试验段成果优化调整。
3.7自动化检测
针对既有线管片隧道本体的沉降，采用静力水准沉降自动监测系统进行监测，实时掌握隧道内轨道变化情况。保证在列车行驶期间的平稳和安全，监测点的布设立足于随时可获得全面信息，监测频率必须根据施工需要安排，每次测量要注意轻重缓急。
4穿越既有线沉降情况
通过试验段的掘进参数的优化，很好的控制了地面沉降，同时也总结出来较好的，适合本地层的掘进参数。而盾构下穿既有机场线，是将上部隧道布置静力水准，进行动态监测盾构穿越既有线后，持续对既有线范围进行监测，一旦发现沉降值有明显变化，立即会同有关单位根据监测情况制定有效措施，保障既有线运营安全。
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图1盾构穿越既有线隧道静力水准布置平面图
1盾构穿越期间动态监测曲线变化
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图2盾构穿越期间及完成后测点变化曲线图
通过全过程的监测反应出来，在盾构穿越前地面会出现约0.2mm的隆起，而在穿越过程到穿越后，在到后期沉降分别由-1.3mm、-2mm、+1.2 mm的沉降。综上，单个测点最终累计沉降约为-1.5mm。
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图3盾构穿越期间及完成后测点变化曲线图
通过全过程的监测反应出来，在盾构穿越前地面会出现约0.3mm的隆起，而在穿越过程到穿越后，在到后期沉降分别由-1.1mm、-1.8mm、+0.9 mm的沉降。综上，单个测点最终累计沉降约为-1.0mm。
综上可知，通过有效保证土仓压力、克泥效的注入、同步浆液和二次浆液，减少了全过程的穿越的沉降程度。并过程在后期的多次注浆，将既有隧道的沉降量有了+1mm的提升。从而有效在全过程中将沉降控制在+1、-2mm范围内。
5结束语
结合本次的顺利穿越施工，在全国范围内盾构下穿盾构区间并且是运营既有线是属于首次。此次顺利施工不但很好的控制了成型隧道的质量，同时也保证了上部既有隧道的安全运营，满足相关规范要求。此次成功经验通过试验段的总结、地层分析、荷载计算、施工参数等数据对比分析，进行及时有效的注浆控制。积累了宝贵数据和经验，同时也验证了设备的适应性与相关技术方案的可行性和可靠性。这为后续类似的盾构穿越施工提供参考。