盾构近距离下穿既有地铁运营线施工技术

引 言

近些年，我国各大城市轨道交通网络化快速发展，新建地铁隧道近距离下穿既有运营线成为常态。此类工程面临地层扰动敏感、既有线沉降控制严苛、施工风险叠加等挑战，若控制不当可能引发既有隧道结构开裂、轨道变形超限等严重后果。本文以某实际工程为例，通过理论分析、数值模拟与现场监测相结合的方法，重点研究盾构掘进参数优化、地层变形预测模型、智能化监测预警系统等关键技术，旨在构建适用于超浅埋、小净距、复合地层等复杂工况的盾构下穿既有线施工技术体系，为提升城市轨道交通建设安全性与效率提供理论依据与实践参考。

1 工程概况

以某轨道交通 12 号线某区间下穿既有 8 号线为例，该工程属超浅埋、小净距（最小净距仅 2.1m）穿越。区间地质复杂，上部为软弱淤泥质土，下部为中风化砂岩，地下水丰富。既有8 号线为运营主干线，日客流量大，对沉降控制要求极高，沉降需控制在 3mm以内。工程施工中采用复合式土压平衡盾构机，通过优化掘进参数、实施地层加固、建立智能监测系统等措施，确保盾构安全下穿，保障既有线正常运营。

2 工程施工难点分析

该轨道交通 12 号线施工区间地质条件复杂，上部软弱淤泥质土承载力低、稳定性差，盾构掘进易引发土体失稳；下部中风化砂岩硬度高，刀具磨损快，掘进效率低，且软硬不均地层易导致盾构姿态偏差。超浅埋、小净距（最小净距仅 2.1m）穿越，使盾构施工对既有线影响极为敏感。

实际开挖过程中，盾构掘进会扰动周边土体，引发地层应力重分布，导致既有 8 号线隧道下方土体沉降，进而使隧道结构产生不均匀沉降和收敛变形（如图 1 所示）。若沉降超限，会造成轨道几何形位偏差，影响列车运行平稳性与安全性；还会使隧道结构出现裂缝、渗漏水等病害，威胁既有线运营安全。此外，地下水丰富增加了施工风险，若防水措施不到位，易引发涌水、涌砂等问题，进一步加剧地层变形，扩大对既有线的影响范围。

图 1 新建隧道与既有隧道相互位置关系图

3 盾构选型与适应性设计

3.1 盾构机选择

该项目施工地段地质条件复杂且地下水丰富，同时面临超浅埋、小净距穿越的难题，经过综合考量最终选用复合式土压平衡盾构机。土压平衡模式在软弱淤泥质土层可有效维持开挖面稳定，通过调节土仓压力平衡水土压力可以避免土体坍塌和涌水问题的出现。而遇到中风化砂岩时，其配备的硬质合金滚刀能发挥强大切削能力，破碎岩石顺利掘进。并且，该盾构机具备灵活的渣土改良系统，针对不同地层可添加相应改良剂，改善渣土流塑性，便于出土和防止喷涌。在超浅埋、小净距工况下，土压平衡盾构机对周边土体扰动相对较小，能更好地控制地层变形，满足既有8 号线沉降需控制在 3mm以内的严格要求，保障既有线正常运营[1]。

3.2 关键部件适应性设计

首先，该工程施工中采用复合式刀盘结构，在软土地层区域设置较大开口率（约 45% ），有效提高了排土效率；同时，硬岩区域配置高强度硬质合金滚刀，且滚刀布局合理，确保切削均匀，减少刀具异常磨损。其次，螺旋输送机采用双螺旋结构，软土地层时可通过控制转速有效防止喷涌；当遇到硬岩或地下水位较高时，其耐磨涂层和密封设计能增强耐用性和防水性。再次，铰接装置采用主动铰接技术，可根据地质情况和掘进方向实时调整盾构姿态，在小净距穿越时精准控制盾构机行进轨迹，避免对既有线隧道造成过大挤压。此外，管片拼装机具备高精度定位和快速拼装功能，能提高管片拼装质量，增强隧道整体稳定性，适应复杂地质和运营环境要求。

4 掘进参数控制与优化

4.1 核心参数动态调控

本工程 12 号线区间下穿既有地铁 8 号线施工中，核心参数主要包括土仓压力、推进速度及同步注浆等。

土仓压力是维持开挖面稳定的关键，软弱淤泥质土层可根据地层压力和地下水压力实时调整，确保土仓压力与外部水土压力平衡，防止土体坍塌或涌水。

推进速度需与地质条件适配，在软土中适当提高速度以提高效率，但进入中风化砂岩层时，因刀具磨损大、掘进阻力增加，需降低速度，避免对刀具和设备造成过度损伤，同时减少对周边土体的扰动[2]。

同步注浆量则要根据盾构掘进产生的空隙大小和地层特性精准控制，在超浅埋、小净距工况下，注浆不足会导致地层沉降，注浆过量则可能引起既有线隆起，通过实时监测既有线沉降情况，动态调整注浆压力和注浆量，确保地层稳定。例如，穿越既有线关键区域时，将土仓压力精确控制在0.18-0.22MPa，推进速度维持在 15-20mm/min ，同步注浆量每环控制在 3.5-4.0m³ ，有效保障了施工安全和既有线运营。

4.2 多参数协同控制策略

多参数协同控制需建立参数关联模型，并基于该模型分析土仓压力、推进速度、同步注浆量等参数间的相互影响，如推进速度过快会使土仓压力波动，影响开挖面稳定，而同步注浆不及时又会加剧地层沉降。并利用实时监测系统收集各参数数据并反馈至控制中心，利用智能算法进行实时分析和预测。当监测到既有线沉降有增大趋势时，系统自动调整参数，适当提高土仓压力、降低推进速度并增加同步注浆量[3]。同时，结合地质预报信息提前预判参数变化，实现各参数的有机协同，确保盾构掘进过程中地层变形始终处于可控范围，保障既有线安全运营。

5 地层变形控制与既有线保护技术

5.1 地层加固措施

该地铁 12 号线区间下穿既有 8 号线施工过程中，地层加固是控制地层变形、保护既有线的关键。因隧道上方为既有地铁8 号线，地面无法实行有效的加固措施，故采用洞内超前加固注浆，加固范围为前盾、刀盘上方及刀盘前方 10m—12m。形成具有一定强度和隔水性的加固体，提高土体的承载力和稳定性，减少盾构掘进时土体的侧向位移和沉降。另一方面，在盾构穿越既有线前后一定范围内设置隔离桩，如钻孔灌注桩，形成一道隔离屏障，减少盾构施工对既有线周边土体的扰动传播[4]。此外，还需在隧道周边进行径向注浆，进一步加固隧道周围土体，控制隧道收敛变形。

图 2 洞内超前加固注浆范围示意图

5.2 既有线结构监测与预警

既有线结构监测与预警是保障既有线安全运营的重要手段，这就要求建立一套高精度、全方位的监测体系，在既有线隧道内布置了沉降监测点、收敛监测点、裂缝监测仪等设备，实时监测隧道的沉降、收敛变形以及结构裂缝发展情况。同时，在轨道上设置轨道几何状态监测装置，精确测量轨道的轨距、水平、高低等几何参数变化。此外，利用自动化监测技术将监测数据实时传输至监控中心，通过专业软件进行分析处理，生成变形曲线和报表。设定严格的预警值，当监测数据达到预警值的 70% 时，发出黄色预警，提醒相关人员密切关注；达到预警值的 90%HJ ，发出红色预警，立即启动应急预案（如表1 所示）[5]，这样能够及时发现既有线结构的异常变化，为采取相应的保护措施提供依据。

表 1 盾构下穿施工既有线监测预警机制表

5.3 应急保护措施

工程项目前期即使做了非常充分的准备，但施工期间也可能会发生一些难以预料的突发情况，这就要求制定相应的应急保护措施。该项目施工前就成立应急指挥小组，明确各成员职责，确保在紧急情况下能够迅速响应。同时准备了充足的应急物资，如钢支撑、注浆设备、应急抢险材料等，并定期进行检查和维护，保证物资随时可用。施工过程中，当监测数据出现异常或发生突发情况时，立即停止盾构掘进，根据具体情况采取针对性措施。如既有线沉降过大时，迅速在既有线隧道下方进行跟踪注浆，抬升沉降部位；若出现隧道结构裂缝，及时采用钢板加固、碳纤维布加固等方法进行处理。同时，加强与既有线运营部门的沟通协调，必要时对既有线进行限速或停运，确保乘客安全。

6 智能化施工监测与信息化管理

6.1 多源数据融合监测系统

该系统主要是通过集成盾构机传感器、自动化监测仪器、视频监控及第三方监测数据，实现全要素实时采集。例如，在深圳地铁 13 号线二期工程中，系统每秒采集刀盘转速、推进压力、土仓压力等 2000 余项参数，结合既有线轨道几何状态监测数据，利用 5G技术快速传输至云端。系统基于多源数据融合算法消除了传感器冗余信息，降低了数据噪声，形成对地层变形、既有线沉降的完整认知。当监测到既有线沉降速率超过 0.5mm/d时，系统自动触发预警，同步推送至施工、监理及运营单位，指导采取注浆加固或调整掘进参数等措施。这种动态监测与实时反馈机制，使施工风险响应时间缩短至分钟级，显著提升应急处置效率。

6.2 基于BIM的施工模拟与风险预判

BIM技术三维数字化模型为盾构施工提供“先试后建”的决策支持。在上海市域铁路机场联络线工程中，项目团队利用BIM模型整合地质勘探数据、盾构机参数及既有线结构信息，模拟不同地层条件下的掘进过程。通过 4D施工模拟，提前发现盾构机姿态偏差可能导致既有线隧道结构应力集中的风险点，优化推进速度与注浆压力参数[6]。例如，模拟显示在砂卵石地层中，推进速度超过 30mm/min 时，既有线沉降可能突破3mm控制值，据此调整施工方案，将推进速度控制在 25mm/min以内。此外，BIM模型还用于碰撞检测，发现盾构机与既有线排水管存在12cm空间冲突，通过调整管片排版方案避免施工返工。这种基于BIM的风险预判，使施工安全隐患识别率提升 40% ，风险处置成本降低 25% 。

6.3 大数据分析与智能决策支持

大数据分析技术为盾构施工提供科学决策依据。中铁十一局集团开发的“智慧盾构”系统，通过采集全国 40 个城市、570 公里盾构隧道施工数据，建立掘进参数数据库。利用机器学习算法，系统可自动推荐最优参数组合。例如，在郑州地铁 10 号线工程中，系统根据地质剖面图自动匹配类似地层施工案例，推荐土压平衡模式下的土仓压力为 0.2MPa、推进速度为 18mm/min ，实际施工沉降控制在2.8mm以内。此外，系统还具备故障预测功能，通过分析盾构机主轴承温度、振动频率等数据，提前72 小时预警设备故障，避免非计划停机。在深圳地铁 13 号线二期工程中，大数据分析使盾构机故障率降低 30% ，施工效率提升 15% ，验证了智能决策支持系统的有效性。

结束语

总而言之，盾构近距离下穿既有地铁运营线施工中需融合多源数据监测、BIM模拟预判、大数据智能决策以及精准地层加固与既有线保护等系列技术。通过核心参数动态调控、多参数协同控制，结合应急保护机制，有效化解了复杂地质与运营安全的多重挑战。该技术不仅保障了施工安全高效推进，更为城市轨道交通密集建设提供了可复制、可推广的标杆范例。

参考文献

[1]黄少龙.盾构区间近距离下穿既有线路施工技术要点分析[J].运输经理世界，2024，(36):7-9.

[2]赵明.地铁盾构近距离下穿既有线区间隧道施工技术研究[J].山西师范大学学报(自然科学版)，2024，38(04):116-121.

[3]刘洋.大直径盾构施工近距离斜交下穿既有车站影响分析[J].智能城市，2024，10(10):123-125.

[4]甄晓亮.盾构法近距离下穿施工对既有盾构隧道的影响[J].价值工程，2024，43(29):24-27.

[5]杨帆.近距离盾构下穿既有运营地铁线路区间隧道的影响分析[J].中华建设，2024，(09):79-81.

[6]董建忠.双线盾构近距离下穿运营盾构隧道的施工影响研究[J].甘肃科学学报，2024，36(04):54-61.