随着轨道交通和铁路建设的大力发展，盾构法修建隧道已是常见的施工方法。盾构掘进过程中不可避免地对周围土体产生扰动，导致土体初始应力重分布，从而引起地表沉降 ^[1,2,3]，盾构施工对既有建 (构) 筑物、铁路路基或桥墩等的影响规律一直是安全施工中的研究重点之一。而砂卵石地层作为一种典型的力学性质不稳定地层，因其结构松散、弱胶结、高灵敏度、受扰动后自稳能力差等特点，盾构施工风险更高。

　　 国内外学者对盾构下穿或侧穿既有建 (构) 筑物、铁路路基或桥墩等方面取得了诸多成果，孙雪兵 ^[4]采用有限元软件ANSYS研究了盾构施工对铁路桥梁结构变形及地表沉降的影响规律;袁海平等 ^[5]基于桥桩结构耦合弹簧力学计算原理与有限差分方法，分析了盾构推进过程中不同工况下桥桩水平变形、地层沉降的变化规律;丁智等 ^[6]基于土体损失计算理论，研究了盾构掘进对浅基础建筑物的沉降变形影响，并推导了理论解析解;徐慧宇等 ^[7]利用有限元软件MIDAS/GTS分析了区间隧道施工过程中对地表变形影响。

　　 目前，在已有文献中，多是针对常规直径盾构下穿或侧穿的研究，对大直径盾构既穿越全断面砂卵石地层，又下穿特级风险源铁路的施工案例非常少，无法给类似工程提供完善的施工经验和技术指导。本文结合北京地铁新机场线08标某区间工程，从设备适应性改造、试验段掘进分析、加固措施、参数控制、现场实测等方面对大直径盾构穿越全断面砂卵石地层和下穿铁路路基提供了较全面的风险控制经验。

　　 北京地铁新机场线08标3号区间风井—草桥站前接收井盾构区间采用2台外径为9.1m的土压平衡盾构机，隧道埋深10.7～24.3m，最大坡度为28.5‰，最小曲线半径为700m。隧道沿京开高速公路东侧绿地敷设，下穿南环 (丰双、大李) 铁路和南四环路到达终点草桥站前盾构接收井。隧道外径8.8m，内径7.9m，环宽1.6m，如图1所示。

　　 丰双铁路为双线电气化铁路，线间距为4.1m, 60kg/m钢轨，钢筋混凝土轨枕，直线区段，线路为2.0‰上坡。路基两侧有铁路通信、信号、光缆和电缆。大李铁路为单线电气化铁路，60kg/m钢轨，钢筋混凝土轨枕，直线区段，线路为1.0‰下坡。路基两侧有铁路通信、信号、光缆和电缆。南环 (丰双、大李) 铁路横跨京开高速公路而形成铁路桥，丰双铁路桥为4跨钢 (框) 架桥，桥桩为钻孔灌注桩，大李铁路为框架桥，无桥桩。

　　 南环 (丰双、大李) 铁路为3股碎石道床铁路，隧道与铁路整体呈60°斜交，铁路宽25.2m (铁路两侧护网实测垂直距离) ，盾构机斜穿跨铁路28.6m (隧道进护网处和出护网处中心线上实测距离) ，铁路上与隧道相交距离为长31m。隧道与丰双、大李铁路线平面位置关系如图2所示。

　　 丰双、大李铁路路基底标高为40.870m，基础底宽34m，此处隧道结构以R=1 650m转弯半径，15‰的坡度向下向右敷设。隧道拱顶标高在28.370～27.870m，即隧道拱顶上表皮距离铁路路基下表皮垂直距离在12.5～13m。下穿铁路时两条隧道净空距离为8.4m，垂直位置关系如图3所示。

　　 丰双、大李铁路桥横跨京开高速公路和辅路，为4跨钢 (框) 架桥。京开辅路挡墙距离隧道边线21m，大李铁路桥为框架桥，无桥桩设计。丰双铁路桥桥桩距离左线净空为10.16m，桥桩底部高于隧道底部1.38m，如图4所示。

　　 盾构区间地质变化较小，盾构始发到下穿铁路之间，地质从上至下，均为 (1) _l杂填土层、 (2) 砂质粉土黏质粉土层、 (2) ₁粉质黏土层、 (3) 砂质粉土黏质粉土层、 (4) 粉质黏土层、 (4) ₂砂质粉土黏质粉土层、 (5) 卵石圆砾层和 (7) 卵石圆砾层，隧道断面内的地质均为 (5) 卵石。盾构穿越丰双、大李铁路隧底最低绝对标高为19.210m，高于稳定水位1.86m。故隧道断面处于无水砂卵石地层，水文地质情况如图5所示。

　　 砂卵石地层是一种典型的力学性质不稳定地层，盾构在此种条件下掘进，刀具磨损严重 ^[8,9]。为更好地适应此地层掘进，将盾构刀盘进行改造，确保下穿铁路的顺利进行。

　　 刀盘由Q345C高强度钢焊接制作，刀盘表面焊接耐磨层，外周焊接25mm厚的复合耐磨钢板。刀盘主体结构强度高、耐磨性强，可满足砂卵石地层下耐磨损、不变形的施工要求;切削刀具加强、加大，由一般工程使用的6cm厚度增加到10cm，且呈双层高低布置，第1层刀高145mm，第2层刀高175mm，大大提高了盾构在砂卵石地层掘进距离，确保盾构在下穿风险源时安全通过;增加2把应急超挖刀，在盾构边缘刀具意外磨损情况下，可紧急启动超挖刀进行开挖施工，防止盾构在过铁路时姿态偏差或边刀受损而影响施工;盾构刀盘设有4处刀具磨损监测装置，可实时检测盾构刀具磨损情况，在过铁路前，如有刀具磨损异常，可停机更换，避免在下穿时出现刀具严重磨损停机，改造后的刀盘设计如图6, 7所示。

　　 盾构机支护系统由刀盘体、前盾、中盾和尾盾组成，盾体钢板厚度8cm，并设计H型支撑梁，防止盾体变形影响地层稳定;盾构机与地层的密封系统由2道气囊与密封共生式铰接密封和4道尾盾密封刷组成，在施工中，由3台油脂泵注入密封油脂，确保盾构机在地层内的安全密闭，盾尾密封如图8所示。

　　 由于砂卵石地层渗透性大，顶部注浆易于流动扩散，砂卵石地层成拱性差，容易坍塌 ^[10]，所以盾构设计时即优化注浆管布设，在顶部加强布设4路注浆管。盾构机配置的同步注浆泵采用德国施维因公司生产的3台6路改进型柱塞式注浆泵，注浆能力可达6×5m³/h，如图9所示。为了防止在注浆时浆液堵塞管路，系统配置了应急反冲洗系统，并备用6路注浆管，在管路堵塞时可随时调换。

　　 首先使用泡沫发生器，将高质量泡沫剂通过空气和水的配合比制成具有韧性而不容易破裂的小颗粒泡沫体，以填充和握裹砂卵石颗粒及间隙，使渣土颗粒产生流动和易性，再使用膨润土黏稠泥浆注入，使砂卵石渣土颗粒具有保水性，增加渣土的和易性，以充分改良砂卵石地层渣土开挖效果，膨润土泥浆具备充填地层空隙作用，对盾构开挖时的保水保压、防止地层扰动有良好效果 ^[11]。盾构配置9套 (9×2.4m³/h) 泡沫剂注入系统和3套 (3×15m³/h) 膨润土泥浆注入系统，如图10所示。

　　 为满足砂卵石地层施工，加大盾构机开挖系统功率配置，配置12个250kW电动机，扭矩达到19 760kN·m，由西门子变频器控制12个电动机的协同工作，可实现刀盘从0到2.8r/min无级变速，轻松应对地层变化导致的刀盘卡阻问题，避免刀盘由于功率不足导致频繁启停而加大地层扰动问题发生 (见图11) 。

　　 在试验段施工时，以控制地表沉降为目的进行试验掘进，对盾构机推进速度、推力、扭矩、刀盘转速、土仓压力、注浆量、膨润土泥浆和泡沫注入量与配合比等参数进行动态调整，得出1套对地表位移和变形影响最小的施工参数，掌握相同地质水文工况条件下盾构掘进参数与地表沉降规律 ^[12]。选择右线盾构机始发后59.47m作为试验段范围，试验段与盾构下穿铁路段地质相同，隧道断面内均为 (5) 卵石层，地层自上至下均为人工杂填土、砂质粉土黏质粉土、夹杂粉质黏土。

　　 该试验段分为3个监测断面，分别编号D15, D17, D19，其各自对应的环号为17～24环，38～44环，60～67环。右线盾构在2月26日刀盘掘进至D15断面，3月1日盾尾通过该断面。最大沉降点D15-8，监测点对应右线隧道轴线，累计沉降量为23.1mm，如图12所示。从图12可看出，沉降明显主要集中在盾尾脱出管片后。

　　 掘进D15断面时，盾构主要施工参数:土压力稳定在0.8～1.0bar (1bar=0.1MPa) ，推力控制在17 500～21 000kN，推进速度控制在30～40mm/min，同步注浆量每环为10～11.8m³ (理论注浆量为12～14m³) ，每环的排土量通过皮带输送机称重器进行测量为200～220t/环。沉降原因主要是同步注浆量偏少导致沉降较大。

　　 右线盾构3月10日刀盘掘进至D17断面，3月13日盾尾通过该断面。最大沉降点D17-8，监测点对应右线隧道轴线，累计沉降量22.3mm，如图13所示。从图中可看出，沉降明显主要集中在盾尾脱出管片后。

　　 掘进D17断面时，盾构主要施工参数:土压力稳定在0.7～0.9bar，推力控制在18 000～21 500kN，推进速度控制在30～40mm/min，同步注浆量每环为11～13m³，理论注浆量为12～15m³，出土量210～220t/环。分析原因为推进速度过快，浆液在短时间内达不到理想凝固效果造成沉降过大，同时同步注浆量偏低也是引起沉降过大的重要原因。

　　 每次试验段掘进完成后均对相应掘进参数以及施工方法做调整，右线盾构在3月19日刀盘掘进至D19断面，3月21日盾尾通过该断面。分析发现最大沉降点仍位于D19-8，监测点对应右线隧道轴线，但累计沉降量减小至14.9mm，如图14所示，说明通过调整掘进参数控制地面沉降取得了明显效果。从图可看出，沉降明显仍主要集中在盾尾脱出管片后，同步注浆完成后沉降明显减小，但3月23日又呈现增大趋势，主要是受左线隧道盾构的影响，并且未能及时二次注浆所致。

　　 掘进D19断面时，盾构主要施工参数:土压力稳定在0.6～0.8bar，推力控制在17 500～22 000kN，推进速度控制在25～40mm/min，同步注浆量每环为11.8～14.5m³，二次注浆量5～5.5m³，出土量控制在210～220t/环。经过总结经验以及及时调整，沉降已大大减小，但仍然超过控制值。

　　 以盾构隧道施工影响范围为基础，丰双铁路加固范围为隧道左线中心线外侧29.8m至盾构右线中心线外侧37.5m，总长87.5m，大李铁路加固范围为盾构左线中心线外侧19.3m至盾构右线中心线外侧35.5m，总长75m。在盾构距离大李线路中心线30m外完成扣轨加固措施，直至盾体穿过丰双线路中心线30m，线路基本稳定后为止;吊轨梁采用50kg/m钢轨，组装方式为3-5-3扣，钢轨接头须错开1m以上，两端与纵梁平齐，并加设临时梭头。吊轨与其下面的枕木用U形螺栓和角钢连在一起，以增强其整体性，并设轨距杆。扣轨加固示意如图15所示;U形螺栓用22圆钢制成，两端M22螺纹，螺纹长度80mm，每件包括4个螺母;应尽量减少拼接接头数量，并使接头远离线路;在扣轨期间，列车行驶速度45km/h，扣轨结束后，12h内限速45km/h，之后限速60, 80km/h各不少于24h，之后2h内限速90km/h，恢复正常。

　　 同步注浆浆液凝固后，体积会有一定的收缩，局部浆液与土体之间仍存在空隙，二次注浆能有效地进一步充实背衬空隙和提高止水能力，提高管片周围土体密实度，有效控制地层变形和地表沉降。根据区间施工对铁路的影响范围 (维护网外15m内) ，在盾构下穿丰双、大李铁路时，铁路维护网前后15m范围进行注浆加固，右线盾构注浆长度为70.96m，二次注浆范围如图16所示。

　　 在影响范围内采用3孔管片安装，增加注浆孔保证地层注浆加固的密集性，采用小导管插入管片背面进行压力注浆方式固结地层。在盾体进入设计加固范围时，当影响范围最远处离盾尾3～5环开始注浆，注入位置和方式如图17所示。为防止地下承压水渗漏，先将管片注浆预留口安装球阀，再采用YT28气腿式凿岩机进行钻孔，深入管片背部3m，将直径为32mm小导管插入。采用后退式进行注浆，每次注浆压力较大 (≤8bar) 时将注浆管后退60cm，直至注浆管全部退出。

　　 二次补浆采用双液浆形式，双液浆浆液可在地层内快速凝固。通过现场掘进试验得到效果最为理想的浆液配合比:每立方浆液材料使用量 (A液与B液体积比为1∶1) ，其中A液中水灰比为1∶1, B液中水∶水玻璃为2∶1。双液浆的凝结时间可达15～20s。注浆压力初设值拟定为0.5～0.8MPa，注浆扩散半径为600mm，即每个孔注浆量约为3.4m³，每环管片注浆17个孔。

　　 盾构机开挖直径为9.15m，盾体直径为9.1m，盾构开挖后会在盾体与地层间形成25mm的地层间隙，及时填充该间隙可增强同步注浆效果和有效减少地层变形。在盾构到达铁路影响区时，在盾体径向预留口上注入克泥效速凝剂进行地层微沉降控制，再进行同步注浆和二次补注双液浆或三次注浆及时补充管片衬砌与地层之间的空隙，提高地表沉降控制水平。

　　 为使渣土具有较好的土压平衡效果，便于稳定开挖面、控制地表沉降，并使切削下来的渣土顺利快速进入土仓，并利于螺旋输送机顺利排土 ^[13]。在本区间进行渣土改良措施有以下几点。

　　 1) 为使开挖土具有良好的流动性和止水性，渣土中须有30%左右的微细颗粒。如开挖土中微细颗粒不足，则需注入钠基膨润土、黏土等制泥材料，以补充微细颗粒的不足。在砂卵层施工时，要在土仓内的土砂中添加高浓度、高黏性的膨润土浆液和泡沫并加以搅拌，使土仓内的砂、石获得流动性和不透水性，并通过泥土压力与开挖面土压力平衡以及膨润土浆液在开挖面上形成的泥膜来防止开挖面坍塌。在卵石层施工，地层对切削刀头的磨损较大，依据施工情况可适当加入聚合物进行渣土改良，减少刀盘磨损，推进过程中应密切注意刀具的磨损情况。

　　 2) 根据以往施工经验，泡沫的注入率为30%～50%，泡沫的注入量为每m³渣土暂定为300～600L。膨润土泥浆注入率为10%～15%，注入量暂定13～17m³。

　　 排土量的控制是盾构在土压平衡工况模式下工作的关键技术之一 ^[14]。排土量原则上按照理论出土量出土，根据隧道开挖地层特点 (卵石) ，每环掘进出渣松散系数取1.12～1.15，尽量减少土体扰动，保证土体密实。

　　 每环出渣量应控制在117.7～120.9m³，施工过程中依据下穿试掘进段所总结施工参数进行优化调整。皮带输送机上设置渣土称重设备，每环推进完成做好出渣量统计，推进时建立好土压平衡，严格控制出土量，确保地层损失降至最小。

　　 盾构开挖直径为9 150mm，隧道衬砌管片外径为8 800mm，环形衬砌管片与土体之间环形施工空隙175mm，盾构施工时，需及时填充空隙，防止周围的土体产生应变而致使上部土体下沉，每环的注浆量应为11～14m³;同步注浆的初凝时间应控制在4～6h，浆液收缩值应>95%，即固结收缩率<5%，浆液稠度控制在8～12cm，浆液倾析率<5%。同步注浆是为了及时填充施工间隙，施工中，结合注浆量情况调整注浆压力，并控制注浆压力≤4.5bar，避免尾刷密封损坏及设备管路故障以及地表隆起等现象发生 (见表1) 。

　　 基于试验段总结的掘进经验，及时调整了盾构掘进参数并保持稳定。引起地层扰动的被动参数主要包括总推力和刀盘扭矩 ^[15]，掘进过程中需调整相应主动参数 (主要为推进速度和刀盘转速) 达到控制总推力和刀盘扭矩稳定的目的，盾构右线过全断面砂卵石地层时的推力及扭矩如图18所示。

　　 上部土压控制在0.7～0.9bar，推力控制在18 000～22 000kN，推进速度控制在35～45mm/min，扭矩8～12MN·m，刀盘转速1.4～1.6r/min。

　　 框架桥 (丰双铁路) 、钢架桥 (大李铁路) 沉降控制值为10mm;框架桥 (丰双铁路) 、钢架桥 (大李铁路) 差异沉降控制值为4mm;同时，应控制其变化速率不应过大，指标应变化平稳，铁路框架桥沉降速率控制指标应≤2mm/d，如出现变化速率异常，即认为存在危险征兆，应采取必要的工程措施。

　　 主要选取下穿铁路风险过程中掘进施工参数结合地表沉降数据进行分析，在62～80环 (下穿铁路段) 选择一个监测断面DBC-23，共7个监测点，每个监测点间隔5m;分别分析左、右线盾构下穿该监测断面时沉降数据变化情况。

　　 3月19日右线盾构刀盘到达DBC-23监测断面，3月20日管片脱出盾尾。盾构到达前有少量隆起，盾尾脱出后最大沉降点为DBC-23-06，最大沉降量为6mm，对应右线隧道轴线位置;盾构穿过监测断面后土体因注浆开始隆起，后期有缓慢沉降过大趋势是由左线盾构掘进影响所致，如图19所示。

　　 3月23日左线盾构刀盘到达DBC-23监测断面，3月24日管片脱出盾尾。盾构到达前有少量隆起，盾尾脱出后最大沉降点为DBC-23-02，左、右线累计沉降量为8.7mm，对应左线隧道轴线位置;盾构穿过监测断面后土体因注浆开始隆起，如图20所示。

　　 从现场沉降监测分析，通过采取以上各项措施，能将沉降很好地控制在10mm以内，而且沉降规律呈现先下降后隆起的趋势，达到稳定需2d左右时间。

　　 根据现场掘进断面记录左、右线的掘进参数如表2所示，从表中可看出掘进参数和试验段参数接近，说明试验段的参数取值对盾构正式穿越该段地层有重要参考意义。

　　 1) 盾构在砂卵石地层连续下穿特级风险源时对设备进行适应性改造实践证明尤为重要，改造后的刀盘可有效防止刀盘磨损，确保盾构下穿过程的一次性顺利通过;对注浆系统改造可有效控制地面沉降;开挖系统改造后可避免刀盘由于功率不足导致的频繁启停而加大地层扰动问题。

　　 2) 全断面卵石地层，盾构掘进到达前，地表隆起值稳定在1～2mm;管片脱出盾尾后，地表整体沉降增大，轴线处的沉降值最大，在隧道洞径范围的沉降基本累计沉降的65%左右;从断面监测情况看，盾构经过该断面后，土体趋于稳定2～3d。

　　 3) 在此地层大直径盾构下穿特级风险源时，要及时进行地面加固以及洞内加固，必要时可采取克泥效速凝剂加固措施，做好渣土改良措施，盾构掘进后及时采取有效的二次注浆加固措施，可有效防止地表沉降过大。

　　 4) 下穿前通过试验段确定合理的盾构掘进参数，从监测数据论证参数的正确性。下穿时确保合适的土仓压力、盾构总推力以及扭矩，控制推进速度尽可能保持匀速，减少对开挖面的扰动;保证同步注浆质量，控制同步注浆压力在合理范围。