随着城市轨道交通建设的日益发展，不但极大地便捷了广大人民群众的出行，还有力的缓解了大城市交通出行拥堵不堪的状况。但随着地铁线网的不断加密，盾构隧道近距离下穿河道及大直径污水管线的建设情况也随之而来。保证盾构隧道安全穿越且不影响后期的运营安全成为必须要解决的问题。北京作为首善之都，在建设世界性城市的道路上不断迈进，对工程建设事故的追责力度不断加大，且对安全质量的要求也越来越高，这就要求在盾构穿越河道及大直径污水管线时采取更有效的措施，坚决杜绝安全质量事故的发生。
工程背景
随着北京市两期城市轨道交通建设规划方案的实施，当前北京地铁已运营线路达到699km，预计到2022年时，通车里程将达到1000km。随着北京城市轨道交通建设的快速发展，盾构隧道近距离下穿河道及大直径污水管线的建设情况近年来较为常见，且穿越环境越来越复杂。其中地铁10号线二期在公主坟至巴沟段多次穿越昆玉河及大直径，轨道交通西郊线在颐和园西门至巴沟段以V坡穿越昆玉河及大直径污水管线，北京地铁7号线东延工程在黑庄户站至万盛南街西站区间连续下穿京哈高速、φ1000超高压天然气管、南大沟及大稿沟河道，本文主要结合这些工程实践进行论述。
盾构施工的关键技术
盾构法施工过程中，需要极力控制地层的变形及地表沉降，以免引起上方临近河道及带水管线发生渗漏，从而影响盾构施工的安全，需要通过盾构机选型及盾构参数优化等一系列措施，来保证盾构安全穿越。
(1 ) 选择适合的盾构机，防止盾构机停机
根据隧道尺寸、长度、覆土厚度与地层状况等因素，来选定盾构机的工作，简称盾构选型。
采用盾构法施工的隧道对周边环境要求较为严格，必须慎重选择所采用盾构机的类型。鉴于北京位于永定河冲积带，地层中大粒径漂石较多，由于液压钳无法破碎大粒径漂石，导致泥水平衡盾构的不适宜性，因此近年来选用土压平衡盾构机较多。在穿越河道及带水管线施工时，必须要防止盾构机的停机。产生盾构停机的原因有：①刀盘被大粒径卵石卡住，无法掘进；②刀盘磨损严重，无法正常掘进。针对这种情况，盾构机的选型应考虑盾构刀盘的开口口径和开口率，在盾构掘进时，保证出土的流畅性。考虑砂卵石对刀具的磨损，应通过对刀盘主体结构进行整体性焊接并采用高张力钢来增强刀盘的强度及刚度。其次，为了能更好地改善卵石塑流性和止水性，还应对盾构机的加泥系统进行优化，通过增加添加剂注入口，注入口可注入泥浆材料、发泡剂和水等添加剂。为了确保加注入的添加剂的效果，在胸板上设注入口向土舱中加注添加料，用于对开挖面上的土体进行改良处理。
(2)设定恰当的盾构掘进参数，减小地层扰动
根据规范计算，设定盾构初步掘进参数。盾构主要参数初步计算应参照GB50157—2003地铁设计规范计算方法，初步确定盾构主要参数及区间隧道的地质参数。①主动土压力的确定。盾构在隧道中掘进时所受的荷载分布如图1所示。根据隧道上覆土厚度并在计算中按照隧道平均埋深考虑，在计算中采用主动土压力计算方法：P=γ•H•tan2(45－φ/2)－2c•tan(45－φ/2)。 其中，γ为掘削地层的土体容重；H为掘削面上顶到地表的覆土厚度，H=13m；c为土体的粘聚力；φ为土体的内摩擦角。盾构掘进实际土压力控制在主动土压力计算值的1.0倍～1.2倍，实际土压力控制值在1.03bar～1.23bar范围内。 ②推力计算。盾构最小推力由壳体外摩擦阻力F1、克服胸板所受的土压与水压的推力F2、后续设备的牵引力F3、管片与盾尾密封的摩擦阻力F4等组成。所选盾构配备推力应远远大于盾构最小推力。③扭矩计算。盾构配备的扭矩主要克服刀盘的切削扭矩、刀盘自重产生的旋转反力矩、刀盘的推力荷载产生的旋转阻力矩、密封装置产生的摩擦力矩、刀盘前表面上的摩擦力矩、刀盘圆周面上的摩擦反力矩、刀盘背面的摩擦力矩、刀盘开口槽的剪切力矩及刀盘土腔室内的搅动力矩，刀盘驱动所需最小扭矩应为它们之和，工程实践表明，高转速模式扭矩约为经过计算所需扭矩的1.17倍，高扭矩模式扭矩为所需最小扭矩的1.77倍。
通过试掘进，调整盾构掘进参数。盾构始发后，必须穿过加固区，加固区土体较硬，盾构穿越时，姿态调整较为困难。匀速慢速的掘进。为减少刀盘切削困难，可适当向前舱注入泡沫或水。同时密切注意，刀盘扭矩和前舱压力的变化情况，一旦发现突然降低，可以认为盾首已出加固区域，由于盾尾仍在加固区内，因此不宜对盾构姿态做较大的调动，待盾尾也已脱出后，方可对盾构姿态做调整。盾构始发后，由于盾构掘削面土质主要为黏质粉土层，因此，在盾构脱离加固区后，须注意建立土压，防止多出土。通过试验段掘进充分掌握地层变化情况，并在试验段推进时加强地面监测，通过对试验段推进参数的试验和分析，得出引起地面沉降降至最小盾构掘进参数，为盾构安全、顺利的穿越河道及污水管线提供切实可行的包括土压、推进速度、同步注浆量、注浆压力、浆液配比以及花管注浆加固的频率、注入量、浆液材料选择和注入压力等技术参数和措施，进而确定盾构最佳掘进参数。
(3) 采取适当的措施，保证掘进的平顺
为更好的保证盾构掘进的平顺性，减少地表沉降，应使盾构掘进对土体的扰动最小化。采取控制盾构姿态、土体改良、做好同步注浆和二次注浆等立足盾构的技术措施，可以有效的控制地表隆沉量，保证施工安全。
通过控制盾构机姿态，来控制隧道轴线。通过控制盾构机姿态来控制隧道轴线，满足成型隧道的质量要求。每环推进前根据上一环的报表来调整推进参数，主要控制手段如下： ①调整分区油压；②千斤顶编组； ③控制推进速度； ④调整相邻管片转角，以及盾尾间隙量和管片端面平整度；⑤更换注浆位置； ⑥调整控制土压； ⑦使用盾尾“铰接”装置。为防止盾构机姿态变化而造成地层损失，可通过运用分区调整推进油缸压力实现盾构掘进方向调整与控制。
加强监控量测，及时调整掘进参数。监控量测的目的是了解隧道开挖引起周边土体变形的大小，准确掌握隧道开挖过程中可能产生失稳的薄弱环节。根据反馈信息及时调整盾构掘进参数，把沉降值始终控制在设计和规范要求的范围内，从而实现对地表隆沉的有效控制。并在盾构下穿范围布置监测点，实时监控监测点的变化，根据监测的点的变化进行二次补浆和多次补浆。
通过改良碴土，形成土压平衡。根据工程的地质条件和盾构施工实践经验，在粘性土和砂性土地层中掘进时，拟采取向刀盘面和土舱内注入泡沫改良碴土，以增加其塑流性，随时观察碴土改良效果，确保土压稳定。
通过管理出土量，控制底层地表沉降。值班工程师必须随时对碴土状况进行观察，与设计地质情况进行比较是否相符。 并依据实际地质选择掘进参数，作好施工记录。根据碴土实际情况及时修正掘进参数。
河道防渗治理的关键技术
随着河道运行年限的增长，部分河段难免出现冻胀及衬砌失稳等破坏现象，导致河道出现渗漏情况。在盾构穿越河道施工前，只有通过采取导流措施后对影响河道的范围进行铺砌治理，才能保证盾构穿越河道施工的安全。
（1） 采取数值模拟分析，确定盾构穿越影响河道范围
在采取数值模拟分析去顶盾构穿越影响河道范围时，计算软件可采用岩土及隧道结构专业分析软件MIDASGTS4.0，模型本构关系采用D-P模型，盾构区间衬砌以及河道采用板单元模拟，其他均为三维实体单元。输入盾构穿越河道的位置关系；则可以建立整体单元的模型。
输入下穿段盾构隧道采用断面、内直径、外直径、盾构区间穿越河道的平面夹角、穿越总长度盾构区间顶距离河道底高度、穿越段左右线线路纵坡以及河道河底标高、河水深、穿越段的河道垂直宽度等数据，就可以得到竖向位移云图及沉降位移图。根据竖向位移云图及沉降位移图，为保证盾构穿越时不与河道发生水力联系，防渗衬砌范围包含地铁盾构穿越河道影响范围及其上下游各50m范围内主河槽。在这段主河槽范围内采取渡槽导流后，保证盾构穿越河道时上方无水。
（2）采取渡槽倒流，对影响河道铺砌治理
在不影响河道向城市河湖供水前提下，采取相应工程措施，提高河道防渗性能和整体稳定性，减小地铁盾构穿河对河道产生的不利影响，保证河道输水安全，保证地铁穿河段后期运营安全。
首先在河道左半幅搭建一期导流渡槽，同时在一期渡槽上下游两端布置横向端头围堰，将上游来水导入一期渡槽内。一期导流渡槽搭设完成后，抽排一期渡槽外河水至渡槽内，进行河道右半幅防渗衬砌施工。在河道右半幅已浇筑完成的防渗衬砌结构上部搭设二期渡槽，同时在二期渡槽上下游两端布置横向端头围堰，拆除一期渡槽及上下游端头围堰，将上游来水导入二期渡槽内。二期渡槽搭设完成后，抽排二期渡槽外河水至渡槽内，进行河道左半幅防渗衬砌施工。待河道左半幅防渗衬砌强度满足设计要求后，进行地铁盾构穿河施工。监测河道沉降、变形情况。地铁盾构穿河施工完成且河道沉降、变形满足设计要求后拆除二期渡槽及上下游端头围堰，恢复河道原貌。
管线修复的关键技术
在盾构连续穿越大直径污水管线施工中，根据相关三维数值计算模型研究成果表明：雨污管线竖向沉降量要远大于水平位移量，管节间的不均匀沉降是管线发生破坏的主要原因。根据数值模拟计算结果并结合相关工程经验，区间近距离下穿污水管势必会扰动其土体的稳定，再加上穿越河道施工，如果因土体的扰动致使污水管线发生渗漏并与河道下丰富的地下水发生水力联系，将对盾构推进极为不利，甚至产生不可预估的施工风险。 因此在对盾构施工采取针对措施的情况下，考虑到污水管线无法进行迁改，还应对污水管线进行内部修复，以起到保护污水管的作用。 在不能进行管线迁改的情况下，最好的方法就是通过各种非开挖修复更新方法在原有管道内形成新的管道内衬，由于新的内衬管密贴于原有管道的结构，不但对原有管道进行补强，且当新形成的内衬管的结构厚度达到一定标准时，不仅可承受外部的静水压力，而且具有独立承受外部静水压力、土压力和动荷载作用的性能，极大的提高了污水管道的运行可靠性。目前较常用的内衬管，根据施工工艺的不同可分为：翻转内衬法、紫外光固化法、管道喷涂衬装。通过新增内衬管独立承受外部静水压力、土压力和动荷载而不发生渗漏，从而保证盾构的顺利下穿。
结 论
在盾构隧道近距离连续下穿河道及大直径污水管线时，工程实践表明：①针对盾构掘进，为控制施工风险，应慎重选择盾构机型号，防止盾构施工中的停机。并根据计算结果和工程经验，通过设定合理的掘进参数、碴土改良、出土管理、监控量测、盾构姿态控制等措施有效的控制盾构周围的土体沉降量，保证掘进过程中不发生事故。②应根据数值模拟计算结果确定盾构隧道穿越对河道的影响范围，并考虑一定的安全裕度作为实施河道倒流及铺砌治理的范围；在盾构穿越时进行渡槽倒流并进行铺砌治理，杜绝和晒下渗风险，以保证盾构穿越的安全。③在无法对污水管线进行迁改的情况下，可采用内衬管修复的方案在污水管线内形成二次结构，以保证管线不变形、不渗水。