成都地區富水砂卵石地層盾構下穿既有地鐵盾構隧道設計

黃澤明

(中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

隨著我國城市軌道交通建設的飛速發展，城市的地鐵線網越來越密。在這種背景下，新建地鐵線路不可避免越來越多面臨穿越既有地鐵線路的現象，而既有地鐵運營線路對軌道及隧道結構變形要求極高，稍有不慎則會引起重大安全事故。鑒于此，本文以成都軌道交通9號線下穿既有地鐵4號線盾構隧道(已運營)設計為例進行分析，希望能夠為其它相似工程提供一定的參考價值。

1 工程背景

成都軌道交通9號線一期工程培風站～成都西站區間，盾構從培風站始發，到達成都西站吊出。在里程ZDK56+928～ZDK56+950/YDK56+933～YDK56+955段，盾構隧道下穿既有地鐵4號線中壩站～西客站區間盾構隧道(已運營)。下穿段，9號線盾構隧道采用幅寬1.5m、外徑6.7m、內徑6.0m的盾構管片，軌道采用中等減振道床(減振扣件)；既有地鐵4號線盾構隧道采用幅寬1.5m、外徑6.0m、內徑5.4m的盾構管片，軌道采用普通道床。9號線盾構隧道與既有地鐵4號線盾構隧道平面交叉角度約為75 °，隧道間最小豎向凈距約為3.6m,既有地鐵4號線盾構隧道主要位于中密、密實卵石地層，9號線盾構隧道主要位于密實卵石地層，9號線盾構隧道覆土約18.8m。

下穿段地面為武青北路與貨運大道交叉路口，該范圍主要市政管線有DN1500mm混凝土雨水管、DN1000mm鑄鐵給水管、DN200mmPE燃氣管、110kV供電線等。見圖1。

圖1 9號線下穿既有地鐵4號線平面關系

2 計算分析

2.1 數值計算模型

計算分析采用ANSYS10.0軟件，由于涉及到地層擾動的影響，故采用“地層-結構”模型。

數值計算采用三維有限元進行計算(圖2)，計算模型共采用8種不同的材料分別模擬地層、管片等。邊界條件除上部為自由邊界外，其余各側面和底面實施法向約束。計算模型分別采用SOLID45單元模擬各類地層等，采用PLANE42單元模擬隧道襯砌結構。地層的物理力學參數按地質詳勘報告取值。數值模擬的施工順序為：4號線盾構隧道左右線隧道開挖拼裝管片后形成初始應力場(地層自重應力場)→擬建盾構隧道開挖及管片襯砌施工。

根據地質詳勘鉆孔揭示，該下穿節點處從上到下地層依次為雜填土、粉質黏土、第四系全新統沖洪積稍密卵石土、中密卵石土和密實卵石土以及第四系上更新統冰水沉積密實卵石土。

圖2 有限元網格示意

2.2 數值計算結果分析

擬建隧道開挖后,既有隧道計算結果如圖3～圖6所示。

圖3 擬建隧道開挖后既有隧道豎向沉降云圖(單位：m)

圖4 擬建隧道開挖后既有盾構隧道位移云圖(單位：m)

圖5 擬建隧道開挖后既有隧道豎向沉降

圖6 擬建隧道開挖后既有隧道沿縱向的傾斜率

2.3 計算結論

通過上述模型，對既有盾構隧道在原狀地層無任何保護措施狀態下的下穿工況進行了有限元分析，可以得出結論如下：

(1)擬建隧道接近正交下穿既有地鐵4號線盾構隧道施工時，既有盾構隧道將會在豎向和橫向發生微小的不均勻位移，這種不均勻位移會使隧道產生變形和扭轉。結構豎向沉降在隧道中心范圍內表現突出，最大值約為5.5mm。

(2)擬建隧道下穿施工時，對既有盾構隧道和擬建盾構隧道在結構內力上都有變化。當擬建隧道貫通后，既有隧道管片軸力會增加，最大值約為50kN，而隧道管片彎矩的變化相對較小僅有約6kN·m。

3 結構設計

鑒于既有地鐵4號線盾構隧道與9號線隧道之間地層主要為<3-8-3>密實卵石土，其卵石含量約占65 %～80 %，粒徑一般6～10cm，個別粒徑10～18cm，最大粒徑25cm，卵石中漂石含量約占6 %，卵石土間細砂及圓礫充填，細砂含量約占25 %～30 %，為成都地區典型的富水砂卵石地層。此外，9號線隧道下穿既有地鐵4號線段臨近車站端頭，為盾構到達掘進段，容易產生地層沉降，存在較大的施工安全風險[1]，且車站施工過程中對周邊地層進行管井降水，對原狀地層也存在一定的擾動。

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》及成都軌道集團運營公司地保辦要求，既有地鐵4號線盾構隧道豎向位移控制值為10mm，水平位移控制值為10mm，道床縱、橫向差異沉降控制值為4mm。同時，為保證地下管線安全及道路路面沉降滿足規范要求，擬采取如下設計措施。

3.1 大管棚加固

大管棚超前支護作為地下工程的輔助施工方法，是為了在惡劣和特殊條件下安全開挖，預先提供增強地層承載力的臨時支護方法，對控制塌方和抑制地面沉降有明顯的效果。它是防止地中和地面結構物開裂、倒塌的有效方法之一[2]。

根據下穿段地質條件，對9號線隧道與既有地鐵4號線盾構隧道之間夾土體采用“雙排大管棚+管棚內注漿”方式進行加固，管棚從成都西站車站端頭向隧道內打設,如圖7所示。

圖7 左線隧道下穿既有地鐵4號線隧道關系

(1)大管棚采用Φ194mm，壁厚16mm的鋼管，分節絲扣連接，相鄰管棚接頭錯開；左線管棚長度為40m，右線管棚長度為35m。為了解決砂卵石地層在鉆進時孔壁不穩定問題，采用跟管鉆進法。

(2)因隧道斷面內地層較為穩定，因此管棚布置范圍為拱頂120 °(上排)/130 °(下排)，兩排管棚孔口位置分別在洞門輪廓線外200mm和600mm位置布置，如圖8所示。管棚環向布設間距對防止上方土體坍落及松弛影響較大，根據隧道埋深、地層情況等確定鋼管環向中心間距按400mm，上下排管棚交錯布置。

圖8 洞門管棚立面

(3)大管棚鋼管上鉆注漿孔，孔徑10mm，孔間距200mm，呈梅花型布置。鋼管尾部(孔口段)2m不鉆花孔作為止漿段。

(4)大管棚外插角需嚴格按設計要求1.5 °執行，大管棚施工偏差不得大于500mm；管棚導向管應嚴格定位，管棚鉆進過程中應采用水平測斜儀經常量測管棚的偏斜度，發現偏斜值超出設計要求時，應及時糾偏；左線隧道管棚路徑距離既有線隧道外輪廓最近豎向距離為1.86m(理論值)，右線隧道管棚路徑距離既有線隧道外輪廓最近豎向距離為1.95m(理論值)。

(5)大管棚可部分進行預注漿，剩余部分作為盾構通過時地層同步補償注漿通道。對于已進行注漿的大管棚，應進行管棚內注漿密實度檢測，確保注漿填充密實。

(6)注漿漿液推薦采用水泥砂漿，水泥采用普通硅酸鹽水泥，強度等級≥P.O42.5。初擬水泥漿水灰比0.8∶1～1∶1，注漿壓力通過現場試驗后確定。

3.2 與盾構掘進同步的地層補償注漿

為降低施工風險，應進行地層同步補償注漿。盾構通過前做好地層同步補償注漿通道預留和實施的物資準備。根據試驗段(下穿前20環)各項參數，對盾構掘進過程中可能造成地層破裂影響的區域作為同步補償注漿范圍，盾構施工過程中，對地層破裂影響范圍內產生松動的區域及時注漿填充，尤其是既有地鐵4號線盾構隧道上、下方和其緊鄰側下方的地層。地層同步補償注漿采用地面注漿的方式。

注漿材料建議采用對環境污染較小的水泥單液漿，特殊緊急情況下可采用速凝材料。注漿參數包括注漿孔的布置、漿液配比、注漿壓力、注漿順序、注漿時間和注漿量等，經試驗效果確定，并在注漿施工過程中根據監測反饋信息進行優化。注漿過程中應注意控制注漿壓力，以防壓力過大而破壞既有地鐵4號線盾構隧道。注漿后及時沖洗注漿管，以便重復使用。

3.3 洞內注漿加固

盾構通過后，需通過洞內注漿加固地層。洞內加固通過在盾構隧道管片上增設注漿孔，利用注漿孔(包括吊裝孔)打設注漿管，對隧道外一定范圍內土體注漿加固(圖9陰影部分)。注漿管采用φ42的鋼花管，其長度不大于3m，注漿管與4號線盾構隧道之間保證一定的安全距離。

圖9 地層同步補償注漿范圍剖面

為保證洞內注漿效果，應注重其施作的及時性，以免地層失土過多或者坍塌范圍擴散。

3.4 車站端墻兼作管棚導向墻處理

上述設計雙層密排管棚施工勢必將截斷車站端墻外圍護樁，因此在車站基坑開挖階段施作管棚將對基坑安全造成一定程度的影響。因此，應先完成車站端墻主體結構，再進行管棚施工，確保主體結構能夠承受端墻外水土壓力。

鑒于上述理由，成都西站車站端墻(地下三層)由原設計1 000mm厚調整為1 300mm厚，先期施作圈梁及600mm厚管棚導向墻，導向墻鋼筋不與圈梁連接，待管棚施工完成后再施作剩余700mm厚圈梁，使600mm厚管棚導向墻嵌固在700mm厚圈梁內。圈梁(局部700mm厚)起到端墻上永久受力及收口的作用。防水層在600mm厚導向墻范圍內沿該墻內側鋪設，上部防水卷材甩出，待管棚施工結束后沿600mm厚墻內側滿布外包防水層。如圖10所示。

圖10 車站端墻處理剖面

管棚施工時，采取相關措施減小對端墻結構的擾動；后澆700mm厚圈梁采用微膨脹細石混凝土澆筑，與先澆圈梁采用鋼筋接駁器連接。

3.5 其它輔助措施

常規盾構端頭地面注漿加固，維持車站降水深度等。

4 施工要求

4.1 盾構施工控制

減少盾構施工過程中導致的地層變形是保護既有地鐵4號線盾構隧道的最有效手段，其關鍵在于控制盾構掘進參數、提高注漿質量和把握注漿時機。

(1)盾構掘進參數。應根據盾構穿越及上覆的地層情況，設定適當的掘進參數并進行嚴格控制，其中主要包括：刀盤轉速、刀盤扭矩、千斤頂總推力、螺旋輸送機轉速、外加劑選擇及注入量等。施工過程中應對刀盤面板土壓力和土艙壓力、出土量及出土狀態進行密切觀察和記錄，將數據反饋到盾構控制中心，及時調整或優化掘進參數。施工過程嚴抓渣土管理和土倉渣土改良效果，及時分析開挖、出渣數據，嚴格控制地層損失率，原則上不允許出現開挖超方，并應采用“質量”和“體積”兩個指標控制出土量。

(2)盾尾同步注漿和洞內二次注漿。在管片襯砌環脫出盾尾后，立即同步注漿并適當加大注漿量，充分地填充管片與地層之間空隙；在完成拼裝具備二次注漿條件后及時進行二次注漿，以同步注漿層和地層之間的間隙為主要填充對象(即要求突破同步注漿層)進行注漿填充，必要時重復二次注漿。

4.2 監控量測

在盾構掘進施工及相關輔助施工(如地層加固、地層同步補償注漿等)過程中，應對既有隧道結構、地層、地表及地下管線等，進行系統全面的監控量測。監控量測項目主要包括新建隧道管片結構的豎向、水平位移和凈空收斂；既有線隧道的豎向位移、水平位移、徑向收斂、盾構管片接縫張開量、軌道橫向相對高差、軌向相對高差、軌間距、道床脫空量，以及地層變形、地表沉降和地下管線的變形位移等。根據監測反饋信息，及時調整、優化各項施工參數，以確保盾構施工安全和既有地鐵4號線的正常運營，地下管線的正常使用。當發生異常時應即刻上報有關部門，并采取應急措施。

5 施工情況

(1)右線共45根大管棚，長度為35m，其中36根施工均達到設計長度，9根由于施工過程中管靴變形未達到設計長度，鉆進長度約24～32m；左線共45根大管棚，長度為40m，其中39根施工均達到設計長度，6根由于施工過程中管靴變形未達到設計長度，鉆進長度約28～37m。管棚施工偏差除極個別外，其余均能滿足設計要求的不大于500mm。

(2)右線盾構下穿，既有線最終監測值為：道床最大豎向位移1.95mm，結構最大豎向位移2.40mm，結構最大水平位移1.16mm；左線盾構下穿，既有線最終監測值為：道床最大豎向位移2.75mm，結構最大豎向位移3.07mm，結構最大水平位移1.23mm。上述數據均遠小于變形控制值。

6 結論

本工程根據實際工程實例，通過數值模擬及工程實際，確定了擬建隧道對既有地鐵盾構隧道的保護方案，對同類工程具有一定的參考價值，主要體現在以下幾個方面：

(1)本工程采用拱頂范圍超長“雙排大管棚”，對既有線盾構隧道進行保護，證明在成都地區富水砂卵石地層是可行的、有效的。

(2)對于新建隧道施工對地層的擾動影響區域，尤其在既有線隧道下方，及其緊鄰側下方地層，應進行多種方式，全方位的補償及跟蹤注漿，及時填充及加固地層。

(3)對車站端墻的處理措施，一方面解決了管棚施工導向墻的問題，一方面保證了施工期間車站基坑及結構的安全。