富水砂卵石地層大直徑盾構近距離穿越地鐵既有隧道變形控制方法及規律研究

張立鋒 楊順凱 王敬宇

(1.廣東省重工建筑設計院有限公司，廣東 廣州 510000； 2.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000)

1 引言

近年來，地下軌道交通作為緩解城市地面交通擁堵的主要手段，在我國各大城市迅速發展[1]。隨著城市軌道交通基礎設施的大規模建設，施工安全、既有地鐵運營安全以及新線路施工對既有線路造成的影響，成為地下軌道交通建設中急需解決的關鍵問題[2]。當新建線路的盾構施工臨近既有地鐵運營隧道時，地鐵隧道結構會因外部施工影響而產生不同情況的變形[3]。對于大直徑盾構（Φ8.58 m）、近距離（豎向距離最小3.16 m）且在不良地質條件下（富水砂卵石地層）穿越既有地鐵運營隧道的項目，大斷面作業情況下，地質自穩性差、盾構機操作失誤、工序銜接不及時、地層具有滯后沉降特性等不利因素都會增加既有線的變形風險，從而致使既有線結構開裂滲水，甚至大幅坍塌或隆起，影響運營安全[4]。針對上述特殊工程地質和施工條件，本文著重探討如何采用有效的施工措施，并結合高精度、高頻率的自動化監測方法對既有地鐵隧道變形進行控制，項目成功實施印證了砂卵石地層大直徑盾構近距離穿越既有地鐵運營隧道施工方法的可行性，能夠保障既有線路的運營安全。

2 概述

2.1 工程概況

本項目為成都軌道交通17 號線一期工程鳳溪河站—溫泉大道站區間雙線盾構下穿既有4 號線隧道，安全風險等級為特級。盾構區間采用Φ8.58 m 的土壓平衡盾構法施工，盾體長約10.85 m，均由溫泉大道站始發，鳳溪河站接收，臨近接收處自下方穿越既有運營地鐵4 號線；4 號線與17 號線平面大角度交叉，4號線隧道底與17 號線隧道拱頂最小距離約為3.16 m，新線盾構區間與既有線隧道的平剖面關系如圖1、圖2所示。

根據地質報告，在穿越區域地層主要為<2-9-3>密實卵石土、<2-8-3>密實卵石土及<2-4-2>密實卵石土，以花崗巖、灰巖、砂巖為主，卵石磨圓度好，分選性差，粒徑60 ～190 mm 的約占75%，其余部分以中細砂填充。下穿區域已在17 號線鳳溪河站施工區間進行了持續降水施工，水位已降至17 號線隧道底部以下。

2.2 既有線變形控制要求

根據《城市軌道交通結構安全保護技術規范》（CJJ/T202-2013）[5]，結合成都地鐵相關規定，本項目確定17號線盾構穿越4號線運營隧道沉降控制標準，如表1 所示。施工期間應注意既有線路的保護，嚴格按照既有線變形控制標準約束穿越施工。

3 超前加固及支護措施

為了保障既有線的運營安全，同時為穿越工作提供良好的施工條件，本項目采取了施作素樁、注漿、打管棚等措施對地層予以加固。

3.1 既有線預設素樁

由于地質條件較差，對盾構施工不利，在4 號線建設時已為17 號線盾構穿越預設條件，即在穿越交叉區域進行了C20 素混凝土樁加固，素樁采用Φ1000 mm規格，間距1350 mm 及1390 mm，呈梅花形布置。素樁與地鐵線路關系的平面圖及立面圖如圖3、圖4 所示。

3.2 地層加固

考慮到砂卵石地層土質疏松，成拱性差，容易坍塌[6]，且盾構掘進期間易造成出渣量超方等問題，因此在盾構下穿區域，利用砂卵石土體流道通常的特性，采用斜向袖閥管對既有線下方的土體進行注漿加固。同時預留注漿管，根據穿越期間的監測變形情況補充注漿，袖閥管注漿加固區域及袖閥管立面布置圖，如圖5、圖6 所示。注漿前，預先進行了試驗段注漿，結合既有線監測情況調整注漿壓力及注漿量。

圖4 素樁布置立面圖

圖5 袖閥管注漿加固區域

圖6 袖閥管立面布置圖

3.3 管棚超前支護

在新建盾構隧道區間上方與既有線隧道區間交叉處打設管棚進行地層支護加固，管棚采用Φ194×16 mm 規格，長38 m，孔口環向間距400 mm，管棚中心距管片外緣900 mm，管棚采用水泥漿填充注漿，管棚立面及剖面布置圖如圖7、圖8 所示。由于大直徑卵石及素混凝土樁影響，“高精度、長距離、大直徑”的管棚打設施工同樣存在侵入既有運營線及新線的風險[7]，在施工時應實時糾偏。

圖7 管棚立面布置圖

圖8 管棚剖面布置圖

4 穿越期間的施工控制

鑒于盾構施工的地質條件較差，根據盾構施工要點，本項目主要采用以下措施保障施工質量及既有線路安全。

（1）開倉換刀：盾構在砂卵石地層中進行掘進，刀具發生嚴重磨損，磨損主要發生在外周和中心部位，尤其以大直徑滾刀磨損最為嚴重[8]。因此，在下穿前選擇適當的開闊位置開倉換刀是保證安全、連續、平穩完成穿越的必要條件之一[9]。

（2）連續作業：盾構穿越宜連續掘進，不宜中斷，亦不宜選擇僅在地鐵停運的“窗口期”作業，應全天候連續作業。

（3）同步與二次注漿 ：在盾構掘進過程中同步注漿，通過盾體徑向孔進行注漿，填充開挖面與盾體形成的施工空隙，減小盾體與地層之間的摩擦力，有利于改善頂推力，使盾構平穩掘進，減少對周圍土體的擾動，并能夠有效控制盾體上方構筑物及其本身新建隧道的沉降變形[10]。盾體注漿漿液主要經1 或11 點位注入，每環約1.2 m3。二次注漿則是控制盾構上方建構筑物沉降變形的重要手段，如圖9 所示。待管片脫出盾尾與土壤接觸后，通過成形隧道管片上的徑向孔進行注漿，注漿區域為管片外徑向2.5 m 的范圍，采用水泥單液漿，水灰比為1∶1，根據既有線監測數據調整注漿壓力，并將壓力控制在小于0.5 MPa，及時將隧道周圍土體填充密實。

圖9 二次注漿徑向地層加固示意圖

5 既有地鐵結構監測方案

5.1 自動監測方法

項目構建了地鐵沉降自動化監測云平臺（如圖10所示），實時監測既有地鐵4 號線下穿影響區域，及時了解既有線的變形情況，掌握施工控制措施的效果，以便對穿越施工關鍵性指標進行調整，為運營線路的安全和盾構順利穿越提供可靠保障[11]。

圖10 自動化監測系統結構圖

穿越施工開始前，首先對變形數據進行“歸零”處理，確保監測數據反映的變形僅為穿越施工對既有線路的影響。在盾構穿越期間，采用自動化監測技術，以徠卡測量機器人（TM30）作為前端監測設備實時監測既有線路，由傳送系統將數據傳送至監測與分析系統，依據監測與分析系統的解算結果進行結果數據的發 布和預警。為了及時了解既有線變形情況，施工過程中可靈活設置監測頻率，本項目監測頻率設置為1次/小時。

5.2 監測點布置

既有線隧道監測以監測斷面的方式布置監測點。距離下穿區域1 倍盾構洞徑的強烈影響區按間隔2.5 m布置一個斷面（如圖11 所示），顯著影響區按間距5 m 布置一個斷面。每個監測斷面均布置5 個監測點，分別位于道床（2 個）、拱腰（2 個）、拱頂（1 個），如圖12 所示。

圖11 監測斷面布置圖

圖12 斷面測點布置圖

6 既有線沉降監測數據分析

6.1 關鍵監測斷面沉降變形規律

為了更加直觀地反映盾構穿越對既有線的影響，特選取強烈影響區內新線盾構區間與既有隧道區間水平交叉處中心的4 個監測斷面作為關鍵斷面，關鍵斷面如表2 所示。

項目盾構穿越分兩次進行，前后歷時約30 天；新線右線盾構穿越既有線完成約20 天后，新線左線再次穿越；兩次穿越后，各關鍵監測斷面的沉降變形曲線，如圖13 所示。

表2 新線與既有線交叉處的關鍵監測斷面

圖13 既有線隧道關鍵監測斷面沉降變形情況

根據監測變形曲線可知，在兩次盾構穿越后，強烈影響區內以關鍵監測斷面為代表的既有線發生了較大的沉降變形，最大沉降變形為-5.7 mm；依托監測數據，經過現場采取的系列注漿措施，既有線的變形整體控制在了-5.0 mm 左右。

6.2 盾構掘進進度與既有線沉降變形規律

穿越既有線時，盾構掘進是誘發既有線變形的直接原因。因此，研究既有線隨盾構掘進進度的變形規律，掌握盾構穿越施工對既有線的影響十分必要。為直觀展示盾構掘進進度與既有線變形的關系，特以盾構刀盤所在位置為基準，將盾構的穿越劃分為7 個連續的掘進進度，逐段對比沉降時態曲線，用以研究盾構對既有線的影響，具體劃分段如圖14 所示。圖14 中標記位置為盾構刀盤所在位置（盾體長度約為7.2 個管片寬度）。該項分析結果可為類似工程提供參考，在變形發生前預先采取措施控制既有線變形。

6.2.1 新線盾構右線穿越既有線沉降規律

新線盾構右線盾構先行穿越既有線，即從標記1掘進至標記8，依次穿越Y8 和Z8 監測斷面；穿越期間盾構掘進進度與既有線沉降變形曲線對照關系如表3 所示。部分既有線斷面監測點沉降時態曲線如圖15所示。

表3 盾構掘進進度與既有線沉降變形曲線對照關系

6.2.2 新線盾構左線穿越既有線沉降規律

新線盾構左線盾構后穿越既有線，即從標記A 掘進至標記H，依次穿越Y11 和Z11 監測斷面；穿越期間盾構掘進進度與既有線沉降變形曲線對照關系如表4 所示。部分既有線斷面監測點沉降時態曲線如圖16所示。

表4 盾構掘進進度與既有線沉降變形曲線對照關系

6.2.3 既有線沉降變形的分析小結

分析盾構掘進進度與既有線沉降變形曲線，可得到如下結論：

圖15 既有線隨盾構掘進進度的沉降變形曲線

（1）根據掘進進度1 ～2、A ～B（接近既有線右線）和4 ～5、D ～E（接近既有線左線）可知，在砂卵石地層中，近距離盾構下穿既有線的情況下，盾構在距既有線水平距離約6 m 時對既有線產生擾動。

（2）根據盾構掘進進度2～4、B～D和5～7、E～G（盾構進入既有線正下方）可知，盾構在既有線下方掘進時，既有線沉降變形最為劇烈。

（3）根據盾構掘進進度4 ～5、D ～F 和7 ～8、G ～H（盾尾脫出既有線正下方）可知，盾尾脫出后，既有線沉降速率變緩，沉降逐漸趨于穩定。

（4）根據變形曲線可知，在一條盾構穿越過程中，不僅自身上方的既有線有較大沉降，還影響臨近的另一條盾構線路上方的既有線，兩者既有線沉降變化量之比約為5∶1。

6.3 顯著影響區沉降規律分析

選取穿越完成后強烈影響區及顯著影響區內的監測斷面（左線Z6 ～ZA13 斷面、右線Y6 ～YA13 斷面）進行分析，繪制如圖17、圖18 的沉降曲線圖，該曲線圖沿既有線隧道方向繪制，即從隧道縱剖面方向觀察既有線沉降情況。

圖16 既有線隨盾構掘進進度的沉降變形曲線

圖17 既有線左線沿隧道方向繪制的沉降曲線圖

圖18 既有線右線沿隧道方向繪制的沉降曲線圖

由沉降變形曲線可知，盾構穿越后，既有線同一斷面內的監測點沉降較為均勻，各斷面間沉降大小略有差異，整體呈U 形沉降槽。強烈影響區內兩條新線隧道間的土體，經盾構擾動應力擴散，無法為既有線提供足夠支撐力，使得區域上方的既有線發生沉降，進而導致強烈影響區內的既有線沉降均勻，既有線沿軌道方向的最大差異沉降向遠離盾構新線兩側偏移。

7 結論

本文以砂卵石地層不良地質條件下大直徑盾構近距離穿越既有地鐵隧道結構項目為例，以保護既有地鐵結構為出發點，對穿越施工控制措施進行了研究，對自動化監測系統獲取的實時變形數據進行了分析，獲得了施工過程與沉降變形的規律，為安全施工和運營提供了有力保障。主要結論如下：（1）既有素混凝土樁及采取的袖閥管注漿措施能夠有效固結既有線周圍的土體，對砂卵石地層的成拱性及盾構出土量的控制有促進作用；（2）施作管棚及袖閥管時，需注意打設的角度及深度，應避免角度偏差破壞既有運營線，以及打設深度過深侵入新線盾構掌子面，影響新線掘進等問題；（3）盾構在既有線正下方掘進時，對既有線的影響最為劇烈，掘進過程中應該格外控制出土量、及時注漿對空隙予以填充；（4）既有線自動化監測數據能有效指導施工，應根據實時監測數據，采取洞內注漿措施并適當調整注漿壓力來控制甚至減少既有線的變形，保障既有線的結構及運營安全。