新建隧道近距離下穿既有地鐵隧道的變形控制分析及技術措施

姜葉翔

（杭州市地鐵集團有限責任公司，浙江杭州 310000）

1 項目概述

杭州至海寧城際鐵路余杭高鐵站—許村站區間是杭州至海寧城際鐵路第一條區間，區間隧道出余杭高鐵站沿現狀文正街布置，隧道在出余杭高鐵站約44 m（右DK0+482.965）位置下穿已運營的杭州地鐵1號線余杭高鐵站—南苑站區間隧道，平面呈62°交叉。

杭海線盾構管片外徑為6 700 mm，內徑為6 000 mm，地鐵1號線隧道內徑為5 500 mm，外徑為6 200 mm。

隧道交叉點地鐵軌面標高為-8.921～-8.678 m，杭海線軌面標高為-18.941～-18.549 m，隧道豎向凈距僅3.2～3.5 m。

穿越施工平面關系如圖1所示。

圖1 穿越施工平面關系（單位：m）

工程位置關系剖面如圖2所示。

圖2 工程位置關系剖面（單位：m）

本工程與地鐵距離關系統計如表1所示。

表1 本工程與地鐵1號線距離關系

2 工程及水文地質

本工程范圍內地層從上至下為①2素填土、⑤2粉質黏土夾粉土、⑤4粉砂、⑥2-1粉質黏土、⑦2-1粉質黏土夾粉土。

土層參數如表2所示。

表2 土層參數

場地內孔隙潛水主要賦存于場區淺部人工填土及黏性土層內，勘察測得穩定水位埋深為地面下1.2～3.5 m。

孔隙微承壓水主要賦存于下部⑦3粉砂、⑨3粉砂、⑨3-1細砂、⑨3-2礫砂、⑨4圓礫土層。

承壓水水位為地面下6.5 m左右，水頭標高為-0.467 m。

3 風險分析

3.1 盾構下穿已建隧道

盾構掘進施工時，不可避免會產生地層損失，導致上方隧道下沉，易導致已建隧道不均勻沉降過大，形成小曲率半徑，嚴重時將影響隧道使用功能，甚至危及結構安全。

（1）地層損失較難控制。

盾構施工引起地層損失較難控制，除盾構設備本身就會造成地層損失外，在管片拼裝時，正面土壓力將不可避免發生損失。

同步注漿效果不確定，對于惰性漿，還存在漿液泌水收縮等問題，過大的注漿壓力容易劈裂周邊的土層，造成嚴重的沉降情況。

（2）涌水、涌沙風險大。

下穿時施工隧道所處地層一般埋深較大，一般位于第④、⑤、⑥、⑦層中穿越，水土壓力大，對盾構施工要求高，可能發生盾尾大量涌水、涌砂。

（3）后期加固周期長。

針對上方隧道沉降，通常在穿越完成后采用雙液注漿實施二次注漿，一般要求在列車停運后進行，遵循多次、多點、少量、均勻的注漿原則，確保注漿效果，減少對周圍土體的擾動。

3.2 進洞穿越

如穿越區臨近端頭井，則穿越施工同時存在進、出洞問題，存在相關風險。

（1）環形空隙無法及時有效填充。

盾構機頭進洞時，前方阻力短時間內消失，導致同步注漿無法及時跟上，直接形成環形空隙。對已建隧道形成直接威脅，針對上述問題必須輔以注漿環箍等方式對環形空隙加以封堵。

（2）對加固土質量要求高。

加固區的質量將直接影響封門鑿除后加固土的自立性和止水性，加固強度非常重要。

（3）洞圈的密封性。

洞圈如密封性不佳，容易出現大量滲漏水，更容易引起土體損失。杭海線余杭高鐵站—許村鎮站盾構區間對杭州地鐵1號線主要存在盾構下穿及進洞接收風險。

3.3 不良地質

（1）土壓盾構處于承壓水砂層中，正面壓力設定過低，缺少必要的砂土改良措施及盾尾密封性，易引起正面及盾尾涌沙，涌水導致盾構突沉、隧道損壞。

（2）盾構上部為硬黏土，下部為承壓水砂層時，硬黏土過硬難以頂進，承壓水層受壓不足不能疏干，發生液化流失導致盾構突沉。過硬黏土常會卡住密封艙攪拌棒，使黏土和砂土不能拌和排出，致使盾構下部砂土液化由螺旋器流出，導致盾構底部脫空下沉。

（3）穿越沼氣層或其他原因形成的含氣層時（如氣壓法施工的隧道或工作井附近），如果未探明其范圍和壓力、未實現進行必要的釋放、未采取防備毒氣和燃爆的措施，開挖面噴出的氣體及其攜帶的泥沙可能引起盾構姿態的突變、隧道突沉以及毒氣燃爆的災害。

（4）針對沿線穿越地層中的透鏡體、洞穴或樁基、廢舊構筑物等障礙物，未事先查明并進行預處理或提前制定應急措施，可能引起盾構推進突沉偏移，盾尾注漿流失，致使盾構無法推進。

（5）盾構遇到地下障礙物時，姿態頻動而致前方土體反復過大擾動導致地層塌陷，刀盤前方清障時引起開挖失穩和坍塌，推力猛增或刀盤轉速較快，導致刀盤刀具卡死損壞，甚至盾構機癱瘓而無法正常推進。

4 數值計算分析

針對本次穿越施工進行數值模擬，預估穿越施工對已運營隧道的影響，采用FLAC3D有限差分軟件模擬工程施工的全過程。

土體結構模型采用摩爾庫倫模型；已建車站、地鐵車站圍護及內部結構采用C35混凝土實體彈性材料模擬；已建隧道采用C50混凝土實體彈性材料模擬；地鐵1號線車站已施工部分中柱等效為墻體處理。

計算分工況進行，如表3所示。

表3 計算工況

經數值模擬分析，盾構穿越施工對已運營隧道影響較為明顯，主要表現為盾構施工期間已運營地鐵隧道發生明顯下沉，沉降量與地層損失率密切相關。控制土層損失率為5‰的條件下，地鐵隧道最大下沉量5.607 mm，最大水平位移量1.885 mm。控制土層損失率是保證已運營隧道安全穩定的關鍵性因素。

計算模型如圖3所示。

圖3 計算模型

各工況已運營隧道結構沉降結果如圖4所示。

圖4 各工況已運營隧道結構沉降結果折

各工況已運營隧道結構水平位移結果如圖5所示。

圖5 各工況已運營隧道結構水平位移結果

5 盾構試驗段

為了確保成功穿越，實施模擬段試驗，獲取適當的施工參數，獲取與正式穿越區地質條件、埋深深度等方面類似的區域。

通過埋設精密儀器，嘗試不同施工參數組合，在此基礎上初步選取適用于正式穿越區的施工參數，包括盾構推進速度、盾構姿態、正面土壓力、同步注漿壓力及注漿量等。

通常監測選取深層沉降點或精度更高的多點位移計等，根據穿越具體情況進行布設。模擬段應設置在穿越影響范圍外，一般設置在穿越邊線50～80 m范圍。

本項目區間的左、右線各設置60環試驗段。左線區間的1 890～1 949環、右線區間的1 892～1 951環為下穿地鐵1號線前試驗段，試驗段穿越地層與下穿地鐵1號線地層類似均為全斷面⑤4粉砂層，⑤4粉砂天然含水量為24%，滲透系數為4.1×10-4cm/s，試驗段隧道埋深為25.36 m。

（1）第一階段。

1 890～1 920環，主要為開挖面穩定性控制試驗，以土壓值為控制變量，其他盾構掘進參數以前期推進經驗及計算值設定。本階段分三步實施：

①第一步。

1 890～1 900環，設定土壓力為0.28 MPa。

②第二步。

1 901～1 910環，設定土壓力為0.29 MPa。

③第三步。

1 911～1 920環，設定土壓力為0.3 MPa。

如果試驗過程中刀盤前方沉降數據變化量超過±2 mm，根據監測數據適當調整土壓，根據監測數據進行二次注漿，必要時進行深層注漿，獲取相關試驗參數。

第一階段地面監測數據如圖6所示。

圖6 第一階段地面沉降監測數據

（2）第二階段。

1 921～1 930環，主要為盾體通過時填充試驗，試驗工藝為克泥效，通過對克泥效注入前后盾體上方的沉降分析，確定克泥效的注入參數以及后續控制措施。

第二階段地面監測數據如圖7所示。

圖7 第二階段地面沉降監測數據

（3）第三階段。

1 931～1 940環，主要為盾構通過后二次注漿及深孔注漿進行試驗，設定不同注入量，分析二次注漿前后地表沉降變化，確定二次注漿工藝的介入時機和注漿參數。

第三階段地面監測數據如圖8所示。

圖8 第三階段地面沉降監測數據

（4）第四階段。

1 941～1 950環，第四階段根據前期的最優參數進行掘進施工。

試驗段范圍內（ZD319～ZD329），每10環設置一處監測斷面，每5環增加一處加密軸線點。

第四階段地面監測數據如圖9、圖10所示。

圖9 第四階段地面沉降監測數據一

圖10 第四階段地面沉降監測數據二

試驗段監測點布置如圖11所示。

圖11 試驗段監測點布置

試驗段推進時間為2020年7月23日～8月2日。

通過監測數據對比分析可知，土壓力值設定為0.3 MPa時，盾構切口前方地表為微隆狀態，盾構土倉壓力設定時應考慮以理論土壓的1.15～1.23倍作為調整系數。

通過分析，克泥效注入系數采用280%時，能夠有效控制本區域內盾構施工過程中的盾體上方的地層沉降。

通過沉降數據分析對比，同步注漿量為5.7 m3，充盈系數170%，盾尾通過后對于沉降的控制較為平穩，可較好控制盾尾通過后地面沉降，控制地表沉降效果較為顯著。

截至8月2日試驗段掘進完成。截至8月5日地表累計最大沉降量為ZD328監測點-4.985 mm。穿越地鐵1號線預警值為±5 mm、報警值為±7 mm、控制值為±9 mm，目前沉降情況滿足設計及規范要求。

6 穿越施工

根據計算分析預估穿越施工對已運營隧道的變形影響，結合盾構試驗段技術參數，確定穿越施工采取的相關控制措施。

（1）推進過程中土壓力設定根據隧道埋深設定值應為理論土壓力的1.15～1.23倍進行控制。

（2）推進過程中渣土改良采用泡沫劑改良，泡沫劑原液比3%、發泡率15、注入率30%、摻入比10%，膨潤土作為應急材料，膨水比為1∶4、注入率30%、摻入比16%，掘進過程中出現噴涌時采用膨潤土改良。

（3）推進過程中盾體克泥效注入量0.45 m3/環，注入充盈系數為280%。

（4）同步注漿注入量5.7 m3/環，注入充盈系數為170%，注漿壓力不大于0.45 MPa。

（5）管片脫出盾尾5環后進行二次注漿，暫定二次注漿每環注入1 m3/環，二次注漿壓力為≤0.9 MPa，二次注漿量需要根據既有隧道沉降情況及時調整。

（6）地面沉降累計超5 mm時，進行隧道內深孔注漿。

（7）根據左線試驗段施工參數及沉降統計分析，對下穿地鐵1號掘進參數進行設定。

下穿地鐵1號掘進參數如表4所示。

表4 下穿地鐵1號掘進參數

截至2019年10月初，余杭高鐵站—許村鎮站區間左線洞通；10月底右線洞通，附屬尚未施工。盾構穿越地鐵1號線節點期間嚴格落實設計要求及試驗段總結的措施。

施工過程中左右線掘進參數穩定，無明顯突變等異常情況，盾構施工掘進控制效果好；左右線掘進參數變化規律相同，掘進過程中工況一致，施工參數變化相同；左線推進過程中的經驗優化后的右線推進施工參數相對左線施工參數更加穩定，表明施工過程中總結及時，參數設定可靠。

盾構施工過程中的土壓、出土量、總推力，二次注漿壓力及注入量，刀盤扭矩等施工參數進行匯總分析，結果表明均基本符合設定參數，按照設定值施工。

余杭盾構穿地鐵1號線前隧道水平位移變化幅度變化小，穿越時突變且持續增大，穿越完成后逐漸減小；穿越上行線變化幅度較下行線變化幅度大。截至10月下旬右線穿越后，1號線上行線累計最大水平變形2.8 mm，下行線累計最大水平變形1.8 mm。

1號線上行線：左線穿越1號線上行線時隧道水平變形較為平穩，穿越下行線時出現突變，之后趨于平穩，右線下穿1號線上行線時，收斂開始加大，穿越下行線約3 d后收斂達到峰值3.8 mm。

穿越期間1號線隧道監測如圖12、圖13所示。

圖12 1號線上行線與區間相交處隧道水平位移累計變化

圖13 1號線下行線與區間相交處隧道水平位移累計變化

余許區間盾構下穿杭州地鐵1號線上下行線累計水平收斂如圖14所示。

圖14 余許區間盾構下穿杭州地鐵1號線上下行線累計水平收斂

1號線下行線：趨勢與上行線類似，但變化幅度較小。右線穿越下行線約3 d后收斂達到峰值1.5 mm。

余許區間盾構下穿杭州地鐵1號線累計道床沉降如圖15所示。

圖15 余許區間盾構下穿杭州地鐵1號線累計道床沉降

盾構穿越對1號線隧道道床影響較小，累計沉降在-1.5～1.5 mm之間，均未達到預警值。

通過地鐵隧道內布設的道床沉降、隧道水平位移、隧道水平收斂自動化監測點數據分析結果顯示，1號線區間左線、右線均有不同程度的各監測變量變化，穿越期間監測數據顯示均在控制值內。

7 結語

杭州至海寧城際鐵路工程余—許區間下穿既有地鐵1號線盾構隧道施工，通過距離控制、數值模擬、風險分析、試驗段確定盾構穿越參數、自動化監測等措施，確保已運營地鐵1號線的安全穩定。目前本項目已竣工，地鐵1號線各項變形值均在控制標準之內。本項目的成功實施，為軟土地區盾構隧道穿越施工提供了良好的參考價值，試驗段施工中的多項措施對于后續穿越施工項目具有重要的指導意義。