長江漫灘地盾構下穿既有地鐵隧道沉降控制

趙紅光

(南京地鐵建設有限責任公司，江蘇 南京 210024)

0 前 言

隨著城市地鐵規模的不斷擴大，互相交織的地鐵網絡逐漸形成，不可避免地會出現穿越既有地鐵隧道、橋梁、地下管線及城市建筑基礎等復雜的工況[1]。在中心城市核心區域，軌道交通高速發展，新建地鐵隧道下穿既有地鐵運營隧道的工程數量急劇上升[2]。盾構下穿既有地鐵隧道，若施工過程中控制不當，可造成地面沉降超標或塌陷，進而導致既有地鐵隧道軌道變形，產生地鐵停運等風險，造成惡劣社會影響。

對盾構下穿既有地鐵隧道引發的相關沉降問題相關成果，國內研究成果豐富。姚曉明等[3]以成都地鐵某新建盾構隧道下穿既有運營地鐵線工程為例，針對砂卵石地層進行盾構施工影響研究，提出根據實際風險源制定相應監測方案，依據實時監測結果指導施工。高利宏[4]依托某盾構隧道雙線間隔近距離下穿既有暗挖隧道區間工程，結合數值模擬及現場豎向位移監測數據，研究了卵石層、礫巖層和泥巖層近接下穿既有隧道的變形規律。江杰等[5]對富水圓礫地層盾構下穿既有地鐵隧道進行了掘進參數研究。牟軍東[6]以杭州地鐵工程粉砂地層土壓平衡盾構下穿既有線路為背景，著重介紹了穿越既有隧道時的保護措施及施工技術。

盾構施工引起地層位移進而導致既有構筑物變形規律，和盾構掘進及既有地鐵隧道所處地層密切相關，針對長江漫灘地質條件粉砂層，盾構下穿既有地鐵隧道引發相關的沉降研究較少。長江漫灘地由于長江近代以來的退移形成的原因，造就了其低凹、平坦的地形，具有相對穩定的50 m左右厚的軟土層。由于其固結沉降程度不夠高，固結沉降還在進行中[7]。以上的因素，導致該地層承載力低、易變形、不穩定性高。在此工況在進行盾構施工難度較大，本文以南京地鐵7號線莫愁湖站-清涼山站區間下穿南京地鐵2號線段為例，通過對既有隧道的實時監測數據分析，對施工進行總結分析。

1 工程背景

1.1 整體區間概況

區間右線長1 112.9 m(含短鏈40 m)、右線長1 131.1 m(含長鏈21.8 m)，設1座聯絡通道帶泵房。區間最小半徑為R=350 m，線路縱坡為“V”字坡。線路自莫愁湖站出站后以28‰和4.547‰的下坡到區間最低點，后以7.6‰和15.6‰的上坡到達清涼山站。區間采用2臺泥水平衡盾構機組織施工，初期進行左線施工，后期根據左線施工情況調整施工方案進行右線施工。

區間始發段至秦淮河段穿越的地層主要為粉質黏土夾粉砂、粉砂、粉細砂地層，秦淮河段—清涼山段為中風化礫巖和中風化泥巖。潛水主要賦存于填土、新近沉積黏性土層中。其中，人工填土層由粉質黏土夾碎石、碎磚混填，其透水性不均勻，該土層的大孔隙往往成為地下水的賦存空間。全新世沉積軟弱黏性土淤泥質粉質黏土飽含地下水，富水性弱，透水性弱。

1.2 下穿段工程概況

區間地處長江漫攤地質，具體下穿既有2號線情況如圖1所示。

圖1 區間下穿二號線平面圖

盾構埋深27 m，2號線埋深約12 m，7號線隧道下穿運營的軌道交通2號線區間隧道，與隧道結構最小豎向凈距約為9.4 m。穿越段地質如圖2所示。

圖2中，由上往下依次為雜填土、素填土、淤泥質粉質黏土、粉土夾粉砂、粉細土，盾構穿越的地層為淤泥質粉質黏土和粉土夾粉砂地層，地層軟弱、地下水豐富。

圖2 區間下穿地鐵二號線地質斷面圖

2 左線施工設計

2.1 風險分析

本區間隧道主要穿越②-4b3粉質黏土層、②-4b3 d粉質黏土夾粉砂層、②-4 d2粉砂層、②-5 dl粉細砂層:K2p-2強風化泥質砂巖、K2p-3-1中風化泥巖、泥質砂巖、砂質泥巖，K2p-3-2中風化砂礫巖、礫巖,K2p-3-2a中風化砂礫巖、礫巖(破碎)層等。下穿段盾構穿越的地質以粉砂層為主。粉砂層的摩擦角，所以盾構機在推進過程中會受到較大的頂推力和扭矩；同時，粉砂層的滲透系數大，增大了盾構機在推進過程中遇到流沙的可能性，除此之外，盾構姿態也會因此變得難以控制[8]。基于此，在盾構接收施工前要加固盾構端頭、對盾構接收端進行降水施工、多次測量核對盾構機與洞門位置[9]。所以下穿段粉砂層施工過程中易沉降，需采用注漿加固措施。

2.2 注漿參數

在施工過程中進行同步注漿。注漿技術參數：注漿量為理論建筑空隙的130%～160%，即為4.98～6.12 m2/環，根據盾構下穿段埋深同步注漿壓力控制在3.0～3.5 bar；注漿要求：做到“掘進、注漿同步，不注漿、不掘進”，通過控制同步注漿壓力和注漿量雙重標準來確定注漿時間；漿液配合比情況如下：①膠凝時間：3～8 h；②固結體強度：7天強度大于0.4 MPa，14天抗壓強度大于1 MPa；③漿液結石率：>95%，即固結收縮率<5%；④漿液稠度：8～12 cm。注漿材料配比見表1。

表1 同步注漿材料配比表 單位：kg

為了彌補前期注漿效果，根據固結率及沉降、變形等情況，須在同步注漿后進行二次注漿來加強強度。本工程二次注漿采用雙液漿，主要材料為水泥、水、水玻璃。材料控制指標如下：①漿液凝固時間為60 s；②注漿壓力控制在3.0～3.5 bar；③水泥∶水=1∶1；④水玻璃∶水泥漿=1∶1。泥漿中的泥水比重應為1.05～1.25 g/cm3，下限為1.04～1.2 g/cm3，局部時段根據監測結果甚至可選1.25 g/cm3。泥漿性能指標見表2。

表2 泥漿性能指標表

2.3 注漿安排

注漿施工如圖3所示。

圖3 注漿施工示意圖

同步注漿：負2環管片安裝完成后開始同步注漿(管片脫出盾尾后)，同步注漿采用商品砂漿，注漿量不少于6 m2，注漿壓力不小于3 bar。注漿采用少量多次注漿入，注漿期間確保盾尾油脂壓力不小于10 bar。

二次注漿：已完成兩次封閉環注漿封堵，第三次封堵為盾尾處素墻9環后，既盾構施工完成20環后，進行二次注漿封堵。下穿建構筑物期間，對管片進行二次注漿，本區間采用多注漿孔管片，大塊管片有3個注漿孔，注漿部位主要以中上部為主，注漿期間確保注漿孔封閉效果。

2.4 盾構施工參數

盾構施工參數見表3。

表3 下穿地鐵二號線盾構施工參數

3 左線沉降結果

7號線莫愁湖站—清涼山站區間下穿2號線段在2號線內沉降觀測點布置如圖4所示。

圖4 二號線沉降監測點分布圖

地鐵2號線隧道內由地鐵運營公司實施，監測數據共享。采用測量機器人對既有2號線沉降進行實時監測，S代表2號線上行，X代表2號線下行。2號線道床最終沉降結果如圖5所示。

圖5 左線下穿時2號線道床沉降圖

上行線道床最大沉降在S14點為-7.8 mm，下行線道床最大沉降在X17點為-9.4 mm。

4 沉降分析及右線施工分析

4.1 沉降分析

1)地層變化，盾構穿越的地層由粉質黏土夾粉砂變為全斷面粉砂地層，粉砂層施工易沉降且沉降反應較快；粉砂層掘進，泥漿含砂率高，黏度下降較快，在地層形成泥膜能力較差。

2)施工中同步注漿有管路堵塞的情況。所以要確保盾構連續施工及時進行補充二次注漿，粉砂層掘進期間控制泥漿比重不大于1.3 g/cm3，黏度不低于20 s，及時補充新制漿液。

4.2 右線施工設計

右線施工設計如圖6所示。

圖6 隧道頂部注漿加固示意圖(單位：m)

初次右線盾構施工在隧道頂部2 m范圍內采用注漿加固。注漿施工控制標準：①保證施工影響范圍內地層損失率≤2‰；②對既有軌交隧道襯砌結構的附加沉降、水平位移≤5 mm，報警值為3 mm；③盾構推進引起的2號線附加曲率半徑應大于15 000 m，相對彎曲<1/2500；④隧道內兩軌道橫向高差≤2 mm，縱向偏差和高差<4 mm/10 m。針對粉砂層施工過程中易沉降及右線施工情況采取以下措施。

1)嚴格控制泥漿比重。下穿地鐵2號線區間穿越的地層以粉砂為主，粉砂地層施工泥漿比重下降較快。目前左線正在掘進粉質黏土層，將左右線泥漿混合在一起，有效保證右線盾構下穿地鐵2號線時泥漿的黏度。采用優質的鈉基膨潤土加以纖維素、純堿等對漿液黏度進行調整，確保漿液黏度不低于20 s。

2)確保盾構連續施工。根據統計下穿地鐵2號線期間，由于同步注漿管路堵塞、設備故障等影響盾構未能連續施工，停機期間盾構沉降速率及沉降值較大。優化砂漿配比，進一步提高砂漿填充能力，確保砂漿質量；定期對注漿管理進行清洗，避免因砂漿堵管造成不必要的停機。

3)盾構穿越既有隧道前應調整好掘進姿態，力求以良好姿態勻速、緩慢、連續穿越;完善同步注漿和二次注漿管理措施，加強掘進期間對盾尾刷油脂飽滿和尾刷保護控制。

4)穿越工況下建議以微欠挖方式掘進，嚴禁超挖，合理控制艙內壓力和出渣量，以減少對地層的擾動。

5)確保渣土外運，專人管理渣土外運，若出現渣土外運困難時優先保證右線盾構施工。

6)有現場盾構下穿地鐵2號線期間，盾構技術服務公司人員駐場，確保盾構連續施工。

7)盾構下穿地鐵2號線前對盾構機及泥漿站進行一次全面的維修保養，對損壞件建成更換，儲備易損件。

8)管片脫出盾尾5環后進行二次補充注漿，二次注漿數量不少于1 m3。

4.3 右線掘進參數優化

根據上述既有經驗對右線施工參數進行了優化，施工技術也按照進行了相應調整，如表4所示。

表4 掘進參數表

4.4 優化后的右線盾構沉降結果

優化后的右線盾構沉降結果見圖7。

圖7 右線下穿時2號線道床沉降圖

上行線道床最大沉降在S17及S18點為-9.3 mm，下行線道床最大沉降在X20點為-7.4 mm。和左線盾構引發沉降相比，沉降未得到改善，但還處于有效控制范圍內，實現了穩定安全施工。分析為左線盾構對土的擾動及施工效果未達到預期所致。

《城市軌道交通結構安全保護技術規范》(CJJ/T 202—2013)[10]附錄 B 對城市軌道交通結構安全控制指標值給出了明確要求，針對本工程情況，規范要求：隧道豎向位移的預警值為10 mm、控制值為20 mm。道床最終左右線盾構引發的累計沉降見圖8。

圖8 道床累計沉降圖

所有監測點都滿足了沉降控制值，大部分監測點都滿足了沉降預警值，超過預警值的監測點最多也只是超過30%左右。總體來說，下穿段施工很好地滿足了規范要求，說明右線盾構的改進施工，在已經有左線盾構土體擾動的情況下，產生了一定的效果。

5 結 論

通過南京地鐵7號線莫愁湖站—清涼山站區間左線下穿南京地鐵2號線段施工實踐，可以得出以下結論。

1)粉砂層施工易沉降且沉降反應較快，粉砂層掘進，泥漿含砂率高，黏度下降較快，在地層形成泥膜能力較差，所以需要及時注漿處理，并對注漿效果及時監測、反饋，來指導施工方法及參數的調整，可以有效控制沉降在允許范圍內。

2)對于這種復雜施工條件，現場必須有完善的組織體系，減少同步注漿管路堵塞、設備故障等的影響。

3)巖土工程本身具有復雜性和特殊性，充分利用監測技術，可以讓施工變得靈活安全，即使可能達不到預期目標，但監測與施工的協調可以做到工程的安全可控。

4)確定合適的施工參數及方法，除了借鑒已完成的施工項目，還可以借助軟件建模分析，提前預判可能會出現的一些工程問題。

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