淤泥地层中盾构上穿近接地铁线施工稳定性研究

骆瑞萍,陈保国,闫腾飞,王程鹏

(1.湖北省建筑科学研究设计院股份有限公司,武汉 430071； 2.中国地质大学(武汉)工程学院,武汉 430074)

引言

城市地铁盾构穿越近接构筑物形式多样，如下穿、上穿、侧穿，无论哪种形式穿越近接构筑物，都会产生相互影响[1-3]，涉及到盾构施工稳定性控制[4，5]。为此，国内外学者对盾构穿越近接构筑物进行了研究，G.Lee等[6]利用数值方法，探讨了盾构法施工对地表及桥梁桩基的影响规律。张治国等[7]以上海轨道交通工程为背景，采用三维有限元数值模拟方法、简化理论方法以及现场监测方法，对软土城区土压平衡盾构机上下交叠穿越近接地铁隧道的变形规律进行了研究，并提出上下交叠穿越近接地铁隧道的盾构施工参数设定规律以及安全控制技术措施。姜华龙等[8]以工程实例为背景，通过现场监测与数据分析，得到了复杂环境下盾构近距离穿越车站的关键技术措施。祝和意等[9]就盾构施工地表沉降原因、地层变形特征及变形机理、地层变形预测进行研究，分析了盾构施工引起位移的原因与机理，并提出控制地层变形保护建筑物的相关措施。张孟喜等[10]采用数值模拟结合现场监测方法，解决了全风化岩层中盾构上穿问题注浆压力合理取值与既有隧道变形控制两大难题。戴志仁[11]结合现场施工经验，总结出富水砂卵石地层盾构隧道微扰动施工关键技术。文献[12-13]分别就不同地层下穿地铁隧道采用MJS工法进行预加固保护，结果表明可有效保护既有线路的安全运营。杨俊龙等[14]采用数值模拟结合实测，分析了下穿铁路桥涵盾构参数的变化规律、控制方法和桥涵变形效果。文献[15-17]研究了黄土地区盾构穿越建(构)筑物工况下的变形控制技术，分析了影响因素变化规律。李凯梁[18]采用数值模拟分析了隧道穿越施工对既有线路的影响及施工过程中的地表变形。高继锦[19]采用室内模型试验及三维数值分析，研究了地面堆载下的隧道交叉节点处交叉隧道的受力变形特性。

从目前研究来看，淤泥层中盾构上穿高速地铁线路的研究尚不成熟[20]，施工中存在很多难题；根据已有勘察成果资料、原位测试、室内土工试验结果，深圳地铁5号线穿越含有大量触变性大、强度低的不稳定深厚淤泥层，当采用盾构法穿越淤泥地层时，易造成地面沉降，难以保证地面周边构筑物的安全，同时也造成施工成本增加。因此，结合实际工程对淤泥层中盾构上穿近接地铁施工稳定性展开研究具有重要的意义。验证旋喷桩联合袖阀管注浆加固技术的有效性，分析得出淤泥层中盾构上穿近接地铁时盾构掘进参数的建议值，为此类工程施工提供一定的应用经验和参考价值。

1 工程问题分析

深圳地铁5号线位于前海填海造陆区域，是典型的填海区淤泥交互地层，主要地层为第四系全新统人工堆填层、海相沉积层、上更新统冲洪积层、残积层，下伏基岩为加里东期混合花岗岩。沿线场地现状主要为填海空地、道路、在建工地等。地下水主要是受大气降水渗入补给，并在一定条件下接受海水、河(沟)水的侧向补给，并与二者具较密切水力关系。第四系孔隙水局部水量较丰富，水质易被污染。区间线路主要从海陆交互相沉积层中穿越，该层含有大量触变性大、含水量高、强度低的淤泥，面临很大的施工风险。

深圳地铁11号线运行最高时速达到120 km，属于国内目前已经运营的最高时速地铁线。地铁5号线盾构施工小间距上穿11号地铁线给其运营带来安全隐患。5号线盾构隧道以8°～10°角度斜上穿11号线隧道，在4个上跨段隧道中心线相交位置附近为盾构施工对11号线影响最不利位置(图1)。因上穿段地质条件复杂，且5号线上穿前11号线已投入营运，地铁5号线与11号线最小间距2.05 m，11号线本身存在微裂缝，工程安全风险、施工安全风险均极大，若处置不当，将带来非常严重的后果。

图1 盾构上穿地铁11号线主要影响区

传统的组合钢架临时内支撑措施加固11号线，不能对线路起到长期保护作用，且钢架拆除难度大；盾构上穿已运营地铁11号线间距小，盾构推进控制不当可能造成地铁11号线隧道管片上浮或下沉，从而偏离设计轴线；如果同步注浆跟不上或二次注浆不及时，可能造成地铁11号线管片上浮，管片错台；盾构施工经过高速地铁11号线时，可能由于同步注浆压力及注浆量控制不当造成地铁11号线局部位置被击穿或加速地铁11号线管片渗漏水、管片开裂或错台。

2 技术处理措施

结合现场地质条件、周边环境，提出了旋喷桩联合袖阀管注浆加固技术，解决上穿11号线软弱土层局部加固的难题，从根本上改善地基承载力和变形特征，有利于稳定盾构姿态及既有线路结构安全，减少地面沉降、降低对既有近接地铁线的影响。

旋喷桩主要针对盾构穿越层土体进行加固，浆液通过高压旋喷与土体胶结，以提高穿越层的土体强度，控制地表沉降。袖阀管局部注浆主要针对上穿既有近接地铁隧道周围1 m范围内加固，把具有胶凝和充填性能的混合浆液材料通过注浆器具在高压作用下压入需要加固的局部软弱地层中，充填既有运营线路周围1 m范围内土层的空隙，从而减小局部软弱土层的渗透系数及隧道开挖时的渗水量，提高地基强度和自稳能力，减少盾构施工对既有近接地铁线的扰动，加固区域如图2所示。

图2 旋喷桩联合袖阀管加固剖面(单位：m)

上穿区既有隧道周围1 m范围之外旋喷桩注浆加固，通过室内土工实验和现场注浆实验确定加固参数如下：

(1)旋喷桩采用φ600 mm@450 mm的双管旋喷桩；

(2)水灰比为1∶1～1∶1.5，采用42.5级普通硅酸盐水泥；

(3)旋喷桩要求28 d无侧限抗压强度qu≥1.0 MPa、渗透系数小于10-6cm/s；

(4)水泥用量≮200 kg/m，浆液喷射压力25～30 MPa，气流压力≮0.7 MPa，提升速度≯10～25 cm/min，透水层需复喷，复喷提升速度为100cm/min。

上穿区既有隧道周围1 m范围之内采用PVC管材的袖阀管注浆加固，通过室内土工实验和现场注浆实验确定加固参数如下：

(1)袖阀管间距1.5 m×1.5 m，梅花形布置；

(2)注浆液采用42.5级普通硅酸盐水泥，注浆时按先灌入稀浆后灌入浓浆的原则逐渐调整水灰比；

(3)开环压力为0.3 MPa，具体数值可根据现场实际情况进行适当调整；正常注浆压力控制在0.3～0.4 MPa，注浆过程中通过注浆泵出浆口处仪表读数控制注浆压力；

(4)注浆次序：每次都必须跳开一个孔进行注浆，以防止发生窜浆现象；

(5)间歇循环小压力注浆：全孔段注浆完成后，间歇一段时间再进行第二次注浆，间歇时间控制在10～30 min。循环注浆压力控制在0.3～0.4 MPa；

(6)注浆次数：每根桩注浆需2～3次，可据实际施工情况进行调整。

3 自动化监测与结果分析

3.1 监测内容和测点布置

在地铁5号线右线盾构上穿11号线过程中，对施工过程中的盾构掘进参数(土仓压力、注浆压力、推进速度、同步注浆量、出渣量、盾构推力)及地表位移进行了监测。通过自动化监测确保并验证了该联合注浆加固技术效果， 并给出了淤泥层中盾构上穿近接高速地铁时盾构掘进参数的建议值。

将5号线右线盾构上穿11号线分为预警区、上穿段(11号右线)、调整段、上穿段(11号左线)、警戒消除段5个阶段，如图3所示。其中，预警区为第34～74环、上跨段(11号右线)为第75～106环、调整段为第107～121环、上穿段(11号左线)为第122～146环、警戒消除段为第147～186环，并在上穿区域设置4个横断面分别对5号线右线盾构过程地表竖向位移进行了监测，每个断面设置了5个测点，如图4所示。同时引入了三维激光扫描对11号线近接地铁线的收敛位移情况进行了自动化扫描。右线最大宽度变化平均值为9 mm。结合收敛位移调整上穿隧道的盾构掘进参数，来保证既有地铁11号线结构安全。

图3 上穿地铁11号线分区(单位：m)

3.2 监测结果分析

3.2.1 地表竖向位移数据分析

如图5所示，为盾构分别掘进至第126环、第130环、第133环、第138环、第142环、第146环时，上

图4 地表竖向位移监测点平面布置示意

穿区4个监测断面地表竖向位移变化曲线。断面1为上穿预警段地表竖向位移，在盾构掘进过程中地表最大隆起为3 mm，如图5(a)所示。断面2为上穿段竖向位移，随着盾构掘进，地表最大隆起量在2～3 mm，在5号测点出现了沉降，但变化量仅1 mm，如图5(b)所示。断面3为调整段地表竖向位移，在盾构掘进过程中地表最大隆起量达到6 mm，但变化速率不大，较稳定，如图5(c)所示。断面4为警戒消除段地表竖向位移，地表主要出现隆起，且不超过3 mm，同样变化速率较小，如图5(d)所示。

图5 盾构掘进过程中地表竖向位移变化规律

从图5可以看出，地层经加固处理后盾构隧道上穿11号线过程中随着盾构掘进深度的增加，上部地表隆沉基本维持在3 mm范围内浮动，只有极少情况下地表隆起5 mm左右。根据DG/TJ 08—2041—2008《地铁隧道工程盾构施工技术规范》[21]可知，盾构施工过程中地表最大隆起和沉降量均在控制范围内，实测数据表明盾构上穿过程中进行旋喷桩联合袖阀管注浆加固对上部地表沉降控制作用非常明显，降低了盾构掘进对地表的扰动程度，增强了土体的稳定性。

3.2.2 盾构掘进参数分析

如图6～图11所示，为右线盾构上穿11号线预警区、上穿段、调整段、上穿段、警戒消除段5个阶段盾构掘进参数的变化曲线，从图6～图11可以看出，推进速度、土仓压力、注浆压力、注浆量、出渣量、推力在整个上穿11号线过程的变化范围。

图6 5号线右线上穿11号线盾构推进速度变化曲线

图7 5号线右线上穿11号线盾构土仓压力变化曲线

图8 5号线右线上穿11号线盾构同步注浆压力变化曲线

图9 5号线右线上穿11号线盾构同步注浆量变化曲线

图10 5号线右线上穿11号线盾构出渣量变化曲线

图11 5号线右线上穿11号线盾构推力变化曲线

预警段地层与上穿段地层基本一致，结合地面监测情况及上穿11号线盾构参数监测值，对参数进行调整，最后得出盾构上穿地铁11号线主要施工参数，见表1。

表1 盾构掘进参数

4 数值分析

采用数值分析软件对淤泥中盾构上穿近接高速地铁11号线进行三维仿真模拟，对比分析旋喷桩联合袖阀管注浆加固效果。

模型几何尺寸长、宽、高分别为264，120 m和60 m(图12)。土层采用Mohr-Coulomb理想弹塑性本构模型，盾壳和管片采用弹性模型、shell单元模拟。底面固定，侧面约束水平位移，模型上表面为地表，取为自由边界。主要物理、力学参数见表2。

图12 数值分析模型

表2 材料物理力学参数

上穿段5号线埋深7～9 m，穿越淤泥地层；既有的11号线盾构隧道，位于粉质黏土、全风化片麻花岗岩地层。

如图13、图14所示，地铁5号线右线盾构上穿近接地铁11号线5个区间，地层在未加固条件下盾构穿越至警戒消除段时，监测断面处地表最大沉降值为28.8 mm。地层经旋喷桩联合袖阀管加固后，盾构掘进对地表竖向位移的影响明显减弱，最大隆起量和沉降值均在3 mm左右。

图13 地表横断面竖向位移(未加固)

图14 地表横断面竖向位移(加固后)

图15 11号线竖向位移(未加固)

如图15、图16所示，地铁5号线施工主要造成11号线隧道上浮，隧道最大上浮位置都发生在地铁5号线左右线隧道交叠处。地层未加固施工完成时，隧道最大上浮量为12.5 mm；地层经加固后，盾构施工引起地铁11号线隧道上浮量减少至5.6 mm。可知，旋喷桩联合袖阀管注浆加固技术能有效提高地层强度，改善盾构施工环境。

图16 11号线竖向位移(加固后)

5 结论

(1)综合现场地质条件、周边环境，提出旋喷桩联合袖阀管注浆加固技术，对既有地铁线隧道1 m范围以外采用旋喷桩加固，既有地铁线隧道周围1 m范围内采用袖阀管注浆，提高了土体的强度，降低了土体的渗透性，对线路起到了长期保护作用。

(2)根据地表竖向位移实测数据可知，盾构隧道上穿11号线过程中随着盾构不断掘进，上部地表隆沉基本维持在3 mm范围内浮动，满足《地铁隧道工程盾构施工技术规范》要求，验证了旋喷桩联合袖阀管注浆加固技术有效性。

(3)提出淤泥层中盾构上穿近接地铁时盾构掘进参数的建议值，在旋喷桩联合袖阀管注浆加固技术条件下，土仓压力、注浆压力、推进速度、同步注浆量建议值分别为0.14～0.20 MPa、0.15～0.2 MPa、25～35 mm/min、6.5～7.0 m3/环。