南京地铁软流塑地层盾构下穿既有隧道处理加固技术

刘新军，田俊峰，叶万军，张磊霄，王 岩，马宝芬

(1.中铁第一勘察设计院集团有限公司，西安 710043；2.西安科技大学建筑与土木工程学院，西安 710054；3.长安大学公路学院，西安 710054)

随着城市地铁建设的发展，多条线路的换乘站点建设中上下穿现象普遍出现，新地铁的修建中保障既有运行隧道的问题愈来愈凸显。目前，学者们关于穿越问题对地层及既有隧道的加固的案例有很多。邓指军[1]在上海2号线龙阳路穿越段内使用微扰动注浆加固技术，试验结果表明，注入双液浆对减小既有隧道的沉降有显著的效果，并通过试验确定了施工工艺和施工参数。杨春山等[2]以广州某盾构隧道为背景，采用有限元软件得到了盾构掘进对既有隧道位移的影响规律，建议两线隧道相交处侧向2D(D为隧道洞泾)范围内土体进行局部加固，保证既有隧道的安全。杨树才等[3]以南京地铁珠江路站北端下穿建筑物和污水管工程为背景，采用小导管超前预注浆+大管棚+掌子面注浆的方式有效加固了软流塑地层，控制了地面沉降变形。彭红霞等[4]以南京地铁3号线大明路站-明发广场站穿越箱涵及群桩基础工程为背景，对比分析了4种群桩处理技术方案，最后选定基底加固后箱涵托换+劈裂注浆加固地层，并取得了很好的效果。苏明[5]以南京地铁3号线明发广场站下穿秦淮河支流农化河为背景，采用长管棚+小导管超前支护，双液浆全断面深孔加固保证了工程的顺利进行。龚洪祥等[6]以南京地铁1号线南延线花神庙站-南京南站隧道下穿建筑物为背景，采用超前大管棚+超前径向注浆小导管+掌子面注浆的方式确保了隧道及地面建筑物的安全。

南京地铁5号线三山街站-朝天宫站盾构区间隧道位于软流塑地层[7-10]中，且盾构出三山街站后需要下穿既有地铁1号线，1号线作为南京交通运输线中最重要路线之一，5号线的施工必须保证它的正常运营，因两线净距较小，需要对地层进行加固处理。现根据工程具体情况，对比分析三种加固方案的加固效果并选取一种最优方案，为设计和施工提供理论指导。

1 工程概况

1.1 区间概况

南京地铁5号线工程D5-XK04标三山街站～朝天宫站区间由中山南路和升州路交汇处三山街站，沿升州路西行，于仓巷处北拐，下穿秦淮区朝天宫街道综合治理办公室、天后宫等建筑至莫愁路，止于莫愁路和建业路交汇处，区间左线设计里程YK24+992.595～YK26+427.247，长约1 434.6 m，区间右线设计里程ZK24+992.595～ZK26+445.200，长约1 452.6 m，区间埋深8.74～26 m，采用盾构法施工，区间断面形式为圆形双洞，隧道外径6.2 m，底板埋深为16.7～29.3 m，设计坡度为4‰～27.7‰。

区间隧道出三山街后下穿1号线，两线之间净距仅3.9 m，两线位置关系如图1所示。1号线隧道直径6.2 m，内径5.4 m，管片厚度0.35 m，每节管片长1.2 m，衬砌采用C50钢筋混凝土结构。此外地表建筑物密集，其中包括中国工商银行高层建筑，此地段交通繁忙、地下管线分布复杂，抵消管线迁改难度大、费用高。

新建5号线区间隧道穿越的地层主要为粉砂层和粉质黏土夹团块状粉细砂层，围岩级别Ⅵ级，极易坍塌变形，岩土工程施工等级Ⅰ级。

图1 5号线和1号线相对位置图Fig.1 Relative position map of Line 5 and Line 1

1.2 水文条件

根据勘察资料揭示的地层结构和地下水的赋存条件，本场地地下水以孔隙潜水为主，由于场地部分地段中上部及中下部软弱黏性土层与软弱黏性土层中的砂层透镜体、砂性土及含卵砾石粉质黏土渗透性差异较大，砂性土层及含卵砾石粉质黏土微具承压性。

2 地层加固方案

在软弱围岩段修建隧道较常规的预加固措施有超前管棚[11-14]、超前小导管[15-16]、超前注浆[17-19]、超前锚杆[20-22]和地表袖阀管注浆加固[23-25]等，且各种预加固措施及多种预加固措施联合使用时在很多实际工程中得到了成功验证。针对具体工程提出了3种地层加固方案，具体如下：

方案1管棚+水泥土搅拌桩+袖阀管注浆联合加固。

在1号线隧道底部下方0.5 m以及5号线隧道顶部上方0.5 m分别打设一排大管棚，沿5号线大里程方向打设36 m，即沿5号线方向各延伸超出1号线1D范围，打设宽度为34 m，即沿1号线方向各延伸超出5号线1D范围，上层管棚进行管内填充，下层管棚对地层进行注浆加固。在1号线两线之间区域以及外侧两部分区域使用φ800 mm@φ1 400 mm(钢筋布置：直径2 800 mm，间距 1 400 mm 排布)水泥土搅拌桩加固。两侧部分打设2排搅拌桩，加固宽度为3.0 m，加固范围边界距1号线拱腰边缘1.9 m；1号线两线之间共打设4排搅拌桩，加固宽度为5.6 m，加固范围边界距1号线拱腰边缘2.2 m，底部延伸至五号线拱底1D范围内。地面打设袖阀管对1号线下部土体进行加固，袖阀管直径为φ50 mm，沿1号线方向打设袖阀管，呈梅花状布置，袖阀管之间间距为1 m，沿1号线方向两侧各延伸超出5号线外侧1D范围，竖向只加固1号线正下方土体。

方案2微扰动注浆加固。

在既有隧道落地块两端未设置垂直于下卧土层的注浆孔，应根据1号线隧道管片衬砌图纸避开钢筋而不致损坏衬砌结构，将注浆管从既有1号线铁路线旁排水沟内打入。经查阅相关研究文献可知，浆液在软土层中扩散半径约为0.6～0.7 m，管片衬砌宽度为1.2 m，所以注浆管纵向间距设为1.2 m，即每环管片设一竖向注浆孔。1号线和5号线净距为3.9 m，初步设定竖向加固范围为3.5 m，纵向上左右延伸出五号线隧道各1D范围。图2为注浆区域断面图。

图2 注浆区域断Fig.2 Section of grouting area

方案3水平旋喷桩(MJS)加固。

采用MJS工法对新建左右隧道拱顶周围0.5 m范围进行水平注浆加固，沿5号下大里程方向打设40 m。单个水平旋喷桩为有效直径0.5 m的半圈区域，咬合0.2 m，旋喷桩摆喷区域为上半圆的270°范围，5号线MJS工法桩左右各43根。具体分布如图3所示。

图3 水平旋喷桩(MJS)加固剖面示意图Fig.3 Schematic diagram of horizontal jet grouting pile (MJS) reinforcement

3 沉降控制标准

软、流塑地层中，盾构掘进过程会对土体产生较大的扰动，对运营隧道的安全性和稳定性的判断，主要以既有运营隧道的累积变形值作为主要依据。参考规范,既有地铁结构变形控制标准为20 mm，预警值为10 mm，当既有隧道出现10 mm的位移时，应采取相应措施进行控制。

4 盾构隧道施工数值模拟

4.1 计算参数取值

根据勘察资料，穿越段地层加权平均后各土层由上向下依次为①杂填土；②淤泥质填土；③淤泥质粉质黏土；④粉质黏土夹粉土；⑤粉砂；⑥粉质黏土夹团块状粉细砂；⑦含卵砾石粉质黏土(混中粗砂)；⑧粉砂质泥岩、泥质粉砂岩。各土层参数如表1所示。

加固体在数值模拟时均按弹性材料考虑，查阅相关资料，选定各加固体的力学参数取值如表2所示。

表1 土层物理力学参数Table 1 Soil physical and mechanical parameters

表2 加固体参数Table 2 Solidification parameter

4.2 计算模型

利用Midas GTS NX有限元软件对盾构掘进过程进行模拟，根据依托工程新建盾构隧道与既有隧道的相互位置关系建立三维数值模型，模型尺寸：L×W×H=96 m×72 m×50 m，如图4所示为不存在加固措施的有限元模型。既有隧道埋深11.6 m，新建隧道埋深21.85 m。模型共48 052个节点，117 515个单元，土体本构模型采用Mohr-Coulomb弹塑性模型，围岩和注浆层采用3D实体单元，隧道衬砌和盾构机采用2D板单元。对整体固定底部边界，模型四周限制水平位移，地表面不采取约束，为自由边界。

地层加固在进行数值分析时均以改变加固位置土体参数的方法实现，如图5分别为方案1～方案3在有限元软件中的实现形式。

图4 整体模型Fig.4 Overall model

图5 三种方案加固实现形式Fig.5 Reinforcement realization form of three schemes

5 计算结果分析

5.1 方案1结果分析

选取既有隧道左线正上方地表研究地表沉降，选取既有隧道左线拱底研究既有隧道竖向位移，选取左线外拱腰研究既有隧道的水平位移。结果如图6～图8所示。

图6 地表沉降最终沉降曲线对比Fig.6 Comparison of final settlement curves of surface settlement

图7 既有隧道左线拱底竖向位移曲线Fig.7 Vertical displacement curve of the left bottom arch of existing tunnel

图8 既有隧道左线外拱腰水平位移曲线Fig.8 Horizontal displacement curve of the arch waist outside the left tunnel of the existing tunnel

由图6和图7可以看出，左线施工过程中，地表和既有隧道左线沉降峰值点一直位于左线拱顶正上方，沉降槽宽度逐渐减小，地表沉降曲线和隧道变形曲线呈“V”形。右线施工过程中，地表沉降峰值点逐渐向中线转移，最终地表沉降曲线呈“U”形。既有隧道位移峰值点逐渐向右线方向移动，最终最大沉降值并不位于盾构正上方，且该侧峰值大于盾构左线一侧沉降最大值，两侧最大沉降值均向中线方向偏移，两峰值点区间内的测点与两侧峰值点距离越远，沉降值越小，在中心线处达到最小，既有隧道变形曲线由“V”形变为“W”形。

由图8可以看出，既有隧道的水平位移整体偏向Y轴负方向，当盾构经过1号线左线隧道下方后，隧道的水平位移向Y轴正向偏移，位于开挖面上方的部分测点的偏移值较大；右线开始施工至1号线左线隧道下方时，既有隧道的水平位移整体向Y轴负向，位于右线正上方部分测点偏移量较大，当盾构经过1号线左线隧道下方后，水平位移整体偏向Y轴正方向。对这一现象的解释是，盾构向前掘进时掌子面的土体向盾构机方向发生侧向位移，前方土体发生扰动，出现向开挖面运动的趋势，隧道随开挖面的变化在水平方向逐渐偏移。

5.2 方案2结果分析

该方案选取断面与方案1相同，结果如图9～图11所示。

由图9可以看出，对于地表沉降，左线施工时最大值一直位于盾构左线正上方，变形曲线呈“V”形；右线施工时最大值逐渐向中线转移，最终变形曲线呈“V”形。

图9 地表沉降最终沉降曲线对比Fig.9 Comparison of final settlement curves of surface settlement

图10 既有隧道左线拱底竖向位移曲线Fig.10 Vertical displacement curve of the left bottom arch of existing tunnel

由图10可以看出，左线施工过程中，既有隧道沉降峰值点一直位于左线拱顶正上方，既有隧道变形曲线呈“V”形；右线施工过程中，峰值点逐渐向右线拱顶正上方移动，两峰值点区间内的测点与两侧峰值点距离越远，沉降值越小，在中心线处达到最小，既有隧道变形曲线由“V”形变为“W”形。

图11 既有隧道左线外拱腰水平位移曲线Fig.11 Horizontal displacement curve of the arch waist outside the left tunnel of the existing tunnel

由图10和图11可以看出，既有隧道的水平位移方向更加偏向于开挖面。左线施工时，当盾构首次到达1号线左线隧道下方时，既有隧道的水平位移整体偏向Y轴负方向，当盾构经过隧道下方后，隧道的水平位移向Y轴正向偏移，位于开挖面上方的部分测点的偏移值较大；右线施工时，位于右线开挖面上方的测点的位移值也逐渐向Y轴正方向偏移。

5.3 方案3结果分析

该方案选取断面与方案1和方案2相同。结果如图12～图14所示。

图12 地表沉降最终沉降曲线对比Fig.12 Comparison of final settlement curves of surface settlement

图13 既有隧道左线拱底竖向位移曲线Fig.13 Vertical displacement curve of the left bottom arch of existing tunnel

图14 既有隧道左线外拱腰水平位移曲线Fig.14 Horizontal displacement curve of the arch waist outside the left tunnel of the existing tunnel

MJS水平旋喷桩加固方式与微扰动注浆加固方式的既有隧道的竖向、水平位移和地表竖向位移变化规律基本相同。

5.4 对比分析

通过前述三种预加固措施的数值模拟分析，得出了既有隧道、地表的变形结果，并分别进行了分析。为了明确各种预加固措施的加固效果，将施加三种预加固措施下既有隧道和地表的变形值进行对比分析，如表3所示。

表3 位移对比表Table 3 Displacement comparison table

仅从最终的变形数据上分析，搅拌桩+管棚+袖阀管注浆的加固效果明显优于另外两种预加固措施，且该措施是根据南京地区软流塑地层盾构下穿工程独创的一种加固方案，该方案的成功实现将为今后类似工程提供可靠的借鉴。

5.5 施工参数影响分析

仅讨论盾构施工中土舱压力和注浆压力的变化对既有隧道的影响规律。配合前述所选搅拌桩+管棚+袖阀管注浆联合加固措施给出施工参数范围。

土舱压力的取值分别设置0.1、0.15、0.19(设计工况)、0.24、0.30 MPa。以土舱压力0.10 MPa时最终位移为基准，作出土舱压力对隧道变形的减小比率图，如图15所示。注浆压力的取值分别设置0.20、0.28、0.35(设计工况)、0.40、0.45 MPa进行分析。以注浆压力0.20 MPa时最终位移为基准，做出注浆压力对隧道变形的减小比率图，如图16所示。

图15 位移增长率随土舱压力增长曲线图Fig.15 Displacement growth rate with soil tank pressure growth curve

图16 位移增长率随注浆压力增长曲线图Fig.16 Displacement growth rate with grouting pressure growth curve

从既有隧道最大位移随土舱压力的变化规律来看，土舱压力的增大在一定程度上会限制隧道的竖向位移，但并非越大控制效果越明显，由图15可以看出，当土舱压力增大到一定值时，位移增长率曲线变缓。经数据分析，当土舱压力在0.19 MPa以内变动时，对隧道的竖向位移控制效果较显著，其次在实际施工过程中，保证土舱压力平衡开挖面水土压力是首要条件，可适当调整土舱压力值，以使隧道结构及地表变形最小。从既有隧道最大位移随注浆压力的变化规律来看，注浆压力的增大在一定程度上会限制隧道的竖向位移，且从现有数据来看，控制增长率与注浆压力基本呈正比例关系。在实际施工过程中，注浆压力不宜过大，以防水泥浆液劈裂土体造成土体破坏，应实时进行监测，以期调整注浆压力控制地层及既有隧道的变形。

6 结论

(1)通过对3种预加固措施的加固效果进行计算分析，判定搅拌桩+管棚+袖阀管注浆的加固效果明显优于另外两种预加固措施，该方案的成功实现将为今后类似工程提供可靠的借鉴。

(2)对两隧道中间地层采用预加固措施后，地表及既有隧道仍然会产生不均匀变形，盾构施工时，距离盾构机越近，对地表及既有隧道产生的影响越大。最终地表沉降沉降的曲线呈“V”形，隧道拱底竖向变形曲线呈“W”形，水平变形曲线无规则形状，其位移变化规律与盾构开挖面移动关系较大。

(3)在已选定预加固措施情况下研究了土舱压力和注浆压力对既有隧道的影响情况，表明当土舱压力在0.19 MPa以内变动时，对隧道的竖向位移控制效果较显著。控制增长率与注浆压力基本呈正比例关系，在实际施工过程中，注浆压力不宜过大，以防水泥浆液劈裂土体造成土体破坏，应实时进行监测。