富水砂卵石地层隧道盾构下穿地铁线注浆方案优化*

刘启明， 柳卓， 刘学武， 傅鹤林

(1.长沙市工务局， 湖南 长沙 410013；2.中南大学， 湖南 长沙 410004)

富水砂卵石地层在中国分布广泛，是具有地层岩体松散、无胶结、自稳能力差、单个石块强度高、颗粒间空隙大、黏聚力小、渗透系数大等特点的典型力学不稳定地层。采用盾构法在富水砂卵石地层掘进时，由于盾构推力、扭矩大且变化异常等原因，刀盘、刀具及螺旋输送机磨损严重，盾构掘进效率低下且时常发生开挖面失稳、地表塌陷等事故。该文结合湖南省长沙市万家丽路220 kV电力隧道盾构下穿长沙地铁3号线工程，采用MIDAS GTS三维数值模拟软件对盾构下穿地铁线进行数值模拟，优化注浆加固方案。

1 工程概况

万家丽路220 kV电力隧道全长6 609.007 m。其中：马栏山220 kV变电站出口—特立西路口采用明开挖施工，长度为644.489 m，规划出线4回220 kV电缆和14回110 kV电缆，隧道外侧截面宽6.3 m、高3.4 m，与规划道路合建；特立西路口—火炬路口长5 964.518 m，规划出线4回220 kV电缆和8回110 kV电缆，隧道内径3.6 m、外径4.1 m，采用盾构法施工。

该隧道在洪山路口与长沙地铁3号线空间相交(见图1)，电力隧道下穿，电力隧道下穿时地铁3号线已具备轨通条件。地铁隧道外径为6.0 m，底板距离电缆隧道顶板4.36 m；电力隧道外径为4.1 m，内径为3.6 m，顶板距离地面21.86 m。

该下穿段电力隧道围岩级别为Ⅴ级，隧道在富水砂卵石层中穿越。土层分布如下：素填土，穿越段层厚6.2 m；粉质黏土，穿越段层厚3.3 m；富水砂卵石层，穿越段层厚28.4～36.6 m，透水性极好；全风化砾岩层，穿越段层厚13.9～22.1 m，透水性好。

图1 万家丽路220 kV电力隧道路径平面图

2 数值模拟模型构建

采用MIDAS GTS三维数值模拟软件对电力隧道盾构下穿地铁3号线的扰动效应进行分析。根据隧道地质条件及分析目标计算精度要求，建立电力隧道盾构下穿既有地铁3号线数值分析模型，围岩模型采用四面体单元，服从Mohr-Coulomb弹塑性模型屈服准则；地铁隧道管片、电力隧道管片、等代层采用弹性模型，通过三维实体单元析取板单元获得(见图2、见3)。

图2 隧道盾构下穿地铁线数值分析模型

图3 地铁、电力隧道位置及管片示意图

模型X向取120 m，Z向取60 m，考虑到穿越段地铁3号线左右线间距为17 m，3号线方向(Y向)左右两边各取约3倍宽度，即120 m，模型尺寸为X×Y×Z=长×宽×高=120 m×120 m×60 m。模型共划分为68 142个单元、98 146个节点。

模型计算时，选取如下边界条件：平面X=-60 m和X=60 m限制其X方向位移；平面Y=-60 m和Y=60 m限制其Y方向位移；平面Z=-60 m限制其Z方向位移；顶部为自由面。荷载选用自重荷载、水压力荷载及施工荷载，其中水压力根据实际水位(选用常年正常水位25.26 m)确定，施工过程中衬砌同步注浆压力、盾构掘进压力及管片顶推力按照实际施工情况模拟。数值模拟地层参数见表1。

表1 土层物理力学参数

3 未注浆加固对地铁3号线的扰动

对电力隧道掘进时未注浆加固下长沙地铁3号线左右线管片位移进行分析，图4、图5为电力隧道掘进60、120 m时地铁管片的竖向位移云图，图6、图7为电力隧道掘进20、40、60、80、100、120 m时地铁隧道管片的竖向位移曲线。

图4 电力隧道掘进60 m时地铁管片竖向变形云图(未注浆加固，单位：mm)

图5 电力隧道掘进120 m时地铁管片竖向变形云图(未注浆加固，单位：mm)

由图4、图5可知：电力隧道施工过程中，既有地铁3号线竖向位移出现在隧道掘进方向的正上方，掘进正上方位置对应管片竖向位移最大，远离电力隧道两侧管片竖向位移逐渐减小。

图6 电力隧道掘进时地铁3号线左线竖向位移(未注浆加固)

图7 电力隧道掘进时地铁3号线右线竖向位移(未注浆加固)

由图6、图7可知：随着电力隧道盾构掘进，长沙地铁3号线左右线最大竖向位移都出现在电力隧道掘进方向正上方，掘进完成后左线最大竖向位移为28.86 mm，右线最大竖向位移为28.64 mm。远离电力隧道中心线左右两侧，地铁3号线竖向位移减小显著。电力隧道掘进40～60 m时正好在地铁左线下方，此时左线管片竖向位移增大明显；电力隧道掘进60～80 m时正好在地铁右线下方，此时右线管片竖向位移增大明显；随着电力隧道继续掘进100～120 m，左右线竖向位移趋于稳定。

根据CJJ/T 202-2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》、GB 50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》，参考其他城市对轨道交通规划、运营等方面的规定，下穿既有地铁区间隧道的地下工程建设应保证既有已铺轨的隧道变形曲线的曲率半径>15 000 m、隧道变形相对曲率<1/2 500、隧道结构竖向位移累计值为-5～5 mm、隧道结构水平位移为-4～4 mm、隧道结构变形缝差异位移累计值为2～4 mm、竖向和水平位移变化速率不大于1 mm/d。该工程电力隧道直接下穿既有地铁3号线，地铁隧道结构最大竖向位移为28.86 mm，远大于规范中不超过5 mm的控制要求，会破坏既有地铁3号线隧道结构，必须采取加固措施。

4 优化注浆加固方案

在电力隧道盾构下穿地铁3号线时，对穿越段富水砂卵石地层进行注浆加固。根据CJJ/T 202 -2013《城市轨道交通结构安全保护技术规范》、GB 50911-2013《城市轨道交通工程监测技术规范》，对地铁隧道地层进行加固时，隧道加固区范围两侧向外延伸加固隧道直径宽度，加固区底端注浆到电力隧道底板下3 m。该工程加固区范围为长×宽=16 m×35 m，竖直注浆加固范围从富水砂卵石地层顶部到电力隧道底板下3 m处。分别采取袖阀管竖向注浆加固、袖阀管竖向+斜向注浆加固、袖阀管竖向+斜向注浆加固+四周帷幕注浆加固3种方案，对地铁3号线微扰动控制效应进行分析，确定最有效、合理的加固控制措施。

在电力隧道盾构掘进之前采取袖阀管竖向注浆加固。袖阀管注浆加固采用弹性模型，通过线单元析取获得。袖阀管注浆加固参数如下：横截面积取0.78 m2，泊松比取0.3，弹性模量取0.8 GPa，重度取23 kN/m3。不加固和3种加固方式下电力隧道掘进60、120 m时地铁隧道管片竖向位移见图8、图9。

图8 不同加固方式下电力隧道掘进60 时地铁管片竖向位移

图9 不同加固方式下电力隧道掘进120 时地铁管片竖向位移

由图8、图9可知：4种情况下，电力隧道盾构施工过程中既有地铁3号线竖向位移都出现在隧道掘进方向的正上方，掘进正上方位置对应管片竖向位移最大，远离电力隧道两侧管片竖向位移逐渐减小。采取加固措施时加固区管片竖向位移比未加固下穿时减小显著，未加固时地铁管片最大竖向位移为28.86 mm，袖阀管竖向注浆加固时地铁管片最大竖向位移为12.13 mm，袖阀管竖向+斜向注浆加固时地铁管片最大竖向位移为8.06 mm，袖阀管竖向、斜向注浆+四周帷幕注浆组合加固时地铁管片最大竖向位移为4.37 mm。穿越区富水砂卵石地层采取袖阀管竖向注浆加固或袖阀管竖向+斜向注浆加固的效果不错，可推广运用到下穿其他敏感建(构)筑物、基坑开挖等工程项目。但对于该工程，电力隧道顶板距离地铁隧道底板只有4.36 m且都在富水砂卵石地层中，隧道结构最终竖向位移累计值超过5 mm的控制要求，采取这两种加固方式会破坏地铁3号线隧道结构。采取袖阀管竖向、斜向注浆+四周帷幕注浆加固后，电力隧道盾构下穿对地铁3号线的扰动效应更小，最终稳定后竖向位移为4.37 mm，达到规范要求的微扰动控制指标要求。

综上，该工程电力隧道下穿长沙地铁3号线合理的加固措施为穿越区地铁左右线两侧和中间富水砂卵石地层加固区采取袖阀管竖向注浆加固方式，正对地铁3号线左右线正下方富水砂卵石地层采取斜向袖阀管注浆加固，穿越段加固区四周采用帷幕注浆加固。

5 结论

(1) 电力隧道直接下穿长沙地铁3号线时，地铁竖向位移主要出现在电力隧道掘进方向的正上方，掘进正上方位置对应管片竖向位移最大，远离电力隧道两侧管片竖向位移逐渐减小。地铁3号线隧道结构最大竖向位移为28.86 mm，远大于规范中不超过5 mm的控制要求，会破坏地铁3号线隧道结构，电力隧道不能直接下穿地铁3号线，对穿越段富水砂卵石地层必须采取加固措施。

(2) 隧道盾构下穿敏感建(构)筑物时，穿越段富水砂卵石地层可采取袖阀管注浆加固或袖阀管注浆加固和帷幕注浆加固相结合的措施。对于富水砂卵石地层，这两种加固措施都会减小隧道盾构对地表的扰动效应，可推广运用到其他敏感建(构)筑物基础等加固。

(3) 该工程电力隧道盾构下穿长沙地铁3号线合理的加固控制措施为穿越区地铁左右线两侧和中间富水砂卵石地层加固区采取袖阀管竖向注浆方式，正对地铁3号线左右线正下方富水砂卵石地层采取斜向袖阀管注浆加固，穿越段加固区四周采用帷幕注浆加固。