富水圆砾地层盾构下穿既有地铁隧道掘进参数研究

江杰，龙逸航，邢轩伟，王顺苇

(1.广西大学 土木建筑工程学院，广西 南宁530004；2.广西大学 工程防灾与结构安全重点实验室，广西 南宁530004)

近年来，国内各城市地铁建设的快速发展，地铁网络不断完善，新建地铁线路将不可避免地与既有地铁隧道产生交汇。新建地铁隧道的下穿施工如何确保对既有隧道安全成为近年来研究的重点。目前，众多学者针对既有地铁隧道变形的研究取得了一些成果。1969年的国际土力学会议中，PECK[1]率先提出了盾构隧道开挖引起的结构横向沉降槽近似正态分布曲线的概念，推导了Peck公式并沿用至今；梁发云等[2−3]利用离心模型试验与理论推导的方法，研究了深基坑开挖与地面堆载对既有地铁隧道的影响与变形特性；针对上海软土地区的11号线先上后下斜穿4号线造成4条隧道叠交的特殊工况，ZHANG等[4−5]利用理论分析、数值模拟和现场监测等方法研究了既有地铁隧道的变形规律，推导了盾构上下交叠穿越施工引起的既有隧道纵向沉降的计算表达式，能够有效预测上海软土地区既有隧道的纵向沉降；来弘鹏等[6]针对黄土地区盾构下穿既有地铁隧道工程的实际情况构建了数学模型，推导了沉降的计算公式，提出了既有线沉降控制标准；马文辉等[7]对北京典型砂卵石、黏性土地层中南水北调东干渠盾构下穿地铁8号线工程进行分析，总结了盾构施工参数和既有隧道变形规律；CHEN等[8]依托长沙富水砂土地层中某盾构下穿既有地铁隧道工程，研究了盾构下穿施工过程中既有隧道的变形和受力特征；傅鹤林等[9]推导了砂土地层中下穿既有隧道段盾构机掌子面盾构推力的计算公式；来弘鹏等[10]根据西安砂土地区某盾构下穿既有隧道工程实际情况研究了施工参数对既有隧道轨道高差沉降规律的影响，给出了合理的施工参数建议值；李志军等[11]结合昆明圆砾地层某地铁盾构工程监测数据，研究了盾构机停机期间地层沉降规律。目前对既有地铁隧道变形的研究多数集中于软土、砂土、黄土等地层中，对南宁地区典型富水圆砾地层的相关研究较少，对盾构下穿既有隧道的掘进参数的研究更是匮乏，同时南宁地区地铁3号线隧道下穿既有地铁1号线项目为南宁地区首次盾构下穿既有地铁隧道工程。鉴于此，本文依托南宁地铁3号线下穿既有地铁1号线隧道实际工程情况，讨论下穿既有1号线区间段3号线左线和右线掘进参数的差异；结合既有1号线监测沉降值，分析下穿既有线区间段实际掘进参数值的合理设置区间，并提出建议参数值。

1 工程概况

新建南宁市轨道交通3号线(以下简称M3)金湖广场站～埌西站区间，隧道下穿经过既有轨道交通1号线(以下简称M1)。M3金～琅区间隧道左线长度为585.607 m，右线长度为574.708 m，区间总长度为1 160.315 m，区间线路由1段直线和2段曲线构成，曲线半径分别为R300 m和R450 m，线路最大坡度为28‰，线间距11.0～19.0 m，隧道埋深11.3～22.6 m，地下水位为7.9～8.8 m。

本文选取M3金湖广场~琅西站区间355～400环下穿M1段进行分析，下穿区间段平面图如图1所示。穿越段M3隧道埋深为22 m，地下水位为8.4 m，M3与M1垂直间距为5.73～5.91 m，主要穿越土层为圆砾、泥岩与泥质粉砂岩，穿越地质剖面图如图2所示，各土层物理参数指标见表1。

表1 土体参数Table 1 Soil parameters

图1 新建3号线下穿既有1号线平面图Fig.1 Plan of subway line 3 under traversing line 1

M3主要穿越的地层成分为富水圆砾层，含有较为丰富的地下水，渗透系数高达55 m/d。盾构机输送泥水过程中，泥水易过量渗透到地层中，造成前舱压力不稳定；此外，圆砾层粒径2～20 mm颗粒平均含量为48.4%，粒径大于20 mm颗粒平均含量为35.9%，对刀盘和刀具的冲击较大。针对此情况，经专家论证决定采用海瑞克S455泥水平衡盾构机，相较土压平衡盾构机在沉降控制方面具有更大的优势[12]。盾构机对富水圆砾地层采用的针对性措施如下：

1)刀盘采用辐条式刀盘，开挖直径为6.28 m，刀盘开口率设计为30%，配备64把切刀、8把齿刀、6把边缘滚刀和16对边缘刮刀，能较好地在圆砾地层中掘进。

2)采用1.2 m环宽管片，能较好地在曲线段完成拼装。

3)泥水环流系统配备Warman 200PF PC型号进浆泵1台，进浆流量为700 m3/h；Warman 10/8FF-GH排浆泵2台，每台排浆流量为800 m3/h，并于排浆泵前方设置了一个采石箱对大粒径砾石和大块黏土进行过滤，避免造成堵塞与磨损。

4)泥水处理系统采用预筛分加上二次旋流除砂的分离工艺，旋流器配备底流浓度调节鱼尾板和真空调节装置，能有效地降低产生的弃浆量。

5)盾构下穿后，利用管片上的径向注浆孔进行钢花管注浆，同时在管片脱出盾尾5环后，对管片进行二次壁后注浆。根据监测情况，控制注浆压力和注浆量。

2 泥水盾构掘进参数分析

由图2可见，M3左线穿越的地层以圆砾为主，夹杂着少量泥质粉砂岩，M3右线穿越的地层则主要为圆砾和泥岩的复合地层，M3左右双线的地质情况不同势必造成掘进参数有所差异。同时由于既有隧道结构的沉降控制标准相对较高，需要设置良好的掘进参数来减少地层损失，达到控制既有线沉降的目的，因此本工程M3盾构下穿既有线M1区间段的掘进参数具有较强的代表性。

图2 M3穿越地质剖面图Fig.2 Longitudinal geological section of line 3

2.1 泥水盾构机预设掘进参数

由于本工程为南宁地铁建设项目中首次盾构下穿既有地铁隧道工程，为保证能够顺利通过M1区间段，施工方将穿越M1前50 m划分为试验掘进段，并根据该段施工结果预设了下穿段的掘进参数，预设掘进参数见表2。同时盾构机在将要抵达M1区间段前，在开挖面自稳性较好的地段停机，进行全面检修和维护。

表2 预设泥水盾构机参数Table 2 Parameters of mud shield machine

2.2 泥水盾构机关键实际施工掘进参数

本文选取M3左线和右线355～400环盾构施工的关键掘进参数进行对比分析，参数变化曲线如图3所示。M3左线盾构机于366环进入既有线M1范围并于386环离开；右线盾构机于368环进入既有线M1范围并于388环离开，同时左右双线355～380环区间段为曲线段，曲线半径为R300 m。

如图3(a)所示，M3左线每环掘进时间为85～325 min。M3右线每环掘进时间为85～270 min；对比可见圆砾成分较多的M3左线掘进时长波动较大，M3右线因泥岩成分增多总体掘进时长则有所下降；文献[13]指出，适当降低掘进速度能够减少对地层扰动，故M3左右双线盾构机进入M1范围与曲线段时均降低了掘进速度并进行了适当的停机活动，以便较好地调整盾构机姿态。

图3 M3左右线实际掘进参数Fig.3 Boring parameter of M3 left line

如图3(b)所示，M3左线泥水仓压力为0.187～0.217 MPa，最大调整差为0.011 MPa。M3右线泥水仓压力为0.19～0.213 MPa，最大调整差为0.018 MPa。根据经验公式，泥水盾构机的泥水压力可按以下式计算[14]：

式中：PU为泥水压力值；PS为静止侧向土压力；PW为地下水压力；Pa为预压。预压是考虑土压力、水压力的设定误差与泥水环流过程中的损耗等因素，根据经验确定的压力，通常取值为0.02～0.03 MPa。

对本区间段进行计算，PS+PW=0.167 MPa，则Pa取值为0.02～0.05 MPa，可见盾构机到达366环M1下方前时Pa取值按照了经验值0.02 MPa取值；当盾构机进入M1下方后，为了更好地控制M1沉降，逐渐提高了泥水压力，Pa取值提高至0.05 MPa，大于经验值。

如图3(c)所示，M3左线刀盘扭矩基本稳定在2 700～3 000 kN∙m范围内，而M3右线刀盘扭矩则在1 200～2 500 kN∙m之间波动，且离散性较大。M3左线和右线刀盘扭矩相差较大，右线扭矩明显小于左线，主要原因为左线穿越的地层圆砾成分较多且级配较好，掘进过程较为稳定；而右线穿越的地层泥岩成分增多，地层强度下降，需要适当降低刀盘扭矩，同时由于地质条件复杂程度上升，需要频繁调整刀盘扭矩，造成离散性较大。

如图3(d)所示，M3左线同步注浆压力在0.25～0.39 MPa之间波动，M3右线同步注浆压力则在0.22～0.4 MPa之间波动，左右双线波动程度均较大，认为是富水圆砾地层的渗透性较大，导致浆液在重力作用下易向低势能处流动[15]，需不断调整注浆压力保证注浆效果；同时M3右线曲线的波动程度大于左线，主要是透水性弱的泥岩成分增加后，注浆难度进一步增加所造成。

M3下穿M1区间段泥水盾构机其余实际掘进参数如下：

1)掘进速度。M3左线与右线掘进速度在进入M1区间段与曲线段时为10～15 mm/min，非下穿直线段为20 mm/min。

2)同步注浆量。M3左线与右线同步注浆量均基本控制在5 m3/环，少部分环的注浆量为5.5 m3/环。

3)盾构机总推力。M3左线盾构推力在14 000～18 000 kN之间波动，M3右线在11 000～19 000 kN之间波动，波动程度大于M3左线。

2.3 泥水盾构机掘进参数对比分析

对比分析左右线掘进参数曲线不难看出：

1)盾构机进入M1既有隧道过程中泥水仓压力和同步注浆压力均有所提高，Pa取值大于经验取值，认为是由于既有线M1处于运营状态，沉降控制要求更高，而适当提高泥水仓压力能使上部土层略微隆起，抵消部分地层损失[16]，从而降低既有线沉降。

2)地质条件对掘进参数程度影响较大，M3右线掘进段泥岩成分较多，地质条件相比M3左线掘进段较为均一的圆砾地层更为复杂，从而造成M3右线刀盘扭矩总体较小且波动程度更大，泥水仓压力与同步注浆压力的波动程度也较大。

3)M3实际掘进参数与预设参数有一定出入：M3右线刀盘扭矩由于地层成分发生变化而造成出入较大；M3泥水仓压力相较预设参数提高了0.013～0.017 MPa，是为了更好地控制既有线沉降；部分环的同步注浆量相较预设值增加了0.5 m3，主要是遇到松散圆砾段或地下空洞时需增加注浆量保证注浆填充密实。其余掘进参数与预设参数范围值并无出入，说明利用试验段预设掘进参数能为重要施工段提供较好的参考。

3 穿越既有线施工结果分析

3.1 既有线监测沉降值分析

为体现盾构施工过程中掘进参数对既有线沉降的影响，本文收集了既有线M1的监测沉降数据进行分析，监测点布置如图4所示。并选取M3与M1交汇处既有线M1的关键监测点沉降值，绘制沉降时程曲线，如图5和图6所示。

图4 自动化监测面分布图Fig.4 Distribution map of automatic monitoring surface

从图5可以看出，M3左线盾构机到达M1外边缘时开始对其产生较大影响，刀盘到达M1正下方至盾尾离开M1范围段沉降值增速最大，Y472环沉降最大增速为1.21 mm/d，Z476环沉降最大增速为1.03 mm/d；盾尾离开后一段时间后沉降值开始有所回升，最后趋于稳定；Y472环最大沉降值为2.57 mm，稳定后为1.91 mm。Z476环最大沉降值为1.92 mm，稳定后为1.5 mm；M1左线沉降值最大增速与最大沉降值均小于M1右线，认为是盾构机进入M1右线提高了泥水仓压力，有效抵消了一部分沉降所造成。

图5 M3左线穿越过程中M1沉降时程曲线Fig.5 Time-history settlement curve of existing tunnel M1 when M3 left line traverses

从图6可以看出，与M3左线穿越时类似，M3右线盾构机到达M1外边缘时对其产生扰动，盾构机到达M1正下方至盾尾离开M1范围段沉降值增速最大；Y462环沉降最大增速为1.44 mm/d，Z464环沉降最大增速为0.9 mm/d，但Z464环沉降值在盾尾离开后仍持续增长，并于208 h处产生“突变”，经施工单位紧急注浆1 m3后沉降值回升；M1右线Y462环最大沉降值为2.54 mm，稳定后为1.92 mm。M1左线Z464环盾尾离开后沉降值为2.23 mm，突变时达到4.44 mm，稳定后为3.2 mm。

图6 M3右线穿越时既有线M1沉降时程曲线Fig.6 Time-history settlement curve of existing tunnel M1 when M3 right line traverses

3.2 施工结果总结

总结本次盾构下穿既有线施工，得到以下结论：

1)M1的沉降主要为盾构开挖过程中土体损失引起的沉降，主要分为4个阶段：第1阶段为盾构机距M1约2D时土体受开挖面支护压力的影响的引起的轻微沉降；第2阶段为盾构机下穿M1过程中造成土体损失引起的沉降，此阶段M1沉降增速最快，受掘进参数影响较大；第3阶段为受盾尾同步注浆时同步注浆压力影响引起的沉降；第4阶段为后期浆液凝固、超孔隙水压消散等因素导致地层进一步变化引起的沉降，由于本区间圆砾层渗透性较大，超孔隙水压消散较快，消散完毕后后期M1沉降值较小并趋于稳定。对比M3左线和右线施工引起的M1沉降曲线，可见M3右线施工引起的既有隧道沉降更大，说明M3右线施工过程中部分掘进参数设置不当。此外，由于M3右线为后施工线路，对地层造成了二次扰动，也会增大M1沉降。

2)M3右线掘进过程中，盾尾离开M1左线范围后，沉降值未收敛且发生“突变”，但第2阶段盾构机盾体下穿时的沉降规律和沉降增长速率与M3左线类似，且经过紧急注浆等措施后沉降值回升，并趋于稳定。说明M3右线掘进过程中泥水仓压力设置正常，是由于盾尾同步注浆施工过程中出现失误，造成沉降增大。

3)由于渗透性有明显差异，M3右线穿越的圆砾、泥岩组成的复合地层注浆难度较大，导致同步注浆施工过程中出现了失误，同步注浆压力或注浆量不足，注浆位置也有所不当。今后盾构穿越复合地层时应在施工过程中动态调整同步注浆压力和注浆位置，必要时应适量增加注浆量以确保注浆效果。

4)M3左线下穿施工引起的M1沉降较小，其掘进参数有一定代表性，能作为参考。其中，M3左线366～371环下穿经过M1右线，380～385环经过M1左线，M1右线沉降值相较M1左线减少了0.41 mm。对比2段掘进参数，380～385环泥水仓压力为0.207～0.216 MPa，较366～371环泥水仓压力增加了0.015～0.021 MPa；380～386环刀盘扭矩与同步注浆压力与366～371环相差不大，说明适量提高0.01～0.02 MPa泥水压力能有效地减少既有地铁隧道沉降。

4 结论

1)南宁地区富水圆砾地层地质条件比较复杂，泥岩圆砾混合地层掘进参数波动较大，盾构近距离下穿既有隧道时应当提高泥水仓压力和同步注浆压力等掘进参数以保证既有隧道结构安全，经过曲线段应适当降低掘进速度以调整盾构机姿态防止超挖扩大地层损失。

2)泥水仓压力的提高能降低既有线沉降值的增速，同步注浆的施工不当会导致既有线沉降增大；受到施工顺序及地质条件的影响，既有线左线和右线沉降值有一定差异，但均控制在5 mm之内，既有线沉降整体控制良好。

3)对于在富水圆砾地层下穿既有隧道区间段掘进，掘进速度设置为10～15 mm/min较为合适，并可适当停机以更好地调整盾构机姿态和其他掘进参数；泥水仓压力应控制在0.2～0.22 MPa，预压值Pa应适量提高，调整级差不宜超过0.015 MPa；同步注浆量应设置为5～5.5 m3，后进行开挖的隧道或在泥岩圆砾复合地层中掘进应适量增加0.5～1 m3；同步注浆压力应设置为0.25～0.4 MPa，同时应根据地质条件优化注浆位置以保证注浆效果。