新建隧道近距离下穿既有地铁隧道的变形控制分析及技术措施

姜叶翔

（杭州市地铁集团有限责任公司，浙江杭州 310000）

1 项目概述

杭州至海宁城际铁路余杭高铁站—许村站区间是杭州至海宁城际铁路第一条区间，区间隧道出余杭高铁站沿现状文正街布置，隧道在出余杭高铁站约44 m（右DK0+482.965）位置下穿已运营的杭州地铁1号线余杭高铁站—南苑站区间隧道，平面呈62°交叉。

杭海线盾构管片外径为6 700 mm，内径为6 000 mm，地铁1号线隧道内径为5 500 mm，外径为6 200 mm。

隧道交叉点地铁轨面标高为-8.921～-8.678 m，杭海线轨面标高为-18.941～-18.549 m，隧道竖向净距仅3.2～3.5 m。

穿越施工平面关系如图1所示。

图1 穿越施工平面关系（单位：m）

工程位置关系剖面如图2所示。

图2 工程位置关系剖面（单位：m）

本工程与地铁距离关系统计如表1所示。

表1 本工程与地铁1号线距离关系

2 工程及水文地质

本工程范围内地层从上至下为①2素填土、⑤2粉质黏土夹粉土、⑤4粉砂、⑥2-1粉质黏土、⑦2-1粉质黏土夹粉土。

土层参数如表2所示。

表2 土层参数

场地内孔隙潜水主要赋存于场区浅部人工填土及黏性土层内，勘察测得稳定水位埋深为地面下1.2～3.5 m。

孔隙微承压水主要赋存于下部⑦3粉砂、⑨3粉砂、⑨3-1细砂、⑨3-2砾砂、⑨4圆砾土层。

承压水水位为地面下6.5 m左右，水头标高为-0.467 m。

3 风险分析

3.1 盾构下穿已建隧道

盾构掘进施工时，不可避免会产生地层损失，导致上方隧道下沉，易导致已建隧道不均匀沉降过大，形成小曲率半径，严重时将影响隧道使用功能，甚至危及结构安全。

（1）地层损失较难控制。

盾构施工引起地层损失较难控制，除盾构设备本身就会造成地层损失外，在管片拼装时，正面土压力将不可避免发生损失。

同步注浆效果不确定，对于惰性浆，还存在浆液泌水收缩等问题，过大的注浆压力容易劈裂周边的土层，造成严重的沉降情况。

（2）涌水、涌沙风险大。

下穿时施工隧道所处地层一般埋深较大，一般位于第④、⑤、⑥、⑦层中穿越，水土压力大，对盾构施工要求高，可能发生盾尾大量涌水、涌砂。

（3）后期加固周期长。

针对上方隧道沉降，通常在穿越完成后采用双液注浆实施二次注浆，一般要求在列车停运后进行，遵循多次、多点、少量、均匀的注浆原则，确保注浆效果，减少对周围土体的扰动。

3.2 进洞穿越

如穿越区临近端头井，则穿越施工同时存在进、出洞问题，存在相关风险。

（1）环形空隙无法及时有效填充。

盾构机头进洞时，前方阻力短时间内消失，导致同步注浆无法及时跟上，直接形成环形空隙。对已建隧道形成直接威胁，针对上述问题必须辅以注浆环箍等方式对环形空隙加以封堵。

（2）对加固土质量要求高。

加固区的质量将直接影响封门凿除后加固土的自立性和止水性，加固强度非常重要。

（3）洞圈的密封性。

洞圈如密封性不佳，容易出现大量渗漏水，更容易引起土体损失。杭海线余杭高铁站—许村镇站盾构区间对杭州地铁1号线主要存在盾构下穿及进洞接收风险。

3.3 不良地质

（1）土压盾构处于承压水砂层中，正面压力设定过低，缺少必要的砂土改良措施及盾尾密封性，易引起正面及盾尾涌沙，涌水导致盾构突沉、隧道损坏。

（2）盾构上部为硬黏土，下部为承压水砂层时，硬黏土过硬难以顶进，承压水层受压不足不能疏干，发生液化流失导致盾构突沉。过硬黏土常会卡住密封舱搅拌棒，使黏土和砂土不能拌和排出，致使盾构下部砂土液化由螺旋器流出，导致盾构底部脱空下沉。

（3）穿越沼气层或其他原因形成的含气层时（如气压法施工的隧道或工作井附近），如果未探明其范围和压力、未实现进行必要的释放、未采取防备毒气和燃爆的措施，开挖面喷出的气体及其携带的泥沙可能引起盾构姿态的突变、隧道突沉以及毒气燃爆的灾害。

（4）针对沿线穿越地层中的透镜体、洞穴或桩基、废旧构筑物等障碍物，未事先查明并进行预处理或提前制定应急措施，可能引起盾构推进突沉偏移，盾尾注浆流失，致使盾构无法推进。

（5）盾构遇到地下障碍物时，姿态频动而致前方土体反复过大扰动导致地层塌陷，刀盘前方清障时引起开挖失稳和坍塌，推力猛增或刀盘转速较快，导致刀盘刀具卡死损坏，甚至盾构机瘫痪而无法正常推进。

4 数值计算分析

针对本次穿越施工进行数值模拟，预估穿越施工对已运营隧道的影响，采用FLAC3D有限差分软件模拟工程施工的全过程。

土体结构模型采用摩尔库伦模型；已建车站、地铁车站围护及内部结构采用C35混凝土实体弹性材料模拟；已建隧道采用C50混凝土实体弹性材料模拟；地铁1号线车站已施工部分中柱等效为墙体处理。

计算分工况进行，如表3所示。

表3 计算工况

经数值模拟分析，盾构穿越施工对已运营隧道影响较为明显，主要表现为盾构施工期间已运营地铁隧道发生明显下沉，沉降量与地层损失率密切相关。控制土层损失率为5‰的条件下，地铁隧道最大下沉量5.607 mm，最大水平位移量1.885 mm。控制土层损失率是保证已运营隧道安全稳定的关键性因素。

计算模型如图3所示。

图3 计算模型

各工况已运营隧道结构沉降结果如图4所示。

图4 各工况已运营隧道结构沉降结果折

各工况已运营隧道结构水平位移结果如图5所示。

图5 各工况已运营隧道结构水平位移结果

5 盾构试验段

为了确保成功穿越，实施模拟段试验，获取适当的施工参数，获取与正式穿越区地质条件、埋深深度等方面类似的区域。

通过埋设精密仪器，尝试不同施工参数组合，在此基础上初步选取适用于正式穿越区的施工参数，包括盾构推进速度、盾构姿态、正面土压力、同步注浆压力及注浆量等。

通常监测选取深层沉降点或精度更高的多点位移计等，根据穿越具体情况进行布设。模拟段应设置在穿越影响范围外，一般设置在穿越边线50～80 m范围。

本项目区间的左、右线各设置60环试验段。左线区间的1 890～1 949环、右线区间的1 892～1 951环为下穿地铁1号线前试验段，试验段穿越地层与下穿地铁1号线地层类似均为全断面⑤4粉砂层，⑤4粉砂天然含水量为24%，渗透系数为4.1×10-4cm/s，试验段隧道埋深为25.36 m。

（1）第一阶段。

1 890～1 920环，主要为开挖面稳定性控制试验，以土压值为控制变量，其他盾构掘进参数以前期推进经验及计算值设定。本阶段分三步实施：

①第一步。

1 890～1 900环，设定土压力为0.28 MPa。

②第二步。

1 901～1 910环，设定土压力为0.29 MPa。

③第三步。

1 911～1 920环，设定土压力为0.3 MPa。

如果试验过程中刀盘前方沉降数据变化量超过±2 mm，根据监测数据适当调整土压，根据监测数据进行二次注浆，必要时进行深层注浆，获取相关试验参数。

第一阶段地面监测数据如图6所示。

图6 第一阶段地面沉降监测数据

（2）第二阶段。

1 921～1 930环，主要为盾体通过时填充试验，试验工艺为克泥效，通过对克泥效注入前后盾体上方的沉降分析，确定克泥效的注入参数以及后续控制措施。

第二阶段地面监测数据如图7所示。

图7 第二阶段地面沉降监测数据

（3）第三阶段。

1 931～1 940环，主要为盾构通过后二次注浆及深孔注浆进行试验，设定不同注入量，分析二次注浆前后地表沉降变化，确定二次注浆工艺的介入时机和注浆参数。

第三阶段地面监测数据如图8所示。

图8 第三阶段地面沉降监测数据

（4）第四阶段。

1 941～1 950环，第四阶段根据前期的最优参数进行掘进施工。

试验段范围内（ZD319～ZD329），每10环设置一处监测断面，每5环增加一处加密轴线点。

第四阶段地面监测数据如图9、图10所示。

图9 第四阶段地面沉降监测数据一

图10 第四阶段地面沉降监测数据二

试验段监测点布置如图11所示。

图11 试验段监测点布置

试验段推进时间为2020年7月23日～8月2日。

通过监测数据对比分析可知，土压力值设定为0.3 MPa时，盾构切口前方地表为微隆状态，盾构土仓压力设定时应考虑以理论土压的1.15～1.23倍作为调整系数。

通过分析，克泥效注入系数采用280%时，能够有效控制本区域内盾构施工过程中的盾体上方的地层沉降。

通过沉降数据分析对比，同步注浆量为5.7 m3，充盈系数170%，盾尾通过后对于沉降的控制较为平稳，可较好控制盾尾通过后地面沉降，控制地表沉降效果较为显著。

截至8月2日试验段掘进完成。截至8月5日地表累计最大沉降量为ZD328监测点-4.985 mm。穿越地铁1号线预警值为±5 mm、报警值为±7 mm、控制值为±9 mm，目前沉降情况满足设计及规范要求。

6 穿越施工

根据计算分析预估穿越施工对已运营隧道的变形影响，结合盾构试验段技术参数，确定穿越施工采取的相关控制措施。

（1）推进过程中土压力设定根据隧道埋深设定值应为理论土压力的1.15～1.23倍进行控制。

（2）推进过程中渣土改良采用泡沫剂改良，泡沫剂原液比3%、发泡率15、注入率30%、掺入比10%，膨润土作为应急材料，膨水比为1∶4、注入率30%、掺入比16%，掘进过程中出现喷涌时采用膨润土改良。

（3）推进过程中盾体克泥效注入量0.45 m3/环，注入充盈系数为280%。

（4）同步注浆注入量5.7 m3/环，注入充盈系数为170%，注浆压力不大于0.45 MPa。

（5）管片脱出盾尾5环后进行二次注浆，暂定二次注浆每环注入1 m3/环，二次注浆压力为≤0.9 MPa，二次注浆量需要根据既有隧道沉降情况及时调整。

（6）地面沉降累计超5 mm时，进行隧道内深孔注浆。

（7）根据左线试验段施工参数及沉降统计分析，对下穿地铁1号掘进参数进行设定。

下穿地铁1号掘进参数如表4所示。

表4 下穿地铁1号掘进参数

截至2019年10月初，余杭高铁站—许村镇站区间左线洞通；10月底右线洞通，附属尚未施工。盾构穿越地铁1号线节点期间严格落实设计要求及试验段总结的措施。

施工过程中左右线掘进参数稳定，无明显突变等异常情况，盾构施工掘进控制效果好；左右线掘进参数变化规律相同，掘进过程中工况一致，施工参数变化相同；左线推进过程中的经验优化后的右线推进施工参数相对左线施工参数更加稳定，表明施工过程中总结及时，参数设定可靠。

盾构施工过程中的土压、出土量、总推力，二次注浆压力及注入量，刀盘扭矩等施工参数进行汇总分析，结果表明均基本符合设定参数，按照设定值施工。

余杭盾构穿地铁1号线前隧道水平位移变化幅度变化小，穿越时突变且持续增大，穿越完成后逐渐减小；穿越上行线变化幅度较下行线变化幅度大。截至10月下旬右线穿越后，1号线上行线累计最大水平变形2.8 mm，下行线累计最大水平变形1.8 mm。

1号线上行线：左线穿越1号线上行线时隧道水平变形较为平稳，穿越下行线时出现突变，之后趋于平稳，右线下穿1号线上行线时，收敛开始加大，穿越下行线约3 d后收敛达到峰值3.8 mm。

穿越期间1号线隧道监测如图12、图13所示。

图12 1号线上行线与区间相交处隧道水平位移累计变化

图13 1号线下行线与区间相交处隧道水平位移累计变化

余许区间盾构下穿杭州地铁1号线上下行线累计水平收敛如图14所示。

图14 余许区间盾构下穿杭州地铁1号线上下行线累计水平收敛

1号线下行线：趋势与上行线类似，但变化幅度较小。右线穿越下行线约3 d后收敛达到峰值1.5 mm。

余许区间盾构下穿杭州地铁1号线累计道床沉降如图15所示。

图15 余许区间盾构下穿杭州地铁1号线累计道床沉降

盾构穿越对1号线隧道道床影响较小，累计沉降在-1.5～1.5 mm之间，均未达到预警值。

通过地铁隧道内布设的道床沉降、隧道水平位移、隧道水平收敛自动化监测点数据分析结果显示，1号线区间左线、右线均有不同程度的各监测变量变化，穿越期间监测数据显示均在控制值内。

7 结语

杭州至海宁城际铁路工程余—许区间下穿既有地铁1号线盾构隧道施工，通过距离控制、数值模拟、风险分析、试验段确定盾构穿越参数、自动化监测等措施，确保已运营地铁1号线的安全稳定。目前本项目已竣工，地铁1号线各项变形值均在控制标准之内。本项目的成功实施，为软土地区盾构隧道穿越施工提供了良好的参考价值，试验段施工中的多项措施对于后续穿越施工项目具有重要的指导意义。