软土地层盾构近距上跨运营地铁施工技术

刘映晶， 闵加正， 张文宏， 王幸福， 刘松

(1.中天建设集团有限公司， 杭州 310000； 2.杭州市建设工程质量安全监督总站， 杭州 310000)

在“交通强国”战略的驱动下，中国城市轨道交通建设进入高速发展阶段。截止到2020年，中国已有44个城市开通地下轨道交通，运营里程已超 6 500 km。地铁工程的快速发展，避免不了会出现地铁隧道交叉穿越的情况。穿越工程一般分为上穿、下穿和平行穿越，而施工难点和重点是如何确保既有地铁线的正常运营[1]。尤其对于隧道穿越软弱地层，施工对既有隧道结构会产生较大扰动，造成隧道不均匀沉降甚至影响地铁的正常运营。

针对盾构穿越既有地铁线路的研究，中外学者已开展了相关研究。高洪吉等[2]以北京新机场线9 m直径土压平衡盾构隧道为背景,对不同覆土厚度下的地表最大沉降、沉降槽宽度、地层损失率进行了对比分析,并用Peck公式进行拟合。赵宇鹏[3]采用理论分析与数值模拟相结合的方法，对盾构近距离上跨既有隧道的施工因素和卸荷因素等对隧道变形规律进行分析，并给出了对应的加固措施。田帅等[4]依托郑州市某市政管廊上跨地铁区间隧道项目，对复杂环境下基坑上跨运营地铁隧道的关键因素进行分析，提出了施工的最优方案。许永泰[5]以北京地铁10号线某区间为研究对象，通过数值模拟和现场监测分析了暗挖施工对既有盾构隧道的结构和地表变形，并对既有隧道保护措施进行了方案优化。江华等[6]采用数值模拟和自动化监测相结合的方法，研究了盾构隧道上跨施工引起的既有线水平和竖向的变形规律，并分析了土压力对既有线变形的影响。张盛红[7]通过数值模拟和现场监测相结合的方法，分析了地铁隧道盾构下穿施工对既有线路的影响规律，并总结了下穿施工不同阶段地层损失率的计算方法。赵文等[8]通过数值模拟，研究了大跨度卸荷对既有盾构隧道管片及接头的影响，并对实际工程中坑底堆载保护措施进行研究。付春青等[9]以北京地铁12号线西三区间盾构穿越机场专线为工程背景，提出了适合既有运营隧道纵向刚度折减的修正等效连续模型。Wu等[10]提出隧道纵向结构变形模式分为弯曲变形和错台变形并提出等效弯曲刚度的计算公式。朱建峰等[11]结合离心试验，研究软土地层中盾构长期沉降规律。王希元等[12]以既有隧道上方挖方工程为背景,运用离心模型试验方法,研究了砂质黄土地层中既有隧道衬砌围岩压力在上方挖方时的变化规律。金大龙等[13]通过离心模型试验方法,分析了小净距隧道群施工对周围土体应力影响规律,揭示了盾构多次近距离穿越施工引起既有线变形及受力变化机理。Jin等[14]对深圳地铁9号线下穿4号线的隧道受力和变形进行了监测，分析了既有隧道在下穿过程中的变形特性。

基于此，依托杭州地铁7号线近距离上跨1号线工程为背景，对既有隧道的病害进行统计并对安全情况进行评估，提出盾构施工的控制措施；随后，结合现场试验，研究盾构掘进过程中盾构控制参数的变化规律，并分析既有隧道道床沉降、隧道水平收敛、拱顶沉降和地表沉降在新建隧道施工期间的变化情况，验证本文提出控制方案的可行性和优越性。研究结果可为后续类似工程提供参考和依据。

1 工程概况

1.1 工程及地质情况

如图1所示，杭州地铁七号线江城路站～城站区间(江城区间)在里程YDK2+855～+883段上跨已运营地铁1号线婺城区间，两隧道轨面标高差约为8.147 m，最小净距约为1.947 m，线间距15.8 m。区间主要穿越段地层为粉砂、砂质粉土和粉砂夹杂砂质粉土等软土地层，具有抗剪强度低、含水量高、孔隙比大、高压缩性和流变性等工程特性，具体参数见表1。盾构管片外径6.2 m、内径5.5 m，单环长度1.5 m。

图1 上穿施工示意图

表1 土体参数

1.2 既有1号线地铁隧道隐患情况

既有地铁1号线婺城区间存在一定隐患，主要为隧道沉降变形、管片收敛变形、环纵缝轻微渗漏水、管片局部裂缝、破损及道床脱开等隐患，增加了施工的风险。在2020年6月8日对婺城区间段进行实地查勘时发现：上行线破损10环，渗漏水12环，下行线破损1环，渗漏水24环，如表2所示；破损及漏水情况如图2所示。

图2 管片破损及渗漏水情况

表2 婺城区间隧道破损及渗漏水统计表

1号线左线(下行线)收敛值超过30 mm的共有3处，离本项目的影响源约40～45 m。断面收敛最大值为34.3 mm，处于K10+477.624里程附近，离本项目的影响源约50 m。区间隧道左线对应7号线上穿段范围内的收敛值均未超过25 mm，最大值22.3 mm，处于K10+542.793里程附近。

1号线右线(上行线)收敛值超过30 mm的共有21处，超过35 mm的共有5处，距本项的影响源约40 m。断面收敛最大值为41.0 mm，处于K10+603.545里程附近，距本项的影响源约35 m。区间隧道右线对应7号线上穿段范围内的收敛值未超过25 mm，最大值为22.6 mm，处于K10+543.250附近(表3)。

表3 最大断面收敛值

根据相关规范规程，结合对现有婺江路～城站区间隧道现状的了解，初步认定本项目施工影响范围的既有地铁1号线的盾构结构安全状况为Ⅱ类。

2 盾构穿越期间施工控制措施

由于1号线既有隧道自身存在一定的质量缺陷，根据地质水文情况、覆土深度及结合前期类似工程的盾构姿态和各项盾构掘进参数，在新建隧道盾构掘进期间及时跟踪调整相关参数，减少盾构掘进对周围土体的扰动，进而降低地表沉降。

2.1 盾构掘进控制技术

(1)划分影响区范围：第1～14环为前影响区，第15～46环为穿越段，第47～82环为后影响区。施工前对1号线的盾构结构标高进行实测，详细掌握1号线盾构结构有无病害等相关事项。核实7号线与1号线的关系及净距。

(2)在第19～64环管片增设注浆孔，对盾构周围1.5 m范围进行双液浆未扰动加固，注浆管扩散半径为0.6 m，必要时在1号线区间隧道停运时间增设注浆孔进行注浆加固。同时将7号线管片螺栓强度提高到8.8级，加大管片配筋，确保区间隧道结构安全。

(3)在7号线盾构前方布置深层沉降观测点，加强施工监测。根据监测数据合理设置土压力值，减少盾构的超挖和欠挖，使盾构匀速推进，减少对土体扰动。采用同步双液注浆工艺，确保浆液填充满盾尾管片与土体间的建筑空隙，盾构推进时控制地层损失率小于等于2‰。

(4)新建隧道施工期间，对既有1号线进行全自动化监测，情况如图3所示。施工期间根据监测数据决定是否调整盾构推进的主要施工参数以及调整量的大小。

图3 地铁隧道自动化监测

2.2 盾构掘进现场试验

本次穿越涉及盾构一始发就上跨正在运营的地铁1号线，施工难度大。本文中参考该区间相邻城四区间的掘进施工试验，初步确定右线施工上跨段盾构推进速度、刀盘转速、正面土仓压力、出土量以及同步注浆量等施工参数，并在施工过程中根据盾构机姿态和周边环境监测数据不断优化调整，确保工程的安全推进。本区间采用土压平衡盾构，掘进初步施工参数如表4所示。

表4 施工参数

根据现场试验的实测数据，主要施工参数随盾构掘进环数的变化规律，如图4所示。当盾构机掘进30～40环时，土压力出现明显上升，后趋于稳定。掘进总推力在掘进40环时开始变大，掘进刀盘扭矩在掘进10环时开始下降，在掘进40环时骤然变大，而掘进速度基本趋于稳定。此外，试验段的掘进参数平均推力为1 725 t，刀盘平均扭矩为2 008 kN·m，平均掘进速度为35 mm/min，土压力随着盾构埋深略有增大(8.82～11.18 m)，最大土压力达到220 kPa。

1 bar=100 kPa

同步注浆的效果主要由浆液凝固时间、强度、稠度、体积率以及泌水率等各项指标决定。基于上述参数，对同步注浆浆液进行现场试验，根据现场试验结果，确定同步砂浆浆液的最优配比(质量比)见表5。

表5 砂浆配合比

在初次注浆的基础上，通过注入水泥+水玻璃双液浆进行二次补浆，加快上部浆液凝结时间可以尽早固定管片，同时也补充了同步注浆的饱满程度，结合现场试验，注浆压力控制在0.2～0.4 MPa为宜。二次注浆浆液的配合比(质量比)，见表6。

表6 二次注浆配合比

2.3 施工过程重要参数控制

2.3.1 盾构机掘进速度

盾构机掘进速度随盾构环数变化曲线如图5所示。前10环范围内盾构机掘进速度呈线性增加趋势，在10环处最大速度为25 mm/min；10～40环范围内呈整体稳步增加，逐渐趋于匀速推进，速度稳定在30～35 mm/min。40环以后，掘进速度再次增加，随后掘进速度稳定在45 mm/min左右。

图5 掘进速度

2.3.2 土仓压力控制

土仓压力统计值随着盾构掘进的变化曲线如图6所示。可知，掌子面上下土仓压力均在10环范围内呈现增加趋势，后续稳定在150～200 kPa。因此应维持顶部土仓压力，避免因7号线盾构施工出土以及1号线盾构顶部卸载造成1号线隆起；同时避免因土仓压力不足对地层造成扰动，导致后期工后沉降。

图6 土仓压力

2.3.3 出土量控制

出土量随盾构掘进环数的变化规律如图7所示。可知，前40环内理论出土量和实际出土量基本一致；40环之后，实际出土量略低于理论出土量。

图7 出土量

3 既有隧道1号线结构变形控制效果

上述左线盾构施工的控制措施为右线施工提供借鉴，本章对左线施工措施应用在右线后，盾构对既有1号线的变形控制效果进行分析。

3.1 道床沉降控制效果

道床沉降是地铁能否安全运营的关键指标。由图8可以看出，新建盾构隧道右线施工导致道床的竖向变形范围为-1.9～2.7 mm，符合《地铁设计规范》中的要求。分析发现，上行线累计最大沉降为2.7 mm，位于第465环位置，累计最大隆起为1.6 mm，位于第530环位置。下行线累计最大沉降为2.6 mm，位于第465环，累计最大隆起为1.9 mm，位于第520环位置，如表7所示。

表7 道床变形统计

图8 上、下行线道床竖向位移

随着新建隧道盾构施工，1号线道床先发生隆起变形，后发生沉降变形，最后又变成隆起变形直至趋于稳定，且隆起变形随着时间的推移先增大后减小，沉降变形随着时间的推移先减小后增大。上行线在第510环处开始发生沉降变形，在第550环后变为隆起变形。下行线在第480环处开始发生沉降变形，在第535环后变为隆起变形。分析原因在于土体开挖引起下方土体应力重分布，导致土体回弹，进而导致既有隧道出现一定的上浮；后期盾构隧道管片拼接完成不受盾构的影响，由于自重产生些微沉降。此外上行线道床竖向位移呈现出明显的阶段性特征，分界点约在第525环左右。

3.2 隧道水平控制效果

如图9所示为上行线和下行线的道床水平位移图。破除洞门以来，1号线上行线累计水平位移最大值是3.8 mm，位于第515环；下行线累计水平位移最大值是3.6 mm，位于第530环，如表8所示。上行线及下行线累计沉降数值均小于规范值。1号线道床水平变形随着时间的推移逐渐增大，但增加幅度较小，且水平变形先发生膨胀变形后收缩变形，最后又发生轻微膨胀变形，且上行线水平变形出现明显的阶段性特征，分界点在第525环左右。

图9 上、下行线水平位移图

表8 隧道变形统计

3.3 盾构收敛控制效果

如图10、图11所示为上行线和下行线的盾构管片收敛情况。由图11可知，破除洞门以来，1号线上行线累计收敛最大值是2.4 mm，位于第555环。下行线累计收敛最大值是2.3 mm，位于第565环。上行线及下行线累计沉降数值均小于规范值的±3 mm。此外，随着盾构掘进环数的增加，盾构管片收敛值先增大，后减小，在第560环左右达到最大收敛值，且盾构管片的收敛值随着时间的推移，逐渐增大。

图10 上、下行线盾构管片收敛值

图11 盾构管片收敛示意图

3.4 盾构管片姿态控制效果

盾构管片拼装完成后，组织对7号线江城区间右线现场成型管片进行复测，盾构管片成型姿态变化如图12所示。由图12可知，成型隧道管片姿态可控，竖向变形最大值为-29 mm，水平变形最大值为27 mm。盾构掘进0～20环时，管片变形呈增加趋势；之后纵向管片姿态趋于稳定，而横向管片变形逐渐减小，直至40环时趋于稳定，且盾构管片在前40环姿态变化最明显，后趋于稳定。

图12 7号线管片成型姿态

4 结论

提出杭州地铁7号线上跨既有地铁隧道1号线工程的施工控制措施，既有运营地铁的道床变形、管片收敛及病害扩张等均得到有效控制，且7号线施工过程中的地表沉降、管片姿态等均在允许范围内。对类似盾构近距上跨既有地铁盾构区间施工有一定的指导意义。

(1)采取的施工控制措施包括，对盾构周围1.5 m范围进行双液浆未扰动加固，对盾构施工重要参数进行控制，对施工过程实施监测。

(2)施工过程中，既有隧道1号线道床先发生隆起变形，后发生沉降变形，最后又变成隆起变形直至趋于稳定；隧道水平先发生膨胀变形后收缩变形，盾构收敛先增大，后减小，且变形均控制在允许范围内。

(3)基于本文中控制措施及监测数据研究结果表明，道床最大变形2.7 mm，隧道水平最大变形3.8 mm，管片收敛最大值为2.4 mm，成型隧道管片姿态可控，该工程对类似工程具有一定的指导意义。