长江漫滩地盾构下穿既有地铁隧道沉降控制

赵红光

(南京地铁建设有限责任公司，江苏 南京 210024)

0 前 言

随着城市地铁规模的不断扩大，互相交织的地铁网络逐渐形成，不可避免地会出现穿越既有地铁隧道、桥梁、地下管线及城市建筑基础等复杂的工况[1]。在中心城市核心区域，轨道交通高速发展，新建地铁隧道下穿既有地铁运营隧道的工程数量急剧上升[2]。盾构下穿既有地铁隧道，若施工过程中控制不当，可造成地面沉降超标或塌陷，进而导致既有地铁隧道轨道变形，产生地铁停运等风险，造成恶劣社会影响。

对盾构下穿既有地铁隧道引发的相关沉降问题相关成果，国内研究成果丰富。姚晓明等[3]以成都地铁某新建盾构隧道下穿既有运营地铁线工程为例，针对砂卵石地层进行盾构施工影响研究，提出根据实际风险源制定相应监测方案，依据实时监测结果指导施工。高利宏[4]依托某盾构隧道双线间隔近距离下穿既有暗挖隧道区间工程，结合数值模拟及现场竖向位移监测数据，研究了卵石层、砾岩层和泥岩层近接下穿既有隧道的变形规律。江杰等[5]对富水圆砾地层盾构下穿既有地铁隧道进行了掘进参数研究。牟军东[6]以杭州地铁工程粉砂地层土压平衡盾构下穿既有线路为背景，着重介绍了穿越既有隧道时的保护措施及施工技术。

盾构施工引起地层位移进而导致既有构筑物变形规律，和盾构掘进及既有地铁隧道所处地层密切相关，针对长江漫滩地质条件粉砂层，盾构下穿既有地铁隧道引发相关的沉降研究较少。长江漫滩地由于长江近代以来的退移形成的原因，造就了其低凹、平坦的地形，具有相对稳定的50 m左右厚的软土层。由于其固结沉降程度不够高，固结沉降还在进行中[7]。以上的因素，导致该地层承载力低、易变形、不稳定性高。在此工况在进行盾构施工难度较大，本文以南京地铁7号线莫愁湖站-清凉山站区间下穿南京地铁2号线段为例，通过对既有隧道的实时监测数据分析，对施工进行总结分析。

1 工程背景

1.1 整体区间概况

区间右线长1 112.9 m(含短链40 m)、右线长1 131.1 m(含长链21.8 m)，设1座联络通道带泵房。区间最小半径为R=350 m，线路纵坡为“V”字坡。线路自莫愁湖站出站后以28‰和4.547‰的下坡到区间最低点，后以7.6‰和15.6‰的上坡到达清凉山站。区间采用2台泥水平衡盾构机组织施工，初期进行左线施工，后期根据左线施工情况调整施工方案进行右线施工。

区间始发段至秦淮河段穿越的地层主要为粉质黏土夹粉砂、粉砂、粉细砂地层，秦淮河段—清凉山段为中风化砾岩和中风化泥岩。潜水主要赋存于填土、新近沉积黏性土层中。其中，人工填土层由粉质黏土夹碎石、碎砖混填，其透水性不均匀，该土层的大孔隙往往成为地下水的赋存空间。全新世沉积软弱黏性土淤泥质粉质黏土饱含地下水，富水性弱，透水性弱。

1.2 下穿段工程概况

区间地处长江漫摊地质，具体下穿既有2号线情况如图1所示。

图1 区间下穿二号线平面图

盾构埋深27 m，2号线埋深约12 m，7号线隧道下穿运营的轨道交通2号线区间隧道，与隧道结构最小竖向净距约为9.4 m。穿越段地质如图2所示。

图2中，由上往下依次为杂填土、素填土、淤泥质粉质黏土、粉土夹粉砂、粉细土，盾构穿越的地层为淤泥质粉质黏土和粉土夹粉砂地层，地层软弱、地下水丰富。

图2 区间下穿地铁二号线地质断面图

2 左线施工设计

2.1 风险分析

本区间隧道主要穿越②-4b3粉质黏土层、②-4b3 d粉质黏土夹粉砂层、②-4 d2粉砂层、②-5 dl粉细砂层:K2p-2强风化泥质砂岩、K2p-3-1中风化泥岩、泥质砂岩、砂质泥岩，K2p-3-2中风化砂砾岩、砾岩,K2p-3-2a中风化砂砾岩、砾岩(破碎)层等。下穿段盾构穿越的地质以粉砂层为主。粉砂层的摩擦角，所以盾构机在推进过程中会受到较大的顶推力和扭矩；同时，粉砂层的渗透系数大，增大了盾构机在推进过程中遇到流沙的可能性，除此之外，盾构姿态也会因此变得难以控制[8]。基于此，在盾构接收施工前要加固盾构端头、对盾构接收端进行降水施工、多次测量核对盾构机与洞门位置[9]。所以下穿段粉砂层施工过程中易沉降，需采用注浆加固措施。

2.2 注浆参数

在施工过程中进行同步注浆。注浆技术参数：注浆量为理论建筑空隙的130%～160%，即为4.98～6.12 m2/环，根据盾构下穿段埋深同步注浆压力控制在3.0～3.5 bar；注浆要求：做到“掘进、注浆同步，不注浆、不掘进”，通过控制同步注浆压力和注浆量双重标准来确定注浆时间；浆液配合比情况如下：①胶凝时间：3～8 h；②固结体强度：7天强度大于0.4 MPa，14天抗压强度大于1 MPa；③浆液结石率：>95%，即固结收缩率<5%；④浆液稠度：8～12 cm。注浆材料配比见表1。

表1 同步注浆材料配比表 单位：kg

为了弥补前期注浆效果，根据固结率及沉降、变形等情况，须在同步注浆后进行二次注浆来加强强度。本工程二次注浆采用双液浆，主要材料为水泥、水、水玻璃。材料控制指标如下：①浆液凝固时间为60 s；②注浆压力控制在3.0～3.5 bar；③水泥∶水=1∶1；④水玻璃∶水泥浆=1∶1。泥浆中的泥水比重应为1.05～1.25 g/cm3，下限为1.04～1.2 g/cm3，局部时段根据监测结果甚至可选1.25 g/cm3。泥浆性能指标见表2。

表2 泥浆性能指标表

2.3 注浆安排

注浆施工如图3所示。

图3 注浆施工示意图

同步注浆：负2环管片安装完成后开始同步注浆(管片脱出盾尾后)，同步注浆采用商品砂浆，注浆量不少于6 m2，注浆压力不小于3 bar。注浆采用少量多次注浆入，注浆期间确保盾尾油脂压力不小于10 bar。

二次注浆：已完成两次封闭环注浆封堵，第三次封堵为盾尾处素墙9环后，既盾构施工完成20环后，进行二次注浆封堵。下穿建构筑物期间，对管片进行二次注浆，本区间采用多注浆孔管片，大块管片有3个注浆孔，注浆部位主要以中上部为主，注浆期间确保注浆孔封闭效果。

2.4 盾构施工参数

盾构施工参数见表3。

表3 下穿地铁二号线盾构施工参数

3 左线沉降结果

7号线莫愁湖站—清凉山站区间下穿2号线段在2号线内沉降观测点布置如图4所示。

图4 二号线沉降监测点分布图

地铁2号线隧道内由地铁运营公司实施，监测数据共享。采用测量机器人对既有2号线沉降进行实时监测，S代表2号线上行，X代表2号线下行。2号线道床最终沉降结果如图5所示。

图5 左线下穿时2号线道床沉降图

上行线道床最大沉降在S14点为-7.8 mm，下行线道床最大沉降在X17点为-9.4 mm。

4 沉降分析及右线施工分析

4.1 沉降分析

1)地层变化，盾构穿越的地层由粉质黏土夹粉砂变为全断面粉砂地层，粉砂层施工易沉降且沉降反应较快；粉砂层掘进，泥浆含砂率高，黏度下降较快，在地层形成泥膜能力较差。

2)施工中同步注浆有管路堵塞的情况。所以要确保盾构连续施工及时进行补充二次注浆，粉砂层掘进期间控制泥浆比重不大于1.3 g/cm3，黏度不低于20 s，及时补充新制浆液。

4.2 右线施工设计

右线施工设计如图6所示。

图6 隧道顶部注浆加固示意图(单位：m)

初次右线盾构施工在隧道顶部2 m范围内采用注浆加固。注浆施工控制标准：①保证施工影响范围内地层损失率≤2‰；②对既有轨交隧道衬砌结构的附加沉降、水平位移≤5 mm，报警值为3 mm；③盾构推进引起的2号线附加曲率半径应大于15 000 m，相对弯曲<1/2500；④隧道内两轨道横向高差≤2 mm，纵向偏差和高差<4 mm/10 m。针对粉砂层施工过程中易沉降及右线施工情况采取以下措施。

1)严格控制泥浆比重。下穿地铁2号线区间穿越的地层以粉砂为主，粉砂地层施工泥浆比重下降较快。目前左线正在掘进粉质黏土层，将左右线泥浆混合在一起，有效保证右线盾构下穿地铁2号线时泥浆的黏度。采用优质的钠基膨润土加以纤维素、纯碱等对浆液黏度进行调整，确保浆液黏度不低于20 s。

2)确保盾构连续施工。根据统计下穿地铁2号线期间，由于同步注浆管路堵塞、设备故障等影响盾构未能连续施工，停机期间盾构沉降速率及沉降值较大。优化砂浆配比，进一步提高砂浆填充能力，确保砂浆质量；定期对注浆管理进行清洗，避免因砂浆堵管造成不必要的停机。

3)盾构穿越既有隧道前应调整好掘进姿态，力求以良好姿态匀速、缓慢、连续穿越;完善同步注浆和二次注浆管理措施，加强掘进期间对盾尾刷油脂饱满和尾刷保护控制。

4)穿越工况下建议以微欠挖方式掘进，严禁超挖，合理控制舱内压力和出渣量，以减少对地层的扰动。

5)确保渣土外运，专人管理渣土外运，若出现渣土外运困难时优先保证右线盾构施工。

6)有现场盾构下穿地铁2号线期间，盾构技术服务公司人员驻场，确保盾构连续施工。

7)盾构下穿地铁2号线前对盾构机及泥浆站进行一次全面的维修保养，对损坏件建成更换，储备易损件。

8)管片脱出盾尾5环后进行二次补充注浆，二次注浆数量不少于1 m3。

4.3 右线掘进参数优化

根据上述既有经验对右线施工参数进行了优化，施工技术也按照进行了相应调整，如表4所示。

表4 掘进参数表

4.4 优化后的右线盾构沉降结果

优化后的右线盾构沉降结果见图7。

图7 右线下穿时2号线道床沉降图

上行线道床最大沉降在S17及S18点为-9.3 mm，下行线道床最大沉降在X20点为-7.4 mm。和左线盾构引发沉降相比，沉降未得到改善，但还处于有效控制范围内，实现了稳定安全施工。分析为左线盾构对土的扰动及施工效果未达到预期所致。

《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T 202—2013)[10]附录 B 对城市轨道交通结构安全控制指标值给出了明确要求，针对本工程情况，规范要求：隧道竖向位移的预警值为10 mm、控制值为20 mm。道床最终左右线盾构引发的累计沉降见图8。

图8 道床累计沉降图

所有监测点都满足了沉降控制值，大部分监测点都满足了沉降预警值，超过预警值的监测点最多也只是超过30%左右。总体来说，下穿段施工很好地满足了规范要求，说明右线盾构的改进施工，在已经有左线盾构土体扰动的情况下，产生了一定的效果。

5 结 论

通过南京地铁7号线莫愁湖站—清凉山站区间左线下穿南京地铁2号线段施工实践，可以得出以下结论。

1)粉砂层施工易沉降且沉降反应较快，粉砂层掘进，泥浆含砂率高，黏度下降较快，在地层形成泥膜能力较差，所以需要及时注浆处理，并对注浆效果及时监测、反馈，来指导施工方法及参数的调整，可以有效控制沉降在允许范围内。

2)对于这种复杂施工条件，现场必须有完善的组织体系，减少同步注浆管路堵塞、设备故障等的影响。

3)岩土工程本身具有复杂性和特殊性，充分利用监测技术，可以让施工变得灵活安全，即使可能达不到预期目标，但监测与施工的协调可以做到工程的安全可控。

4)确定合适的施工参数及方法，除了借鉴已完成的施工项目，还可以借助软件建模分析，提前预判可能会出现的一些工程问题。

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