软流塑地层盾构交叠隧道控制措施研究

张 伟 东

(中铁十九局集团轨道交通工程有限公司，北京 101300)

盾构法施工无法避免会造成地层损失，改变原始地层应力场与位移场，产生地层扰动，进而影响既有隧道与地表建筑物的安全。软流塑地层具有高压缩性、高含水率、高灵敏度、高蠕变以及低强度、低透水性的“四高两低”的不利工程特性[1]，其具有土体软弱，含水率大，自稳能力差；变形范围大，变形量大，持续时间长；易发生渐进式破坏；衬砌与地层共同承载力作用不明显等施工难点。因此在该地层进行盾构下穿施工极易引发过度沉降以及突然失稳，严重影响隧道的运营安全[2-3]，常规的盾构施工控制措施已无法满足对既有结构物的沉降要求，需要合理的预加固措施进行控制干预。

盾构交叠施工是关于盾构施工、地层、既有隧道三者扰动与平衡的动态过程，扰动分析与控制措施是下穿施工的核心内容。交叠施工是以安全与稳定为目标，根据地质条件、位置选型、周围环境及沉降控制要求等因素综合考虑穿越工程工法，通过加强既有隧道结构刚度、地层加固法、隔断法和基础托换法等技术，可以有效减小既有结构、地层及支护结构的沉降变形能力[4]。王婉娇[5]提出了内张钢圈与纵向钢条联合加固的变形控制措施，分别对不同加固工况进行了数值模拟分析，验证了预加固控制措施的可行性。赵秀绍等[6]在小曲线半径段施工控制重难点分析的基础上，提出了加强既有隧道刚度以及对既有隧道上部地层进行注浆加固的控制措施，有效的控制了既有隧道的沉降变形。翟晓慧[7]对下穿区间工程施工风险进行了分析，针对性的对既有隧道周围地层进行注浆加固，同时盾构施工过程中进行超前注浆加固，该综合注浆加固技术保证了盾构下穿施工的顺利实施。张哲[8]采用现场实测手段，提出针对粉细沙性地层采用袖阀管注浆预加固措施对既有结构周围地层进行沉降控制，同时优化盾构机下穿掘进参数从而保证了上部结构物的安全。涂智溢等[9]根据依托工程复合地层特性以及叠交隧道的空间布局，采用了全方位高压喷射桩从地面对既有地铁隧道周边地层进行加固、洞内注浆加固等措施。戴志仁等[10]采用有限元分析软件对富水砂卵石地层中盾构施工采取超长大管棚预加固、既有通道注浆加固以及盾构运营天窗期分段开挖等微扰动施工措施进行了模拟计算。杨建烽等[11]采取现场监测以及有限元分析计算手段，对上软下硬复合地层盾构施工过程中既有隧道沉降规律进行研究分析，提出盾构掘进控制以及既有隧道周围地层加固等控制措施。章邦超[12]通过对传统地层加固技术进行综合分析，研究分析了不同工法对于盾构施工的适用性，提出了盾构施工综合注浆加固控制技术并成功应用。

本文以南京地铁5号线三山街站—朝天宫站区间隧道下穿1号线工程为依托，结合工程实践，总结盾构下穿施工预加固方法，采用数值模拟手段对比分析不同预加固措施的控制效果，针对依托工程选取最佳的预加固控制措施，同时对采用了最优比选方案的依托工程进行了现场监测，进一步研究分析了盾构下穿施工对地表以及既有隧道的实际影响规律及加固措施的控制效果，为相关交叠工程提供借鉴。

1 工程概况

1.1 工程背景

5号线三山街站—朝天宫站区间隧道在出三山街站约15 m处下穿既有1号线三山街站—张府园站区间隧道，平面呈十字相交状态(88°)(见图1)。

图1 地铁5号线下穿1号线位置关系图

区间相交里程为：ZK25+023.398、YK25+023.974、ZK25+008.179、YK25+008.760(5号线里程)，ZK6+323.780、YK6+323.240、ZK6+306.759、YK6+306.103(1号线里程)，既有1号线左右线隧道净距约9 m，顶部覆土约8 m，新建5号线左右线隧道净距约11 m，隧道顶部覆土约18 m。

1.2 地质条件

南京地铁5号线三山街站—朝天宫站区间隧道下穿1号线区域位于升州路和中山南路交汇处，下穿区地形呈东高西低，地面高程为9.9 m～11.6 m。升州路南侧65 m～100 m分布一条东西走向的秦淮河，河宽约20 m，拟建区间为秦淮河漫滩地貌单元。

下穿区岩土层分布不均匀，受人类工程活动的影响，填土层的厚度差异较大，从3.0 m～7.2 m不等。填土层之下为中、晚全新统沉积的新近沉积土。新近沉积土下为早全新统沉积土层。场地下伏基岩岩性主要为白垩系葛村组(K1g)泥岩、粉砂质泥岩，岩体较完整，局部较破碎，岩石强度低。既有1号线隧道主要位于②-2b3-4+c3淤泥质粉质粘土、粉质粘土夹粉土层和②-3d3-4松散—稍密粉砂层中；新建5号线盾构主要位于穿越②-3d2-3粉砂层，部分涉及③-4b2-3+d2粉质黏土夹团块粉细砂。穿越区域土体多为饱和，呈软流塑状态，工程地质条件较差，既有1号线及新建5号线穿越地层部分情况见图2。

图2 地铁5号线右线下穿1号线位置关系图

2 控制措施方案

既有运营地铁线路对结构沉降十分敏感，然而盾构下穿施工会对地层产生扰动，改变原有的应力场和位移场，受到影响的土体进而影响既有隧道结构产生沉降，直接威胁既有隧道结构与运营安全，因此必须采取必要的保护控制措施减小既有隧道的沉降变形。盾构下穿施工主要涉及三个对象：“盾构、土体和既有隧道”，其分别对应了控制措施中需要考虑的扰动源、传播介质与保护对象[13]，其中，对扰动源的控制为主动控制措施，例如控制掘进速度，出土量，超挖量以及同步注浆等施工参数来减小扰动；对传播介质与保护对象的控制则为被动控制措施[14]。

盾构施工中普遍会采取主动控制措施减小对地层的扰动，但当盾构下穿施工引起的既有隧道结构沉降无法满足控制要求时，需要采取合适的被动控制措施对既有隧道变形进行防护。根据控制手段与对象的不同，控制措施主要分为四类：加强既有隧道结构刚度、地层加固法、隔断法和基础托换法。依托工程属于盾构极近距离下穿施工，对既有结构的扰动控制具有严格的限制要求，但是穿越地层属于软流塑复合地层，具有“四高两低”的不利工程特性，在盾构施工扰动及地下水的影响下极易诱发上部既有隧道结构与地表的变形与沉降。新建5号线盾构下穿施工会诱发地层与既有隧道结构产生较大的沉降，其沉降值远超规范允许值与项目控制值，直接威胁既有隧道的结构与运营安全。因此，根据对各类控制技术的分析，本节选取三种应用成熟的控制措施进行类比分析，如表1所示。

盾构下穿施工过程中，由于盾构影响分区的不同，在不同阶段既有隧道与地层沉降规律存在差异性。为了进一步研究盾构下穿施工对既有隧首家主地层的影响规律，考虑到施工的时间效应，将盾构下穿既有隧道分为以下八个典型阶段：阶段一，左线隧道开挖面进入影响区；阶段二，左线开挖面于既有左线正下方；阶段三，左线隧道开挖面于既有右线正下方；阶段四，新建左线开挖完成；阶段五，有线隧道开挖面进入影响区；阶段六，右线开挖面于既有左线正下方；阶段七，右线开挖面于既有右线正下方；阶段八，新建右线开挖完成。

表1 控制措施方案选取表

2.1 内张钢圈法+洞内微扰动注浆+二次注浆

方案一在既有隧道两侧拱腰处斜向下注射水泥-水玻璃双浆液，应根据1号线隧道管片衬砌图纸避开钢筋而不致损坏衬砌结构，加固土体宽2 m，深3 m，沿1号线方向延伸40 m；在既有1号线管片内环面每两环管片设置一环Q235B钢板(厚24 mm，宽500 mm)，同时用5根纵向拉紧条进行连接，沿1号线方向延伸40 m；对新建5号线下穿区段壁后进行全环注浆，浆液采用水泥-水玻璃双浆液，如图3所示。

图3 方案一加固示意图

2.2 双层管棚+水泥土搅拌桩+袖阀管注浆

方案二在1号线隧道底部下方0.5 m以及5号线隧道顶部上方0.5 m分别打设一排大管棚，沿5号线大里程方向打设36 m，即沿5号线方向各延伸超出1号线1D范围，打设宽度为34 m，即沿1号线方向各延伸超出5号线1D范围。管棚尺寸为Φ108 mm，厚14 mm，搭接长度3 m，横向间距为0.3 m，为避免上层管棚注浆引起地层变形对1号线产生影响，上层管棚进行管内填充，下层管棚对地层进行注浆加固，管棚工作面布置在5号线三山街站内。在1号线两线之间区域以及外侧两部分区域使用Φ800@1400水泥土搅拌桩加固。两侧部分打设2排搅拌桩，加固宽度为3.0 m，加固范围边界距1号线拱腰边缘1.9 m；1号线两线之间共打设4排搅拌桩，加固宽度为5.6 m，加固范围边界距1号线拱腰边缘2.2 m，底部延伸至5号线拱底1D范围内。地面打设袖阀管对1号线下部土体进行加固，袖阀管直径为 50 mm，沿1号线方向打设袖阀管，呈梅花状布置，袖阀管之间间距为1 m，沿1号线方向两侧各延伸超出5号线外侧1D范围，如图4所示。

图4 方案二加固示意图

2.3 MJS工法加固

方案三为盾构下穿施工前对拟穿越区域新建隧道周围土体进行水平注浆加固，采用高压喷射注浆工艺使P.O 42.5普通硅酸盐水泥冲击软弱地层，使原始土层与加固浆液进行混合搅拌，形成围岩-注浆浆液胶结体，提高隧道周围土体的强度，一定程度上隔断盾构施工产生的扰动。本次模拟对既有隧道上半圆周的270°范围进行加固，加固宽度为0.5 m，单断面采用43根旋喷桩，加固范围沿新建5号线方向延伸40 m，如图5所示。

图5 方案三加固示意图

3 交叠施工数值模拟计算

3.1 计算参数

本次模拟计算所需土层参数均取自岩土工程详勘报告，下穿区域地质情况较为复杂，主要存在八层土体，其中含有两层软流塑地层，不利于下穿施工的实施，各土层物理力学参数如表2所示。 盾构施工过程中主要有盾壳、衬砌管片和注浆层等材料参与计算。盾构盾壳按照钢材的材料参数取值；衬砌管片为六块装配式管片采用M30螺栓错缝拼装而成，故对衬砌管片进行刚度折减，模拟计算所需的盾构材料参数见表3所示。各加固措施不同加固体参数在数值模拟计算中取值如表4所示。

表2 各地层物理力学参数

表3 盾构材料物理力学参数

表4 加固措施参数

3.2 计算模型

为了减小模型边界效应的影响，根据圣维南原理，盾构施工对地层的扰动范围为3～5倍开挖洞径，同时考虑盾构下穿施工对地层以及既有隧道的影响范围，确定三维计算模型尺寸为：90 m(长)×72 m(宽)×60 m(高)。其中，既有隧道轴向长度取90 m，两线轴线间距为15.3 m；新建隧道轴向长度取70 m，两线轴线间距为18.6 m；新建隧道与既有隧道轴线间距为6.2 m。模型计算时，模型顶面为自由边界，其余五面施加法向约束，即底面施加竖向位移约束，前后左右四面施加水平位移约束。地层土体与衬砌管片采用3D单元模拟，盾构挖开模拟不考虑盾构机内部构造，盾构机盾壳与注浆层采用2D板单元模拟，如图6所示。

图6 三维计算模型

在不同控制措施数值模拟对比计算中，洞内微扰动注浆和二次注浆采用3D单元进行模拟，内张钢圈采用2D板单元进行模拟；棚、水泥土搅拌桩以及袖阀管注浆加固区都采用3D单元进行模拟；MJS水平旋喷桩加固区采用3D单元进行模拟。待既有隧道开挖完毕后，通过改变加固位置土体参数以及激活模拟加固措施，如图7所示。

图7 加固控制措施计算模型

3.3 计算结果分析

根据图8所示，左线施工过程中，既有隧道沉降值不断增大，沉降峰值点位于左线中轴，沉降曲线呈U形，施工结束后既有隧道最大沉降值为2.98 mm。右线施工过程中，右线中轴上方的既有隧道沉降快速增大，沉降曲线逐渐变为W形，施工结束后沉降峰值点位于新建线中轴位置，左线略大于右线，中线处最小，分别为4.01 mm、3.91 mm和3.82 mm，由于内衬钢圈与微扰动注浆增强了既有隧道的整体性与刚度，两侧峰值与中线点沉降差值有所减小，采取方案一控制措施减小了既有隧道沉降值57.9%，满足既有隧道工程沉降控制值(5 mm)；根据图9所示，左线施工过程中，地表沉降曲线呈U形，最大沉降点一直位于左线中轴位置，施工结束后，最大沉降值为2.49 mm。右线施工过程中，最大沉降点由左线中轴向中心移动，施工结束后既有隧道沉降峰值点位于中线偏左线的位置，沉降值为5.11 mm，采取方案一控制措施减小了地表沉降值50.1%，有效地减弱了盾构施工对地表的影响。

图8 方案一既有隧道沉降变化曲线

图9 方案一地表沉降变化曲线

根据图10所示，既有隧道沉降曲线左线施工完毕后为U形，峰值点位于左线中轴，沉降值为4.99 mm，右线施工完毕后沉降曲线变为W形，沉降峰值点位于中线处，双线中轴沉降值分别为6.67 mm和6.54 mm。与方案一不同的是，由于在既有隧道周围施做了水泥搅拌桩，从而限制了盾构施工纵向对既有隧道产生的影响，减小了盾构下穿前后对既有隧道产生的沉降值，主要沉降变形发生在阶段二与阶段六。根据图11所示，由于双层管棚加固了新建线上部地层，减弱了盾构施工对地表的影响，地表沉降曲线成U形，左线施工完毕后沉降峰值点位于左线中轴，最大沉降值为2.76 mm，右线施工完毕后沉降峰值点位于中线，最大沉降值为5.63 mm。采取方案二控制措施减小了既有隧道沉降值30.1%，减小了地表沉降值44.9%，但无法满足既有隧道工程沉降控制值(5 mm)。

图10 方案二既有隧道沉降变化曲线

图11 方案二地表沉降变化曲线

由图12与图13可知，方案三与方案一沉降规律相似，不再赘述。盾构施工完毕后，采取方案三的既有隧道最大沉降值为8.39 mm，地表最大沉降值为8.38 mm。采取方案二控制措施一定程度上减小了既有隧道与地表沉降值，既有隧道沉降值减小了12.1%，地表沉降值减小了18%，但无法满足既有隧道工程沉降控制值(5 mm)。

图12 方案三既有隧道沉降变化曲线

图13 方案三地表沉降变化曲线

3.4 对比分析

上述结果表明三种控制措施都不同程度的减小了既有隧道与地表的沉降变形，但控制效果有所差异。通过对不同控制措施的变形情况以及施工可行性得出最优的控制措施方案。

根据图14与表5可知，在控制既有隧道沉降变形方面，方案一满足累计沉降控制值，且优于方案二和方案三；在控制地表沉降变形方面，方案一略优于方案二。另一方面，作为施工控制措施还需综合考虑施工难度与施工成本等问题。施工难度方面，方案一与方案三所需施工空间小，仅在新建隧道与既有隧道内即可完成加固措施施工。方案二中水泥搅拌桩与袖阀管注浆都需在地面占据较大的施工场地，而下穿区上部地面为南京市主要交通干道，进行隔离施工影响因素较多，同时方案二实际施工中会对地层产生扰动，可能会对既有隧道造成额外的不利影响。施工成本方面，方案二的施工成本高于方案一与方案三，因此，综合考虑控制措施的沉降控制、施工难度与施工成本等情况，方案一优于其他两种方案。

图14 不同控制措施最大沉降对比图

4 现场监测分析

4.1 监测内容及方法

为保证下穿施工中既有隧道的安全，对依托工程施工过程进行实时监测，监测内容如表6所示。

表5 控制措施对比分析表

表6 监测项目表

既有隧道位移采用自动化监测，监测仪器为采用徕卡TM30全站仪，仪器标称精度为±0.5″。地表沉降监测采用人工监测法，测量人员利用布置在施工影响范围之外的基准点采用莱卡DNA03全站仪对下穿区域地表测线进行定期监测。

4.2 监测范围

如图15所示，本次监测的主要范围为既有1号线三山街站端头至5号线区间右线结构外侧20 m范围内，1号线里程YK6+293.015—YK6+346.357(ZK6+296.975—ZK6+346.905)范围内每4.8 m(四环管片)设置一个监测断面，共设置30个监测断面。地表监测点布置四条测线，间距5 m，每条测线间隔5 m布置一个测点，共设置52个测点。

图15 监测点平面布置图

4.3 监测控制标准

根据《城市轨道交通工程监测技术规范》[15](GB 50911—2013)以及《江苏省城市轨道交通工程监测规程》[16](DGJ32/J 195—2015)的相关规定，同时结合实际工程特点，本次盾构施工既有地铁及地表变形控制标准如表7。

表7 盾构施工变形控制标准表

4.4 监测结果分析

根据图16不同阶段地表沉降曲线的变化情况，同时结合实际施工过程，可以得出以下规律：

(1) 左线开挖过程中，地表沉降曲线整体呈U形分布，阶段一前期沉降值较小，最大沉降值仅有0.19 mm，随着盾构不断的推进，地表受到扰动逐渐增大，沉降值不断扩大，沉降峰值一直位于左线中轴位置(DB2-5)，阶段二至阶段三四最大沉降值分别为1.08 mm、1.70 mm和2.19 mm。

(2) 右线施工过程中，地表沉降范围不断增大，沉降曲线依然保持U型分布，沉降峰值逐渐向中心处移动，由于施工面右侧为五号线三山街地铁站，车站结构对上部地层有一定的支撑作用，因此右侧20 m范围外在阶段五至阶段八处沉降变形较小。右线施工结束后，沉降峰值达到4.27 mm，峰值点位于双线中心处(DB2-7)。

(3) 现场监测结果与数值模拟计算结果各阶段地表沉降规律基本相同，因此采取内张钢圈法+洞内微扰动注浆+二次注浆联合控制措施有效的减小了盾构下穿施工对地表的变形影响，地表沉降值都控制在4.27 mm以内，满足工程控制要求。

图16 施工不同阶段地表最大沉降对比图

根据图17，盾构下穿施工穿越前后的沉降占比较小，主要沉降发生在下穿区域的四个阶段中，平均累计沉降变形占比为60.1%，但较无加固措施的占比情况(69.2%)有所减少，这是由于对下穿区域地层的加固使得该阶段地表沉降强度减弱。

图17 各阶段地表沉降平均百分比

根据图18不同阶段既有隧道沉降曲线的变化情况，同时结合实际施工过程，可以得出以下规律：

图18 不同阶段既有隧道沉降变形曲线图

(1) 在左线施工过程中，既有隧道在第一阶段整体发生不均匀沉降，沉降值较小，由于开挖面位于左线位置，右侧沉降值大于左侧沉降值，沉降峰值为0.51 mm，位于SZ11；在第二阶段中，既有隧道向上产生一定程度的抬升，这是由于实际施工中，并未在施工前直接对既有隧道进行微扰动加固，而是在下穿施工过程中根据既有隧道的沉降变形情况对既有隧道局部进行微扰动注浆加固，同时施工中适当的增大盾构顶推力，致使掌子面前方一定范围的地层产生一定程度的抬升作用，从而抵抗既有隧道的沉降作用；在第三阶段至第四阶段中，随着掌子面的不断推进，既有隧道沉降值不断增大，沉降曲线呈U形分布，沉降峰值位于左线中轴位置(SZ13)，当左线施工完毕后沉降值由1.39 mm增长至2.31 mm。

(2) 在右线施工过程中， 与左线情况类似，既有隧道在第五阶段产生较小的不均匀沉降，沉降峰值为2.69 mm，位于SZ13，第六阶段既有隧道产生了一定程度的抬升。在第七阶段中，既有隧道在右线中轴位置沉降值急剧增大，沉降曲线逐渐变为W形分布，沉降峰值位于左线中轴处，为2.52 mm。在第八阶段中，随着盾构机不断远离下穿区域，沉降值继续增大，当右线施工结束后，既有隧道沉降曲线为W形，沉降峰值点位于双线中轴处，分别为3.41 mm和2.79 mm，左线峰值大于右线，这是由于左线中轴上方受到二次扰动的影响，同时由于右线施工过程中盾构参数以及控制措施设置更加合理。

(3) 既有隧道现场监测与数值模拟的各阶段沉降规律基本相同，同时既有隧道最终沉降曲线在20 m范围外沉降值逐渐趋于稳定并小于0.5 mm，因此在内张钢圈与微扰动注浆加固的联合作用下，既有隧道横向沉降影响范围明显减小。

据图19可知，盾构下穿施工既有隧道主要沉降阶段平均累计沉降变形占比由68.5%减小到45.6%，而且原沉降占比较大的阶段二(18.6%)与阶段六(17.5%)沉降占比为零，主要纵向沉降范围因此减小，绝大部分沉降值发生在盾构穿越后的两个阶段中，这是由于下穿施工过程中实时调整盾构参数以及掘进速度，对下穿区段采用二次注浆增强夹土层强度，从而减弱盾构施工过程中对既有隧道的扰动作用，同时微扰动注浆与内张钢圈极大的增强了既有隧道的刚度与整体性，从而抵消了既有隧道结构的前期沉降，减小后期沉降变形。

图19 各阶段既有隧道沉降平均百分比

5 结 论

(1) 三种控制措施经过对比分析，①内张钢圈法+洞内微扰动注浆+二次注浆联合加固方案明显优于其他两种方案，方案一可以有效地控制既有隧道的变形，累计沉降变形值减小了57.9%，同时一定程度上减小地表沉降，累计沉降变形值减小了50.1%。

(2) 依托工程采用了方案一对既有隧道进行加固，通过对依托工程地表与既有隧道进行现场监测，实测结果表明：盾构下穿施工期间，地表与既有隧道沉降变形控制较好，满足规范允许值与工程控制值，验证了加固方案的可行性。

(3) 根据实际监测数据可知，盾构下穿施工在进入影响区之前与通过后引起的既有隧道与地表沉降值较小，沉降主要发生在下穿阶段，采用内张钢圈法+洞内微扰动注浆+二次注浆联合加固方案使地表在主要沉降阶段的平均累计沉降变形占比由69.2%降低到60.1%，既有隧道平均累计沉降变形占比由68.5%减小到45.6%。