復雜地質條件下土壓平衡盾構近距離下穿既有隧道的施工和監測技術

朱紅霞

(武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢　430070)

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復雜地質條件下土壓平衡盾構近距離下穿既有隧道的施工和監測技術

朱紅霞

(武漢地鐵集團有限公司，湖北 武漢430070)

摘要：以武漢地鐵3號線王家墩北站—范湖站盾構區間為背景，研究在未進行加固承壓水粉細砂層中近距離下穿既有隧道施工和量測技術，提出對既有線路隧道進行補充加固體系及相應的參數，同時提出土壓平衡盾構在下穿位于軟弱地層中的既有地鐵線隧道的掘進參數體系和控制難點，采用既有線內沉降監測及隧道結構收斂監測技術對既有隧道進行變形和沉降監測，確保既有隧道的安全。

關鍵詞：盾構隧道；軟弱地層；土壓平衡盾構；近距離下穿；既有隧道；掘進參數；沉降變形；監控量測

0引言

隨著我國社會經濟的快速發展，城市化進程不斷加快，城市地面交通擁堵情況嚴峻，各大中城市紛紛通過修建地鐵來緩解城市人口日益增長帶來的交通壓力。盾構作為地鐵隧道施工的專用機械，具有施工速度快、對周圍地層擾動小等優點，在城市地下隧道建設中被廣泛采用，上海、北京、南京、廣州、深圳、天津和重慶等城市的地鐵及各種地下管道施工都大量使用了盾構法[1-3]。

盾構施工不可避免要擾動周圍的土層進而引起相關的土層變形，勢必會引起周遭一定范圍內建(構)筑物的變形和不均勻沉降，使既有結構承受一定的附加應力，進而產生變形[4-6]。在盾構下穿既有結構工程中，尤其是下穿既有地鐵車站和區間隧道，保證既有線的正常運營是工程施工的出發點和基本保證，因此需對下穿工程的各項施工措施提出嚴格的要求，制定相應的變形沉降控制措施，同時還需加強實時的監測，通過監測反饋，進一步指導相關施工措施[7-8]。

盾構穿越既有地鐵在多個城市的盾構施工中有很多的案例，但在承壓水粉細砂層中近距離(約 2.07 m)下穿施工仍無相關經驗。本文以武漢地鐵3號線王家墩北站—范湖站盾構區間為背景，研究在未進行加固承壓水粉細砂層中近距離下穿既有隧道的施工和量測技術，提出對既有線路隧道進行的補充加固體系及相應的參數，同時提出土壓平衡盾構在下穿既有地鐵線隧道的掘進參數體系和控制難點。

1工程概況

1.1線路概況

武漢地鐵3號線王—范區間里程范圍為右DK16+550.461～右DK17+256.00，右線全長705.539 m，王—范區間隧道埋深約為18 m；本文研究下穿段里程范圍為3號線左線右DK17+210.790～+224.730；3號線右線右DK17+217.760～+231.920。3號線王—范區間左線隧道與2號線范—漢區間左、右線隧道水平角度為114°，右線隧道與2號線范—漢區間左、右線隧道水平角度為115°，范—漢區間隧道結構底為10.1 m，隧道間凈距為2.07～2.5 m。3號線王—范區間與2號線范—漢區間平面關系如圖1所示。

圖1　3號線王—范區間與2號線范—漢區間平面關系圖

Fig.1Plan relationship between Wangjiadun North Station-Fanhu Station section on Line No.3 of Wuhan Metro and Fanhu Station-Hanjiang River Station section on Line No.2 of Wuhan Metro

1.2工程環境和地質條件

1)下穿段工程距離范湖站接收井口里程右DK17+256.000處24.08～45.21 m(線路中線交點距離)，對應地表位置為青年路范湖轉盤。

2)場地內〈3-3〉淤泥質粉質黏土層和〈3-4〉粉質黏土夾粉土層易發生軟土剪切破壞而產生深層滑動，內摩擦角6～15°，抗剪強度低。2號線被下穿段隧道位于該地層軟土中，基本承載力為85～105 kPa，隧道底板為軟基，工程運營過程中車輛震動有可能產生震陷，隧道施工時易發生塑性破壞增加隧道襯砌的難度，區間隧道頂板有較厚軟土可能使地表沉陷值增大。3號線下穿段隧道全斷面位于〈4-1〉粉細砂層中，基本承載力150 kPa，隧道頂部與2號線隧道底間地層約1.5 m〈3-5〉層，0.8 m〈4-1〉層。

3)區間隧道穿越〈3-5〉粉土、粉砂互層和〈4-1〉粉細砂層時，因透水性強，在一定的動水壓力作用下易產生坍塌、管涌等現象，可能導致掘進面的不穩定；且上述土層推進阻力較大，具有承壓性，在掘進過程中易發生承壓水突涌。

4)承壓水主要賦存于本標段全新統粉質黏土、粉土、粉砂互層、砂土及砂卵石層中，含水層厚度一般為20～40 m，含水層滲透性一般隨深度遞增，承壓水側壓水位絕對標高一般為15.0～20.0 m(黃海高程)，與長江、漢江水有密切水力聯系，呈壓力傳導互補關系，勘察測得I級階地承壓水水位標高為18.2～18.5 m。3號線王—范區間與2號線范—漢區間地質斷面如圖2所示。

圖2　3號線王—范區間與2號線范—漢區間地質斷面圖

Fig.2Geological profile of Wangjiadun North Station-Fanhu Station section on Line No.3 of Wuhan Metro and Fanhu Station-Hanjiang River Station section on Line No.2 of Wuhan Metro

1.3工程技術難點

1)新建地鐵與下穿的既有運行線最小凈距2.07 m，盾構掘進對既有運行線影響較大。

2)根據規定，運營線路軌道豎向變形±6 mm，控制指標嚴格，設計要求豎向變形±5 mm，水平位移≤5 mm，軌道沉降差<6 mm，相鄰兩軌高差<6 mm，相鄰兩股鋼軌三角坑<5 mm，管片附加縱、橫徑變形≤5 mm，地表沉降≤15 mm。對盾構掘進控制要求高。

3)盾構掘進位于〈4-1〉承壓水粉細砂層，施工隧道與既有線交點距離出洞洞門最近24 m(隧道中線交點)。

2盾構隧道下穿既有隧道施工準備

2.1施工順序和超前準備

施工順序為既有隧道注漿加固—既有隧道鋼環加固—既有線內監測點及監測系統布置—盾構試驗段掘進(確定掘進參數)—盾構下穿既有隧道及監控測量—下穿完成—補充注漿加固及監控測量—穩定。

除常規的和業主、設計方洽商，技術方案、交底準備外，還應超前準備如下工作：

1)與既有線運營單位協調，對既有線隧道預加固，布設監測系統；

2)下穿影響范圍內預制特殊管片(配筋加強、注漿孔增加)。

2.2盾構施工準備重點

1)盾構選型要求

王—范盾構區間在策劃時，結合公司盾構調配計劃進行了盾構選型工作，主要考慮了以下因素：

①工期緊迫。左、右線穿越位置掘進距離分別為660.329、667.3 m，右線10月4日始發，12月28日前必須完成下穿，即自始發到右線盾尾脫出2號線左線隧道結構外邊線每天需要掘進5.4環。

②刀盤配置復雜。策劃土中進洞，因此刀盤配置應選擇面版式并安裝滾刀以破除地連墻C35水下混凝土；同步注漿系統功能強大，系統故障率低，可持續正常掘進。

綜合考慮工期、地質條件、施工環境及盾構的具體情況，擬定投入海瑞克S346、S439型盾構。

2)主要部件及后配套準備

盾構進入下穿影響范圍前，按照論證后的專項方案進行停機檢查，主要參考因素包括：

①主機工況。推進系統、液壓系統、拼裝機、同步注漿系統、盾尾密封和測量等系統設備正常運行及檢修管理。

②掘進參數復核。土壓傳感器準確性復核；推力、艙壓、扭矩和刀盤轉速等數據的匹配性；類似地層出土量與同步注漿量、注漿壓力與地表沉降的關聯情況；渣土改良添加劑種類及添加量；同步注漿漿液配合比。

③后配套設施。編組列車工況及軌道；龍門吊工況及故障排除；拌合站檢修。

3既有線路隧道加固體系及相應參數

對既有線路隧道進行的補充加固體系及相應參數，主要為軟弱基底上的隧道二次注漿加固和隧道內鋼結構整體加固。

3.1既有線注漿加固

1)主要加固位置。在2號線隧道內對與3號線相交范圍的管片靠近道床的左右兩側共4個吊裝孔進行二次注漿，對〈3-4〉、〈3-5〉軟弱地層進行加固，提高地層密實度、整體性和承載力，減小后期施工對隧道的影響。

2)加固范圍及參數。2號線左線49～70環，右線44～66環，左右線共計45環，每環如圖3所示4個點位。加固參數：雙液漿水玻璃使用模數2.4～2.8，濃度35～40 Be′，使用42.5R硅酸鹽水泥，雙液漿配合比為1∶1.15。

3)加固順序。由下向上，由中間向兩側進行。

4)注漿壓力?？刂圃?.3～0.5 MPa；單孔注漿量1～2 m3。

圖3　隧道內二次注漿加固示意圖(單位：mm)

Fig.3Schematic diagram of secondary grouting reinforcement in tunnel(mm)

3.2既有線管片加固

3號線下穿既有的2號線隧道，2號線隧道會因3號線施工對周圍承載的土體擾動造成局部應力集中而產生管片或結構破損，因此，應增加2號線隧道整體穩定性來抵御盾構施工產生的應力變化，減小管片或結構變形量。主要采取以下措施：

1)螺栓檢查及復緊。

2)防止環與環間錯臺的管片環向加固。2號線左線40環到70環(31環)，右線45環到74環(30環)，左右線共計61環，采用25 mm鋼板制作成內徑為2.7 m，長、寬為0.5 m的弧形鋼板，分成26塊進行拼裝(每塊質量65.84 kg)，安裝在相鄰兩環管片的接縫中間，防止管片不均勻沉降使管片螺栓拉斷，如圖4所示。

3)防止隧道軸線方向拉伸的管片縱向加固。2號線左線41環到78環(38環)，右線36環到74環(39環)，左右線共計77環，利用管片的吊裝孔固定槽鋼將受影響區域管片拉結為整體。根據隧道內管線的安裝情況，可有6個螺栓孔(管片一周16個點位)進行16b槽鋼管片拉結，可使得出現沉降較大位置的管片沉降在相鄰管片的拉結下能均勻沉降，以減少隧道管片出現變形較大及破壞的風險，加固示意圖見圖5。

4下穿既有隧道土壓平衡盾構掘進參數體系

高水頭承壓水粉細砂層中土壓平衡盾構施工掘進參數主要包括土壓力、出土量、同步注漿壓力及注漿量、二次注漿壓力及量的參數控制，以及渣土改良技術。在下穿段推進過程中除考慮常規掘進各環節之外，還應根據電子水平尺監測情況重點控制掘進速度、土艙壓力和同步注漿(二次注漿)等。

4.1下穿段掘進參數

1)盾構推進速度對既有隧道的隆沉變形影響較大，推進速度須綜合考慮土艙壓力等因素，勻速通過。穿越期間不間斷監測盾尾間隙，不斷復核盾構糾偏量，并結合監測數據及時調整施工參數，每10 環測量一次管片姿態，杜絕大幅度糾偏，以減少地層損失和周圍土體的撓動，降低對既有隧道的影響。

圖4　隧道管片環向加固示意圖(單位：mm)

(a) 加固示意圖

(b) 加固效果圖

2)開挖面維持土壓平衡模式，土壓力的波動值控制在±0.02 MPa，嚴格控制出土量。

3)選取合適的同步漿液配合比，采用注漿量和注漿壓力雙控的模式進行漿液的壓注。

根據線路埋深及地質物理性能，對盾構推力、推進速度、刀盤轉速、土壓力、出土量和注漿量等參數進行詳細計算，確定的各項推進參數如表1所示。

4.2掘進過程控制要點

1)嚴控土艙壓力。土艙壓力主要根據電子水平尺監測數據、埋深確定。在本工程下穿過程中，由于電子水平尺每5 min讀取數據一次，精度0.01 mm，且按埋深確定土壓時需考慮上部隧道挖空部分，因此主要參考沉降監測值確定土壓力。土艙壓力波動值以監測沉降值0.5 mm變化量為參考，并在整環推進的過程中及拼裝期間，土艙壓力最大、最小值相差不宜大于0.04 MPa。本工程實踐土壓力范圍 0.18～0.22 MPa。

表1　推進情況參數表

2)合理選用注漿工藝

①同步注漿。管片脫出盾尾后，在土體與管片之間會形成一道寬度為115～140 mm的環型空隙。為了盡快填充環形間隙使管片盡早支撐地層，防止地層變形過大而危及2號線安全需要進行注漿。同步注漿采用盾尾壁后注漿方式。注漿要做到“掘進、注漿同步，不注漿、不掘進”，通過控制同步注漿壓力和注漿量(注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa，每環注漿量8 m3左右)雙重標準來確定每環推進時間。具體注漿參數根據電子水平尺監測情況進行確定。注漿配合比如表2所示，在施工過程中酌情對配合比進行調整。

②二次注漿。在盾構下穿前提前做好隧道二次注漿的準備工作，盾體通過后立即采用水泥-水玻璃雙液漿加固處理，根據地面及隧道的變形監測結果采用多次少量的注漿方式，直至沉降及變形穩定后停止二次注漿；注漿位置以盾尾后方20環以外位置，防止漿液損壞、擊穿盾尾密封或竄入土艙，注漿壓力≤1 MPa。二次注漿配合比如表3所示。

表2　同步注漿配合比

表3　二次注漿配合比

③注漿孔布置。根據設計圖紙，在距3號線下穿2號線的前8環管片至距范湖站端頭10 m的管片，A型管片、B型管片每塊增設4個注漿孔，即每環增設20個注漿孔，一環共計26個注漿孔(左線39環，右線35環)，見圖6。

圖6　增設注漿孔的管片

④孔位選擇。重點注漿環號：3號線左線439～446、449～456；3號線右線439～447、450～456。注漿孔位：管片的14～2點位(共16個點位)。

⑤方式選擇。可根據沉降監測數據大小、盾尾與沉降最大點相對應位置、盾尾與漿液類型等關系選擇同步注漿系統管路連接二次補漿、二次注漿機注雙液漿或單液漿。

5監控量測和數據分析

5.1監控測量手段及控制標準

為了確保能及時掌握隧道變形監測數據，工程采用隧道縱/橫向沉降(電子水平尺)自動監測+隧道收斂(激光)實施監測，見圖7和8。具體監控布設見圖9和10。

本工程依據地鐵設計相關規范[9-13]，以及前期數值模擬預測結果最終確定沉降變形控制指標，如表4所示。

5.2穿越期間沉降數據分析

5.2.1電子水平尺監測結果

本次自動化監測數據表明，盾構穿越對已運營隧道的擾動影響主要表現為隧道的豎向位移，自動監測可以連續記錄位移變化，因此本文以電水平自動監測數據來分析。

圖7　2號線內測距儀安裝示意圖與實際安裝效果圖

Fig.7Installation sketch diagram and site installation effect of distance measuring instrument in tunnel on Line No.2

圖8　隧道沉降(電水平尺)自動監測系統安裝實例

Fig.8Installation examples of automatic monitoring system for tunnel settlement (electric levelling instrument)

圖9　2號線隧道內電水平尺布置示意圖

Fig.9Layout of electric levelling instrument in tunnel on Line No.2

圖10　2號線隧道內收斂點布置示意圖

Fig.10Layout of convergence monitoring points in tunnel on Line No.2

3號線左線：盾構刀盤抵達2號線右線影響區，2號線右線隧道開始下沉，分析認為，盾構推進時，導致穿越區內2號線下方地層損失，而后隨著盾構的持續推進，2號線的沉降量進一步加大，穿越結束后，施工單位開始注漿，隧道開始上抬，經過一段時間后，趨于穩定，具體情況如圖11所示。3號線盾構穿越2號線左線的沉降變化與右線大致相同，3號線盾構刀盤到達2號線左線時，由于地層損失的影響而開始明顯下沉。3號線右線：下穿期間與左線對2號線影響趨勢相同。穿越后期由于采取注漿措施，隧道的沉降得以控制，如圖12所示。

表4　監測允許值和預警值

從圖12監測的數據來看：測點自盾構進入保護區到盾構順利穿過既有的2號線，縱向沉降累計最大達到5.20 mm(2號線左線測點ZC31)。

5.2.2變化最大點縱向變化規律

在地鐵3號線盾構穿越2號線的整個時段，在單一測點上的沉降變化可以反映隧道隨盾構推進的縱向變化規律，見圖13。在盾構到達進入影響區之時，由于盾構開挖掘進引起2號線下方土層的損失，導致2號線隧道下沉，而后隨著盾構持續推進，2號線隧道進一步下沉，當盾構離開2號線隧道投影區后，沉降量達到最大，施工單位采取了注漿措施，各測點開始上抬，經過一段時間后，趨于穩定。

(a) 左線橫向電水平監測

(b) 右線橫向電水平監測

Fig.11Curves of horizontal settlements of left line tunnel tube and right line tunnel tube on Line No.2 measured by electric levelling instrument

(a) 右線沉降

(b) 左線沉降

圖123號線下穿過程中2號線左右線橫向電水平監測沉降曲線圖

Fig.12Curves of horizontal settlements of left line tunnel tube and right line tunnel tube on Line No.2 measured by electric levelling instrument when Line No.3 underneath crossing

圖133號線穿越2號線左、右線電水平變化最大點監測沉降曲線圖

Fig.13Curves of horizontal settlements of seriously varied point left line tunnel tube and right line tunnel tube on Line No.2 measured by electric levelling instrument

5.2.3收斂自動化監測變化規律

在地鐵3號線盾構穿越2號線的過程中，隨著盾構的持續推進，2號線左、右線隧道由于下方土體的損失，導致隧道下沉，后期因注漿加固土體穩定后收斂值趨于穩定，表明注漿加固的必要性，具體情況如圖14所示。

圖14　2號線收斂激光自動監測曲線圖

Fig.14Automatic monitoring carves of diameter laser convergence for Line No.2

5.3穿越完成隧道穩定后數據分析

王—范區間左線隧道完成下穿以后，經電子水平尺監測2號線隧道沉降最大為2.74 mm。王—范區間右線隧道完成下穿以后，經電子水平尺監測2號線隧道沉降最大為3.2 mm，具體情況如圖15所示。

圖15　3號線下穿完成后2號線整體沉降變化曲線圖

Fig.15Curves of overall settlements of Line No.2 after shield underneath crossing

5.4施工工況與監測結果相對關系

由上述數據分析可知，盾構隧道在穿越既有線時，選擇合理的掘進參數、保證充足的注漿量至關重要。掘進過程中，監測信息及時反饋，從而進一步調整合理的掘進參數，確保盾構掘進時既有線的安全。

6結論與體會

通過研究武漢地鐵3號線穿越既有2號線工程，分析穿越過程中的施工技術和監測結果，得到了以下體會：

1)本工程在軟弱地層中下穿相距2.07 m既有隧道，使得盾構掘進對既有運行線影響較大，為了確保既有隧道的安全，提出對既有線路隧道進行補充加固體系及相應的參數；對于盾構隧道的掘進，提出了土壓平衡盾構在承壓水粉細砂層中下穿既有地鐵線隧道的掘進參數體系，同時要求根據監測情況重點控制掘進速度、土艙壓力和實行同步注漿等。

2)采用既有線內沉降監測及隧道結構收斂監測技術對既有隧道縱向沉降變形的影響過程和特點進行了分析，得出：3號線左線盾構下穿影響2號線左線沉降2.7 mm，3號線右線盾構進洞影響2號線右線沉降3.2 mm。

3)根據既有隧道較小的沉降監測結果可知，本工程采取的對既有隧道的加固措施和土壓平衡盾構掘進參數體系可以有效地控制既有隧道的沉降和變形，確保既有隧道的安全，可以為類似地質條件的下穿既有隧道施工和監測提供借鑒。

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Construction and Monitoring Technologies for Earth Pressure Balance Shield Closely Crossing underneath Existing Tunnel in Complex Geological Conditions

ZHU Hongxia

(Wuhan Metro,Wuhan 430070,Hubei,China)

Abstract:The construction and monitoring technologies for earth pressure balance (EPB) shield closely crossing underneath existing tunnel in unconsolidated confined water silty sandy soil strata are studied by taking shield section of Wangjiadun North Station-Fanhu Station section on Line No.3 of Wuhan Metro for example.The supplemental consolidation system and related parameters are presented;meanwhile,shield boring parameters and control points of EPB shield crossing underneath existing Metro tunnel in soft and weak strata are presented as well.The monitoring technologies for existing Metro tunnel are carried out so as to guarantee the tunnel safety.

Keywords:shield tunnel;soft and weak strata;earth pressure balance (EPB) shield;closely underneath crossing;existing tunnel;boring parameter;settlement and deformation;monitoring

收稿日期：2016-02-19;修回日期:2016-05-19

作者簡介：朱紅霞(1970—)，男，湖北武漢人，1995年畢業于湖南大學交通土建專業，本科，高級工程師，現從事軌道交通土建工作。E-mail：1301572016@qq.com。

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.06.015

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)06-0748-08