淤泥地層中盾構上穿近接地鐵線施工穩定性研究

駱瑞萍,陳保國,閆騰飛,王程鵬

(1.湖北省建筑科學研究設計院股份有限公司,武漢 430071； 2.中國地質大學(武漢)工程學院,武漢 430074)

引言

城市地鐵盾構穿越近接構筑物形式多樣，如下穿、上穿、側穿，無論哪種形式穿越近接構筑物，都會產生相互影響[1-3]，涉及到盾構施工穩定性控制[4，5]。為此，國內外學者對盾構穿越近接構筑物進行了研究，G.Lee等[6]利用數值方法，探討了盾構法施工對地表及橋梁樁基的影響規律。張治國等[7]以上海軌道交通工程為背景，采用三維有限元數值模擬方法、簡化理論方法以及現場監測方法，對軟土城區土壓平衡盾構機上下交疊穿越近接地鐵隧道的變形規律進行了研究，并提出上下交疊穿越近接地鐵隧道的盾構施工參數設定規律以及安全控制技術措施。姜華龍等[8]以工程實例為背景，通過現場監測與數據分析，得到了復雜環境下盾構近距離穿越車站的關鍵技術措施。祝和意等[9]就盾構施工地表沉降原因、地層變形特征及變形機理、地層變形預測進行研究，分析了盾構施工引起位移的原因與機理，并提出控制地層變形保護建筑物的相關措施。張孟喜等[10]采用數值模擬結合現場監測方法，解決了全風化巖層中盾構上穿問題注漿壓力合理取值與既有隧道變形控制兩大難題。戴志仁[11]結合現場施工經驗，總結出富水砂卵石地層盾構隧道微擾動施工關鍵技術。文獻[12-13]分別就不同地層下穿地鐵隧道采用MJS工法進行預加固保護，結果表明可有效保護既有線路的安全運營。楊俊龍等[14]采用數值模擬結合實測，分析了下穿鐵路橋涵盾構參數的變化規律、控制方法和橋涵變形效果。文獻[15-17]研究了黃土地區盾構穿越建(構)筑物工況下的變形控制技術，分析了影響因素變化規律。李凱梁[18]采用數值模擬分析了隧道穿越施工對既有線路的影響及施工過程中的地表變形。高繼錦[19]采用室內模型試驗及三維數值分析，研究了地面堆載下的隧道交叉節點處交叉隧道的受力變形特性。

從目前研究來看，淤泥層中盾構上穿高速地鐵線路的研究尚不成熟[20]，施工中存在很多難題；根據已有勘察成果資料、原位測試、室內土工試驗結果，深圳地鐵5號線穿越含有大量觸變性大、強度低的不穩定深厚淤泥層，當采用盾構法穿越淤泥地層時，易造成地面沉降，難以保證地面周邊構筑物的安全，同時也造成施工成本增加。因此，結合實際工程對淤泥層中盾構上穿近接地鐵施工穩定性展開研究具有重要的意義。驗證旋噴樁聯合袖閥管注漿加固技術的有效性，分析得出淤泥層中盾構上穿近接地鐵時盾構掘進參數的建議值，為此類工程施工提供一定的應用經驗和參考價值。

1 工程問題分析

深圳地鐵5號線位于前海填海造陸區域，是典型的填海區淤泥交互地層，主要地層為第四系全新統人工堆填層、海相沉積層、上更新統沖洪積層、殘積層，下伏基巖為加里東期混合花崗巖。沿線場地現狀主要為填海空地、道路、在建工地等。地下水主要是受大氣降水滲入補給，并在一定條件下接受海水、河(溝)水的側向補給，并與二者具較密切水力關系。第四系孔隙水局部水量較豐富，水質易被污染。區間線路主要從海陸交互相沉積層中穿越，該層含有大量觸變性大、含水量高、強度低的淤泥，面臨很大的施工風險。

深圳地鐵11號線運行最高時速達到120 km，屬于國內目前已經運營的最高時速地鐵線。地鐵5號線盾構施工小間距上穿11號地鐵線給其運營帶來安全隱患。5號線盾構隧道以8°～10°角度斜上穿11號線隧道，在4個上跨段隧道中心線相交位置附近為盾構施工對11號線影響最不利位置(圖1)。因上穿段地質條件復雜，且5號線上穿前11號線已投入營運，地鐵5號線與11號線最小間距2.05 m，11號線本身存在微裂縫，工程安全風險、施工安全風險均極大，若處置不當，將帶來非常嚴重的后果。

圖1 盾構上穿地鐵11號線主要影響區

傳統的組合鋼架臨時內支撐措施加固11號線，不能對線路起到長期保護作用，且鋼架拆除難度大；盾構上穿已運營地鐵11號線間距小，盾構推進控制不當可能造成地鐵11號線隧道管片上浮或下沉，從而偏離設計軸線；如果同步注漿跟不上或二次注漿不及時，可能造成地鐵11號線管片上浮，管片錯臺；盾構施工經過高速地鐵11號線時，可能由于同步注漿壓力及注漿量控制不當造成地鐵11號線局部位置被擊穿或加速地鐵11號線管片滲漏水、管片開裂或錯臺。

2 技術處理措施

結合現場地質條件、周邊環境，提出了旋噴樁聯合袖閥管注漿加固技術，解決上穿11號線軟弱土層局部加固的難題，從根本上改善地基承載力和變形特征，有利于穩定盾構姿態及既有線路結構安全，減少地面沉降、降低對既有近接地鐵線的影響。

旋噴樁主要針對盾構穿越層土體進行加固，漿液通過高壓旋噴與土體膠結，以提高穿越層的土體強度，控制地表沉降。袖閥管局部注漿主要針對上穿既有近接地鐵隧道周圍1 m范圍內加固，把具有膠凝和充填性能的混合漿液材料通過注漿器具在高壓作用下壓入需要加固的局部軟弱地層中，充填既有運營線路周圍1 m范圍內土層的空隙，從而減小局部軟弱土層的滲透系數及隧道開挖時的滲水量，提高地基強度和自穩能力，減少盾構施工對既有近接地鐵線的擾動，加固區域如圖2所示。

圖2 旋噴樁聯合袖閥管加固剖面(單位：m)

上穿區既有隧道周圍1 m范圍之外旋噴樁注漿加固，通過室內土工實驗和現場注漿實驗確定加固參數如下：

(1)旋噴樁采用φ600 mm@450 mm的雙管旋噴樁；

(2)水灰比為1∶1～1∶1.5，采用42.5級普通硅酸鹽水泥；

(3)旋噴樁要求28 d無側限抗壓強度qu≥1.0 MPa、滲透系數小于10-6cm/s；

(4)水泥用量≮200 kg/m，漿液噴射壓力25～30 MPa，氣流壓力≮0.7 MPa，提升速度≯10～25 cm/min，透水層需復噴，復噴提升速度為100cm/min。

上穿區既有隧道周圍1 m范圍之內采用PVC管材的袖閥管注漿加固，通過室內土工實驗和現場注漿實驗確定加固參數如下：

(1)袖閥管間距1.5 m×1.5 m，梅花形布置；

(2)注漿液采用42.5級普通硅酸鹽水泥，注漿時按先灌入稀漿后灌入濃漿的原則逐漸調整水灰比；

(3)開環壓力為0.3 MPa，具體數值可根據現場實際情況進行適當調整；正常注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa，注漿過程中通過注漿泵出漿口處儀表讀數控制注漿壓力；

(4)注漿次序：每次都必須跳開一個孔進行注漿，以防止發生竄漿現象；

(5)間歇循環小壓力注漿：全孔段注漿完成后，間歇一段時間再進行第二次注漿，間歇時間控制在10～30 min。循環注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa；

(6)注漿次數：每根樁注漿需2～3次，可據實際施工情況進行調整。

3 自動化監測與結果分析

3.1 監測內容和測點布置

在地鐵5號線右線盾構上穿11號線過程中，對施工過程中的盾構掘進參數(土倉壓力、注漿壓力、推進速度、同步注漿量、出渣量、盾構推力)及地表位移進行了監測。通過自動化監測確保并驗證了該聯合注漿加固技術效果， 并給出了淤泥層中盾構上穿近接高速地鐵時盾構掘進參數的建議值。

將5號線右線盾構上穿11號線分為預警區、上穿段(11號右線)、調整段、上穿段(11號左線)、警戒消除段5個階段，如圖3所示。其中，預警區為第34～74環、上跨段(11號右線)為第75～106環、調整段為第107～121環、上穿段(11號左線)為第122～146環、警戒消除段為第147～186環，并在上穿區域設置4個橫斷面分別對5號線右線盾構過程地表豎向位移進行了監測，每個斷面設置了5個測點，如圖4所示。同時引入了三維激光掃描對11號線近接地鐵線的收斂位移情況進行了自動化掃描。右線最大寬度變化平均值為9 mm。結合收斂位移調整上穿隧道的盾構掘進參數，來保證既有地鐵11號線結構安全。

圖3 上穿地鐵11號線分區(單位：m)

3.2 監測結果分析

3.2.1 地表豎向位移數據分析

如圖5所示，為盾構分別掘進至第126環、第130環、第133環、第138環、第142環、第146環時，上

圖4 地表豎向位移監測點平面布置示意

穿區4個監測斷面地表豎向位移變化曲線。斷面1為上穿預警段地表豎向位移，在盾構掘進過程中地表最大隆起為3 mm，如圖5(a)所示。斷面2為上穿段豎向位移，隨著盾構掘進，地表最大隆起量在2～3 mm，在5號測點出現了沉降，但變化量僅1 mm，如圖5(b)所示。斷面3為調整段地表豎向位移，在盾構掘進過程中地表最大隆起量達到6 mm，但變化速率不大，較穩定，如圖5(c)所示。斷面4為警戒消除段地表豎向位移，地表主要出現隆起，且不超過3 mm，同樣變化速率較小，如圖5(d)所示。

圖5 盾構掘進過程中地表豎向位移變化規律

從圖5可以看出，地層經加固處理后盾構隧道上穿11號線過程中隨著盾構掘進深度的增加，上部地表隆沉基本維持在3 mm范圍內浮動，只有極少情況下地表隆起5 mm左右。根據DG/TJ 08—2041—2008《地鐵隧道工程盾構施工技術規范》[21]可知，盾構施工過程中地表最大隆起和沉降量均在控制范圍內，實測數據表明盾構上穿過程中進行旋噴樁聯合袖閥管注漿加固對上部地表沉降控制作用非常明顯，降低了盾構掘進對地表的擾動程度，增強了土體的穩定性。

3.2.2 盾構掘進參數分析

如圖6～圖11所示，為右線盾構上穿11號線預警區、上穿段、調整段、上穿段、警戒消除段5個階段盾構掘進參數的變化曲線，從圖6～圖11可以看出，推進速度、土倉壓力、注漿壓力、注漿量、出渣量、推力在整個上穿11號線過程的變化范圍。

圖6 5號線右線上穿11號線盾構推進速度變化曲線

圖7 5號線右線上穿11號線盾構土倉壓力變化曲線

圖8 5號線右線上穿11號線盾構同步注漿壓力變化曲線

圖9 5號線右線上穿11號線盾構同步注漿量變化曲線

圖10 5號線右線上穿11號線盾構出渣量變化曲線

圖11 5號線右線上穿11號線盾構推力變化曲線

預警段地層與上穿段地層基本一致，結合地面監測情況及上穿11號線盾構參數監測值，對參數進行調整，最后得出盾構上穿地鐵11號線主要施工參數，見表1。

表1 盾構掘進參數

4 數值分析

采用數值分析軟件對淤泥中盾構上穿近接高速地鐵11號線進行三維仿真模擬，對比分析旋噴樁聯合袖閥管注漿加固效果。

模型幾何尺寸長、寬、高分別為264，120 m和60 m(圖12)。土層采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構模型，盾殼和管片采用彈性模型、shell單元模擬。底面固定，側面約束水平位移，模型上表面為地表，取為自由邊界。主要物理、力學參數見表2。

圖12 數值分析模型

表2 材料物理力學參數

上穿段5號線埋深7～9 m，穿越淤泥地層；既有的11號線盾構隧道，位于粉質黏土、全風化片麻花崗巖地層。

如圖13、圖14所示，地鐵5號線右線盾構上穿近接地鐵11號線5個區間，地層在未加固條件下盾構穿越至警戒消除段時，監測斷面處地表最大沉降值為28.8 mm。地層經旋噴樁聯合袖閥管加固后，盾構掘進對地表豎向位移的影響明顯減弱，最大隆起量和沉降值均在3 mm左右。

圖13 地表橫斷面豎向位移(未加固)

圖14 地表橫斷面豎向位移(加固后)

圖15 11號線豎向位移(未加固)

如圖15、圖16所示，地鐵5號線施工主要造成11號線隧道上浮，隧道最大上浮位置都發生在地鐵5號線左右線隧道交疊處。地層未加固施工完成時，隧道最大上浮量為12.5 mm；地層經加固后，盾構施工引起地鐵11號線隧道上浮量減少至5.6 mm。可知，旋噴樁聯合袖閥管注漿加固技術能有效提高地層強度，改善盾構施工環境。

圖16 11號線豎向位移(加固后)

5 結論

(1)綜合現場地質條件、周邊環境，提出旋噴樁聯合袖閥管注漿加固技術，對既有地鐵線隧道1 m范圍以外采用旋噴樁加固，既有地鐵線隧道周圍1 m范圍內采用袖閥管注漿，提高了土體的強度，降低了土體的滲透性，對線路起到了長期保護作用。

(2)根據地表豎向位移實測數據可知，盾構隧道上穿11號線過程中隨著盾構不斷掘進，上部地表隆沉基本維持在3 mm范圍內浮動，滿足《地鐵隧道工程盾構施工技術規范》要求，驗證了旋噴樁聯合袖閥管注漿加固技術有效性。

(3)提出淤泥層中盾構上穿近接地鐵時盾構掘進參數的建議值，在旋噴樁聯合袖閥管注漿加固技術條件下，土倉壓力、注漿壓力、推進速度、同步注漿量建議值分別為0.14～0.20 MPa、0.15～0.2 MPa、25～35 mm/min、6.5～7.0 m3/環。