上軟下硬地層區段新建地鐵線路盾構法下穿既有地鐵運營線路關鍵施工技術

章邦超

(中鐵華南建設有限公司，511458，廣州 ∥ 高級工程師)

隨著地鐵建設規模的不斷擴大，新建線路下穿既有運營線路的情況將會越來越多。珠三角區域的地層特點為上軟下硬，施工難度高和安全風險大，因此對該區域盾構法下穿既有運營線路施工關鍵技術研究十分重要。

目前國內有關盾構法下穿既有運營線路的研究主要集中在對具體工程實踐案例的總結。文獻[1]介紹了長沙地鐵3號線盾構法施工下穿武廣高鐵瀏陽河隧道工程中的安全控制標準；文獻[2]針對深圳地鐵9號線下穿既有4號線工程，通過數值模擬分析并結合地表和既有線路的監測數據的擬合分析，指出盾構刀盤到達下穿斷面至盾尾脫出既有線路期間，既有線路和地表沉降速率和沉降量最大；文獻[3]利用ABAQUS有限元軟件建立了軌道-路基-下穿隧道有限元模型，分析了盾構法施工對既有線路軌道結構的影響。此外，文獻[4-5]和文獻[6]分別總結了廣州地鐵1號線和上海地鐵4號線盾構法近距離下穿既有線路工程的經驗。

國外也有一些在建工程下穿既有線路的工程案例，例如：文獻[7]中，日本京都地鐵兩條運營線路Keishin線和Tozai線的車站前方，兩條新建地鐵線路與既有線路交匯，對工程監測數據進行了詳細分析，指出了盾構隧道近距離施工時既有線地表沉降、隧道結構變形位移等的變化規律；文獻[8]研究了倫敦地鐵Jubilee延長線下穿5號地鐵線路施工過程中鄰近多條隧道的實測數據，指出既有運營線路的埋深對新建隧道與既有線路隧道結構的相互作用影響較大，且20%～50%的沉降是在開挖面到達既有隧道正下方過程中完成的。

上述文獻鮮有研究如珠三角地區這種上軟下硬地層的工程案列。因此，目前缺乏針對該類地層的盾構法施工下穿既有運營線路工程的系統成熟的安全控制標準和施工方法，為此需要結合該類地層的實際工程進行理論和施工方法的研究。

1 工程概況

1.1 區間概況

廣州地鐵22號線番祈中間風井—番祈2#盾構井區間位于番禺區市橋東環路，區間長2.51 km，采用φ8.8 m土壓平衡盾構機施工，管片采用6+1形式，管片外徑8.5 m、環寬1.6 m。該盾構區間在光明北路與東環路十字路口下穿既有運營地鐵3號線(隧道處于5Z-2和6Z地層中，為盾構法隧道，管片外徑6.0 m、環寬1.5 m)漢溪長隆站—市橋站區間。下穿段對應3號線區間左線里程ZDK24+009.94～ZDK24+034.77，右線里程YDK24+004.099～YDK24+028.92；下穿段對應22號線左線里程ZDK38+542.909～ZDK38+523.709 (297環—309環)，右線里程YDK38+564.327～YDK38+545.127 (291環—303環)，盾構下穿長度19.2～20.8 m，先下穿3號線右線，再下穿3號線左線。

1.2 地質情況

穿越段地層自地表至盾構區間底部的地層依次為<1-2>素填土、<4N-2>粉質黏土、<3-2>中粗砂、<5Z-2>砂質黏性土、<6Z>全風化花崗巖、<7Z>強風化花崗巖、<8Z>中風化花崗巖、<9Z>微風化花崗巖。

3號線地層主要位于<5Z-2>砂質黏性土、<6Z>全風化花崗巖。圍巖不均一，自穩性差；<6Z>全風化花崗巖遇水會軟化崩解。

22號線隧道盾構施工主要穿越<7Z>強風化花崗巖、<8Z>中風化花崗巖。7Z地層風化含砂量較高，含砂量達90%，含泥量10%，手擰易碎，自穩性差；8Z地層飽和抗壓強度最小65.1 MPa、最大138.1 MPa。隧道下部較硬，RQD(巖石質量指標)值為6%～12%，裂隙比較發育，屬于廣州地區典型的“上軟下硬”地層。

1.3 周邊環境與管線情況

施工周邊環境復雜，地表為交通繁忙的光明北路與東環路，交通流量大。根據區間管線調查報告及現場實地摸排，影響區域內管線主要為燃氣管、自來水主管、高壓電力管、雨水管、通信管等。管線錯綜復雜，且多為主干管線，涉及產權管理單位多，對地表及管線保護要求較高，因此，施工前，需要做好管線坑探和現場標志，并制定加固保護方案；施工過程中，需安排專人檢查，加強監控量測等措施，把對周邊環境的影響降到最低。

1.4 三維位置關系

22號線隧頂距既有3號線隧底凈距約5.5 m，22號線隧頂埋深26.5 m，3號線隧頂埋深15.1 m。采用可視化建筑信息模型(BIM)技術建立3號線、22號線區間模型及三維地質模型(見圖1)，通過合模及斷面剖切分析，能夠可視化查看任意位置隧道拱頂地層信息，能夠輔助分析穿越過程中的風險。

圖1 廣州地鐵22號線盾構區間下穿既有3號線三維模型圖

2 既有線運營控制參數要求

3號線為正在運營的隧道，所處地層易受擾動變形。3號線運營參數控制要求：確保列車的正常運行，即保證既有線的軌道平順度，軌向偏差和高低差需滿足規范要求；保證將3號線隧道結構安全、沉降、變形、收斂、裂縫等控制在允許范圍內，預警值為上述各參數最大值的80%。

根據廣東省《城市軌道交通既有線結構技術保護規范》，既有線控制標準如表1所示。

表1 廣東省城市軌道交通既有線結構安全控制值

3 工程難點分析

該工程屬于廣州地區φ8.8 m土壓盾構首次在上軟地層中下穿既有運營地鐵隧道。由于下穿段為典型的上軟下硬地層，掘進過程中容易出現諸如刀具異常損壞、刀盤扭矩大、螺旋機噴涌、糊刀盤等現象。該工程的主要難點如下：

1) 盾構法在上軟下硬地層中主要采用氣壓輔助模式掘進，氣壓穩定是關鍵，若出現漏氣現象則會造成盾構機失壓，引起地層塌方。因此如何控制勘察孔、監測孔、地層漏氣、3號線洞內管片接縫漏氣是難點。

2) 盾構近距離(最小垂直距離5.5 m)在上軟下硬地層推進時，刀盤振動明顯，推進速度慢，刀盤轉動對上部的軟弱地層擾動大，再加以列車通過時振動影響，容易出現隧道上部土體超挖。因此如何保證市政道路路面、重要管線，以及既有3號線隧道沉降、變形、位移等各項指標控制在允許值范圍內是難點；如何控制同步注漿、二次注漿、洞內超前注漿、水平定向鉆注漿引起的既有運營隧道、管線隆起也是難點。

3) 盾構法在上軟下硬地層掘進，如何控制渣土改良不當、刀具異常損壞、糊刀盤、卡螺旋機、螺旋機噴涌等現象發生是難點。

4) 盾構下穿過程中，3號線仍處于運營狀態，無法進行人工監測，只能依靠自動化監測設備。隧道內潮濕、多塵、振動等因素會造成自動化監測設備失靈，因此如何保證自動化監測設備處于有效工作狀態是難點。

4 盾構下穿過程中采用的關鍵技術

4.1 地面水平定向鉆孔注漿加固技術

采用地面水平定向鉆孔，設計鉆孔13孔，鉆孔水平間距2 m，水平段(3號線下方)垂深應為25.0 m(第一順位7孔)和24.5 m(第二順位6孔，備用孔)，區間左線水平定向鉆加固平、縱斷面示意圖如圖2～3所示。區間左線加固平面范圍為3號線邊線外擴5.0 m(設計加固長度28.0 m)，22號線邊線外擴2 m(設計加固寬度12.5 m)，水平段鉆孔高程在22號線隧道上方1.5 m，主要加固地層是全、強風化混合花崗巖。

圖2 廣州地鐵22號線盾構法下穿既有3號線左線區間水平定向鉆加固平面示意圖

4.2 盾構機超前注漿孔注漿加固技術

區間左線從274環開始進行第一次超前注漿，每掘進6環(9.6 m)后進行下一次注漿，注漿桿總長按20 m設計，其中有效注漿范圍為刀盤前方11.5 m，相鄰兩次注漿范圍搭接長度約1.9 m，加固最高高度為隧道上方1.94 m。注漿環號分別是：第1次注漿為274環，第2次注漿為280環，第3次注漿為286，第4次注漿為292環，注漿出口為304環管片位置。注漿出口位置為7Z與8Z地層交接面。圖4為左線下穿3號線超前注漿示意圖。右線下穿參考左線施工方案進行，可根據施工經驗適當調整方案。

圖3 廣州地鐵22號線盾構法下穿既有3號線左線區間水平定向鉆加固縱斷面示意圖

圖4 廣州地鐵22號線盾構法下穿既有3號線左線區間超前注漿示意圖

4.3 洞內深孔跟蹤補償注漿

洞內深孔跟蹤補償注漿方案為盾構跟進式注漿，當管片脫開盾尾且具備注漿條件時應盡快開啟該方案。深孔跟蹤補償注漿為對隧道拱部150°(時鐘10：00—2：00位置)、拱頂以上4 m、拱肩進入中風化地層1 m的區域進行注漿。深孔跟蹤補償注漿設計方案為：φ42 mm袖閥鋼管，普通硅酸鹽42.5級水泥，注漿壓力按0.1～0.5 MPa控制，先外后內，少量多次。盾構掘進注漿期間應結合既有線自動化監測密切監測結構變形和道床沉降情況，與3號線洞內自動化監測設備聯動。注漿時控制壓力，防止3號線出現隧道隆起、變形、漏漿等情況發生。盾構通過后，根據監測信息反饋、累計沉降及不均勻沉降情況，經分析確認得到有效控制的情況下可以結束注漿。圖5為洞內深孔跟蹤補償注漿示意圖。

圖5 洞內深孔跟蹤補償注漿示意圖

4.4 既有3號線洞內道床注漿加固

在3號線道床與水溝進行環氧樹脂注漿：處理范圍為3號線右線對應區間下穿段及前后30 m，總長共80 m。道床與盾構仰拱面的注漿加固輔助處理如圖6所示。

圖6 既有3號線道床注漿加固輔助處理

1) 在道床兩側水溝邊布2排注漿孔，平均間距42 cm，孔徑φ10 mm，孔深至道床管片仰拱面。采用EAA(乙烯丙烯酸)環氧漿封閉，注漿壓力0.3～0.4 MPa。

2) 在道床面布3排注漿孔，按梅花形布孔，間距1.2 m ，孔深至仰拱管片面。

3) 對34條道床裂縫進行注漿處理。目前已完成對3號線右線道床及水溝的治理，共使用EAA環氧漿154 kg。

4.5 掘進參數設置

由于下穿段地質為上軟下硬地層(上部7Z,下部8Z)和全斷面硬巖地層，至全斷面中風化混合花崗巖<8Z>漸變，如在掘進時采用純土壓模式，則難以掘進，將出現結泥餅、刀盤扭矩大、速度慢、刀具異常損壞等情況。同時，為了避免在下穿風險源時出現地層突變塌方，經綜合考慮，采用土壓+氣壓輔助模式，將土倉渣位控制在1/2～3/2倉高度。該方案在改善掘進參數的同時能盡快建立實土壓力，防止掌子面出現較大的塌方。

主要掘進參數：試驗段和下穿段地層埋深在26.5 m，穩定地下水位埋深3.4～4.1 mm；土倉上部(1#傳感器)壓力設定在0.26～0.28 MPa，土倉下部(6#傳感器)壓力穩定在0.30～0.32 MPa，壓差約0.4 MPa；刀盤轉速1.3～1.5 r/min，掘進速度10～25 mm/min，扭矩5 000～8 000 kN·m，推力30 000～40 000 kN；每環出渣量控制在6斗(混合方量150 m3)以內；注漿量不低于12 m3/環，二次注漿(雙液漿)和深孔注漿及時跟進。

4.6 施工監測

1) 變形監測點布設：對于每個斷面，在軌道附近的道床上布設2個沉降監測點，在中腰位置布設2個水平位移監測點，在隧道拱頂布設2個拱頂沉降監測點，即在每個監測斷面布設6個監測點。

2) 施工監測：地表施工監測頻率如圖7所示。其中，距離穿越范圍中點30～50 m范圍內的監測頻率為1次/d；隨著開挖面逐步靠近，距離穿越范圍中點2倍洞徑至3倍洞徑(約30 m)時，將提高監測頻率至2次/d；在該穿越范圍中點前后2倍洞徑處，將監測頻率加密至1次/2 h；在盾尾脫出距離穿越范圍中點2倍洞徑后，將監測頻率逐步降低至4次/d、2次/d及1次/d。

圖7 地表施工監測頻率圖

3) 洞內自動化監測：3號線洞內自動化監測頻率如圖8所示。與地表施工監測頻率相比，主要時提高了盾構通過該穿越范圍時的監測頻率，每隔1 h監測1次軌面沉降、管片水平位移、拱頂沉降。

圖8 洞內施工監測頻率圖

4) 監測斷面的布置：根據隧道下穿對3號線的影響強弱情況布設監測斷面，位于下穿位置1倍洞徑范圍內約45 m強烈影響區域，每5 m布設1個，共布設7個監測斷面；1倍洞徑范圍外至3倍洞徑范圍內約30 m的影響區域，每10 m一個，共布設6個監測斷面；單線共計布設13個監測斷面。

5 3號線沉降、上抬情況分析

通過上述輔助工法處理后，對左線盾構下穿3號線前后的沉降數據進行整理分析。盾構下穿前，3號線隧道對應盾構刀盤位置前方1～2 m處(自動化監測點)呈整體抬升趨勢,上抬量為0.8～2.2 mm；3號隧道待脫出盾尾后2～5 m處(自動化監測點)呈整體下沉趨勢，下沉量為0.3 mm～4.5 mm；盾構成功下穿地鐵3號線后，3號線右線道床主要影響區變化值(正值為上抬、負值為下沉)為-0.5～-6.3 mm，平均變化值為-3.3 mm，豎向位移監測點YDM07-2處的累計變化值最大，為+12.83 mm；3號線左線道床主要影響區變化值為-3.4～+1.9 mm，平均變化值為+0.1 mm，豎向位移監測點ZDM07-4處的為累計變化值最大，為+14.22 mm。

從監測結果數據分析：豎向位移最大值均在7號自動化監測斷面，7號自動化監測斷面位于22號線盾構隧道左、右線之間，施工擾動疊加效應最大符合沉降規律；豎向位移沉降值以7號自動化監測斷面為中心向兩邊遞減，其中1、13自動化監測斷面影響最小；盾構隧道掘進的擾動范圍及二次擾動監測數據與3號線隧道X、Y軸水平位移、收斂、軌道橫向高差等成正比例關系，但其中不乏無規律數據值；經過加固后的上軟下硬地層的沉降規律與硬巖段地層的基本相符。

6 結語

上述盾構輔助措施的實施，保證了盾構下穿施工過程連續順利，確保了3號線隧道的結構和運營安全。作為廣州市φ8.8 m土壓平衡盾構首次在上軟地層中下穿既有運營地鐵隧道工程，為今后類似工程提供了寶貴的經驗。在確保盾構機及相關設備經過仔細檢修的前提下，控制好盾構機掘進模式、掘進姿態、推力、刀盤扭矩、螺旋機扭矩、出土控制、注漿量、注漿壓力等參數，采用水平定向鉆注漿、洞內超前注漿、洞內深孔跟蹤注漿、既有3號線洞內道床注漿等加固方法，合理布置監測點、選擇監測頻率并進行動態化監測，這些都是確保在上軟下硬地層中近距離下穿運營線路的關鍵。