多隧道平行疊交施工同步注漿相互影響及風險預控

施耀鋒

（上海隧道工程有限公司，上海市 200232）

0 引言

隨著城市化進程加快，大型城市地下交通線路密集化、網絡化、空間立體化現象凸顯，地下隧道空間相互穿越、疊交建設工程日益增多，軟土地層中隧道群施工風險控制和周邊環境保全技術難度不斷增大。近年來，人們結合工程建設需要，通過施工方案類比分析、原位監測、數值模擬等方法開展了許多有價值的研究。研究的焦點主要集中于：（1）隧道疊交和斜交穿越施工設計方案及局部注漿、加固、卸壓等施工技術[1-3]；（2）復雜疊交隧道空間位置的幾何設計，開挖順序及其影響，局部注漿加固技術和方法[4]；（3）基于實測數據反饋結合數值模擬優化施工參數，根據地表位移和隧道變形，模擬優化盾構推進速度和注漿壓力等參數[5-6]；（4）注漿滲透擴散特性、作用效果及其對滲透性地層的適應性[7-10]。這些研究成果為復雜隧道設計和施工提供了技術支持，但對于軟土地層多隧道近距離疊交施工卸載條件下，土體及結構多次反復擾動、盾構切削面注漿和同步注漿重復擾動等復雜力學過程，及其可能引發的安全風險等關鍵技術問題，尚缺乏系統的理論研究，使得多隧道近鄰施工技術參數的選用、指標的確定停留在以往經驗和工程類比階段，盾構施工同步注漿對周邊地下建構筑物影響、隧道間相互擾動影響及漿液地面滲漏環境影響等風險預控方法還停留在定量分析、定性使用的階段。同時，軟土盾構隧道的覆土厚度一般為1.5~2.0倍隧道直徑（以地鐵隧道為例，直徑為6 m，覆土厚度為9~12 m），同步注漿過程極易誘發地面滲漏漿等環境問題，嚴重影響城市的正常運行，甚至危及地面交通和建筑物的安全。迄今為止，盾構同步注漿地面滲漏風險的防控總體上還停留在工程類比階段，尚缺乏有效的預測理論和精準控制方法。

本文將在考慮滲透性地層盾構同步注漿工藝及漿液流動特性，基于隧道同步注漿滲透距離的理論和方法，從多隧道近鄰注漿相互擾動、地面滲漏風險、確保注漿充填效果等方面對杭州地鐵6號線與江南大道改造工程公軌并建盾構隧道盾構同步注漿參數實施精準預控，實現滲透性地層多隧道并建同步注漿參數優化、地面環境風險有效預控和隧道工程微擾動施工控制。

1 工程概況

1.1 工程特點

杭州地鐵6號線和江南大道改造提升工程采用空間平行疊交布置形式，地鐵隧道位于公路隧道上方。地鐵隧道分為長河路—江漢路、江漢路—江陵路、江陵路—星民路和星民路—奧體站4個區間，左右線總長度分別為3 940.340 m和3 949.653 m，正線區間采用盾構法施工。江南大道改造提升工程盾構區間段線路出西北、西南工作井后向東進入江南大道，向西走行接至東北、東南工作井。隧道段北線長2 258.6 m，南線長2 256.6 m。線位位于江南大道下方，與地鐵6號線平行布置。四條隧道平行疊交布置，斷面位置關系如圖1所示。

圖1 區間隧道空間位置關系

根據設計資料，對應不同地鐵隧道區間，圖中幾何參量匯總如表1所示。

表1 隧道區間斷面幾何參數表 單位：m

隧道斷面的主要技術參數如表2所示。

表2 盾構隧道斷面主要參數

2.2 工程地質特性

擬建場地為錢塘江沖海積平原地貌單元，整體地形較平坦，地面高程約5.67～6.76 m，地貌及地表環境比較單一。根據勘探孔揭露的地層結構、巖性特征、埋藏條件及物理力學性質，場地勘探深度以內可分為①③⑥⑧⑩?共6個大層。其中：①人工堆積、沖積層，主要為第四系全新統人工堆積的①1雜填土、①2素填土；③沖海積層，主要為第四系全新統沖海積的③2砂質粉土、③3砂質粉土、③4-1砂質粉土、③4-2砂質粉土、③5砂質粉土夾粉砂、③6粉砂和③7-1砂質粉土；⑥海積層，主要為第四系全新統海積的⑥淤泥粉質黏土；⑧湖積層，主要為第四系上更新統湖積的⑧2層粉質黏土、⑧3層粉砂；10沖湖積層，主要為第四系上更新統沖糊積的⑩1粉質黏土、⑩2含砂粉質黏土；?沖積層，主要為晚更新統下段河流相沉積的?1粉砂、?4圓礫。根據工程地質資料，通過計算取土體的平均孔隙比為0.5。

2.3 開挖及同步注漿方式

工程中長河路站—江漢路站區間、江漢路站—江陵路站區間、江陵路站—星民站區間盾構掘進過程與江南大道快速通道大隧道并行施工。在國內，此類施工情況較少，且施工區域地質情況較差，盾構又多次穿越，對土體多次擾動，一旦施工控制不當就會造成地面沉降甚至坍塌，已建隧道沉降、滲漏水，管片碎裂、位移、錯臺等風險。為了盡可能減小各隧道盾構施工的相互擾動影響，避免盾構機并排推進，在盾構設備投入數量容許的前提下，擬定隧道施工時間及流程如圖2所示。

圖2 多隧道盾構施工計劃流程

圖2可見，盾構施工時間和順序、推進方向的選擇一定程度上減緩了盾構機同步并排推進及其相互擾動影響，但仍然無法避免大小盾構的局部同步、迎頭推進的狀態。尤其當施工進度受到不可預測因素影響而延期時，極有可能出現并排同步的不利工況。因此，多隧道平行疊交施工過程中，盾構開挖相互擾動影響、同步注漿影響等可能引起的隧道軸線偏位、局部土體損失、盾構機背土，從而引發管片位移、錯臺、破裂的風險隱患難以消除。為有效防范土體多次擾動，施工中除了嚴格控制盾構推進參數、減少糾偏量和土體損失率外，必須科學控制同步注漿量和注漿壓力。

3 同步注漿相互影響分析

3.1 分析方法

為便于理論方法的建立，假定各隧道同步注漿滲透特性相互獨立，單一隧道同步注漿滲透模型如圖3所示。

圖3 同步注漿漿液滲透理論模型

根據靜力平衡和非牛頓流體在流管中的受力及流動特性，隧道斷面任意方向同步注漿漿液滲透距離可由式（1）表達：

考慮孔隙比為ζ，流體柱狀結構微元體ds的孔隙體積為：

將微元體內所有滲流路徑斷面等效為一根流徑，則等效流徑的半徑re滿足下列關系：

式（1）可以表達為

式（4）可見，同步注漿漿液滲透距離是角度θ的函數。任意θ角方向，漿液擴散距離與土體孔隙比、漿液粘度系數（終剪力）、水位高度、注漿壓力等參數相關。對本文依托工程而言，當選定漿液材料后，漿液粘度系數和土體孔隙比可視為確定的常量，漿液擴散距離的主要影響因素為地下相對水位高度（隨隧道埋深而變化）和注漿壓力。

3.2 注漿滲透特性及參數相關性

參照長三角地區某盾構隧道工程施工參數，作漿液擴散距離與注漿壓力相關性概要分析。取計算參數如表3所示。

表3 模擬計算參數

根據式（4）分別計算地下水位高度How=29 m和注漿壓力P0={0.2，0.25，0.3，0.35，0.4}MPa條件下盾構隧道同步注漿漿液滲透擴散距離并作其空間分布如圖4所示。

圖4 注漿滲透距離隨注漿壓力變化

圖4顯示：（1）非牛頓Bingham漿液在隧道周邊砂性地層中呈現非均勻滲透狀態，總體呈橢圓形分布，最大滲透距離位于隧道底部，最小滲透距離位于隧道頂部；（2）注漿壓力變化不改變漿液滲透距離沿隧道周向的分布形態，但對滲透距離大小影響顯著；隨著注漿壓力的增加，漿液滲透距離沿徑向等比例增大；（3）隧道下部土體中漿液滲透距離大于等于隧道上部滲透距離的3倍，因此下方隧道更容易受上方隧道同步注漿的影響。工程中應根據漿液的粘度特性和土體的滲透性特征，選用合理的注漿壓力，確保漿液對盾尾空隙的良好充填，同時避免漿液過度滲透和地表滲漏環境風險。綜上所述，在土體和漿液參數不變的條件下，隧道同步注漿過程中漿液的滲透、擴散、分布特征與注漿壓力和地下水位等因素具有顯著相關性。

4 工程風險預測與控制

4.1 漿液擴散范圍隨p0變化

從式（4）可知，同步注漿滲透距離的影響參數包括漿液的粘度系數τe、土體孔隙比ζe、地下水位How和注漿壓力P0，在選定同步注漿漿液的前提下，漿液的粘度系數τe是確定的常數。同時，對于確定的施工場地，土體孔隙比ζe和地下水位基本保持不變。漿液滲透距離主要受注漿壓力P0的影響。

杭州地鐵6號線和江南大道改造工程盾構隧道近距離平行疊交施工，且采用盾構多頭開挖工序，任何一條隧道的同步注漿均有可能對先建隧道產生擾動影響，甚至形成安全風險。同時，由于地層具有較強的滲透性，隧道覆土厚度小，容易發生地面滲漏漿等嚴重環境問題。以長河路站—江漢路站區間隧道為例，考慮各隧道單獨實施同步注漿，相同的漿液和工程地質條件下，隧道周圍土體中漿液的滲透擴散范圍如圖5所示。

圖5 隧道同步注漿滲透空間疊加（128°和-52°）

圖5結果顯示：（1）任一隧道開挖同步注漿，漿液均有可能擴散到周邊的先建隧道；（2）隨注漿壓力增加，漿液擴散距離相應增大，對近鄰隧道結構產生不良影響的風險增大；（3）上部地鐵隧道注漿，當p0≥0.35 MPa時，漿液擴散面將影響到水平面內的另一條地鐵隧道和下部大斷面公路隧道（圖中藍色粗實線所示）；（4）下部公路隧道注漿壓力p0≥0.65 MPa時，漿液擴散面將影響斜上方的地鐵隧道（圖中桔色粗實線所示）。因此，為避免地鐵隧道同步注漿對近鄰其它隧道影響，注漿壓力必須控制在p0＜0.35 MPa，公路隧道同步注漿壓力必須控制在p0＜0.65 MPa。

4.2 注漿風險控制方法

根據上述注漿壓力對漿液擴散距離和近鄰隧道影響的分析，杭州地鐵6號線一期SG6-9標段工程隧道同步注漿應滿足地面無滲漏漿、各隧道之間無不良影響、各隧道盾尾間隙完全充填等三項基本技術要求。按設計資料取漿液和工程地質參數，建立基于漿液空間分布隨p0變化曲線實施注漿風險綜合控制方法如圖6所示。

圖6 隧道同步注漿壓力控制區間

圖6中（a）和（b）分別為公路隧道和地鐵隧道同步注漿漿液滲透距離隨注漿壓力變化的空間分布。圖6（a）顯示：（1）對應于p0=0.3 MPa，隧道頂部（180°方向）漿液擴散距離約為2 m，隧道盾尾空隙完全充填；（2）對應于大隧道與小隧道軸心連線方向（θ=128°），當p0=0.3 MPa時，漿液滲透距離為3 m，當p0=0.75 MPa時，漿液滲透距離為21 m（略大于隧道間外輪廓的最小凈距），此時注漿壓力可視為風險控制的極限壓力值；（3）對應于p0=0.75 MPa，隧道頂部漿液滲透距離約為17.5 m，大于隧道覆土厚度17 m（圖中黑色粗實線所示），存在地面滲漏漿的環境風險。若取注漿壓力p0=0.55 MPa，隧道徑向連線方向上的滲透距離約為14 m（圖中桔色圓點所示），基本處于兩隧道凈距的中點，此時對應于隧道頂部的滲透距離為11 m，確保盾尾空隙完全充填又能有效避免地面滲漏漿的環境風險。

圖6（b）顯示：（1）對應于p0=0.25 MPa，隧道頂部漿液擴散距離為4 m，該方向盾尾空隙充填有余；（2）對應于大隧道與小隧道軸心連線方向（小隧道坐標系中θ=-52°），當p0=0.25 MPa時，漿液滲透距離為9 m，當p0=0.35 MPa時，漿液滲透距離為21 m，此時注漿壓力可視為風險控制的極限壓力值；（3）對應于p0=0.4 MPa，隧道頂部漿液滲透距離約為10 m，接近隧道覆土厚度（圖中黑色粗實線所示），存在地面滲漏漿的環境風險。若取注漿壓力p0=0.35 MPa，隧道徑向連線方向上的滲透距離約為17 m（圖中桔色圓點所示），略大于兩隧道凈距的一半，此時對應于隧道頂部的滲透距離為8 m，確保盾尾空隙完全充填又能有效避免地面滲漏漿的環境風險。

基于圖6分析結果，建立依托工程同步注漿壓力控制施工流程如圖7所示。

圖7 同步注漿壓力精確控制施工流程

4.3 同步注漿控制效果示例

杭州地鐵6號線一期SG6-9標段工程為地鐵隧道與大斷面公路隧道平行疊交建設，區域地質條件復雜、隧道間距小、同步注漿相互影響大、地面滲漏漿風險高且具有不確定性，科學選取合理的注漿壓力才能確保漿液對盾尾空隙的完全充填，同時有效預控地面滲漏漿等技術風險。

基于上述理論和方法并嚴格按照圖7所示的施工控制流程，對杭州地鐵6號線和江南大道改造工程隧道實施同步注漿壓力控制，在盾尾間隙注漿充填、地面環境風險管理、隧道軸線控制和結構變形控制等方面取得了良好的技術效果。以公路隧道為例，600~720環（共計120環，隧道長度240 m）注漿壓力控制如圖8所示。

圖8 公路隧道注漿壓力與滲透距離控制效果

圖8（a）為公路隧道600~720環注漿壓力分布，其中，{A1，A2，A3，A4，A5，A6}分別為隧道頂部順時針{30°，90°，150°，210°，270°，330°}方向注漿孔位，黑色粗實線為環內6個注漿孔注漿壓力的平均值。圖中，考慮隧道埋深沿軸向的變化，分區段計算并選用與埋深相匹配的注漿壓力，對應于600~635環，注漿壓力的平均值約為550 kPa；隨后，根據坡度變化作了相應壓力調整（635~650環）；壓力調整趨于平衡后，650~720環取基本穩定的壓力700 kPa（平均值）。結果顯示，對應注漿壓力，注漿滲透距離呈現相應變化特征，600~635環區間內漿液滲透距離平均值約為20 m，遠小于隧道覆土厚度并小于上下隧道凈距，注漿施工無風險；圖8（b）為注漿控制距離，650~720環區間內，漿液豎向滲透距離平均約為23 m，不存在地面滲漏漿風險，但上下隧道軸心連線方向上漿液滲透距離接近兩隧道凈距，存在對上部地鐵隧道產生不良擾動風險。而對應于635~650環，由于注漿壓力調高，漿液滲透距離接近該區間隧道覆土厚度，局部超過隧道覆土厚度，超過了上下隧道凈距，存在地面冒漿和對地鐵隧道嚴重擾動的風險，后續工程中進行壓力調整，將注漿壓力平均值調低至700 kPa（壓力調整過程如圖9（a）所示），使漿液滲透距離降低至安全值。取得了良好的技術和社會效益。

5 結論

考慮杭州地鐵6號線和江南大道改造工程盾構多隧道長距離疊交、淺覆土和強滲透富水地質條件，同步注漿可能引發地表滲漏環境影響、各隧道間漿液相互滲透影響等安全隱患，利用基于虛擬柱狀結構的同步注透擴散理論模型及漿液滲透擴散距離的解析解，建立盾構隧道同步注漿壓力控制和相互擾動風險綜合防控技術并在工程中成功應用。

（1）盾構同步注漿漿液滲透距離在隧道斷面內呈橢圓狀非均勻分布，多隧道平行疊交施工時，隧道相對位置直接關系對相互擾動狀態和程度。

（2）在確定漿液參數和一定工程地質條件下，同步注漿漿液滲透距離與注漿壓力成正比，注漿壓力存在對應的合理取值區間，小于該區間的注漿壓力將存在盾尾環狀空隙充填缺陷和隧道長期穩定的風險隱患；過高的注漿壓力容易誘發地面冒漿和隧道施工相互擾動影響。

（3）本文建立的多隧道疊交施工同步注漿風險預測控制技術，基于嚴密的力學理論，相關理論和技術環節中出對隧道近鄰區域土體和盾構隧道幾何特性等未進行任何力學條件約束，結果和結論適用于任意半無限區間盾構隧道同步注漿問題。