多隧道平行疊交施工同步注漿相互影響及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)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(jìn)程加快，大型城市地下交通線路密集化、網(wǎng)絡(luò)化、空間立體化現(xiàn)象凸顯，地下隧道空間相互穿越、疊交建設(shè)工程日益增多，軟土地層中隧道群施工風(fēng)險(xiǎn)控制和周邊環(huán)境保全技術(shù)難度不斷增大。近年來，人們結(jié)合工程建設(shè)需要，通過施工方案類比分析、原位監(jiān)測、數(shù)值模擬等方法開展了許多有價(jià)值的研究。研究的焦點(diǎn)主要集中于：（1）隧道疊交和斜交穿越施工設(shè)計(jì)方案及局部注漿、加固、卸壓等施工技術(shù)[1-3]；（2）復(fù)雜疊交隧道空間位置的幾何設(shè)計(jì)，開挖順序及其影響，局部注漿加固技術(shù)和方法[4]；（3）基于實(shí)測數(shù)據(jù)反饋結(jié)合數(shù)值模擬優(yōu)化施工參數(shù)，根據(jù)地表位移和隧道變形，模擬優(yōu)化盾構(gòu)推進(jìn)速度和注漿壓力等參數(shù)[5-6]；（4）注漿滲透擴(kuò)散特性、作用效果及其對滲透性地層的適應(yīng)性[7-10]。這些研究成果為復(fù)雜隧道設(shè)計(jì)和施工提供了技術(shù)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(jié)構(gòu)多次反復(fù)擾動(dòng)、盾構(gòu)切削面注漿和同步注漿重復(fù)擾動(dòng)等復(fù)雜力學(xué)過程，及其可能引發(fā)的安全風(fēng)險(xiǎn)等關(guān)鍵技術(shù)問題，尚缺乏系統(tǒng)的理論研究，使得多隧道近鄰施工技術(shù)參數(shù)的選用、指標(biāo)的確定停留在以往經(jīng)驗(yàn)和工程類比階段，盾構(gòu)施工同步注漿對周邊地下建構(gòu)筑物影響、隧道間相互擾動(dòng)影響及漿液地面滲漏環(huán)境影響等風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控方法還停留在定量分析、定性使用的階段。同時(shí)，軟土盾構(gòu)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(fā)地面滲漏漿等環(huán)境問題，嚴(yán)重影響城市的正常運(yùn)行，甚至危及地面交通和建筑物的安全。迄今為止，盾構(gòu)同步注漿地面滲漏風(fēng)險(xiǎn)的防控總體上還停留在工程類比階段，尚缺乏有效的預(yù)測理論和精準(zhǔn)控制方法。

本文將在考慮滲透性地層盾構(gòu)同步注漿工藝及漿液流動(dòng)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(dòng)、地面滲漏風(fēng)險(xiǎn)、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(gòu)隧道盾構(gòu)同步注漿參數(shù)實(shí)施精準(zhǔn)預(yù)控，實(shí)現(xiàn)滲透性地層多隧道并建同步注漿參數(shù)優(yōu)化、地面環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)有效預(yù)控和隧道工程微擾動(dòng)施工控制。

1 工程概況

1.1 工程特點(diǎn)

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(gè)區(qū)間，左右線總長度分別為3 940.340 m和3 949.653 m，正線區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。江南大道改造提升工程盾構(gòu)區(qū)間段線路出西北、西南工作井后向東進(jìn)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(guān)系如圖1所示。

圖1 區(qū)間隧道空間位置關(guān)系

根據(jù)設(shè)計(jì)資料，對應(yīng)不同地鐵隧道區(qū)間，圖中幾何參量匯總?cè)绫?所示。

表1 隧道區(qū)間斷面幾何參數(shù)表 單位：m

隧道斷面的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 盾構(gòu)隧道斷面主要參數(shù)

2.2 工程地質(zhì)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(huán)境比較單一。根據(jù)勘探孔揭露的地層結(jié)構(gòu)、巖性特征、埋藏條件及物理力學(xué)性質(zhì)，場地勘探深度以內(nèi)可分為①③⑥⑧⑩?共6個(gè)大層。其中：①人工堆積、沖積層，主要為第四系全新統(tǒng)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(tǒng)沖海積的③2砂質(zhì)粉土、③3砂質(zhì)粉土、③4-1砂質(zhì)粉土、③4-2砂質(zhì)粉土、③5砂質(zhì)粉土夾粉砂、③6粉砂和③7-1砂質(zhì)粉土；⑥海積層，主要為第四系全新統(tǒng)海積的⑥淤泥粉質(zhì)黏土；⑧湖積層，主要為第四系上更新統(tǒng)湖積的⑧2層粉質(zhì)黏土、⑧3層粉砂；10沖湖積層，主要為第四系上更新統(tǒng)沖糊積的⑩1粉質(zhì)黏土、⑩2含砂粉質(zhì)黏土；?沖積層，主要為晚更新統(tǒng)下段河流相沉積的?1粉砂、?4圓礫。根據(jù)工程地質(zhì)資料，通過計(jì)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(qū)間、江漢路站—江陵路站區(qū)間、江陵路站—星民站區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)過程與江南大道快速通道大隧道并行施工。在國內(nèi)，此類施工情況較少，且施工區(qū)域地質(zhì)情況較差，盾構(gòu)又多次穿越，對土體多次擾動(dòng)，一旦施工控制不當(dāng)就會(huì)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(cuò)臺等風(fēng)險(xiǎn)。為了盡可能減小各隧道盾構(gòu)施工的相互擾動(dòng)影響，避免盾構(gòu)機(jī)并排推進(jìn)，在盾構(gòu)設(shè)備投入數(shù)量容許的前提下，擬定隧道施工時(shí)間及流程如圖2所示。

圖2 多隧道盾構(gòu)施工計(jì)劃流程

圖2可見，盾構(gòu)施工時(shí)間和順序、推進(jìn)方向的選擇一定程度上減緩了盾構(gòu)機(jī)同步并排推進(jìn)及其相互擾動(dòng)影響，但仍然無法避免大小盾構(gòu)的局部同步、迎頭推進(jìn)的狀態(tài)。尤其當(dāng)施工進(jìn)度受到不可預(yù)測因素影響而延期時(shí)，極有可能出現(xiàn)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(gòu)開挖相互擾動(dòng)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(gòu)機(jī)背土，從而引發(fā)管片位移、錯(cuò)臺、破裂的風(fēng)險(xiǎn)隱患難以消除。為有效防范土體多次擾動(dòng)，施工中除了嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)、減少糾偏量和土體損失率外，必須科學(xué)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(dú)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(jù)靜力平衡和非牛頓流體在流管中的受力及流動(dòng)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(dá)：

考慮孔隙比為ζ，流體柱狀結(jié)構(gòu)微元體ds的孔隙體積為：

將微元體內(nèi)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(guān)系：

式（1）可以表達(dá)為

式（4）可見，同步注漿漿液滲透距離是角度θ的函數(shù)。任意θ角方向，漿液擴(kuò)散距離與土體孔隙比、漿液粘度系數(shù)（終剪力）、水位高度、注漿壓力等參數(shù)相關(guān)。對本文依托工程而言，當(dāng)選定漿液材料后，漿液粘度系數(shù)和土體孔隙比可視為確定的常量，漿液擴(kuò)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(shù)相關(guān)性

參照長三角地區(qū)某盾構(gòu)隧道工程施工參數(shù)，作漿液擴(kuò)散距離與注漿壓力相關(guān)性概要分析。取計(jì)算參數(shù)如表3所示。

表3 模擬計(jì)算參數(shù)

根據(jù)式（4）分別計(jì)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(gòu)隧道同步注漿漿液滲透擴(kuò)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(xiàn)非均勻滲透狀態(tài)，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(tài)，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(yīng)根據(jù)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(shí)避免漿液過度滲透和地表滲漏環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。綜上所述，在土體和漿液參數(shù)不變的條件下，隧道同步注漿過程中漿液的滲透、擴(kuò)散、分布特征與注漿壓力和地下水位等因素具有顯著相關(guān)性。

4 工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測與控制

4.1 漿液擴(kuò)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(shù)包括漿液的粘度系數(shù)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(shù)τe是確定的常數(shù)。同時(shí)，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(gòu)隧道近距離平行疊交施工，且采用盾構(gòu)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(chǎn)生擾動(dòng)影響，甚至形成安全風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，由于地層具有較強(qiáng)的滲透性，隧道覆土厚度小，容易發(fā)生地面滲漏漿等嚴(yán)重環(huán)境問題。以長河路站—江漢路站區(qū)間隧道為例，考慮各隧道單獨(dú)實(shí)施同步注漿，相同的漿液和工程地質(zhì)條件下，隧道周圍土體中漿液的滲透擴(kuò)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(jié)果顯示：（1）任一隧道開挖同步注漿，漿液均有可能擴(kuò)散到周邊的先建隧道；（2）隨注漿壓力增加，漿液擴(kuò)散距離相應(yīng)增大，對近鄰隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不良影響的風(fēng)險(xiǎn)增大；（3）上部地鐵隧道注漿，當(dāng)p0≥0.35 MPa時(shí)，漿液擴(kuò)散面將影響到水平面內(nèi)的另一條地鐵隧道和下部大斷面公路隧道（圖中藍(lán)色粗實(shí)線所示）；（4）下部公路隧道注漿壓力p0≥0.65 MPa時(shí)，漿液擴(kuò)散面將影響斜上方的地鐵隧道（圖中桔色粗實(shí)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(fēng)險(xiǎn)控制方法

根據(jù)上述注漿壓力對漿液擴(kuò)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(biāo)段工程隧道同步注漿應(yīng)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(xiàng)基本技術(shù)要求。按設(shè)計(jì)資料取漿液和工程地質(zhì)參數(shù)，建立基于漿液空間分布隨p0變化曲線實(shí)施注漿風(fēng)險(xiǎn)綜合控制方法如圖6所示。

圖6 隧道同步注漿壓力控制區(qū)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(yīng)于p0=0.3 MPa，隧道頂部（180°方向）漿液擴(kuò)散距離約為2 m，隧道盾尾空隙完全充填；（2）對應(yīng)于大隧道與小隧道軸心連線方向（θ=128°），當(dāng)p0=0.3 MPa時(shí)，漿液滲透距離為3 m，當(dāng)p0=0.75 MPa時(shí)，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(shí)注漿壓力可視為風(fēng)險(xiǎn)控制的極限壓力值；（3）對應(yīng)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(shí)線所示），存在地面滲漏漿的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。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(diǎn)所示），基本處于兩隧道凈距的中點(diǎn)，此時(shí)對應(yīng)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(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

圖6（b）顯示：（1）對應(yīng)于p0=0.25 MPa，隧道頂部漿液擴(kuò)散距離為4 m，該方向盾尾空隙充填有余；（2）對應(yīng)于大隧道與小隧道軸心連線方向（小隧道坐標(biāo)系中θ=-52°），當(dāng)p0=0.25 MPa時(shí)，漿液滲透距離為9 m，當(dāng)p0=0.35 MPa時(shí)，漿液滲透距離為21 m，此時(shí)注漿壓力可視為風(fēng)險(xiǎn)控制的極限壓力值；（3）對應(yīng)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(shí)線所示），存在地面滲漏漿的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。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(diǎn)所示），略大于兩隧道凈距的一半，此時(shí)對應(yīng)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(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

基于圖6分析結(jié)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(biāo)段工程為地鐵隧道與大斷面公路隧道平行疊交建設(shè)，區(qū)域地質(zhì)條件復(fù)雜、隧道間距小、同步注漿相互影響大、地面滲漏漿風(fēng)險(xiǎn)高且具有不確定性，科學(xué)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(shí)有效預(yù)控地面滲漏漿等技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

基于上述理論和方法并嚴(yán)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(shí)施同步注漿壓力控制，在盾尾間隙注漿充填、地面環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)管理、隧道軸線控制和結(jié)構(gòu)變形控制等方面取得了良好的技術(shù)效果。以公路隧道為例，600~720環(huán)（共計(jì)120環(huán)，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(huán)注漿壓力分布，其中，{A1，A2，A3，A4，A5，A6}分別為隧道頂部順時(shí)針{30°，90°，150°，210°，270°，330°}方向注漿孔位，黑色粗實(shí)線為環(huán)內(nèi)6個(gè)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(qū)段計(jì)算并選用與埋深相匹配的注漿壓力，對應(yīng)于600~635環(huán)，注漿壓力的平均值約為550 kPa；隨后，根據(jù)坡度變化作了相應(yīng)壓力調(diào)整（635~650環(huán)）；壓力調(diào)整趨于平衡后，650~720環(huán)取基本穩(wěn)定的壓力700 kPa（平均值）。結(jié)果顯示，對應(yīng)注漿壓力，注漿滲透距離呈現(xiàn)相應(yīng)變化特征，600~635環(huán)區(qū)間內(nèi)漿液滲透距離平均值約為20 m，遠(yuǎn)小于隧道覆土厚度并小于上下隧道凈距，注漿施工無風(fēng)險(xiǎn)；圖8（b）為注漿控制距離，650~720環(huán)區(qū)間內(nèi)，漿液豎向滲透距離平均約為23 m，不存在地面滲漏漿風(fēng)險(xiǎn)，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(chǎn)生不良擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。而對應(yīng)于635~650環(huán)，由于注漿壓力調(diào)高，漿液滲透距離接近該區(qū)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(yán)重?cái)_動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)，后續(xù)工程中進(jìn)行壓力調(diào)整，將注漿壓力平均值調(diào)低至700 kPa（壓力調(diào)整過程如圖9（a）所示），使?jié){液滲透距離降低至安全值。取得了良好的技術(shù)和社會(huì)效益。

5 結(jié)論

考慮杭州地鐵6號線和江南大道改造工程盾構(gòu)多隧道長距離疊交、淺覆土和強(qiáng)滲透富水地質(zhì)條件，同步注漿可能引發(fā)地表滲漏環(huán)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(jié)構(gòu)的同步注透擴(kuò)散理論模型及漿液滲透擴(kuò)散距離的解析解，建立盾構(gòu)隧道同步注漿壓力控制和相互擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)綜合防控技術(shù)并在工程中成功應(yīng)用。

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

（2）在確定漿液參數(shù)和一定工程地質(zhì)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(yīng)的合理取值區(qū)間，小于該區(qū)間的注漿壓力將存在盾尾環(huán)狀空隙充填缺陷和隧道長期穩(wěn)定的風(fēng)險(xiǎn)隱患；過高的注漿壓力容易誘發(fā)地面冒漿和隧道施工相互擾動(dòng)影響。

（3）本文建立的多隧道疊交施工同步注漿風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測控制技術(shù)，基于嚴(yán)密的力學(xué)理論，相關(guān)理論和技術(shù)環(huán)節(jié)中出對隧道近鄰區(qū)域土體和盾構(gòu)隧道幾何特性等未進(jìn)行任何力學(xué)條件約束，結(jié)果和結(jié)論適用于任意半無限區(qū)間盾構(gòu)隧道同步注漿問題。