富水軟弱地層盾構區間近距離下穿既有運營地鐵區間設計關鍵技術研究

劉純LIU Chun

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

0 引言

隨著城市軌道交通建設的蓬勃發展，地鐵線路網絡日漸密集，新建地鐵區間近距離下穿既有運營線路的情況越來越多。新建盾構隧道在下穿既有地鐵區間過程中，不可避免對交疊處地層產生擾動，引起地層和既有運營區間結構應力重分布，產生一定的內力變化和變形，對既有地鐵線路的運營安全產生威脅。許多科研和工程建設者對盾構區間下穿既有線進行了大量研究[1-4]，也積累得較多的設計和施工經驗，但在富水軟弱地層區域，由于地下水位高、土層壓縮性高、承載力低，盾構區間下穿既有線的風險更大，更需有針對性地制定設計方案、采取有效的設計技術措施，確保既有線運營的安全。本文結合天津地鐵4 號線六緯路站～成林道站盾構區間近距離下穿既有9 號線區間工程，對該工程在設計過程中采用的關鍵技術進行論述。

1 工程概況

1.1 新建區間概況 天津地鐵4 號線六緯路站～成林道站區間南起六緯路與成林道交口的六緯路站，沿十四經路北行，下穿既有9 號線區間后繼續向東北方向敷設，途經津塘路、十一徑路后，沿成林道東行，最終到達成林道與紅星路交口的成林道站。區間左線長2538.7m，右線長2518.0m，線間距在12m～27.2m，頂部覆土為12.3m～27m，區間采用外徑6.2m、厚度0.35m 的盾構管片。

1.2 既有運營區間概況 地鐵9 號線十一經路站至直沽站區間為既有運營線路，該區間已開通運營，線間距約為13.0m。兩線均采用外徑6.2m、厚度0.35m 的盾構管片。

4 號線盾構區間下穿既有9 號線盾構區間結構，下穿范圍長度約為19m，距六緯路盾構接收井平面距離約為46m。如圖1 所示。

圖1 區間下穿既有9 號線平面圖

1.3 工程地質及水文地質概況 場地內地層分布為雜填土、粉質黏土、黏質粉土、粉砂，4 號線區間下穿既有區間范圍主要位于粉砂、粉質粘土。場地類型為中軟土，直立性差。

場地內地下水位高，靜止水位埋深0.4～1.8m，且存在2 層承壓含水層，各含水層之間的粘性土層為其相對隔水層，但各含水層之間均存在一定水力聯系。

2 工程重難點分析

2.1 下穿凈距小 受4 號線六緯路站埋深限制，導致六緯路站～成林道站穿越9 號線區間范圍埋深受到限制，不具備上跨9 號線區間的條件，只能下穿。在設計中，綜合考慮車站基坑深度和風險等，4 號線盾構管片結構頂距離9 號線區間結構凈距約為1.8m。

2.2 地質條件差 9 號線區間結構頂覆土約為14.3m，主要位于粉質粘土層；4 號線區間結構頂覆土約為22.8m，主要為粉砂和粉質黏土層，其中粉砂為承壓含水層。本場地屬于富水軟弱地層，地下水位較高，土層承載力低，土體變化比較敏感，兩線結構間土體較薄，盾構下穿時除自身風險較大外，易對既有運營區間結構產生較大應力變化和較大變形。

2.3 既有運營線保護要求高 天津地鐵9 號線作為正在運營中的地鐵線路，對地層變形和結構變形控制要求極其嚴格，若產生較大變形將直接影響到既有線路的運營安全。既有區間控制指標和標準從結構變形、隧道結構穩定、建筑限界三個方面來考慮，且一般采用變形控制指標作為主要控制指標。

參考相關規范規程及標準[5]，結合國內類似工程經驗，區間結構變形控制值詳見表1。

表1 區間隧道變形控制標準

3 主要設計技術措施

基于以上工程重難點問題，主要采用了優化工程籌劃、選取合理的盾構掘進參數、盾構區間下穿范圍內采用多孔注漿環管片、既有結構增設縱向拉緊聯系裝置以及對既有線采用自動化監測等一系列設計關鍵技術措施。

3.1 進行合理的工程籌劃 在不同的地層條件下盾構機合理的掘進參數也不相同，一般在穿越風險源之前需要設置試驗段，積累本地層下盾構機的最佳掘進參數。

結合本工程實際，4 號線盾構區間下穿9 號線平面位置距離六緯路站僅46m，若從六緯路站始發，由于穿越區距離盾構始發端頭距離太短，無法設置較長的試驗段，難以確定盾構的合理掘進參數，增加下穿既有線的風險。因此，選取成林道站作為始發站，盾構機掘進2.46km 后才到達9 號線區間下方范圍，此前較長的掘進距離為設置試驗段提供了重要的前提條件，可以充分利用前期掘進過程中的經驗，確定本區間合理的盾構機掘進參數，確保盾構機順利穿越9 號線區間，在六緯路站順利接收。

3.2 盾構掘進技術控制措施 參考天津地區已完成的2 號線、3 號線、5 號線、6 號線、9 號線盾構區間工程，本區間選用土壓平衡式盾構機。盾構推進過程中，需嚴格控制和調整盾構機的各項參數，主要包括：土倉壓力、出土量、推進速度、刀盤扭矩、螺旋機轉速、同步注漿壓力及注漿量等，使之對周圍環境的影響控制在安全、可靠的要求范圍內。在盾構機進入影響區域之前，盡量將盾構機的姿態調整至最佳，嚴禁向上抬頭，嚴禁超量糾偏、蛇行擺動等。下穿時針對土層的變化設定合理的土倉壓力，盾構機應勻速通過既有線范圍，避免停機。

3.3 采用多孔注漿管片 盾構掘進過程中由于開挖土體卸荷，會對周邊土體產生一定的擾動，產生空隙；盾構機掘進中若同步注漿不及時或者注漿不飽滿，也會導致土體之間變形產生一定空隙；周邊土體間的空隙隨著時間變化，會產生應力重分布和變形，土體空隙越大，變形越大，對臨近建構筑物影響越大。因此，盾構掘進過程中要盡量減少土體空隙，這就要求盾構掘進過程中及時做好注漿工作，除了同步注漿之外，還要結合監測情況做好二次注漿，必要時進行多次注漿。

常規的混凝土管片，利用吊裝孔可進行二次注漿和后續注漿，但是孔間距較大，難以保障二次注漿和后續注漿效果，因此，在穿越既有線一定范圍，設計考慮增加管片注漿孔，采用多孔注漿環管片，即每環除封頂塊外，其余各塊均增加兩個專用預留注漿孔，施工時配合監測情況適時打開注漿孔進行二次注漿或多次注漿。多孔注漿環的應用范圍主要是下穿9 號線區間范圍及兩側各40m，在9 號線左右線盾構外面兩側各約40m 范圍，結合監測情況及時做好后續注漿。本場地地下水豐富，且盾構穿越區承壓水水頭較高，注漿孔位置易產生涌水、冒砂等現象，注漿管需使用止逆閥和螺旋管塞、密封墊圈進行防水，并對螺旋管塞進行二次擰緊。注漿完成后，注漿孔需要采用強度不低于C50 的混凝土及時進行填充封堵。

3.4 既有結構增設縱向拉緊聯系裝置 天津地鐵9 號線盾構管片環寬1.2m，環間采用螺栓連接，為了提高管片結構的整體剛度、減少管片間差異沉降，在受4 號線盾構穿越影響較大區域，即穿越區域及前后10m 范圍，在9 號線盾構管片內增設縱向拉緊聯系裝置。

拉緊聯系裝置采用14b 槽鋼，環向共設6 根，安裝位置可根據隧道內現場實際情況調整，避開道床、接觸網等地鐵運營設施的位置，拉緊聯系裝置應在盾構下穿前完成安裝，安裝期間，注意對既有線管線和結構的保護。

3.5 既有運營線自動化監測 在區間下穿過程中，既有區間長期處于運營狀態，常規人工監測存在時限性，無法滿足監測頻率要求。施工過程中需要對既有區間進行自動化監測，實現動態施工，及時掌握既有區間變形情況，必要時采取應急處理措施，確保區間結構安全和運營安全。既有區間自動化監測項目主要包括隧道結構豎向及水平位移、軌道結構豎向及水平位移、軌距變化及變形縫差異沉降等監測項目。監測范圍為下穿區域及前后40m 范圍，其中下穿區域及前后10m 范圍為主要影響區，監測斷面間距為5m；其余范圍為次要影響區，監測斷面間距為10m。自動化監測項目頻率：盾構掘進至主要影響區時1次/30 分鐘；其余一般施工狀態1 次/2 小時。人工校核監測和巡視為每周2 次。監測時間自開工前一周至數據穩定為止。

4 數值模擬計算及結果分析

4.1 計算模型及參數說明 由于既有運營區間變形要求高，需要準確計算盾構下穿對既有線影響情況，本文采用Midas GTS 建立模型進行有限元計算分析[6]。模型中各土層均采用彈塑性模型，六面體實體單元，屈服準則采用Mohr-Coulomb 準則[7]；盾構隧道管片采用彈性模型，shell單元模擬。水平與豎向邊界均采用位移約束邊界。模型如圖2 所示。

圖2 有限元模擬模型圖

4.2 模擬施工過程 按照實際施工步驟模擬施工過程，具體施工步驟：右線盾構隧道開挖→施作管片→右線隧道施工完成，進行左線隧道施工→左線盾構隧道開挖→施作管片→左線隧道施工完成。

4.3 模擬計算結果 根據有限元分析，各工況施工的計算結果如下：

①M4 右線盾構區間施工完成（如圖3 所示）。

圖3 既有線結構豎向變形圖

②M4 左線盾構區間施工完成（如圖4 所示）。

圖4 既有線結構豎向變形圖

4 號線盾構區間右線穿越完成后，9 號線區間下沉量最大值為2.44；左線穿越完成后，9 號線區間下沉量最大值為2.85mm；穿越過程中既有線沉降變形在允許范圍內。

4.4 施工實測數據 天津地鐵4 號線已于2021 年12月開通運營，六緯路站～成林道站區間右線下穿9 號線時間為2019 年12 月30 日～2020 年1 月2 日，根據施工過程中自動監測情況，9 號線既有隧道結構豎向位移變化如圖5 所示。

圖5 區間右線穿越既有隧道結構豎向位移圖

六緯路站～成林道站區間左線下穿9 號線時間為2020 年5 月17 日～5 月20 日，根據施工過程中自動監測情況，9 號線既有隧道結構豎向位移變化如圖6 所示。

圖6 區間左線穿越既有隧道結構豎向位移圖

根據監測數據，在盾構穿越期間，距離4 號線最近的SD-1 整體呈下沉趨勢，右線盾構通過后最大沉降約為1.2mm，左線盾構通過后最大沉降約為3.2mm，滿足變形要求。

4.5 模擬結果與實測數據對比分析 實測自動化監測數據，既有區間的沉降滿足控制值范圍要求，不影響既有線安全正常運營。對比監測值與模擬分析值，兩者相差較小，變形趨勢一致。

5 結論與建議

在富水軟弱地層，新建地鐵盾構區間近距離下穿既有運營線風險極大，筆者結合天津地鐵4 號線下穿既有運營9 號線區間項目，介紹了采取的關鍵設計措施：合理進行工程籌劃設計，設置試驗段確定合理的盾構掘進參數；下穿既有線范圍采用多孔注漿環管片，結合監測情況，必要時可加強注漿效果；在既有隧道結構增設縱向拉緊聯系裝置，可有效增大既有區間結構剛度，減少差異沉降；對既有線采用自動化監測可實時監測既有結構變形情況。根據現場實測情況，各項監測指標均控制在允許范圍內，目前該區間已經順利貫通，證明了所采取的設計措施安全有效，可為類似工程提供工程參考。