成都地区富水砂卵石地层盾构下穿既有地铁盾构隧道设计

黄泽明

(中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都 610031)

随着我国城市轨道交通建设的飞速发展，城市的地铁线网越来越密。在这种背景下，新建地铁线路不可避免越来越多面临穿越既有地铁线路的现象，而既有地铁运营线路对轨道及隧道结构变形要求极高，稍有不慎则会引起重大安全事故。鉴于此，本文以成都轨道交通9号线下穿既有地铁4号线盾构隧道(已运营)设计为例进行分析，希望能够为其它相似工程提供一定的参考价值。

1 工程背景

成都轨道交通9号线一期工程培风站～成都西站区间，盾构从培风站始发，到达成都西站吊出。在里程ZDK56+928～ZDK56+950/YDK56+933～YDK56+955段，盾构隧道下穿既有地铁4号线中坝站～西客站区间盾构隧道(已运营)。下穿段，9号线盾构隧道采用幅宽1.5m、外径6.7m、内径6.0m的盾构管片，轨道采用中等减振道床(减振扣件)；既有地铁4号线盾构隧道采用幅宽1.5m、外径6.0m、内径5.4m的盾构管片，轨道采用普通道床。9号线盾构隧道与既有地铁4号线盾构隧道平面交叉角度约为75 °，隧道间最小竖向净距约为3.6m,既有地铁4号线盾构隧道主要位于中密、密实卵石地层，9号线盾构隧道主要位于密实卵石地层，9号线盾构隧道覆土约18.8m。

下穿段地面为武青北路与货运大道交叉路口，该范围主要市政管线有DN1500mm混凝土雨水管、DN1000mm铸铁给水管、DN200mmPE燃气管、110kV供电线等。见图1。

图1 9号线下穿既有地铁4号线平面关系

2 计算分析

2.1 数值计算模型

计算分析采用ANSYS10.0软件，由于涉及到地层扰动的影响，故采用“地层-结构”模型。

数值计算采用三维有限元进行计算(图2)，计算模型共采用8种不同的材料分别模拟地层、管片等。边界条件除上部为自由边界外，其余各侧面和底面实施法向约束。计算模型分别采用SOLID45单元模拟各类地层等，采用PLANE42单元模拟隧道衬砌结构。地层的物理力学参数按地质详勘报告取值。数值模拟的施工顺序为：4号线盾构隧道左右线隧道开挖拼装管片后形成初始应力场(地层自重应力场)→拟建盾构隧道开挖及管片衬砌施工。

根据地质详勘钻孔揭示，该下穿节点处从上到下地层依次为杂填土、粉质黏土、第四系全新统冲洪积稍密卵石土、中密卵石土和密实卵石土以及第四系上更新统冰水沉积密实卵石土。

图2 有限元网格示意

2.2 数值计算结果分析

拟建隧道开挖后,既有隧道计算结果如图3～图6所示。

图3 拟建隧道开挖后既有隧道竖向沉降云图(单位：m)

图4 拟建隧道开挖后既有盾构隧道位移云图(单位：m)

图5 拟建隧道开挖后既有隧道竖向沉降

图6 拟建隧道开挖后既有隧道沿纵向的倾斜率

2.3 计算结论

通过上述模型，对既有盾构隧道在原状地层无任何保护措施状态下的下穿工况进行了有限元分析，可以得出结论如下：

(1)拟建隧道接近正交下穿既有地铁4号线盾构隧道施工时，既有盾构隧道将会在竖向和横向发生微小的不均匀位移，这种不均匀位移会使隧道产生变形和扭转。结构竖向沉降在隧道中心范围内表现突出，最大值约为5.5mm。

(2)拟建隧道下穿施工时，对既有盾构隧道和拟建盾构隧道在结构内力上都有变化。当拟建隧道贯通后，既有隧道管片轴力会增加，最大值约为50kN，而隧道管片弯矩的变化相对较小仅有约6kN·m。

3 结构设计

鉴于既有地铁4号线盾构隧道与9号线隧道之间地层主要为<3-8-3>密实卵石土，其卵石含量约占65 %～80 %，粒径一般6～10cm，个别粒径10～18cm，最大粒径25cm，卵石中漂石含量约占6 %，卵石土间细砂及圆砾充填，细砂含量约占25 %～30 %，为成都地区典型的富水砂卵石地层。此外，9号线隧道下穿既有地铁4号线段临近车站端头，为盾构到达掘进段，容易产生地层沉降，存在较大的施工安全风险[1]，且车站施工过程中对周边地层进行管井降水，对原状地层也存在一定的扰动。

根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》及成都轨道集团运营公司地保办要求，既有地铁4号线盾构隧道竖向位移控制值为10mm，水平位移控制值为10mm，道床纵、横向差异沉降控制值为4mm。同时，为保证地下管线安全及道路路面沉降满足规范要求，拟采取如下设计措施。

3.1 大管棚加固

大管棚超前支护作为地下工程的辅助施工方法，是为了在恶劣和特殊条件下安全开挖，预先提供增强地层承载力的临时支护方法，对控制塌方和抑制地面沉降有明显的效果。它是防止地中和地面结构物开裂、倒塌的有效方法之一[2]。

根据下穿段地质条件，对9号线隧道与既有地铁4号线盾构隧道之间夹土体采用“双排大管棚+管棚内注浆”方式进行加固，管棚从成都西站车站端头向隧道内打设,如图7所示。

图7 左线隧道下穿既有地铁4号线隧道关系

(1)大管棚采用Φ194mm，壁厚16mm的钢管，分节丝扣连接，相邻管棚接头错开；左线管棚长度为40m，右线管棚长度为35m。为了解决砂卵石地层在钻进时孔壁不稳定问题，采用跟管钻进法。

(2)因隧道断面内地层较为稳定，因此管棚布置范围为拱顶120 °(上排)/130 °(下排)，两排管棚孔口位置分别在洞门轮廓线外200mm和600mm位置布置，如图8所示。管棚环向布设间距对防止上方土体坍落及松弛影响较大，根据隧道埋深、地层情况等确定钢管环向中心间距按400mm，上下排管棚交错布置。

图8 洞门管棚立面

(3)大管棚钢管上钻注浆孔，孔径10mm，孔间距200mm，呈梅花型布置。钢管尾部(孔口段)2m不钻花孔作为止浆段。

(4)大管棚外插角需严格按设计要求1.5 °执行，大管棚施工偏差不得大于500mm；管棚导向管应严格定位，管棚钻进过程中应采用水平测斜仪经常量测管棚的偏斜度，发现偏斜值超出设计要求时，应及时纠偏；左线隧道管棚路径距离既有线隧道外轮廓最近竖向距离为1.86m(理论值)，右线隧道管棚路径距离既有线隧道外轮廓最近竖向距离为1.95m(理论值)。

(5)大管棚可部分进行预注浆，剩余部分作为盾构通过时地层同步补偿注浆通道。对于已进行注浆的大管棚，应进行管棚内注浆密实度检测，确保注浆填充密实。

(6)注浆浆液推荐采用水泥砂浆，水泥采用普通硅酸盐水泥，强度等级≥P.O42.5。初拟水泥浆水灰比0.8∶1～1∶1，注浆压力通过现场试验后确定。

3.2 与盾构掘进同步的地层补偿注浆

为降低施工风险，应进行地层同步补偿注浆。盾构通过前做好地层同步补偿注浆通道预留和实施的物资准备。根据试验段(下穿前20环)各项参数，对盾构掘进过程中可能造成地层破裂影响的区域作为同步补偿注浆范围，盾构施工过程中，对地层破裂影响范围内产生松动的区域及时注浆填充，尤其是既有地铁4号线盾构隧道上、下方和其紧邻侧下方的地层。地层同步补偿注浆采用地面注浆的方式。

注浆材料建议采用对环境污染较小的水泥单液浆，特殊紧急情况下可采用速凝材料。注浆参数包括注浆孔的布置、浆液配比、注浆压力、注浆顺序、注浆时间和注浆量等，经试验效果确定，并在注浆施工过程中根据监测反馈信息进行优化。注浆过程中应注意控制注浆压力，以防压力过大而破坏既有地铁4号线盾构隧道。注浆后及时冲洗注浆管，以便重复使用。

3.3 洞内注浆加固

盾构通过后，需通过洞内注浆加固地层。洞内加固通过在盾构隧道管片上增设注浆孔，利用注浆孔(包括吊装孔)打设注浆管，对隧道外一定范围内土体注浆加固(图9阴影部分)。注浆管采用φ42的钢花管，其长度不大于3m，注浆管与4号线盾构隧道之间保证一定的安全距离。

图9 地层同步补偿注浆范围剖面

为保证洞内注浆效果，应注重其施作的及时性，以免地层失土过多或者坍塌范围扩散。

3.4 车站端墙兼作管棚导向墙处理

上述设计双层密排管棚施工势必将截断车站端墙外围护桩，因此在车站基坑开挖阶段施作管棚将对基坑安全造成一定程度的影响。因此，应先完成车站端墙主体结构，再进行管棚施工，确保主体结构能够承受端墙外水土压力。

鉴于上述理由，成都西站车站端墙(地下三层)由原设计1 000mm厚调整为1 300mm厚，先期施作圈梁及600mm厚管棚导向墙，导向墙钢筋不与圈梁连接，待管棚施工完成后再施作剩余700mm厚圈梁，使600mm厚管棚导向墙嵌固在700mm厚圈梁内。圈梁(局部700mm厚)起到端墙上永久受力及收口的作用。防水层在600mm厚导向墙范围内沿该墙内侧铺设，上部防水卷材甩出，待管棚施工结束后沿600mm厚墙内侧满布外包防水层。如图10所示。

图10 车站端墙处理剖面

管棚施工时，采取相关措施减小对端墙结构的扰动；后浇700mm厚圈梁采用微膨胀细石混凝土浇筑，与先浇圈梁采用钢筋接驳器连接。

3.5 其它辅助措施

常规盾构端头地面注浆加固，维持车站降水深度等。

4 施工要求

4.1 盾构施工控制

减少盾构施工过程中导致的地层变形是保护既有地铁4号线盾构隧道的最有效手段，其关键在于控制盾构掘进参数、提高注浆质量和把握注浆时机。

(1)盾构掘进参数。应根据盾构穿越及上覆的地层情况，设定适当的掘进参数并进行严格控制，其中主要包括：刀盘转速、刀盘扭矩、千斤顶总推力、螺旋输送机转速、外加剂选择及注入量等。施工过程中应对刀盘面板土压力和土舱压力、出土量及出土状态进行密切观察和记录，将数据反馈到盾构控制中心，及时调整或优化掘进参数。施工过程严抓渣土管理和土仓渣土改良效果，及时分析开挖、出渣数据，严格控制地层损失率，原则上不允许出现开挖超方，并应采用“质量”和“体积”两个指标控制出土量。

(2)盾尾同步注浆和洞内二次注浆。在管片衬砌环脱出盾尾后，立即同步注浆并适当加大注浆量，充分地填充管片与地层之间空隙；在完成拼装具备二次注浆条件后及时进行二次注浆，以同步注浆层和地层之间的间隙为主要填充对象(即要求突破同步注浆层)进行注浆填充，必要时重复二次注浆。

4.2 监控量测

在盾构掘进施工及相关辅助施工(如地层加固、地层同步补偿注浆等)过程中，应对既有隧道结构、地层、地表及地下管线等，进行系统全面的监控量测。监控量测项目主要包括新建隧道管片结构的竖向、水平位移和净空收敛；既有线隧道的竖向位移、水平位移、径向收敛、盾构管片接缝张开量、轨道横向相对高差、轨向相对高差、轨间距、道床脱空量，以及地层变形、地表沉降和地下管线的变形位移等。根据监测反馈信息，及时调整、优化各项施工参数，以确保盾构施工安全和既有地铁4号线的正常运营，地下管线的正常使用。当发生异常时应即刻上报有关部门，并采取应急措施。

5 施工情况

(1)右线共45根大管棚，长度为35m，其中36根施工均达到设计长度，9根由于施工过程中管靴变形未达到设计长度，钻进长度约24～32m；左线共45根大管棚，长度为40m，其中39根施工均达到设计长度，6根由于施工过程中管靴变形未达到设计长度，钻进长度约28～37m。管棚施工偏差除极个别外，其余均能满足设计要求的不大于500mm。

(2)右线盾构下穿，既有线最终监测值为：道床最大竖向位移1.95mm，结构最大竖向位移2.40mm，结构最大水平位移1.16mm；左线盾构下穿，既有线最终监测值为：道床最大竖向位移2.75mm，结构最大竖向位移3.07mm，结构最大水平位移1.23mm。上述数据均远小于变形控制值。

6 结论

本工程根据实际工程实例，通过数值模拟及工程实际，确定了拟建隧道对既有地铁盾构隧道的保护方案，对同类工程具有一定的参考价值，主要体现在以下几个方面：

(1)本工程采用拱顶范围超长“双排大管棚”，对既有线盾构隧道进行保护，证明在成都地区富水砂卵石地层是可行的、有效的。

(2)对于新建隧道施工对地层的扰动影响区域，尤其在既有线隧道下方，及其紧邻侧下方地层，应进行多种方式，全方位的补偿及跟踪注浆，及时填充及加固地层。

(3)对车站端墙的处理措施，一方面解决了管棚施工导向墙的问题，一方面保证了施工期间车站基坑及结构的安全。