摘要：以杭海城际铁路余许区间盾构隧道下穿已运营杭州地铁1号线区间隧道为例，通过机理分析、工程类比、FLAC 3D数值模拟等手段分析粉砂地层盾构隧道下穿已运营地铁盾构隧道的变形影响，并制定相应的技术措施，为类似工程设计及施工提供借鉴及参考。
关键词：盾构隧道；盾构穿越；数值模拟；变形；运营保护；
引言
中国城市化进程不断推进，城市汽车保有量、人口数量不断提高，交通拥堵问题日益严重地困扰着中国的大城市；钱七虎认为“未来的交通肯定是转入地下的，而建设城市地下快速路则是未来交通发展的主要方向。”地铁作为城市地下快速交通线在一定程度上有效地缓解了城市拥堵现象。大城市在市区内编织密集的地铁线网外，同时也建设城际铁路向周边区域接驳延伸。在此趋势下，越来越多的新建地铁或城际铁路隧道须穿越已运营地铁隧道。已运营地铁对隧道变形控制要求极严格，浙江省工程建设标准《城市轨道交通结构安全保护技术规程》（DB33/T1139）规定：根据地铁盾构隧道不同的现状变形及损坏情况，盾构隧道水平位移量、相对收敛量不得大于5~14mm，竖向位移量不得大于5~15mm，变形曲率半径不得小于15000m，变形相对曲率不得大于1/2500，管片接缝张开量不大于1~2mm。
1 工程概况
杭海城际铁路是浙江省都市圈城际铁路网中的一条放射型线路，它从已运营的杭州地铁1号线余杭高铁站衔接换乘后串联嘉兴海宁市的临杭经济区。杭海线余许区间隧道（以下简称“杭海线”）以平面夹角63°、最小净距3.28m下穿杭州地铁1号线余南区间隧道（以下简称“1号线”）。1号线、杭海线隧道衬砌采用平板式单层预制钢筋混凝土管片，衬砌环基本设计参数见表1。图1给出杭海线下穿1号线平面关系，杭海线左右线隧道自余许明挖段U型槽依次始发过风井后，分别下穿1号线左右线隧道至余杭高铁站接收。图2给出下穿剖面关系，表2给出相关土层物理力学性质参数。已运营1号线隧道埋深约9.5m，隧道位于③2粉土层，杭海线隧道位于⑤4粉砂层。上述土层均为中软土、孔隙比大、渗透系数高，施工易发生水土流失，施工难度增大。
图1 杭海线与1号线平面示意图
图2 杭海线下穿1号线剖面图 （单位：m）
表1 1号线和杭海线隧道管片基本信息表
2 机理分析及工程类比
2.1 盾构下穿已运营地铁隧道的难点
1）地层损失较难控制
盾构施工引起土体损失较难控制，除盾构设备本身就会造成地层损失外，在管片拼装时，正面土压力将不可避免的损失；此外，同步注浆效果不确定，对于惰性浆，还存在浆液泌水收缩等问题，过大的注浆压力容易劈裂周边土，造成长期沉降。
2）风险大
下穿时施工隧道所处地层一般埋深较大，一般位于第④、⑤、⑥、⑦层中，水土压力大，对盾构施工要求高，稍有不慎，就有可能发生盾尾大量涌水、涌砂的风险。
3）后期加固周期长
针对上方隧道沉降，通常在穿越完成后须实施二次注浆，一般要求在列车停运后的时间段内进行，遵循多次、多点、少量、均匀的注浆原则，以确保注浆效果，并减少对周围土体的扰动。
表2 土层物理力学性质参数表
2.2盾构施工土层变位特征与机理
根据对地层的大量实测资料的分析表明，按地层沉降变化曲线的情况，大致可分为：盾构到达前的地面变形；盾构到达时的地面变形；盾构通过时的地面变形；盾构通过后的瞬时地面变形；地表后期固结变形等5个阶段。
1）盾构到达前的地面变形
在盾构的掘进过程中，由于开挖面涌水、管片拼装不良等原因引起地下水降低，地下水位的降低，从而引起开挖断面之前相当距离的观测点的沉降。测点离盾构切口3-20m范围内所发生隆沉变化，一般发生沉降，但沉降量很小。当离盾构切口较近时，受开挖面土体的位移而发生隆起。
2）盾构到达时的地面变形
在开挖面靠近观测点并到达观测点正下方这个过程中所产生的沉降或隆起现象，这是由于盾构机的正面土压力偏小或者过大等导致开挖面土压失衡，开挖面压力又与盾构机的推进速度和出土量等施工参数密切相关。当正面土压力偏离静止土压力一定范围内时，土层的变形处于线弹性阶段，而且变化的斜率较小；如果偏离较大的话，则土体发展为塑性变形。总体来说这是一种因土体应力释放或者盾构开挖面的反向土压力、盾构周围的摩擦力等作用而产生的地基变形。测点离盾构切口0～3m范围内发生隆沉变化，当盾构设定土压值较大、推力较大、出土量小于100%时，地表呈隆起；当设定土压值较小、推力较小、出土量大于100%时，地表呈沉降变化。
3）盾构通过时的地面变形
从盾构机开挖面到达观测点到盾构机尾部通过观测点这一过程中所产生的沉降。一般在盾构切口至盾尾（即测点离切口0～-Lm）范围内发生沉降变化，主要是盾构机的通过（超挖、纠偏、蛇行）破坏了原来的土体状况，造成土体的扰动所致。
4）盾尾通过后的瞬间的地面变形
盾构机尾部通过观测点正下方时产生的沉降。由于盾尾通过时会产生一个盾尾间隙，这个盾尾间隙的上方及周围土体应力释放引发了弹塑性变形。目前通过盾尾同步注浆使浆液有效地填充在该盾尾间隙中从而可以部分减少土体损失，也减小盾尾通过时的地层变形；一般发生在盾尾离开测点0～5m范围内，因注浆的不及时而会发生较大沉降；若采用同步注浆，并及时、充足地注浆，则不易发生沉降，若过量注浆，则产生隆起。
5）地层后期固结变形
由于盾构通道时对地基土产生了扰动（挤压、超挖、蛇行、注浆等），再加上前面的各种残余影响，在相当长的一段时间内，地基将继续发生固结沉降和蠕变沉降。其特点是沉降时间较长，但沉降速率逐渐减小。
2.3类似工程
结合杭州、上海等地类似盾构隧道下穿既有线盾构隧道施工情况，统计相关工程施工数据如表3。盾构隧道正交下穿既有线隧道基本以沉降影响为主、斜交下穿水平位移变形量也会较大。部分隧道在穿越后实施了多次、多点、少量、均匀的二次注浆，较好的稳定了既有线隧道的沉降。
表3 相似工程实施情况统计表
表4 材料参数表
3 盾构下穿的FLAC 3D有限元模拟
3.1建立模型
应用FLAC 3D岩土工程有限元分析软件，对盾构穿越既有线隧道过程进行模拟。为较为完整的模拟整个穿越过程，共分12个分析步骤：
1）初设应力状况，采用K0法，生成初始地应力；
2）施工1号线车站、区间隧道，位移置零；
3）杭海线右线下穿地铁1号线右线前；
4）杭海线右线下穿地铁1号线右线中；
5）杭海线右线下穿地铁1号线右线后，即杭海线右线下穿地铁1号线左线前；
6）杭海线右线下穿地铁1号线左线中；
7）杭海线右线下穿地铁1号线左线后；
8）杭海线左线下穿地铁1号线右线前；
9）杭海线左线下穿地铁1号线右线中；
10）杭海线左线下穿地铁1号线右线后，杭海线左线下穿地铁1号线左线前；
11）杭海线左线下穿地铁1号线左线中；
12）杭海线左线下穿地铁1号线左线后；
3.2模型本构的选择
本文土体采用Mohr—Coulomb模型，已建1号线车站围护及内部结构采用C30混凝土实体弹性材料模拟，已建1号线隧道及拟建杭海线隧道采用C50混凝土实体弹性材料模拟。
Mohr—Coulomb模型是岩土有限元分析软件广泛采用的本构模型，它用土体破坏时的摩擦角和粘聚力来反应土体抗剪强度，破坏条件为：
τf=c+σtanψ
或以主应力表示屈服条件为：
σ1-σ3=（σ1+σ3）sinψ+2ccosψ
式中c为粘聚力，ψ摩擦角，σ为受力面上的正应力。
土体的卸载模量大于加载模量，而Mohr—Coulomb模型将压缩模量和加载模量统一采用杨氏模量E表达，存在一定的缺陷。但针对盾构隧道下穿主要为下部卸载过程，且Mohr—Coulomb模型所需确定的参数较少，常规试验即可获取，具有较强的实际工程适应性。因此，选用Mohr—Coulomb模型具有明显的实用性及合理性。
3.3模型参数选取
根据工程经验，考虑盾构下穿影响范围，选取模型尺寸为200mX200mX60m（深度）。建模材料参数如表4。
图3 FLAC 3D分析模型
3.4不同施工情况及阶段分析
如前文所述，盾构隧道掘进土体损失是造成周边土体及建构筑物变形的主要因素。鉴于浙江大学魏钢教授结合各地施工实测数据对于盾构隧道施工引起的土体损失率取值及分布研究,表明盾构施工土体损失率分布在2‰~30‰，其中有95.77%的实测数据集中在2‰~20‰。本文通过5‰、8‰、11‰不同土体损失率情况下，对比分析各施工阶段的1号线隧道变形数据。由于不同土体损失率及各施工阶段工况较多，在此仅选取5‰土体损失率情况下各主要施工阶段的模拟结果云图如图4~11。
图4 1号线隧道水平位移云图（阶段4）
图5 1号线隧道竖向位移云图（阶段4）
图6 1号线隧道水平位移云图（阶段7）
图7 1号线隧道竖向位移云图（阶段7）
图8 1号线隧道水平位移云图（阶段9）
图9 1号线隧道竖向位移云图（阶段9）
图10 1号线隧道水平位移云图（阶段12）
图11 1号线隧道竖向位移云图（阶段12）
3.4模拟分析结果
图12~15表示不同土体损失率情况下杭海线左右线先后下穿对1号线左右线隧道水平、竖向位移的影响曲线，可见杭海线盾构隧道下穿对既有1号线隧道产生一定的影响。1号线隧道产生明显的水平位移及沉降，沉降量大于水平位移量，体现出以沉降为主的影响趋势，杭海线左右线隧道先后下穿1号线隧道具有明显的叠加效应。水平位移量及沉降量与土体损失率密切相关，成正比关系。
在土体损失率5‰情况下，1号线隧道最大沉降5.60mm，最大水平位移1.9mm；在土体损失率8‰情况下，1号线隧道最大沉降8.05mm，最大水平位移2.0mm；在土体损失率11‰情况下，1号线隧道最大沉降12.1mm，最大水平位移2.36mm；杭海线盾构隧道掘进过程须确保控制土体损失率在5‰左右才可确保对已运营1号线隧道的变形影响可控，满足1号线的运营保护标准。
图12 不同土体损失率1号线右线隧道沉降（mm）
图13 不同土体损失率1号线左线隧道沉降（mm）
图14 不同土体损失率1号线右线隧道水平位移（mm）
图15 不同土体损失率1号线左线隧道水平位移（mm）
4 控制技术措施
盾构机一旦下井工作后因其本身原因无法更新替换，且地下施工情况复杂，既有1号线运营变形控制要求极高。对盾构设备自身功能及配置、掘进各阶段都需要有严格的要求。
1）盾构机主要配置要求
a、针对地质情况及可能存在的地下障碍物、穿越建构筑物等情况，合理设计刀盘、刀具系统，确保对土体的有效切削；b、盾构机掘进应保持开挖面的稳定性，盾构机应配置有高分子聚合物或高密度膨润土注入系统，同时具备紧急情况下自动应对的模式设计和配置；c、盾构机自身对地层和地下水应有良好的密封性能，盾尾配置不少于3道耐磨钢丝刷，同时盾尾刷具备紧急密封功能；d、盾构机应配置良好的同步注浆系统，且应双套管路并具备清洗功能，保证注浆系统的通畅。注浆系统应采用单管单泵，能多点同时注浆，注浆泵功率应能满足注厚浆要求；e、盾构机应配置碴土改良系统，盾构推进时可通过加泥系统向开挖面注入添加剂或发泡剂，有效地改善粉砂层的流塑性和止水性；f、螺旋输送机应采用止水性较好带伸缩机构的有轴螺旋机，至少设置3道闸门。可根据掘进速度在操作盘上任意控制2道闸门的开启度，随时调节排土量来实现土塞效应，形成良好的排土止水效果；g、盾尾油脂注入系统应具备在推进过程中不间断地向盾尾钢丝刷中注入具有一定压力及体量的油脂，防止盾尾钢丝刷反转；
2）设置穿越前试验段
选择穿越边线50m外地层、埋深与穿越段相近的区域设置试验段，轴线方向以3～5环为间距布置深层沉降监测点，布置横向深层监测点。试验段监测确保能反映施工参数调整对测点沉降的影响，监测应内容包括：地表沉降监测、土体深层测斜监测、土体分层沉降监测。
试验段盾构推进速度控制在10mm/min，试验段包括以下三区段：
a、试验区段一-顶推力试验区（长度30m）：该区段盾构切口作用逐渐加强，同时盾尾同步注浆对前方影响范围相对较小，可认为前方深层点与切口土压正相关。根据该阶段测点隆沉数据，找出使得前方微抬的切口正面土压。通过不断调整正面土压，使得前方45°地表处测点微抬，幅度以0.5～1.0mm为宜，同时记录盾构机相关参数。
b、试验区段二-注浆量试验区（长度40m）：当盾尾进入试验段时，盾尾注浆直接影响正上方测点，且不受正面出土影响。监测盾尾正上方测点竖向位移变化情况，作为调整注浆率的依据，单环同步注浆应使上方测点微抬，并使得一定时间后沉降值符合土体损失控制的要求。
C、调整区段三-施工参数调整修正区（长度80m）：此时盾构切口逐步接近上方运营隧道，此阶段盾构参数（包括注浆压力、注浆量、推进速度、掌子面推力、同步注浆及二次注浆等）根据前两个试验区段得到的优化参数进行穿越前的最后调整和准备。可使既有1号线隧道呈微隆起1mm左右，根据既有线隧道监测数据，动态调整正面土压力。
3）推进参数（土仓压力控制、掘进速度、同步注浆量）
a、穿越段因上部1号线隧道空腔，盾构机土仓压力按“V字梯形”调整，按每2环调整1次。
b、盾构机到达前控制土仓压力设定值为理论值的1.1~1.2倍，使1号线盾构隧道在盾构切口抵达前微抬1.00mm，部分抵消后续沉降。
c、同步注浆采用可控制凝结时间的浆液，浆液初凝时间控制在6~8小时，注浆率控制在130%~150%，注浆压力为竖向静止土压力的1.1~1.2倍。
d、上述盾构掘进施工参数均应结合试验段掘进数据分析情况进一步确定。
4）盾构姿态及纠偏
提前筹划好盾构掘进姿态，下穿阶段尽量为直线掘进状态，避免在1号线下方纠偏。当必须纠偏情况下：水平纠偏量<5～10mm/环，垂直纠偏量<0.05度/环，并应遵循多次少量的纠偏原则。
5）二次注浆
管片成型脱出盾构后，应根据1号线隧道监测数据，及时有效的进行二次注浆。二次注浆应采用速凝型双浆液注浆。当采用单液浆时，须与双液浆结合使用，间隔注双液浆形成结硬密封环后于结硬密封环间注单液浆。
6）监测及其它
穿越施工期间对1号线隧道的监测，采用高精度的自动监测的方法，监测数据反馈频率应能指导现场盾构掘进施工，信息化动态施工。盾构下穿期间对1号线该段区间进行限速运营，盾构掘进穿越宜在地铁停运后进行。
5 结论
本文以杭海城际铁路余许区间盾构隧道下穿已运营杭州地铁1号线区间隧道项目为例，采用机理分析、工程类比、FLAC 3D数值模拟等手段分析粉砂地层盾构隧道下穿已运营地铁盾构隧道的变形影响，表明：
1）粉砂地层盾构隧道近距离下穿既有线盾构隧道，下部土体卸载及损失导致既有线盾构隧道产生水平、竖向位移及收敛，平面正交情况下以沉降变形为主；
2、有效控制土体损失率在5‰左右的情况下，粉砂地层盾构近距离穿越过程中的既有线盾构隧道变形是可控的，可以满足运营及隧道结构安全；
3）盾构穿越后应特别注重二次注浆，多次、多点、少量、均匀的二次注浆可有效控制后期沉降，甚至抵消前期沉降量。
4）针对粉砂地层盾构隧道近距离下穿已运营地铁隧道等高控制标准建构筑物，盾构机自身的密封、保压等性能为重要影响因素，应着重考虑。
参考文献
[1]钱七虎、陈志龙.21世纪地下空间开发利用展望.中国土木工程学会第八届年会论文集.1998.
[2]魏纲.盾构隧道施工引起的土体损失率取值及分布研究.岩土工程学报.第32卷第9期.2010.09.
[3]柳厚祥.地铁隧道盾构施工诱发地层移动机理分析与控制研究.西安理工大学博士论文.2008.05.
[4]张琼方、夏唐代、丁智等.盾构近距离下穿对已建地铁隧道的位移影响及施工控制. 第37卷第12期.2016.12.
[5]廖少明、杨俊龙、奚陈磊等.盾构近距离穿越施工的工作面土压力研究.岩土力学. 第26卷第11期.2005.11.
[6]黄正荣、朱伟等.浅埋砂土中盾构法隧道开挖面极限支护压力及稳定研究. 岩土工程学报.第28卷第11期.2006.11.
[7]王如路、贾坚、廖少明.上海地铁监护实践.同济大学出版社.2012.
论文作者:吴超
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/28
标签：盾构论文; 隧道论文; 位移论文; 损失率论文; 注浆论文; 地铁论文; 地层论文; 《基层建设》2019年第6期论文;