姜留濤，楊延棟，王志宏

（1.陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院，陜西 渭南 714000；2.中鐵隧道局集團有限公司，廣東 廣州 511458；3.中鐵八局集團有限公司，四川 成都 610036）

0 引言

隨著我國城市地下空間的大規(guī)模開發(fā)和利用，大量穿越既有線路的隧道工程涌現(xiàn)。而當盾構(gòu)下穿既有隧道時，若地層沉降控制不當，則極易誘發(fā)既有隧道產(chǎn)生較大變形，從而影響既有隧道的安全。因此，如何精確控制盾構(gòu)下穿既有隧道的變形問題，是亟待解決的工程難題。

針對盾構(gòu)施工變形控制問題， 諸多學者已開展了一系列有益的研究。 陳湘生等探討了復雜地層環(huán)境條件下小曲線半徑盾構(gòu)隧道下穿既有運營隧道的施工技術(shù)［1］；仇文革等通過理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場測試的方法就有關(guān)施工對鄰近結(jié)構(gòu)的力學行為進行了研究［2－7］。 由于地質(zhì)條件的復雜性、差異性和特殊性，使得盾構(gòu)施工變形精確控制更為困難，特別是在粉質(zhì)黏土地層地質(zhì)情況下， 盾構(gòu)下穿既有隧道變形控制技術(shù)的研究尚有不足，因此有必要進一步結(jié)合具體工程條件，研究盾構(gòu)施工穿越既有隧道的變形控制問題。 筆者試以鄭州地鐵某區(qū)間盾構(gòu)隧道工程為研究背景，探討在粉質(zhì)黏土地層條件下，盾構(gòu)下穿既有隧道的變形控制技術(shù)，以期為類似工程提供參考。

1 工程背景

1.1 工程概況

鄭州地鐵某區(qū)間新建盾構(gòu)隧道下穿既有隧道，兩線平面位置相交為90°，正穿長度為23 m，隧道凈距為2.528～2.808 m。新建盾構(gòu)隧道主要穿越黏質(zhì)粉土③32和粉質(zhì)黏土③21兩類地層，擬采用兩臺直徑為6 480 mm 的輻條式土壓平衡盾構(gòu)機施工。

1.2 工程地質(zhì)概況

根據(jù)工程地質(zhì)詳勘報告可知， 工程區(qū)地表地層依次為：雜填土①1、粉沙③31C、黏質(zhì)粉土③31、黏質(zhì)粉土③32、粉質(zhì)黏土③21。各土層巖性描述為：雜填土①1以灰黃色稍密粉土為主，夾有可塑狀粉質(zhì)黏土、磚塊和石子，厚度為0.20～4.50 m；粉沙③31C呈黃褐色，稍濕，稍密～中密，礦物成分以長石、石英、云母為主，局部多夾黏性土， 夾粉土薄層， 厚度為0.70～10.50 m；黏質(zhì)粉土③31厚度為1.30～12.90 m；黏質(zhì)粉土③32呈黃褐色，稍濕～濕，中密～密實，搖震反應(yīng)中等，干強度低，韌性低，局部含少量鈣質(zhì)結(jié)核及銹黃色、灰白色斑點，場區(qū)普遍分布，厚度為0.70～11.20 m；粉質(zhì)黏土③21以黃褐色為主，局部為紅褐色，含少量鈣質(zhì)結(jié)核，局部富集，核徑一般為10～40 mm，可見少量灰黑色斑紋， 局部夾灰綠色條紋或團塊， 可塑～硬塑，厚度為1.40～9.10 m。 場地地下水的主要類型是第四系松散堆積物孔隙水，其主要存于細沙層中，地層下部未見沙層， 僅上部局部沙層存在少量上層滯水，地下水埋深約為19.6～21.6 m，且黏質(zhì)粉土③32和粉質(zhì)黏土③21透水性較低。 地層構(gòu)造和主要物理指標如表1 所示。

表1 地層構(gòu)成和主要物理指標Tab.1 Stratum composition and main physical indicators

2 盾構(gòu)施工地層變形誘發(fā)因素

2.1 地層變形分析

地鐵盾構(gòu)施工隧道變形的主要表現(xiàn)是地層下沉和隆起，一般情況下，多表現(xiàn)為地層下沉。 由以往的工程實踐經(jīng)驗可知， 誘發(fā)地層下沉的主要原因有盾構(gòu)機尺寸不符、超欠挖、推進參數(shù)設(shè)置不合理、盾殼前行對周圍地層的摩擦和剪切作用、 隧道結(jié)構(gòu)變形等，具體如表2 所示。

表2 地鐵盾構(gòu)施工隧道地表變形原因分析Tab.1 Analysis of ground deformation of subway shield construction tunnel

2.2 試驗段數(shù)據(jù)分析

通過對試驗段掘進數(shù)據(jù)整理分析， 得出以下結(jié)論：（1）盾構(gòu)通過時，土體基本穩(wěn)定。 管片脫出盾尾后，土層先快速下降，然后緩慢沉降，沉降曲線與一般土層的五階段沉降曲線形態(tài)總體趨勢一致。（2）加大同步注漿壓力可使地面與深層土體出現(xiàn)微隆起，最大升起0.5 mm 左右，從而降低了盾尾脫出時的沉降速率。在實施穿越時，可通過加大同步注漿壓力來調(diào)整隆起值。 （3）試驗顯示，地表下15.8 m 處土體沉降約為2～3 cm，與計算結(jié)果基本一致，繼而可計算出的既有隧道沉降數(shù)據(jù)差異不會太大。（4）試驗數(shù)據(jù)顯示， 土體長期滯后固結(jié)引起道床沉降值約為2.0 mm，盾構(gòu)穿越施工后，道床需要隆起2.0 mm 以上，方可實現(xiàn)在不進行補償注漿工況下沉降為零。

2.3 地表沉降控制思路

控制地表沉降的總體思路是， 遵循地層沉降規(guī)律，充分利用導致地表隆沉的因素，趨利避害，盡可能保持隆起或減小沉降， 將最終沉降值控制到理想狀態(tài)。 通過試驗段現(xiàn)場監(jiān)測， 如按正常掘進參數(shù)推進，既有線隧道最大沉降值達3.11 mm。 因此，按總體變形控制方案，保持正常掘進參數(shù)，使前方既有線道床隆起3 mm，再通過向盾殼注入克泥效和加大同步注漿及二次注漿壓力來維持隆起高度， 并配制高稠度、低收縮的同步注漿漿液，使滯后固結(jié)沉降縮小至1 mm。 總之，應(yīng)采取多措施，努力抵消所有沉降，以達到零沉降目標。

3 盾構(gòu)下穿既有隧道變形控制

3.1 盾構(gòu)掘進參數(shù)控制技術(shù)

在盾構(gòu)機掘進過程中，掘進速度和刀盤轉(zhuǎn)速、土倉壓力、 總推力等施工參數(shù)是精確控制施工變形的關(guān)鍵。 通過理論計算、施工經(jīng)驗借鑒、現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、渣土改良等形式，適時調(diào)整和優(yōu)化各項施工參數(shù)，可以精確控制隧道變形。

3.1.1 盾構(gòu)掘進速度控制

盾構(gòu)機掘進速度的設(shè)定應(yīng)與切削角度、 注漿匹配度一并考慮。 掘進速度必須適應(yīng)切刀的切削刃角度，務(wù)必使刀盤在前進中不斷旋轉(zhuǎn)切削土體，不能擠壓土體，以免造成土體擾動加劇或隆起過大；掘進速度與注漿速度相匹配， 使同步注漿液能夠填滿管片與土體的間隙，并注意保持一定的壓力；在推進過程中，可以保持一定的推進速度，以減少土體隨時間延長而增加的沉降趨勢。

通過對試驗段數(shù)據(jù)總結(jié)分析，可得出如下結(jié)論，掘進速度越均勻、變化幅度越小，對沉降影響越小，且沉降量也較??；反之，掘進速度變化幅度越大，對沉降影響越大，且沉降量也較大。 所以，盾構(gòu)應(yīng)勻速掘進，使刀盤充分切削土體，從而減少地層損失和對周圍土體的撓動。

3.1.2 土倉壓力控制

盾構(gòu)近距離穿越既有隧道時， 盾構(gòu)土倉土壓力與一般條件稍有差異，可按式（1）計算既有隧道產(chǎn)生土壓力的損失值ΔP。

式中：k 為隧道對盾構(gòu)的投影系數(shù)，垂直取1；γi為隧道范圍內(nèi)成層土容重；hi為隧道范圍內(nèi)成層土厚度；γc為鋼筋混凝土重度；D 為隧道管片厚度。

本項目土倉壓力理論計算值約為116.7 kPa，故設(shè)定土倉壓力為1 200 kPa， 保持略低于靜止土壓力，波動不大于10 kPa。同時，掘進時，嚴格控制總推力、推進速度、出土量等與土倉壓力有關(guān)的參數(shù)，以保持土壓穩(wěn)定。

3.1.3 既有隧道水平位移控制

在受刀盤、 土倉壓力和盾構(gòu)機體摩阻力的共同作用下，既有隧道在向上隆起的同時，會伴隨水平位移。 所以，當?shù)侗P接近既有隧道時，應(yīng)適當降低土倉壓力和掘進速度，并在盾殼注入膨潤土漿液，以減阻或降低同步注漿壓力，減小水平位移。 必要時，應(yīng)停止掘進，使水平位移回到容許值范圍。

3.1.4 渣土改良控制

案例中，在泡沫發(fā)泡率為3%、膨脹倍率FER＝14、混合液注入率為60%、每環(huán)原液使用量為80～90 L 的條件下，每環(huán)增加噴水10 m3，土面高度不低于土倉的2／3，利于渣土攪拌均勻，并且具有良好的坍落度。

3.2 克泥效法施工控制技術(shù)

3.2.1 克泥效法的特點

“克泥效”法施工材料是由合成黏土礦物、膠體穩(wěn)定劑和分散劑合成的一種粉劑材料。 該材料與水按照比例拌和成漿液后，與水玻璃混合攪拌，能膠結(jié)成不易被水稀釋、有一定支撐力、低強度的永不凝固的黏土。 在盾構(gòu)施工掘進的同時，注入克泥效材料，使其在同步注漿到達前填充間隙，并滲透上方土體，形成泥膜穩(wěn)定地層， 從而可以減少上方軟弱地層受擾動后的自然下沉。 克泥效法具有以下特點：（1）雙液混合反應(yīng)凝結(jié)時間為6～20 s， 混合完成后強度永不變化；（2）混合前單液流動性良好，遠距離泵送也不會堵管，不需要每環(huán)清理管路，施工便捷；（3）雙液混合后具有很好的抗水性和擋水性， 適用于富水地層及下坡區(qū)間；（4）具有較高承載力以及抗沉陷性，體積不易壓縮。

3.2.2 克泥效法的工藝流程

克泥效施工工藝流程如圖1 所示。

圖1 克泥效材料注入流程圖Fig.1 Flow chart of grouting

3.2.3 克泥效法的技術(shù)要求

（1）控制注入量和注入壓力。 使用克泥效法時，宜以填充間隙及時飽滿為主。 由于盾殼距離既有隧道的底部非常近，注入量過大，可能形成的注入壓力會對頂部既有隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。一般情況下，應(yīng)根據(jù)掘進速度調(diào)整注入流量，同時控制注入壓力，保證掘進、注入同步，不注入，不掘進。本工程案例采用克泥效400 kg、水846 L、水玻璃50 L 的配合比，保證克泥效溶液黏性強度在300 dPa·s 左右， 確保漿液流動性。 按140%～160%的注入率，每環(huán)A 液的注入量為1.0 m3，注入壓力為0.2～0.3 MPa，時間為25～30 min。 穿越既有地鐵隧道期間，克泥效注入壓力應(yīng)結(jié)合既有隧道自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)進行動態(tài)調(diào)整。（2）注入起止時間選擇。 考慮到盾構(gòu)機盾體的長度及盾構(gòu)施工的影響范圍，克泥效需在到達既有線前10 環(huán)開始注入，盾尾通過既有隧道后停止注入。 （3）注入位置確定。 受盾體自重的影響，盾構(gòu)機推進時，盾體下部會緊貼土體，因此開挖間隙主要集中在上部點位，需要在前盾頂部11 點鐘或1 點鐘位置的徑向孔單點連續(xù)注入克泥效材料，及時填充空隙。保證到達既有線前，盾體的周圍形成一道可靠的密封阻水黏土環(huán)，有效填充盾體與土體之間的間隙。這樣做，除有效控制盾殼上部土體沉降外， 還可阻止同步漿液流向土倉， 以使在提高同步注漿壓力調(diào)整沉降量時能夠起到密封作用，持續(xù)穩(wěn)定保持同步注漿壓力，達到預期控制效果。

3.3 同步注漿施工控制技術(shù)

在盾構(gòu)機掘進過程中， 在脫出盾尾的襯砌管片背后， 同步注入足量的漿液材料充填盾尾環(huán)形建筑的空隙技術(shù)， 稱之為同步注漿技術(shù)。 施工中應(yīng)按照“確保注漿壓力，兼顧注漿量”的原則，優(yōu)化設(shè)計漿液配合比，降低漿液析水率，縮短初凝時間，提高填充質(zhì)量， 使?jié){液充分填充管片與土體間的空隙且既有線不會過高隆起。 盾構(gòu)同步注漿壓力引起的地表最大豎向位移可按公式（2）［8］進行計算。

式中：P 為土壓力，kN／m2；Ru為盾構(gòu)刀盤開挖半徑，m；E 為彈性模量，MPa；h 為隧道埋深，m。

根據(jù)該隧道的具體參數(shù)（埋深h＝18 m，開挖面土壓力為P0＝265.2 kN／m2；Ru＝3.22 m； 彈性模量E為9 MPa；泊松比為0.31）可得，當注漿壓力P＝0.035 MPa 時，地面隆起值Umax＝0.2 mm；當注漿壓力P＝0.135 MPa 時，地面隆起值Umax＝0.9mm。在均勻注漿壓力作用下， 隧道上方地表沉降量隨著注漿壓力的增大而逐漸減小，但是當超過一定界值時，注漿位置上方土體處會產(chǎn)生隆起現(xiàn)象。 注漿壓力為0.30 MPa時，地表豎向位移值基本不變。 如地表隆起值偏小，可升高至0.4 MPa，保持隆起值穩(wěn)定在控制值范圍內(nèi)。

3.4 二次注漿施工控制技術(shù)

為了提高背襯注漿層的防水性及密實度， 解決同步注漿可能帶來的局部不均勻或因漿液固結(jié)收縮產(chǎn)生空隙，需要進行二次注漿。二次注漿作業(yè)流程如圖2 所示。注漿時，在確定需要二次注漿的管片環(huán)號后，根據(jù)現(xiàn)場實際情況，在下穿影響范圍內(nèi)采用每環(huán)一注的注漿方式。注漿位置選在隧道上部150.00°范圍內(nèi)，且避開封頂塊。 相鄰兩環(huán)管片采用隔點位注，具體注漿位置如圖3 所示。

圖2 二次注漿工藝流程Fig.2 Secondary grouting technological process

圖3 二次注漿范圍Fig.3 Secondary grouting range

本案例二次注漿配合比是：水泥漿液（水500 g、水泥400 g）∶水玻璃漿液（水200 g、水玻璃100 g）為1∶1。初凝時間在52 s 左右，太短不利于漿液擴散，太長無法對上方土體及時形成支撐作用， 不利于控制沉降。 在盾尾后部第2～3 環(huán)管片處，用氣動隔膜雙液注漿泵通過管片頂部12 點位或其他最高位的吊裝孔注入漿液。每環(huán)補漿0.5 m3左右，壓力控制在0.3 MPa 以上，達到控制土體沉降的效果。 二次注漿要做到適時、適量、低壓、多次，務(wù)必做到掘進和注漿同步進行，以防漿液抱死盾尾。

4 變形控制效果分析

4.1 現(xiàn)場監(jiān)測方案設(shè)計

本案例按橫向、 縱向和深層的順序進行沉降監(jiān)測點布置，如圖4 所示。 在進行橫向測點布置時，每5 環(huán)一個中心測點，每20 m 設(shè)1 個監(jiān)測斷面，每個斷面橫向布置15 個測點， 主要影響區(qū)測點間距為3～5 m，次要影響區(qū)測點間距為5～10 m。在進行縱向測點布置時，測點布設(shè)在隧道中線正上方，間距按盾體長度9 m 布設(shè)，按照既有隧道底部埋深15.8 m 埋設(shè)。這樣布置的目的在于分析和掌握盾構(gòu)掘進前、掘進過程中及掘進后對地表和拱頂以上2 m 位置的土體影響和具體沉降，并與理論計算的地表、深層15.8 m 處沉降數(shù)據(jù)進行比對， 以更準確地判定既有隧道沉降計算的合理性，為后期正式穿越提供參數(shù)。在進行深層測點布置時， 特殊的深層位移觀測樁埋設(shè)在地表監(jiān)測點附近，以便對應(yīng)檢查數(shù)據(jù)的可靠性。這種布置方法避免了傳統(tǒng)的磁環(huán)式分層沉降儀精度偏低，測繩法鉆孔直徑大、安裝復雜，對土體擾動較大等問題。

圖4 沉降監(jiān)測點的布置圖Fig.4 Layout of settlement monitoring points

4.2 變形控制效果評價

本案例左線盾構(gòu)下穿施工所引起的既有隧道道床位移曲線如圖5 所示。 由圖5 可知， 在施工過程中，既有地鐵軌道的沉降差、沉降量和水平位移量均得到很好的控制， 確保了地鐵隧道結(jié)構(gòu)和運營的安全。施工完成3 個月后，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，沉降已穩(wěn)定。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明： 既有隧道的襯砌和地表均有不均勻沉降，且最大沉降均在新建隧道正上方。左線穿越下行線道床結(jié)構(gòu)施工過程中最大豎向變形值為+4.2 mm，最終沉降值為1.73 mm；在上行線道床結(jié)構(gòu)施工過程中，最大豎向變形值為+2.3 mm，最終沉降值為－0.09 mm。 在右線穿越下行線道床結(jié)構(gòu)施工過程中，最大豎向變形值為+2 mm，最終沉降值為－0.61 mm。 在下行線道床結(jié)構(gòu)施工過程中，最大豎向變形值為+1 mm，最終沉降值為－1.39 mm。 與隆起最高值和最終沉降值相比， 差值在2.39～2.61 mm 之間，與理論計算值3.11 mm 基本一致。由此可見，本文采用的變形控制技術(shù)取得了良好的施工效果。

圖5 左線盾構(gòu)下穿施工所引起的既有隧道道床位移曲線Fig.5 Displacement curves of existing tunnel bed caused by left line shield construction

5 結(jié)語

（1）現(xiàn)場試驗段結(jié)果表明，既有隧道最大沉降值達3.11 mm， 盾構(gòu)下穿使前方既有線道床隆起3 mm；通過向盾殼注入克泥效材料和加大同步注漿及二次注漿壓力來維持隆起高度， 并配制高稠度、低收縮的同步注漿液，可使滯后固結(jié)沉降值縮小至1.00 mm。

（2）對土倉壓力按五階段進行細化控制；保持盾構(gòu)總推力14 000～15 500 kN，刀盤轉(zhuǎn)速1.0 r／min，掘進速度25～30 mm／min；泡沫發(fā)泡率為3%，膨脹倍率FER＝14；混合液注入率為60%，每環(huán)原液使用量為80～90 L，這些參數(shù)的設(shè)置取得良好效果。

（3）使用克泥效法時，宜以填充間隙及時、飽滿為主，采用優(yōu)化的配合比，保證克泥效溶液黏性強度約300 dPa·s；同步注漿以壓力控制為主、注漿量控制為輔， 位于既有線下方時控制在6.0 m3／環(huán)以上，壓力在0.3 MPa 左右，停機期間需間隔5～10 min 補注，壓力始終穩(wěn)定在0.3 MPa 左右；二次注漿以壓力控制為主，遵循“少量多次”的原則，使其壓力控制值不高于0.4 MPa，且土倉壓力無明顯升高。

（4）現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果表明，本文采用的多手段相結(jié)合的盾構(gòu)施工變形控制技術(shù)的實施取得了良好的施工效果。同時，還應(yīng)重視盾構(gòu)施工過程中的信息化監(jiān)測工作， 及時反饋監(jiān)測結(jié)果和調(diào)整優(yōu)化各項施工參數(shù)。 這些是安全順利完成下穿工程施工的前提和保證。