南京地鐵軟流塑地層盾構(gòu)下穿既有隧道處理加固技術

劉新軍，田俊峰，葉萬軍，張磊霄，王 巖，馬寶芬

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司，西安 710043；2.西安科技大學建筑與土木工程學院，西安 710054；3.長安大學公路學院，西安 710054)

隨著城市地鐵建設的發(fā)展，多條線路的換乘站點建設中上下穿現(xiàn)象普遍出現(xiàn)，新地鐵的修建中保障既有運行隧道的問題愈來愈凸顯。目前，學者們關于穿越問題對地層及既有隧道的加固的案例有很多。鄧指軍[1]在上海2號線龍陽路穿越段內(nèi)使用微擾動注漿加固技術，試驗結(jié)果表明，注入雙液漿對減小既有隧道的沉降有顯著的效果，并通過試驗確定了施工工藝和施工參數(shù)。楊春山等[2]以廣州某盾構(gòu)隧道為背景，采用有限元軟件得到了盾構(gòu)掘進對既有隧道位移的影響規(guī)律，建議兩線隧道相交處側(cè)向2D(D為隧道洞涇)范圍內(nèi)土體進行局部加固，保證既有隧道的安全。楊樹才等[3]以南京地鐵珠江路站北端下穿建筑物和污水管工程為背景，采用小導管超前預注漿+大管棚+掌子面注漿的方式有效加固了軟流塑地層，控制了地面沉降變形。彭紅霞等[4]以南京地鐵3號線大明路站-明發(fā)廣場站穿越箱涵及群樁基礎工程為背景，對比分析了4種群樁處理技術方案，最后選定基底加固后箱涵托換+劈裂注漿加固地層，并取得了很好的效果。蘇明[5]以南京地鐵3號線明發(fā)廣場站下穿秦淮河支流農(nóng)化河為背景，采用長管棚+小導管超前支護，雙液漿全斷面深孔加固保證了工程的順利進行。龔洪祥等[6]以南京地鐵1號線南延線花神廟站-南京南站隧道下穿建筑物為背景，采用超前大管棚+超前徑向注漿小導管+掌子面注漿的方式確保了隧道及地面建筑物的安全。

南京地鐵5號線三山街站-朝天宮站盾構(gòu)區(qū)間隧道位于軟流塑地層[7-10]中，且盾構(gòu)出三山街站后需要下穿既有地鐵1號線，1號線作為南京交通運輸線中最重要路線之一，5號線的施工必須保證它的正常運營，因兩線凈距較小，需要對地層進行加固處理?，F(xiàn)根據(jù)工程具體情況，對比分析三種加固方案的加固效果并選取一種最優(yōu)方案，為設計和施工提供理論指導。

1 工程概況

1.1 區(qū)間概況

南京地鐵5號線工程D5-XK04標三山街站～朝天宮站區(qū)間由中山南路和升州路交匯處三山街站，沿升州路西行，于倉巷處北拐，下穿秦淮區(qū)朝天宮街道綜合治理辦公室、天后宮等建筑至莫愁路，止于莫愁路和建業(yè)路交匯處，區(qū)間左線設計里程YK24+992.595～YK26+427.247，長約1 434.6 m，區(qū)間右線設計里程ZK24+992.595～ZK26+445.200，長約1 452.6 m，區(qū)間埋深8.74～26 m，采用盾構(gòu)法施工，區(qū)間斷面形式為圓形雙洞，隧道外徑6.2 m，底板埋深為16.7～29.3 m，設計坡度為4‰～27.7‰。

區(qū)間隧道出三山街后下穿1號線，兩線之間凈距僅3.9 m，兩線位置關系如圖1所示。1號線隧道直徑6.2 m，內(nèi)徑5.4 m，管片厚度0.35 m，每節(jié)管片長1.2 m，襯砌采用C50鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。此外地表建筑物密集，其中包括中國工商銀行高層建筑，此地段交通繁忙、地下管線分布復雜，抵消管線遷改難度大、費用高。

新建5號線區(qū)間隧道穿越的地層主要為粉砂層和粉質(zhì)黏土夾團塊狀粉細砂層，圍巖級別Ⅵ級，極易坍塌變形，巖土工程施工等級Ⅰ級。

圖1 5號線和1號線相對位置圖Fig.1 Relative position map of Line 5 and Line 1

1.2 水文條件

根據(jù)勘察資料揭示的地層結(jié)構(gòu)和地下水的賦存條件，本場地地下水以孔隙潛水為主，由于場地部分地段中上部及中下部軟弱黏性土層與軟弱黏性土層中的砂層透鏡體、砂性土及含卵礫石粉質(zhì)黏土滲透性差異較大，砂性土層及含卵礫石粉質(zhì)黏土微具承壓性。

2 地層加固方案

在軟弱圍巖段修建隧道較常規(guī)的預加固措施有超前管棚[11-14]、超前小導管[15-16]、超前注漿[17-19]、超前錨桿[20-22]和地表袖閥管注漿加固[23-25]等，且各種預加固措施及多種預加固措施聯(lián)合使用時在很多實際工程中得到了成功驗證。針對具體工程提出了3種地層加固方案，具體如下：

方案1管棚+水泥土攪拌樁+袖閥管注漿聯(lián)合加固。

在1號線隧道底部下方0.5 m以及5號線隧道頂部上方0.5 m分別打設一排大管棚，沿5號線大里程方向打設36 m，即沿5號線方向各延伸超出1號線1D范圍，打設寬度為34 m，即沿1號線方向各延伸超出5號線1D范圍，上層管棚進行管內(nèi)填充，下層管棚對地層進行注漿加固。在1號線兩線之間區(qū)域以及外側(cè)兩部分區(qū)域使用φ800 mm@φ1 400 mm(鋼筋布置：直徑2 800 mm，間距 1 400 mm 排布)水泥土攪拌樁加固。兩側(cè)部分打設2排攪拌樁，加固寬度為3.0 m，加固范圍邊界距1號線拱腰邊緣1.9 m；1號線兩線之間共打設4排攪拌樁，加固寬度為5.6 m，加固范圍邊界距1號線拱腰邊緣2.2 m，底部延伸至五號線拱底1D范圍內(nèi)。地面打設袖閥管對1號線下部土體進行加固，袖閥管直徑為φ50 mm，沿1號線方向打設袖閥管，呈梅花狀布置，袖閥管之間間距為1 m，沿1號線方向兩側(cè)各延伸超出5號線外側(cè)1D范圍，豎向只加固1號線正下方土體。

方案2微擾動注漿加固。

在既有隧道落地塊兩端未設置垂直于下臥土層的注漿孔，應根據(jù)1號線隧道管片襯砌圖紙避開鋼筋而不致?lián)p壞襯砌結(jié)構(gòu)，將注漿管從既有1號線鐵路線旁排水溝內(nèi)打入。經(jīng)查閱相關研究文獻可知，漿液在軟土層中擴散半徑約為0.6～0.7 m，管片襯砌寬度為1.2 m，所以注漿管縱向間距設為1.2 m，即每環(huán)管片設一豎向注漿孔。1號線和5號線凈距為3.9 m，初步設定豎向加固范圍為3.5 m，縱向上左右延伸出五號線隧道各1D范圍。圖2為注漿區(qū)域斷面圖。

圖2 注漿區(qū)域斷Fig.2 Section of grouting area

方案3水平旋噴樁(MJS)加固。

采用MJS工法對新建左右隧道拱頂周圍0.5 m范圍進行水平注漿加固，沿5號下大里程方向打設40 m。單個水平旋噴樁為有效直徑0.5 m的半圈區(qū)域，咬合0.2 m，旋噴樁擺噴區(qū)域為上半圓的270°范圍，5號線MJS工法樁左右各43根。具體分布如圖3所示。

圖3 水平旋噴樁(MJS)加固剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of horizontal jet grouting pile (MJS) reinforcement

3 沉降控制標準

軟、流塑地層中，盾構(gòu)掘進過程會對土體產(chǎn)生較大的擾動，對運營隧道的安全性和穩(wěn)定性的判斷，主要以既有運營隧道的累積變形值作為主要依據(jù)。參考規(guī)范,既有地鐵結(jié)構(gòu)變形控制標準為20 mm，預警值為10 mm，當既有隧道出現(xiàn)10 mm的位移時，應采取相應措施進行控制。

4 盾構(gòu)隧道施工數(shù)值模擬

4.1 計算參數(shù)取值

根據(jù)勘察資料，穿越段地層加權(quán)平均后各土層由上向下依次為①雜填土；②淤泥質(zhì)填土；③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土；④粉質(zhì)黏土夾粉土；⑤粉砂；⑥粉質(zhì)黏土夾團塊狀粉細砂；⑦含卵礫石粉質(zhì)黏土(混中粗砂)；⑧粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。各土層參數(shù)如表1所示。

加固體在數(shù)值模擬時均按彈性材料考慮，查閱相關資料，選定各加固體的力學參數(shù)取值如表2所示。

表1 土層物理力學參數(shù)Table 1 Soil physical and mechanical parameters

表2 加固體參數(shù)Table 2 Solidification parameter

4.2 計算模型

利用Midas GTS NX有限元軟件對盾構(gòu)掘進過程進行模擬，根據(jù)依托工程新建盾構(gòu)隧道與既有隧道的相互位置關系建立三維數(shù)值模型，模型尺寸：L×W×H=96 m×72 m×50 m，如圖4所示為不存在加固措施的有限元模型。既有隧道埋深11.6 m，新建隧道埋深21.85 m。模型共48 052個節(jié)點，117 515個單元，土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，圍巖和注漿層采用3D實體單元，隧道襯砌和盾構(gòu)機采用2D板單元。對整體固定底部邊界，模型四周限制水平位移，地表面不采取約束，為自由邊界。

地層加固在進行數(shù)值分析時均以改變加固位置土體參數(shù)的方法實現(xiàn)，如圖5分別為方案1～方案3在有限元軟件中的實現(xiàn)形式。

圖4 整體模型Fig.4 Overall model

圖5 三種方案加固實現(xiàn)形式Fig.5 Reinforcement realization form of three schemes

5 計算結(jié)果分析

5.1 方案1結(jié)果分析

選取既有隧道左線正上方地表研究地表沉降，選取既有隧道左線拱底研究既有隧道豎向位移，選取左線外拱腰研究既有隧道的水平位移。結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6 地表沉降最終沉降曲線對比Fig.6 Comparison of final settlement curves of surface settlement

圖7 既有隧道左線拱底豎向位移曲線Fig.7 Vertical displacement curve of the left bottom arch of existing tunnel

圖8 既有隧道左線外拱腰水平位移曲線Fig.8 Horizontal displacement curve of the arch waist outside the left tunnel of the existing tunnel

由圖6和圖7可以看出，左線施工過程中，地表和既有隧道左線沉降峰值點一直位于左線拱頂正上方，沉降槽寬度逐漸減小，地表沉降曲線和隧道變形曲線呈“V”形。右線施工過程中，地表沉降峰值點逐漸向中線轉(zhuǎn)移，最終地表沉降曲線呈“U”形。既有隧道位移峰值點逐漸向右線方向移動，最終最大沉降值并不位于盾構(gòu)正上方，且該側(cè)峰值大于盾構(gòu)左線一側(cè)沉降最大值，兩側(cè)最大沉降值均向中線方向偏移，兩峰值點區(qū)間內(nèi)的測點與兩側(cè)峰值點距離越遠，沉降值越小，在中心線處達到最小，既有隧道變形曲線由“V”形變?yōu)椤癢”形。

由圖8可以看出，既有隧道的水平位移整體偏向Y軸負方向，當盾構(gòu)經(jīng)過1號線左線隧道下方后，隧道的水平位移向Y軸正向偏移，位于開挖面上方的部分測點的偏移值較大；右線開始施工至1號線左線隧道下方時，既有隧道的水平位移整體向Y軸負向，位于右線正上方部分測點偏移量較大，當盾構(gòu)經(jīng)過1號線左線隧道下方后，水平位移整體偏向Y軸正方向。對這一現(xiàn)象的解釋是，盾構(gòu)向前掘進時掌子面的土體向盾構(gòu)機方向發(fā)生側(cè)向位移，前方土體發(fā)生擾動，出現(xiàn)向開挖面運動的趨勢，隧道隨開挖面的變化在水平方向逐漸偏移。

5.2 方案2結(jié)果分析

該方案選取斷面與方案1相同，結(jié)果如圖9～圖11所示。

由圖9可以看出，對于地表沉降，左線施工時最大值一直位于盾構(gòu)左線正上方，變形曲線呈“V”形；右線施工時最大值逐漸向中線轉(zhuǎn)移，最終變形曲線呈“V”形。

圖9 地表沉降最終沉降曲線對比Fig.9 Comparison of final settlement curves of surface settlement

圖10 既有隧道左線拱底豎向位移曲線Fig.10 Vertical displacement curve of the left bottom arch of existing tunnel

由圖10可以看出，左線施工過程中，既有隧道沉降峰值點一直位于左線拱頂正上方，既有隧道變形曲線呈“V”形；右線施工過程中，峰值點逐漸向右線拱頂正上方移動，兩峰值點區(qū)間內(nèi)的測點與兩側(cè)峰值點距離越遠，沉降值越小，在中心線處達到最小，既有隧道變形曲線由“V”形變?yōu)椤癢”形。

圖11 既有隧道左線外拱腰水平位移曲線Fig.11 Horizontal displacement curve of the arch waist outside the left tunnel of the existing tunnel

由圖10和圖11可以看出，既有隧道的水平位移方向更加偏向于開挖面。左線施工時，當盾構(gòu)首次到達1號線左線隧道下方時，既有隧道的水平位移整體偏向Y軸負方向，當盾構(gòu)經(jīng)過隧道下方后，隧道的水平位移向Y軸正向偏移，位于開挖面上方的部分測點的偏移值較大；右線施工時，位于右線開挖面上方的測點的位移值也逐漸向Y軸正方向偏移。

5.3 方案3結(jié)果分析

該方案選取斷面與方案1和方案2相同。結(jié)果如圖12～圖14所示。

圖12 地表沉降最終沉降曲線對比Fig.12 Comparison of final settlement curves of surface settlement

圖13 既有隧道左線拱底豎向位移曲線Fig.13 Vertical displacement curve of the left bottom arch of existing tunnel

圖14 既有隧道左線外拱腰水平位移曲線Fig.14 Horizontal displacement curve of the arch waist outside the left tunnel of the existing tunnel

MJS水平旋噴樁加固方式與微擾動注漿加固方式的既有隧道的豎向、水平位移和地表豎向位移變化規(guī)律基本相同。

5.4 對比分析

通過前述三種預加固措施的數(shù)值模擬分析，得出了既有隧道、地表的變形結(jié)果，并分別進行了分析。為了明確各種預加固措施的加固效果，將施加三種預加固措施下既有隧道和地表的變形值進行對比分析，如表3所示。

表3 位移對比表Table 3 Displacement comparison table

僅從最終的變形數(shù)據(jù)上分析，攪拌樁+管棚+袖閥管注漿的加固效果明顯優(yōu)于另外兩種預加固措施，且該措施是根據(jù)南京地區(qū)軟流塑地層盾構(gòu)下穿工程獨創(chuàng)的一種加固方案，該方案的成功實現(xiàn)將為今后類似工程提供可靠的借鑒。

5.5 施工參數(shù)影響分析

僅討論盾構(gòu)施工中土艙壓力和注漿壓力的變化對既有隧道的影響規(guī)律。配合前述所選攪拌樁+管棚+袖閥管注漿聯(lián)合加固措施給出施工參數(shù)范圍。

土艙壓力的取值分別設置0.1、0.15、0.19(設計工況)、0.24、0.30 MPa。以土艙壓力0.10 MPa時最終位移為基準，作出土艙壓力對隧道變形的減小比率圖，如圖15所示。注漿壓力的取值分別設置0.20、0.28、0.35(設計工況)、0.40、0.45 MPa進行分析。以注漿壓力0.20 MPa時最終位移為基準，做出注漿壓力對隧道變形的減小比率圖，如圖16所示。

圖15 位移增長率隨土艙壓力增長曲線圖Fig.15 Displacement growth rate with soil tank pressure growth curve

圖16 位移增長率隨注漿壓力增長曲線圖Fig.16 Displacement growth rate with grouting pressure growth curve

從既有隧道最大位移隨土艙壓力的變化規(guī)律來看，土艙壓力的增大在一定程度上會限制隧道的豎向位移，但并非越大控制效果越明顯，由圖15可以看出，當土艙壓力增大到一定值時，位移增長率曲線變緩。經(jīng)數(shù)據(jù)分析，當土艙壓力在0.19 MPa以內(nèi)變動時，對隧道的豎向位移控制效果較顯著，其次在實際施工過程中，保證土艙壓力平衡開挖面水土壓力是首要條件，可適當調(diào)整土艙壓力值，以使隧道結(jié)構(gòu)及地表變形最小。從既有隧道最大位移隨注漿壓力的變化規(guī)律來看，注漿壓力的增大在一定程度上會限制隧道的豎向位移，且從現(xiàn)有數(shù)據(jù)來看，控制增長率與注漿壓力基本呈正比例關系。在實際施工過程中，注漿壓力不宜過大，以防水泥漿液劈裂土體造成土體破壞，應實時進行監(jiān)測，以期調(diào)整注漿壓力控制地層及既有隧道的變形。

6 結(jié)論

(1)通過對3種預加固措施的加固效果進行計算分析，判定攪拌樁+管棚+袖閥管注漿的加固效果明顯優(yōu)于另外兩種預加固措施，該方案的成功實現(xiàn)將為今后類似工程提供可靠的借鑒。

(2)對兩隧道中間地層采用預加固措施后，地表及既有隧道仍然會產(chǎn)生不均勻變形，盾構(gòu)施工時，距離盾構(gòu)機越近，對地表及既有隧道產(chǎn)生的影響越大。最終地表沉降沉降的曲線呈“V”形，隧道拱底豎向變形曲線呈“W”形，水平變形曲線無規(guī)則形狀，其位移變化規(guī)律與盾構(gòu)開挖面移動關系較大。

(3)在已選定預加固措施情況下研究了土艙壓力和注漿壓力對既有隧道的影響情況，表明當土艙壓力在0.19 MPa以內(nèi)變動時，對隧道的豎向位移控制效果較顯著?？刂圃鲩L率與注漿壓力基本呈正比例關系，在實際施工過程中，注漿壓力不宜過大，以防水泥漿液劈裂土體造成土體破壞，應實時進行監(jiān)測。