盾构下穿地铁运营隧道沉降规律分析*

杨志勇，江玉生，颜治国，江 华

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京100083)

0 引言

随着地铁工程的大规模建设，不可避免地会遇到地铁线路之间的换乘、交叉，随之而来的是现场施工中地铁车站、区间隧道互相穿越的工程问题［1－3］。新建盾构隧道下穿地铁运营隧道安全控制等级要求高，社会影响面大［4］，下穿过程中将不可避免地对运营隧道结构安全和正常运营造成影响，因此对盾构下穿运营隧道结构沉降规律及沉降控制措施进行研究，对确保运营隧道的正常运行和安全是非常有必要的。

国内学者对盾构施工引起地层变形规律和施工控制措施进行了大量的研究工作，取得了良好的效果［4－12］。随着近些年盾构下穿既有线工程的增多，对盾构下穿既有线沉降规律及控制措施也进行了相关的研究工作，比较有代表性的有:丁传松、杨兴富、胡群芳、黄宏伟等研究发现盾构穿越既有线施工中隧道变形与盾构类型、地质条件、注浆施工控制及线路姿态调整等紧密相关［13－15］。陈德智对盾构下穿运营隧道超前注浆加固措施进行了研究。姜华龙对盾构下穿地铁车站的超前物探、超前加固及相关沉降控制措施进行了研究。张志强、何川以南京地铁盾构下穿玄武湖隧道为工程背景，对盾构施工参数与玄武湖隧道结构沉降关系进行了深入的研究，提出了盾构下穿玄武湖隧道应采用低推力－缓慢掘进的推进模式。韶华针对上海地区大直径泥水平衡盾构下穿地铁运营隧道结构变形规律进行了研究，分析了变形影响主要因素，得出了既有隧道的沉降主要发生在管片拼装阶段的结论。

目前盾构下穿运营隧道前大多采取超前预加固措施对运营隧道进行加固，然后盾构再下穿的施工方案。这种方案虽然相对比较安全，但同时带来工程造价较高的问题。文中以北京地铁14号线阜通西站—望京站盾构区间隧道(简称阜～望区间)下穿15号线运营隧道为工程背景，研究在不采取超前预加固措施的基础上，盾构下穿地铁运营隧道施工技术及运行隧道结构沉降规律。研究结果具有较强的工程实用价值，也可为国内外类似盾构下穿既有线工程提供借鉴。

1 工程背景

阜～望区间左右线均采用海瑞克土压平衡盾构施工，盾构开挖直径6.28 m，隧道埋深12.1～18.1 m，线间距15.3 ～17.9 m，工程平面图如图1所示。左右线盾构均由望京站始发，右线在29～63环下穿15号线，左线在39～72环下穿15号线，下穿段左右线线间距17 m.既有15号线隧道采用盾构法施工，隧道管片外径6.0 m，内径5.4 m，环宽1.2 m，修建于2009年，盾构距离15号线隧道1.95 m，穿越地层为粉质粘土层夹粉土层，如图2所示。

图1 阜～望区间平面图Fig.1 Interval between Futong west station and Wangjing station layout

2 15号线隧道结构监测

15号线隧道结构沉降采用静力水准仪进行自动化监测，测量精度0.1 mm，测点布设在管片侧壁上，每条隧道上共布设9个测点，测点布设详如图3所示，15号线隧道结构控制标准3 mm.

图2 15号线运营隧道结构沉降测点布置图Fig.2 Line15 metro tunnels construction settlement measure point arrangement plan

3 盾构下穿15号线施工情况

3.1 右线盾构下穿15号线(首次穿越)

2013年10月10日17点盾构开始下穿15号线运营隧道，10年13日3点下穿完毕。总推进距离35 m(29环)，盾构主要掘进参数及相关措施详见表1.右线盾构下穿15号线下行线过程中，隧道结构沉降较大，刀盘到达时，最大累计沉降已经达到5.18 mm，有鉴于此，盾构下穿上行线时提高了土压力，将上土压力由0.09～0.11 MPa提升至0.12 ～0.14 MPa，下行线隧道结构沉降较上行线要小，但仍然超标。

3.2 左线盾构下穿15号线(二次穿越)

针对右线盾构下穿15号线运行隧道沉降控制超标问题，左线下穿过程中采取了下列措施来控制沉降。

1 )进一步提高土压力，将上土压力提高至0.15 ～0.19 MPa;

2 )调整同步注浆浆液配比，增加水泥量，浆液初凝时间控制在4 h以内;

3 )随着盾构掘进，在距离盾尾4环处及时进行二次补浆，补浆压力控制在0.35 MPa;

4 )盾构掘进过程中，通过盾体上的径向注浆孔每环注入0.5 m3克泥效产品，注入压力控制在0.2 MPa，填充盾体与土体之间的空隙。

2014年1月11日23点左线盾构开始下穿15号线运行隧道(二次下穿)，1月13日22点下越完毕，穿越过程中通过采取以上措施，15号线隧道结构沉降较右线穿越(首次下穿)要小，盾构上方测点最大累计沉降在2.04～2.75 mm，小于控制标准3 mm.

表1 盾构下穿15号线运营隧道掘进参数及相关措施Tab.1 Advance parameters of shields underneath passing Line 15 and controlling measures

4 沉降规律分析

右线盾构下穿15号线运营隧道(首次下穿)，盾构上方测点累计沉降量较大，上方测点Z07和Z08(下行线)，测点Y06和Y07(上行线)沉降历时曲线如图3和图4所示。

左线盾构下穿15号线上行线运营隧道(二次下穿)，盾构上方测点Z03和Z04(下行线)，测点Y02和Y03(上行线)沉降历时曲线如图5和图6所示，左线下穿完毕后15号线上行线隧道结构沉降槽如图7所示，下行线隧道结构沉降槽如图8所示。

盾构施工引起的纵向沉降可以划分为刀盘到达前沉降、刀盘到达至盾尾脱出沉降、盾尾脱出后沉降这3个阶段，横向沉降可以划分为显著影响区域(区域内沉降大于最大累计沉降的20%)和弱影响区域(区域内沉降小于最大累计沉降的20%)，盾构下穿15号线隧道结构沉降规律详见表2.

图3 测点Z07和Z08沉降历时曲线Fig.3 Settlement duration curve of Z07 and Z08

图4 测点Y06和Y07沉降历时曲线Fig.4 Settlement duration curve of Y06 and Y07

图5 测点Z03和Z04沉降历时曲线Fig.5 Settlement duration curve of Z03 and Z04

图6 测点Y02和Y03沉降历时曲线Fig.6 Settlement duration curve of Y02 and Y03

图7 15号线下行线隧道结构沉降槽Fig.7 Structural settler of Line 15 downlink tunnels

图8 15号线上行线隧道结构沉降槽Fig.8 Structural settler of Line 15 uplink tunnels

右线盾构下穿15号线下行线(首次穿越)，由于土压力控制偏低，导致刀盘到达前隧道结构沉降达到 －4.4～ －5.18 mm，占最大累计沉降的46%～54%，而右线盾构下穿上行线，提高土压力后，刀盘到达前隧道结构沉降 －0.03～ －0.41 mm，占最大累计沉降的0.3% ～5%.左线下穿15号线(二次穿越)进一步提高土压力后，刀盘到达前隧道结构发生了轻微的隆起，因此设定较高的土压力，能够有效减小和避免刀盘到达前的沉降。

由于刀盘开挖直径大于盾尾直径(如本工程海瑞克盾构刀盘开挖直径6.28 m，盾尾直径6.25 m)，刀盘到达至盾尾脱出如不采取措施的话，不可避免的会发生沉降。右线盾构下穿15号线(首次穿越)，在没有采取措施的情况下刀盘到达至盾尾脱出，隧道结构发生的沉降在－1.93～－2.4 mm.左线盾构下穿15号线(二次穿越)，通过盾体上的径向注浆孔注入0.5 m3克泥效产品，填充盾体与土体之间的空隙，还造成了刀盘到达至盾尾脱出阶段15号线运营隧道结构发生了轻微的隆起。通过盾体上的径向注浆孔注入填充物，可以减小和避免刀盘到达至盾尾脱出这一阶段的沉降。

盾尾脱出后15号线隧道结构发生沉降是不可避免的，但仍然可以通过提高同步注浆浆液质量(缩短浆液初凝时间，提高浆液结石率)和及时进行二次补浆来减小盾尾脱出后的沉降。

通过盾构下穿15号线运营隧道沉降规律来看，盾构施工引起的横向沉降范围与施工参数基本无关，在不考虑左右线叠加效应的情况下，显著影响区域在0～2 D.但是二次穿越有明显的叠加效应，左右线叠加区域，显著影响区域在0～4 D.

表2 盾构下穿15号线隧道结构沉降规律Tab.2 Settlement regularity of Shields underneath passing Line 15

5 结论

盾构下穿15号线运营隧道，通过设定较高的土压力，采用盾体上的径向注浆孔向盾体和土体之间的空隙注入填充物，提高同步注浆浆液质量和及时进行二次补浆等措施能够有效减小运营隧道结构沉降。

盾构施工引起15号线运营隧道的横向沉降范围与施工参数基本无关，左右线穿越有明显的叠加效应，叠加区域内，横向沉降显著影响区域在0～4 D.

在不采取超前预加固措施的基础上，仅通过合理设定盾构施工参数和隧道内采取相关措施，能够将15号线隧道结构沉降控制在－3 mm以内。

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