土压盾构浅覆土近距离上跨既有隧道施工技术

王显根

（济南市交通工程质量与安全中心，山东济南 250014）

1 背景

随着城市轨道交通建设的不断发展、地铁线路的增多，不可避免地出现上跨下穿的相交布置。万俊峰[1]以郑州地铁2 号线某站区间隧道在富水粉细砂地层中长距离下穿多条有压混凝土给水管线为例，分析盾构隧道下穿产生不均匀沉降导致地层土体变形的施工风险，得出地层沉降主要受刀盘结构形式、刀盘支撑形式（影响渣土改良效果） 、渣土改良剂在刀盘上的注入位置3 方面影响。陶永虎[2]等以贵阳市轨道交通1号线火车站站—沙冲路站暗挖区间隧道为依托，选择下穿客运站台、铁路股道及行包地道特殊段为研究对象，研究了铁路路基沉降的纵向分布曲线，施工监测数据验证了模拟计算的可行性。宋方方[3]采用软件数值仿真模型研究了盾构双线隧道不同步施工对地表沉降的影响，实际工程验证了模拟计算的可行性。文献[4-6]对土压平衡盾构侧穿桥桩施工技术进行了研究；陈晓忠[7]研究了复杂地质条件下重叠隧道进洞施工技术；文献[8-11]基于FLAC3D模拟研究了盾构穿越施工对桥梁桩基稳定性影响，通过模拟数据与监测数据对比，验证了加固对控制地面沉降、桥桩变形的有效性；迟胜超等[12]总结分析了各种不同类型的邻近或穿越既有线形式，提出了轨道交通结构工前状态调查、评估的内容及方法，针对实际工程进行了评估并提出了风险管控建议。文献[13-14]研究了软土地层盾构施工沉降及注浆加固理论。少有文献针对盾构上跨既有线路研究既有隧道的受力及变形问题，常规的盾构上跨既有隧道施工多采用下部隧道支撑防护的方法，少有对其受力变形进行计算研究。为此，本文以济南地铁2号线出入场线盾构浅覆土上跨开源路站—烈士陵园站区间既有隧道施工为背景，研究盾构浅覆土上跨既有隧道变形控制技术。

济南地铁2号线姜家庄出入线单线长847 m，采用土压平衡盾构施工。姜家庄出入场线与已建成的开源路站—烈士陵园站盾构区间平面相交。左线竖向最小净距3.1 m，重叠长度约80 m，右线竖向最小净距5.5 m，重叠长度约82 m。区间覆土厚度7.7～13.6 m，线间距9.0～18.0 m；盾构由出入线始发井始发，掘进到烈士陵园站吊出，使用1台盾构完成出入线施工。既有线隧道由另一施工单位施工，出入线盾构施工具备始发条件时，既有隧道已铺轨完成并进行运行调试。

出入线左线上跨开源路站—烈士陵园站区间既有隧道掘进地层为<1-1>层素填土、<9-1>层粉质黏土、<10-1>层中粉质黏土、<10-2>层黏土、<12-1>层碎石；右线上跨开源路站—烈士陵园站烈区间既有隧道掘进地层为<1-1>层素填土、<9-1>层粉质黏土、<10-1>层中粉质黏土、<12-1>层碎石。填土层厚度变化较大，一般厚度约0～3.6 m。填土层之下深度0.4～23.5 m分布粉质黏土，深度1.0～24.8 m为第四系全新统的黏性土、碎石、块石、含碎石粉质黏土、残积土；场地下伏基岩以奥陶系石灰岩、燕山期闪长岩为主。

左右线盾构隧道均处于地下水位以下，地下水类型为松散岩类孔隙含水层。

2 数值模拟

2号线出入线隧道盾构上跨既有隧道，对既有隧道管片产生挤压变形的风险较大，为此对出入场线隧道施工进行模拟，根据模拟数据针对变形部位采取针对性的预加固措施，保证既有隧道安全。本文采用土木工程常用软件Midas GTS NX对上跨既有隧道进行数值模拟,模拟盾构施工过程对周围环境、既有隧道变形、岩土体材料变形的影响。

2.1 计算模型、边界及载荷

模型选取盾构隧道周边50 m、深度大于5倍隧道半径，模型250 m（长）×100 m（宽）×50 m（高），盾构施工有较好的防水密封性，模拟计算中不考虑地下水渗流作用，采用单力学分析模式进行计算；各地层采用摩尔-库仑本构的三维实体单元模拟，盾构管片采用弹性本构的二维板单元进行模拟。

假定计算边界处已不受隧道开挖的影响，即该处为静止的原始应力状态，变形为零，采用约束来模拟。计算边界条件：竖向边界约束水平位移，水平底部边界约束竖向位移，顶部为无约束的自由面。计算模型及网格划分如图1所示。

图1 计算模型及网格划分示意图

采用太沙基松动土压理论计算土压，选取盾构中心点处静止土压力为盾构支护压力，出场线土压力计算结果为91.9 kPa，入场线理论计算结果为85.4 kPa。仿真计算中出场线支护压力设为110 kPa，入场线支护压力设为105 kPa。出入线盾构支护压力示意图如图2所示。

图2 出入线盾构支护压力示意图

2.2 模拟计算步序

（1）初始应力场建立。模型首先进行弹性计算，使土体达到开挖前的固结状态，并形成初始应力场。

（2）既有线施工。初始应力场建立后位移清零，加入既有线，使其开挖完成并施加区间管片作用。

（3）位移清零。对模型已有工况进行位移清零，保证出入线开挖前的初始状态。

（4）出入线施工。模拟出入线隧道实际施工情况，先施工出场线，后施工入场线，由1台盾构完成出入线施工。

（5）根据出入线上跨投影区域划分，出场线模型分3部分（上跨前128 m +上跨中80 m +上跨后42 m）。依序开挖各段出场线并施加支护压力，并激活相应的出场线管片单元，待出场线施工完成后开挖入场线。

（6）根据上跨投影区域划分，入场线模型分3部分（上跨前45 m +上跨中82 m +上跨后123 m）。依序开挖各段入场线并施加支护压力，并激活相应的入场线管片单元，模拟施工结束。

2.3 模拟结果分析

（1）图3为出入线区间盾构上跨掘进过程中既有隧道竖向位移云图，由图3可见，出入线区间盾构上跨掘进过程中对既有隧道产生偏压影响，既有隧道竖向位移约3.38 mm，小于3.5 mm，无需采取洞内支撑措施。

图3 既有隧道竖向位移云图（单位：m）

（2）图4、图5为运营期间列车荷载下既有隧道弯矩云图和轴力云图，由图4可知运营期间列车荷载下既有隧道弯矩为366.7 kN·m，由图5可知运营期间列车荷载下既有隧道拱顶轴力为1 193 kN。此段管片采用配筋加强C型管片，满足要求。

图4 运营期间列车荷载下既有隧道弯矩云图（单位：kN · m）

图5 运营期间列车荷载下既有隧道轴力云图（单位：kN）

3 盾构掘进施工控制

3.1 施工环境勘察

查看实际工程环境与地勘资料的一致性，对有异议的部位，联合建设单位、监理、地勘单位进行进一步勘察，根据实际的勘察资料修正优化施工方案；进一步掌握盾构施工影响范围内的地下水位变化情况、线路区域地面覆土的变化情况，以利于正确控制盾构掘进的土压力、同步（二次）注浆参数。

调查既有隧道的施工情况，详细记录管片的错台、渗水、破裂等情况，同步（二次）注浆压力及方量，检测隧道轴线标高、圆度、水平（垂直）收敛，根据调查数据确定是否需要补浆加固管片。

3.2 监控量测

3.2.1 监测要求

根据施工监测方案布设现场监测网，在盾构上跨既有隧道施工期间做好既有隧道管片变形和地表沉降监测，根据监测数据反馈信息迅速调整、优化盾构掘进参数，减小地表沉降变形量及既有线隧道变形量。

将盾构上跨既有线后20环作为盾构穿越后的沉降稳定阶段，在此期间仍需要对既有隧道进行密切监测，如果既有隧道出现较大沉降应及时对既有隧道进行注浆加固。

3.2.2 监测内容

（1）地表监测。在盾构上跨既有隧道两侧范围内，垂直于盾构推进方向各设置2道地表沉降观测断面，沿隧道中线上方地面设置1道地表沉降观测断面，地表沉降监测频率2次/天。

（2）洞内监测。在盾构上跨施工时，在既有隧道拼装好的管片上布置隧道沉降监测点及净空收敛监测点，及时了解既有隧道在上跨施工后的沉降及管片变形，以指导施工。沉降点布置在管片拱底块的平台上，点位对称布置，在影响范围内每5环管片布置2组。净空收敛监测点，在影响范围内每5环管片布置1组。隧道内沉降监测频率2次/天，净空收敛监测频率2次/天。

（3）监测控制指标。根据GB 50446-2017《盾构法隧道工程施工及验收规范》[15]、GB 50299-2018《地下铁道工程施工及验收规范》[16]的相关规定，盾构法成型隧道允许偏差如表1所示，盾构施工监测项目控制值如表2所示。

表1 盾构法成型隧道允许偏差

表2 盾构施工监测项目控制值

3.3 盾构掘进参数控制

3.3.1 土仓压力控制

盾构上跨既有隧道时保持土仓压力稳定，通过调整螺机转速等参数调整土仓内土量，使土仓压力保持稳定，根据隧道埋深及水文地质资料确定土仓压力控制值为0.6～0.8 bar，实际土压力设定值根据监测数据值进行微调。

3.3.2 推力、扭矩及推进速度

盾构上跨既有线区段地层以黏土、碎石地层为主，做好渣土的流塑性改良，防止刀盘结泥饼，造成盾构停机。渣土改良采用优质泡沫，泡沫液浓度3%、发泡率8～12，根据泡沫液浓度及泡沫的寿命调整发泡率。结合既有线盾构在该地段的掘进参数，在较好的渣土改良条件下，推力控制范围600～800 t，刀盘扭矩控制范围1 000～2 200 kN · m。

根据设定的土压压力，合理控制推进油缸分区油压，减少盾构纠偏，每环纠偏量不超过5 mm，推进速度宜控制在30～45 mm/min匀速掘进。

3.3.3 出土量及注浆量控制

盾构刀盘开挖直径6.68 m、管片外径6.4 m、管片宽度1.2 m，土体松散系数取1.15～1.25，同步注浆系数取1.5～1.8，每环掘进1.2 m出土量、同步注浆量计算为：

出土量最小值：Vmin= 6.682×3.14÷4×1.2×1.15 =48.3 m3

出土量最大值：Vmax= 6.682×3.14÷4×1.2×1.25 =52.5 m3

实际出土量控制50 m3，采取测量渣土箱实际土方量及龙门吊称重的方法，双重控制盾构掘进出土量，规避超挖带来的地面沉降。

注浆量最小值：Qmin=（6.682- 6.42）×3.14 ÷ 4×1.2×1.5 = 5.2 m3

注浆量最大值：Qmax=（6.682- 6.42）×3.14 ÷ 4×1.2×1.8 = 6.2 m3

实际掘进中注浆量控制6 m3，根据实际监测数据及时调整注浆量，必要时进行二次注浆，同步注浆压力取为1.1～1.2倍的静止土压力，即0.09～0.11 MPa，二次注浆压力控制0.15～0.18 MPa；同步浆液初凝时间控制为4～6 h，稠度为11～13，以保证浆液注入后快速凝结，管片壁后充填饱满。

3.4 风险控制

施工前针对性辨识风险源以及针对可行的应急预案，施工项目部、建设单位、设计单位、监理单位、第三方监测单位、既有隧道施工单位成立联动组，建立联动机制，在上跨既有隧道施工过程中及时汇报施工情况、掘进参数、监测情况，保障盾构上跨既有线隧道施工安全。

3.5 施工验证

根据Midas GTS NX数值模拟计算数据，地铁出入线上跨既有线施工未对既有隧道加固，施工监测数据满足控制要求：最大地表沉降12.6 mm、隧道结构竖向位移-9.2 mm、隧道结构净空收敛5.2 mm，未发生监测报警，确保了既有隧道及地面道路的安全。

4 结论

（1）采用Midas GTS NX软件模拟盾构隧道上跨既有隧道施工对既有隧道的沉降变形、运营期间列车荷载下既有隧道弯矩、运营期间列车荷载下既有隧道轴力等进行模拟计算分析，在模拟计算数据满足既有隧道安全的前提下，可不对既有隧道进行支撑加固。

（2）根据具体的工程环境、水文地质条件针对性制定盾构掘进、监测方案，重点关注既有隧道变形量，在施工过程中加强监测，确保顺利完成上跨既有隧道施工；多方联动的风险控制机制有利于控制既有隧道变形，确保既有隧道及地面道路的运行安全。