富水圓礫地層盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道掘進(jìn)參數(shù)研究

江杰，龍逸航，邢軒偉，王順葦

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧530004；2.廣西大學(xué) 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧530004)

近年來，國內(nèi)各城市地鐵建設(shè)的快速發(fā)展，地鐵網(wǎng)絡(luò)不斷完善，新建地鐵線路將不可避免地與既有地鐵隧道產(chǎn)生交匯。新建地鐵隧道的下穿施工如何確保對既有隧道安全成為近年來研究的重點(diǎn)。目前，眾多學(xué)者針對既有地鐵隧道變形的研究取得了一些成果。1969年的國際土力學(xué)會議中，PECK[1]率先提出了盾構(gòu)隧道開挖引起的結(jié)構(gòu)橫向沉降槽近似正態(tài)分布曲線的概念，推導(dǎo)了Peck公式并沿用至今；梁發(fā)云等[2?3]利用離心模型試驗(yàn)與理論推導(dǎo)的方法，研究了深基坑開挖與地面堆載對既有地鐵隧道的影響與變形特性；針對上海軟土地區(qū)的11號線先上后下斜穿4號線造成4條隧道疊交的特殊工況，ZHANG等[4?5]利用理論分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測等方法研究了既有地鐵隧道的變形規(guī)律，推導(dǎo)了盾構(gòu)上下交疊穿越施工引起的既有隧道縱向沉降的計(jì)算表達(dá)式，能夠有效預(yù)測上海軟土地區(qū)既有隧道的縱向沉降；來弘鵬等[6]針對黃土地區(qū)盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道工程的實(shí)際情況構(gòu)建了數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了沉降的計(jì)算公式，提出了既有線沉降控制標(biāo)準(zhǔn)；馬文輝等[7]對北京典型砂卵石、黏性土地層中南水北調(diào)東干渠盾構(gòu)下穿地鐵8號線工程進(jìn)行分析，總結(jié)了盾構(gòu)施工參數(shù)和既有隧道變形規(guī)律；CHEN等[8]依托長沙富水砂土地層中某盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道工程，研究了盾構(gòu)下穿施工過程中既有隧道的變形和受力特征；傅鶴林等[9]推導(dǎo)了砂土地層中下穿既有隧道段盾構(gòu)機(jī)掌子面盾構(gòu)推力的計(jì)算公式；來弘鵬等[10]根據(jù)西安砂土地區(qū)某盾構(gòu)下穿既有隧道工程實(shí)際情況研究了施工參數(shù)對既有隧道軌道高差沉降規(guī)律的影響，給出了合理的施工參數(shù)建議值；李志軍等[11]結(jié)合昆明圓礫地層某地鐵盾構(gòu)工程監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了盾構(gòu)機(jī)停機(jī)期間地層沉降規(guī)律。目前對既有地鐵隧道變形的研究多數(shù)集中于軟土、砂土、黃土等地層中，對南寧地區(qū)典型富水圓礫地層的相關(guān)研究較少，對盾構(gòu)下穿既有隧道的掘進(jìn)參數(shù)的研究更是匱乏，同時(shí)南寧地區(qū)地鐵3號線隧道下穿既有地鐵1號線項(xiàng)目為南寧地區(qū)首次盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道工程。鑒于此，本文依托南寧地鐵3號線下穿既有地鐵1號線隧道實(shí)際工程情況，討論下穿既有1號線區(qū)間段3號線左線和右線掘進(jìn)參數(shù)的差異；結(jié)合既有1號線監(jiān)測沉降值，分析下穿既有線區(qū)間段實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)值的合理設(shè)置區(qū)間，并提出建議參數(shù)值。

1 工程概況

新建南寧市軌道交通3號線(以下簡稱M3)金湖廣場站～埌西站區(qū)間，隧道下穿經(jīng)過既有軌道交通1號線(以下簡稱M1)。M3金～瑯區(qū)間隧道左線長度為585.607 m，右線長度為574.708 m，區(qū)間總長度為1 160.315 m，區(qū)間線路由1段直線和2段曲線構(gòu)成，曲線半徑分別為R300 m和R450 m，線路最大坡度為28‰，線間距11.0～19.0 m，隧道埋深11.3～22.6 m，地下水位為7.9～8.8 m。

本文選取M3金湖廣場~瑯西站區(qū)間355～400環(huán)下穿M1段進(jìn)行分析，下穿區(qū)間段平面圖如圖1所示。穿越段M3隧道埋深為22 m，地下水位為8.4 m，M3與M1垂直間距為5.73～5.91 m，主要穿越土層為圓礫、泥巖與泥質(zhì)粉砂巖，穿越地質(zhì)剖面圖如圖2所示，各土層物理參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1 土體參數(shù)Table 1 Soil parameters

圖1 新建3號線下穿既有1號線平面圖Fig.1 Plan of subway line 3 under traversing line 1

M3主要穿越的地層成分為富水圓礫層，含有較為豐富的地下水，滲透系數(shù)高達(dá)55 m/d。盾構(gòu)機(jī)輸送泥水過程中，泥水易過量滲透到地層中，造成前艙壓力不穩(wěn)定；此外，圓礫層粒徑2～20 mm顆粒平均含量為48.4%，粒徑大于20 mm顆粒平均含量為35.9%，對刀盤和刀具的沖擊較大。針對此情況，經(jīng)專家論證決定采用海瑞克S455泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，相較土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在沉降控制方面具有更大的優(yōu)勢[12]。盾構(gòu)機(jī)對富水圓礫地層采用的針對性措施如下：

1)刀盤采用輻條式刀盤，開挖直徑為6.28 m，刀盤開口率設(shè)計(jì)為30%，配備64把切刀、8把齒刀、6把邊緣滾刀和16對邊緣刮刀，能較好地在圓礫地層中掘進(jìn)。

2)采用1.2 m環(huán)寬管片，能較好地在曲線段完成拼裝。

3)泥水環(huán)流系統(tǒng)配備Warman 200PF PC型號進(jìn)漿泵1臺，進(jìn)漿流量為700 m3/h；Warman 10/8FF-GH排漿泵2臺，每臺排漿流量為800 m3/h，并于排漿泵前方設(shè)置了一個(gè)采石箱對大粒徑礫石和大塊黏土進(jìn)行過濾，避免造成堵塞與磨損。

4)泥水處理系統(tǒng)采用預(yù)篩分加上二次旋流除砂的分離工藝，旋流器配備底流濃度調(diào)節(jié)魚尾板和真空調(diào)節(jié)裝置，能有效地降低產(chǎn)生的棄漿量。

5)盾構(gòu)下穿后，利用管片上的徑向注漿孔進(jìn)行鋼花管注漿，同時(shí)在管片脫出盾尾5環(huán)后，對管片進(jìn)行二次壁后注漿。根據(jù)監(jiān)測情況，控制注漿壓力和注漿量。

2 泥水盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析

由圖2可見，M3左線穿越的地層以圓礫為主，夾雜著少量泥質(zhì)粉砂巖，M3右線穿越的地層則主要為圓礫和泥巖的復(fù)合地層，M3左右雙線的地質(zhì)情況不同勢必造成掘進(jìn)參數(shù)有所差異。同時(shí)由于既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)相對較高，需要設(shè)置良好的掘進(jìn)參數(shù)來減少地層損失，達(dá)到控制既有線沉降的目的，因此本工程M3盾構(gòu)下穿既有線M1區(qū)間段的掘進(jìn)參數(shù)具有較強(qiáng)的代表性。

圖2 M3穿越地質(zhì)剖面圖Fig.2 Longitudinal geological section of line 3

2.1 泥水盾構(gòu)機(jī)預(yù)設(shè)掘進(jìn)參數(shù)

由于本工程為南寧地鐵建設(shè)項(xiàng)目中首次盾構(gòu)下穿既有地鐵隧道工程，為保證能夠順利通過M1區(qū)間段，施工方將穿越M1前50 m劃分為試驗(yàn)掘進(jìn)段，并根據(jù)該段施工結(jié)果預(yù)設(shè)了下穿段的掘進(jìn)參數(shù)，預(yù)設(shè)掘進(jìn)參數(shù)見表2。同時(shí)盾構(gòu)機(jī)在將要抵達(dá)M1區(qū)間段前，在開挖面自穩(wěn)性較好的地段停機(jī)，進(jìn)行全面檢修和維護(hù)。

表2 預(yù)設(shè)泥水盾構(gòu)機(jī)參數(shù)Table 2 Parameters of mud shield machine

2.2 泥水盾構(gòu)機(jī)關(guān)鍵實(shí)際施工掘進(jìn)參數(shù)

本文選取M3左線和右線355～400環(huán)盾構(gòu)施工的關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行對比分析，參數(shù)變化曲線如圖3所示。M3左線盾構(gòu)機(jī)于366環(huán)進(jìn)入既有線M1范圍并于386環(huán)離開；右線盾構(gòu)機(jī)于368環(huán)進(jìn)入既有線M1范圍并于388環(huán)離開，同時(shí)左右雙線355～380環(huán)區(qū)間段為曲線段，曲線半徑為R300 m。

如圖3(a)所示，M3左線每環(huán)掘進(jìn)時(shí)間為85～325 min。M3右線每環(huán)掘進(jìn)時(shí)間為85～270 min；對比可見圓礫成分較多的M3左線掘進(jìn)時(shí)長波動較大，M3右線因泥巖成分增多總體掘進(jìn)時(shí)長則有所下降；文獻(xiàn)[13]指出，適當(dāng)降低掘進(jìn)速度能夠減少對地層擾動，故M3左右雙線盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入M1范圍與曲線段時(shí)均降低了掘進(jìn)速度并進(jìn)行了適當(dāng)?shù)耐C(jī)活動，以便較好地調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)。

圖3 M3左右線實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)Fig.3 Boring parameter of M3 left line

如圖3(b)所示，M3左線泥水倉壓力為0.187～0.217 MPa，最大調(diào)整差為0.011 MPa。M3右線泥水倉壓力為0.19～0.213 MPa，最大調(diào)整差為0.018 MPa。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，泥水盾構(gòu)機(jī)的泥水壓力可按以下式計(jì)算[14]：

式中：PU為泥水壓力值；PS為靜止側(cè)向土壓力；PW為地下水壓力；Pa為預(yù)壓。預(yù)壓是考慮土壓力、水壓力的設(shè)定誤差與泥水環(huán)流過程中的損耗等因素，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的壓力，通常取值為0.02～0.03 MPa。

對本區(qū)間段進(jìn)行計(jì)算，PS+PW=0.167 MPa，則Pa取值為0.02～0.05 MPa，可見盾構(gòu)機(jī)到達(dá)366環(huán)M1下方前時(shí)Pa取值按照了經(jīng)驗(yàn)值0.02 MPa取值；當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入M1下方后，為了更好地控制M1沉降，逐漸提高了泥水壓力，Pa取值提高至0.05 MPa，大于經(jīng)驗(yàn)值。

如圖3(c)所示，M3左線刀盤扭矩基本穩(wěn)定在2 700～3 000 kN?m范圍內(nèi)，而M3右線刀盤扭矩則在1 200～2 500 kN?m之間波動，且離散性較大。M3左線和右線刀盤扭矩相差較大，右線扭矩明顯小于左線，主要原因?yàn)樽缶€穿越的地層圓礫成分較多且級配較好，掘進(jìn)過程較為穩(wěn)定；而右線穿越的地層泥巖成分增多，地層強(qiáng)度下降，需要適當(dāng)降低刀盤扭矩，同時(shí)由于地質(zhì)條件復(fù)雜程度上升，需要頻繁調(diào)整刀盤扭矩，造成離散性較大。

如圖3(d)所示，M3左線同步注漿壓力在0.25～0.39 MPa之間波動，M3右線同步注漿壓力則在0.22～0.4 MPa之間波動，左右雙線波動程度均較大，認(rèn)為是富水圓礫地層的滲透性較大，導(dǎo)致漿液在重力作用下易向低勢能處流動[15]，需不斷調(diào)整注漿壓力保證注漿效果；同時(shí)M3右線曲線的波動程度大于左線，主要是透水性弱的泥巖成分增加后，注漿難度進(jìn)一步增加所造成。

M3下穿M1區(qū)間段泥水盾構(gòu)機(jī)其余實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)如下：

1)掘進(jìn)速度。M3左線與右線掘進(jìn)速度在進(jìn)入M1區(qū)間段與曲線段時(shí)為10～15 mm/min，非下穿直線段為20 mm/min。

2)同步注漿量。M3左線與右線同步注漿量均基本控制在5 m3/環(huán)，少部分環(huán)的注漿量為5.5 m3/環(huán)。

3)盾構(gòu)機(jī)總推力。M3左線盾構(gòu)推力在14 000～18 000 kN之間波動，M3右線在11 000～19 000 kN之間波動，波動程度大于M3左線。

2.3 泥水盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)對比分析

對比分析左右線掘進(jìn)參數(shù)曲線不難看出：

1)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入M1既有隧道過程中泥水倉壓力和同步注漿壓力均有所提高，Pa取值大于經(jīng)驗(yàn)取值，認(rèn)為是由于既有線M1處于運(yùn)營狀態(tài)，沉降控制要求更高，而適當(dāng)提高泥水倉壓力能使上部土層略微隆起，抵消部分地層損失[16]，從而降低既有線沉降。

2)地質(zhì)條件對掘進(jìn)參數(shù)程度影響較大，M3右線掘進(jìn)段泥巖成分較多，地質(zhì)條件相比M3左線掘進(jìn)段較為均一的圓礫地層更為復(fù)雜，從而造成M3右線刀盤扭矩總體較小且波動程度更大，泥水倉壓力與同步注漿壓力的波動程度也較大。

3)M3實(shí)際掘進(jìn)參數(shù)與預(yù)設(shè)參數(shù)有一定出入：M3右線刀盤扭矩由于地層成分發(fā)生變化而造成出入較大；M3泥水倉壓力相較預(yù)設(shè)參數(shù)提高了0.013～0.017 MPa，是為了更好地控制既有線沉降；部分環(huán)的同步注漿量相較預(yù)設(shè)值增加了0.5 m3，主要是遇到松散圓礫段或地下空洞時(shí)需增加注漿量保證注漿填充密實(shí)。其余掘進(jìn)參數(shù)與預(yù)設(shè)參數(shù)范圍值并無出入，說明利用試驗(yàn)段預(yù)設(shè)掘進(jìn)參數(shù)能為重要施工段提供較好的參考。

3 穿越既有線施工結(jié)果分析

3.1 既有線監(jiān)測沉降值分析

為體現(xiàn)盾構(gòu)施工過程中掘進(jìn)參數(shù)對既有線沉降的影響，本文收集了既有線M1的監(jiān)測沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)測點(diǎn)布置如圖4所示。并選取M3與M1交匯處既有線M1的關(guān)鍵監(jiān)測點(diǎn)沉降值，繪制沉降時(shí)程曲線，如圖5和圖6所示。

圖4 自動化監(jiān)測面分布圖Fig.4 Distribution map of automatic monitoring surface

從圖5可以看出，M3左線盾構(gòu)機(jī)到達(dá)M1外邊緣時(shí)開始對其產(chǎn)生較大影響，刀盤到達(dá)M1正下方至盾尾離開M1范圍段沉降值增速最大，Y472環(huán)沉降最大增速為1.21 mm/d，Z476環(huán)沉降最大增速為1.03 mm/d；盾尾離開后一段時(shí)間后沉降值開始有所回升，最后趨于穩(wěn)定；Y472環(huán)最大沉降值為2.57 mm，穩(wěn)定后為1.91 mm。Z476環(huán)最大沉降值為1.92 mm，穩(wěn)定后為1.5 mm；M1左線沉降值最大增速與最大沉降值均小于M1右線，認(rèn)為是盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入M1右線提高了泥水倉壓力，有效抵消了一部分沉降所造成。

圖5 M3左線穿越過程中M1沉降時(shí)程曲線Fig.5 Time-history settlement curve of existing tunnel M1 when M3 left line traverses

從圖6可以看出，與M3左線穿越時(shí)類似，M3右線盾構(gòu)機(jī)到達(dá)M1外邊緣時(shí)對其產(chǎn)生擾動，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)M1正下方至盾尾離開M1范圍段沉降值增速最大；Y462環(huán)沉降最大增速為1.44 mm/d，Z464環(huán)沉降最大增速為0.9 mm/d，但Z464環(huán)沉降值在盾尾離開后仍持續(xù)增長，并于208 h處產(chǎn)生“突變”，經(jīng)施工單位緊急注漿1 m3后沉降值回升；M1右線Y462環(huán)最大沉降值為2.54 mm，穩(wěn)定后為1.92 mm。M1左線Z464環(huán)盾尾離開后沉降值為2.23 mm，突變時(shí)達(dá)到4.44 mm，穩(wěn)定后為3.2 mm。

圖6 M3右線穿越時(shí)既有線M1沉降時(shí)程曲線Fig.6 Time-history settlement curve of existing tunnel M1 when M3 right line traverses

3.2 施工結(jié)果總結(jié)

總結(jié)本次盾構(gòu)下穿既有線施工，得到以下結(jié)論：

1)M1的沉降主要為盾構(gòu)開挖過程中土體損失引起的沉降，主要分為4個(gè)階段：第1階段為盾構(gòu)機(jī)距M1約2D時(shí)土體受開挖面支護(hù)壓力的影響的引起的輕微沉降；第2階段為盾構(gòu)機(jī)下穿M1過程中造成土體損失引起的沉降，此階段M1沉降增速最快，受掘進(jìn)參數(shù)影響較大；第3階段為受盾尾同步注漿時(shí)同步注漿壓力影響引起的沉降；第4階段為后期漿液凝固、超孔隙水壓消散等因素導(dǎo)致地層進(jìn)一步變化引起的沉降，由于本區(qū)間圓礫層滲透性較大，超孔隙水壓消散較快，消散完畢后后期M1沉降值較小并趨于穩(wěn)定。對比M3左線和右線施工引起的M1沉降曲線，可見M3右線施工引起的既有隧道沉降更大，說明M3右線施工過程中部分掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)。此外，由于M3右線為后施工線路，對地層造成了二次擾動，也會增大M1沉降。

2)M3右線掘進(jìn)過程中，盾尾離開M1左線范圍后，沉降值未收斂且發(fā)生“突變”，但第2階段盾構(gòu)機(jī)盾體下穿時(shí)的沉降規(guī)律和沉降增長速率與M3左線類似，且經(jīng)過緊急注漿等措施后沉降值回升，并趨于穩(wěn)定。說明M3右線掘進(jìn)過程中泥水倉壓力設(shè)置正常，是由于盾尾同步注漿施工過程中出現(xiàn)失誤，造成沉降增大。

3)由于滲透性有明顯差異，M3右線穿越的圓礫、泥巖組成的復(fù)合地層注漿難度較大，導(dǎo)致同步注漿施工過程中出現(xiàn)了失誤，同步注漿壓力或注漿量不足，注漿位置也有所不當(dāng)。今后盾構(gòu)穿越復(fù)合地層時(shí)應(yīng)在施工過程中動態(tài)調(diào)整同步注漿壓力和注漿位置，必要時(shí)應(yīng)適量增加注漿量以確保注漿效果。

4)M3左線下穿施工引起的M1沉降較小，其掘進(jìn)參數(shù)有一定代表性，能作為參考。其中，M3左線366～371環(huán)下穿經(jīng)過M1右線，380～385環(huán)經(jīng)過M1左線，M1右線沉降值相較M1左線減少了0.41 mm。對比2段掘進(jìn)參數(shù)，380～385環(huán)泥水倉壓力為0.207～0.216 MPa，較366～371環(huán)泥水倉壓力增加了0.015～0.021 MPa；380～386環(huán)刀盤扭矩與同步注漿壓力與366～371環(huán)相差不大，說明適量提高0.01～0.02 MPa泥水壓力能有效地減少既有地鐵隧道沉降。

4 結(jié)論

1)南寧地區(qū)富水圓礫地層地質(zhì)條件比較復(fù)雜，泥巖圓礫混合地層掘進(jìn)參數(shù)波動較大，盾構(gòu)近距離下穿既有隧道時(shí)應(yīng)當(dāng)提高泥水倉壓力和同步注漿壓力等掘進(jìn)參數(shù)以保證既有隧道結(jié)構(gòu)安全，經(jīng)過曲線段應(yīng)適當(dāng)降低掘進(jìn)速度以調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)防止超挖擴(kuò)大地層損失。

2)泥水倉壓力的提高能降低既有線沉降值的增速，同步注漿的施工不當(dāng)會導(dǎo)致既有線沉降增大；受到施工順序及地質(zhì)條件的影響，既有線左線和右線沉降值有一定差異，但均控制在5 mm之內(nèi)，既有線沉降整體控制良好。

3)對于在富水圓礫地層下穿既有隧道區(qū)間段掘進(jìn)，掘進(jìn)速度設(shè)置為10～15 mm/min較為合適，并可適當(dāng)停機(jī)以更好地調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)和其他掘進(jìn)參數(shù)；泥水倉壓力應(yīng)控制在0.2～0.22 MPa，預(yù)壓值Pa應(yīng)適量提高，調(diào)整級差不宜超過0.015 MPa；同步注漿量應(yīng)設(shè)置為5～5.5 m3，后進(jìn)行開挖的隧道或在泥巖圓礫復(fù)合地層中掘進(jìn)應(yīng)適量增加0.5～1 m3；同步注漿壓力應(yīng)設(shè)置為0.25～0.4 MPa，同時(shí)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件優(yōu)化注漿位置以保證注漿效果。