富水软弱地层盾构区间近距离下穿既有运营地铁区间设计关键技术研究

刘纯LIU Chun

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

0 引言

随着城市轨道交通建设的蓬勃发展，地铁线路网络日渐密集，新建地铁区间近距离下穿既有运营线路的情况越来越多。新建盾构隧道在下穿既有地铁区间过程中，不可避免对交叠处地层产生扰动，引起地层和既有运营区间结构应力重分布，产生一定的内力变化和变形，对既有地铁线路的运营安全产生威胁。许多科研和工程建设者对盾构区间下穿既有线进行了大量研究[1-4]，也积累得较多的设计和施工经验，但在富水软弱地层区域，由于地下水位高、土层压缩性高、承载力低，盾构区间下穿既有线的风险更大，更需有针对性地制定设计方案、采取有效的设计技术措施，确保既有线运营的安全。本文结合天津地铁4 号线六纬路站～成林道站盾构区间近距离下穿既有9 号线区间工程，对该工程在设计过程中采用的关键技术进行论述。

1 工程概况

1.1 新建区间概况 天津地铁4 号线六纬路站～成林道站区间南起六纬路与成林道交口的六纬路站，沿十四经路北行，下穿既有9 号线区间后继续向东北方向敷设，途经津塘路、十一径路后，沿成林道东行，最终到达成林道与红星路交口的成林道站。区间左线长2538.7m，右线长2518.0m，线间距在12m～27.2m，顶部覆土为12.3m～27m，区间采用外径6.2m、厚度0.35m 的盾构管片。

1.2 既有运营区间概况 地铁9 号线十一经路站至直沽站区间为既有运营线路，该区间已开通运营，线间距约为13.0m。两线均采用外径6.2m、厚度0.35m 的盾构管片。

4 号线盾构区间下穿既有9 号线盾构区间结构，下穿范围长度约为19m，距六纬路盾构接收井平面距离约为46m。如图1 所示。

图1 区间下穿既有9 号线平面图

1.3 工程地质及水文地质概况 场地内地层分布为杂填土、粉质黏土、黏质粉土、粉砂，4 号线区间下穿既有区间范围主要位于粉砂、粉质粘土。场地类型为中软土，直立性差。

场地内地下水位高，静止水位埋深0.4～1.8m，且存在2 层承压含水层，各含水层之间的粘性土层为其相对隔水层，但各含水层之间均存在一定水力联系。

2 工程重难点分析

2.1 下穿净距小 受4 号线六纬路站埋深限制，导致六纬路站～成林道站穿越9 号线区间范围埋深受到限制，不具备上跨9 号线区间的条件，只能下穿。在设计中，综合考虑车站基坑深度和风险等，4 号线盾构管片结构顶距离9 号线区间结构净距约为1.8m。

2.2 地质条件差 9 号线区间结构顶覆土约为14.3m，主要位于粉质粘土层；4 号线区间结构顶覆土约为22.8m，主要为粉砂和粉质黏土层，其中粉砂为承压含水层。本场地属于富水软弱地层，地下水位较高，土层承载力低，土体变化比较敏感，两线结构间土体较薄，盾构下穿时除自身风险较大外，易对既有运营区间结构产生较大应力变化和较大变形。

2.3 既有运营线保护要求高 天津地铁9 号线作为正在运营中的地铁线路，对地层变形和结构变形控制要求极其严格，若产生较大变形将直接影响到既有线路的运营安全。既有区间控制指标和标准从结构变形、隧道结构稳定、建筑限界三个方面来考虑，且一般采用变形控制指标作为主要控制指标。

参考相关规范规程及标准[5]，结合国内类似工程经验，区间结构变形控制值详见表1。

表1 区间隧道变形控制标准

3 主要设计技术措施

基于以上工程重难点问题，主要采用了优化工程筹划、选取合理的盾构掘进参数、盾构区间下穿范围内采用多孔注浆环管片、既有结构增设纵向拉紧联系装置以及对既有线采用自动化监测等一系列设计关键技术措施。

3.1 进行合理的工程筹划 在不同的地层条件下盾构机合理的掘进参数也不相同，一般在穿越风险源之前需要设置试验段，积累本地层下盾构机的最佳掘进参数。

结合本工程实际，4 号线盾构区间下穿9 号线平面位置距离六纬路站仅46m，若从六纬路站始发，由于穿越区距离盾构始发端头距离太短，无法设置较长的试验段，难以确定盾构的合理掘进参数，增加下穿既有线的风险。因此，选取成林道站作为始发站，盾构机掘进2.46km 后才到达9 号线区间下方范围，此前较长的掘进距离为设置试验段提供了重要的前提条件，可以充分利用前期掘进过程中的经验，确定本区间合理的盾构机掘进参数，确保盾构机顺利穿越9 号线区间，在六纬路站顺利接收。

3.2 盾构掘进技术控制措施 参考天津地区已完成的2 号线、3 号线、5 号线、6 号线、9 号线盾构区间工程，本区间选用土压平衡式盾构机。盾构推进过程中，需严格控制和调整盾构机的各项参数，主要包括：土仓压力、出土量、推进速度、刀盘扭矩、螺旋机转速、同步注浆压力及注浆量等，使之对周围环境的影响控制在安全、可靠的要求范围内。在盾构机进入影响区域之前，尽量将盾构机的姿态调整至最佳，严禁向上抬头，严禁超量纠偏、蛇行摆动等。下穿时针对土层的变化设定合理的土仓压力，盾构机应匀速通过既有线范围，避免停机。

3.3 采用多孔注浆管片 盾构掘进过程中由于开挖土体卸荷，会对周边土体产生一定的扰动，产生空隙；盾构机掘进中若同步注浆不及时或者注浆不饱满，也会导致土体之间变形产生一定空隙；周边土体间的空隙随着时间变化，会产生应力重分布和变形，土体空隙越大，变形越大，对临近建构筑物影响越大。因此，盾构掘进过程中要尽量减少土体空隙，这就要求盾构掘进过程中及时做好注浆工作，除了同步注浆之外，还要结合监测情况做好二次注浆，必要时进行多次注浆。

常规的混凝土管片，利用吊装孔可进行二次注浆和后续注浆，但是孔间距较大，难以保障二次注浆和后续注浆效果，因此，在穿越既有线一定范围，设计考虑增加管片注浆孔，采用多孔注浆环管片，即每环除封顶块外，其余各块均增加两个专用预留注浆孔，施工时配合监测情况适时打开注浆孔进行二次注浆或多次注浆。多孔注浆环的应用范围主要是下穿9 号线区间范围及两侧各40m，在9 号线左右线盾构外面两侧各约40m 范围，结合监测情况及时做好后续注浆。本场地地下水丰富，且盾构穿越区承压水水头较高，注浆孔位置易产生涌水、冒砂等现象，注浆管需使用止逆阀和螺旋管塞、密封垫圈进行防水，并对螺旋管塞进行二次拧紧。注浆完成后，注浆孔需要采用强度不低于C50 的混凝土及时进行填充封堵。

3.4 既有结构增设纵向拉紧联系装置 天津地铁9 号线盾构管片环宽1.2m，环间采用螺栓连接，为了提高管片结构的整体刚度、减少管片间差异沉降，在受4 号线盾构穿越影响较大区域，即穿越区域及前后10m 范围，在9 号线盾构管片内增设纵向拉紧联系装置。

拉紧联系装置采用14b 槽钢，环向共设6 根，安装位置可根据隧道内现场实际情况调整，避开道床、接触网等地铁运营设施的位置，拉紧联系装置应在盾构下穿前完成安装，安装期间，注意对既有线管线和结构的保护。

3.5 既有运营线自动化监测 在区间下穿过程中，既有区间长期处于运营状态，常规人工监测存在时限性，无法满足监测频率要求。施工过程中需要对既有区间进行自动化监测，实现动态施工，及时掌握既有区间变形情况，必要时采取应急处理措施，确保区间结构安全和运营安全。既有区间自动化监测项目主要包括隧道结构竖向及水平位移、轨道结构竖向及水平位移、轨距变化及变形缝差异沉降等监测项目。监测范围为下穿区域及前后40m 范围，其中下穿区域及前后10m 范围为主要影响区，监测断面间距为5m；其余范围为次要影响区，监测断面间距为10m。自动化监测项目频率：盾构掘进至主要影响区时1次/30 分钟；其余一般施工状态1 次/2 小时。人工校核监测和巡视为每周2 次。监测时间自开工前一周至数据稳定为止。

4 数值模拟计算及结果分析

4.1 计算模型及参数说明 由于既有运营区间变形要求高，需要准确计算盾构下穿对既有线影响情况，本文采用Midas GTS 建立模型进行有限元计算分析[6]。模型中各土层均采用弹塑性模型，六面体实体单元，屈服准则采用Mohr-Coulomb 准则[7]；盾构隧道管片采用弹性模型，shell单元模拟。水平与竖向边界均采用位移约束边界。模型如图2 所示。

图2 有限元模拟模型图

4.2 模拟施工过程 按照实际施工步骤模拟施工过程，具体施工步骤：右线盾构隧道开挖→施作管片→右线隧道施工完成，进行左线隧道施工→左线盾构隧道开挖→施作管片→左线隧道施工完成。

4.3 模拟计算结果 根据有限元分析，各工况施工的计算结果如下：

①M4 右线盾构区间施工完成（如图3 所示）。

图3 既有线结构竖向变形图

②M4 左线盾构区间施工完成（如图4 所示）。

图4 既有线结构竖向变形图

4 号线盾构区间右线穿越完成后，9 号线区间下沉量最大值为2.44；左线穿越完成后，9 号线区间下沉量最大值为2.85mm；穿越过程中既有线沉降变形在允许范围内。

4.4 施工实测数据 天津地铁4 号线已于2021 年12月开通运营，六纬路站～成林道站区间右线下穿9 号线时间为2019 年12 月30 日～2020 年1 月2 日，根据施工过程中自动监测情况，9 号线既有隧道结构竖向位移变化如图5 所示。

图5 区间右线穿越既有隧道结构竖向位移图

六纬路站～成林道站区间左线下穿9 号线时间为2020 年5 月17 日～5 月20 日，根据施工过程中自动监测情况，9 号线既有隧道结构竖向位移变化如图6 所示。

图6 区间左线穿越既有隧道结构竖向位移图

根据监测数据，在盾构穿越期间，距离4 号线最近的SD-1 整体呈下沉趋势，右线盾构通过后最大沉降约为1.2mm，左线盾构通过后最大沉降约为3.2mm，满足变形要求。

4.5 模拟结果与实测数据对比分析 实测自动化监测数据，既有区间的沉降满足控制值范围要求，不影响既有线安全正常运营。对比监测值与模拟分析值，两者相差较小，变形趋势一致。

5 结论与建议

在富水软弱地层，新建地铁盾构区间近距离下穿既有运营线风险极大，笔者结合天津地铁4 号线下穿既有运营9 号线区间项目，介绍了采取的关键设计措施：合理进行工程筹划设计，设置试验段确定合理的盾构掘进参数；下穿既有线范围采用多孔注浆环管片，结合监测情况，必要时可加强注浆效果；在既有隧道结构增设纵向拉紧联系装置，可有效增大既有区间结构刚度，减少差异沉降；对既有线采用自动化监测可实时监测既有结构变形情况。根据现场实测情况，各项监测指标均控制在允许范围内，目前该区间已经顺利贯通，证明了所采取的设计措施安全有效，可为类似工程提供工程参考。