典型含水细中砂地层盾构连续穿越重叠立体重大风险源沉降控制技术研究

刘志鹏

身份证142329198407250211

摘要：

在含水细中砂层、粉质粘土、砂质粉土层中采用盾构施工穿越风险源，既有建（构）筑物及地面沉降控制无疑是一项艰巨而困难的工作，尽管国内外专家学者对盾构在含水细中砂层、粉质粘土层穿越风险源有了多方面的研究，但针对盾构连续上跨、下穿、侧穿立体重叠风险源的研究不多。北京地铁17号线北神树站～朝阳港站区间采用两台直径为6.68m的土压平衡盾构需连续上跨南水北调东干渠、下穿五环快速路、侧穿京津城际铁路高架桥桩，因此有必要在施工前针对盾构隧道连续穿越立体重叠风险源进行施工影响预测分析并采取针对性的沉降控制措施。借助有限元数值模拟，分析双线盾构隧道连续穿越立体风险源的掘进过程中各结构层的沉降变形、受力特性变化规律，通过建立穿越前试验段，对掘进参数优化、洞内注浆加固、地面设置隔离桩等一系列控制措施的沉降控制效果进行检验。

关键词：含水细中砂；盾构隧道；上跨；下穿；侧穿；立体重叠；重大风险源；沉降控制；

1.引言

土压平衡盾构机在进行隧道施工过程中，会破坏隧道轮廓线周围土体原有的应力平衡状态，产生新的应力场，出现应力集中或应力重分布现象，造成土体二次固结、地面沉降、既有建（构）筑物失稳等一系列问题。尤其是近距离下穿城市既有建（构）筑物时，不可避免地会对既有建（构）筑物结构产生扰动，从而引起既有结构产生附加应力和位移。因此，在地铁盾构隧道设计和施工前，对隧道开挖引起的既有建（构）筑物应力和位移变化情况进行安全性评估，提前制定针对性控制措施对保证盾构区间安全顺利穿越风险源有着深远的意义。

根据国内外研究现状来看，大部分学者只是对盾构隧道穿越单一风险源进行了研究，很少遇到盾构连续穿越立体重叠风险源的工况。本文以北京市地铁17号线实际工程为背景，基于有限元软件数值模拟的理论值，综合分析盾构隧道对不同方位既有建（构）筑物的位移和应力影响，施工过程中制定一系列针对性的沉降控制措施，确保顺利穿越风险源。

2.工程实例

2.1工程概况

北京地铁17号线北神树站~朝阳港站盾构区间在K K9+283.099~ K9+526.7里程范围内连续上跨南水北调东干渠、下穿东五环快速路、侧穿京津城际高架桥桩三处重大风险源。

（1）隧道与京津城际铁路位置关系

盾构区间在K9+343~K9+526.7范围内下穿京津城际铁路北京环线特大桥（80+128+80）m预应力混凝土连续梁，盾构从连续梁中跨穿越，两侧桥墩编号为281、282号，平面交角40°，左线盾构与281#墩桩基水平最近距离为18.5m，右线盾构与282#墩桩基水平最近距离为18.1m。主墩281#桩长69m、主墩282#桩长68m，主墩高为8.8(8.3)m，承台为14.6m×22.6m×4.0m，加台为8.1m×15.0m×2.5m，桩基为24根钻孔灌注桩。

（2）隧道与东五环路位置关系

盾构隧道区间在里程为K9+383～K9+491处下穿东五环快速路主路和匝道，埋深约为12.1m。

（3）隧道与东干渠位置关系

盾构区间在K9+283.099~K9+303.099里程范围内上穿南水北调东干渠，穿越位置位于康化桥东南侧，区间隧道与东干渠平面相交角度为74°，穿越南水北调东干渠输水隧洞段地面为现况绿地，地铁区间隧道上穿南水北调东干渠，地铁区间隧道覆土埋深6.99~7.06m。与东干渠竖向净距约为6.4m（1倍地铁洞径）。

图2-1盾构区间与立体重叠风险源平面关系图

（4）位移控制要求

因穿越地段处于自然沉降区，且为不良回填地层，产权单位对三处风险源的沉降控制极为严格，其中京津城际铁路桥墩位移量≤2mm、南水北调东干渠结构位移量≤5mm、五环路路面位移量≤15mm。

2.2工程地质及水文地质

参考穿越处附近勘探钻孔揭露情况，该线路段自上而下依次为杂填土层、砂质粉土层、粉质粘土层、粉质粘土层、细中砂层、粉质粘土层。最大钻探深度（50.00m）范围内主要分布 1 层地下水。该层地下水连续分布，为潜水～承压水，水位高程监测孔中量测地下水静水位埋深为19.19～21.46m，标高为10.99～9.94m。盾构隧道洞身范围内主要为⑥3粉细砂及⑥4细中砂。

3.区间穿越数值分析及处理措施

3.1数值模拟分析

（1）模型建立

理论计算采用MIDAS有限元分析软件建立三维模型，进行盾构施工影响分析。分析时考虑洞内深孔注浆和地表注浆，且模型尺寸沿着隧道掘进方向取168m，宽度取180m，深度取90m。

土体采用修正摩尔-库伦弹塑性本构模型；盾构管片采用板单元，弹性模型；同步注浆以及浆液与土体的作用，采用应力释放程度和等代层来考虑，等代层采用弹性模型；承台采用实体单元，弹性模型；桥梁荷载作用于承台；桥桩采用嵌入式桁架单元模拟；洞内二次深孔加强注浆采用实体单元提高土体参数、修正摩尔-库伦模型模拟。计算模型如图3-1所示，盾构施工完成后地表及桥墩位于如图所示。当土体计算模型与实际结构平面尺寸之比大于3～5时，边界效应对结构的静、动力反应影响已经很小。

为了减小模型网格数量，节省计算量，将南水北调东干渠进行单独建模进行分析。

图3-1三维数值模型

（2）计算结果分析

图3-2双线盾构隧道穿越风险源后地表沉降云图（单位：m）

图3-3双线盾构隧道穿越风险源后桥桩地表沉降云图（单位：m）

如图3-3、图3-3所示，地表变形呈“U”形，盾构正上方沉降最大，受五环路荷载影响，五环路最大沉降为-12.3mm，地表最大沉降为14.0mm。

图3-4双线盾构隧道穿越风险源后桥墩沉降云图（单位：m）

由图3-4可以看出盾构施工引起桥墩发生了沉降，281#和282#墩出现了差异沉降，且同一个桥墩发生了倾斜，距离盾构近的一端沉降较大。

图3-5双线盾构隧道穿越风险源后桥墩X方向水平位移云图（单位：m）

 

图3-6双线盾构隧道穿越风险源后桥墩Y方向水平位移云图（单位：m）

由图3-5及图3-6可知，盾构施工引起桥墩发生了水平位移，计算模型中X方向为垂直区间掘进方向，Y方向为顺区间掘进方向，提取桥梁墩台竖向位移及将X和Y水平位移在每一个施工步的变化值进行分析，并将X和Y方向水平位移分解叠加得到墩台水平位移。提取地表及桥墩计算最大位移结果，如表3-1所示。

表3-1桥墩最大计算位移统计表

类型                桩号	地表沉降（mm）	墩台沉降（mm）	顺桥向墩台水平位移（mm）	横桥向墩台水平位移（mm）
281#	-13	-0.20	0.26	0.28
282#		-0.27	-0.32	-0.35

图3-7双线盾构隧道穿越风险源后东干渠竖向位移云图（单位：m）

图3-8双线盾构隧道穿越风险源后东干渠水平位移云图（单位：m）

根据有限元计算结果，盾构隧道施工完毕后，模型计算范围内东干渠处产生的竖向最大上抬位移为1.0mm，最大水平位移约为0.3mm，满足位移控制要求。这是因为此处为盾构上穿南水北调东干渠，在土体自身重力的作用下，下部土层受施工扰动小，土体结构自稳性好，隧道仰拱位移变化远小于拱顶位移变化。

3.2控制措施

数值模拟分析结果表明双线盾构隧道连续穿越立体风险源后，既有京津城际铁路桥梁结构和五环路表结构的位移变化均未超过沉降控制指标。这是因为模型建立时在优化掘进参数、通过洞内深孔注浆加固控制五环路地面沉降的同时，综合考虑了采用地面深孔注浆方式加固南水北调东干渠与盾构区之间土体、采用袖阀管注浆隔离盾构区间对京津城际桥桩的应力扰动，具体做法如下所示：

（1）洞内深孔注浆加固措施

洞内深孔注浆可以有效的减弱隧道开挖后土体应力释放的程度，从而保持了隧道周围土体的原始性状。

在进行洞内深孔注浆时，注浆浆液采用水泥、水玻璃双液浆，浆液配比同二次补浆浆液配比，即水：水泥=1：1（质量比），水泥浆：水玻璃=1：1（体积比）。可根据地层条件添加调节浆液凝结时间和可注性的外加剂，注浆后的土体应满足：土体有良好的均匀性和自立性，渗透系数不大于1.0*10-6cm/s，无侧限抗压强度不小于0.5MPa。推荐注浆压力控制在0.5~0.8MPa，大范围深孔注浆前，应提前施做注浆试验，确定合理的浆液配比、注浆压力等指标，必要时可适当调整注浆压力等相关参数，确保有效扩散半径大于0.5m。

其具体操作方法为：在盾构掘进管片脱出盾尾15~20环后，通过加强衬砌环管片（管片主筋由C18钢筋增强至C20）的吊装孔及新增注浆孔打设钢花管进行管片壁后注浆，每环加强衬砌环管片的吊装孔及新增注浆孔共有16个，沿圆周均匀布置。注浆管布置根据设计对不同风险源的二次深孔注浆范围进行调整，避免出现注浆盲区,二次深孔注浆孔位置示意图如下：

图3-9加强衬砌环管片新增注浆孔平面位置示意图

花管制作：在Ф42钢管管壁设置梅花形出浆孔，间距200mm，直径6mm，靠近花管外端头0.5m距离内不设置出浆孔，前端采取砸扁贴合、磨尖处理。使用前应调直、除锈、除油。

注浆结束后，需对注浆管进行清洗，避免堵管现象发生。由于区间穿越一级风险源段存在地下水，可能产生涌水、流砂等现象，可使用止逆阀和螺旋管塞、密封垫圈进行防水。

（2）地面袖阀管注浆预加固

盾构通过京津城际铁路前，在地面采取预加固措施，使得盾构与桥梁结构之间形成了一条隔离层，有效地削弱了盾构掘进过程中地层位移向桥梁结构方向传递，从而减小了盾构施工对桥梁结构的影响。预加固方式采用袖阀管注浆方式，袖阀管管径80mm，成孔角度垂直于地面，采用水泥-水玻璃双液浆作为加固浆液。地面加固宽度为盾构外2~3m（3m）范围进行加固，加固深度地面下2.5m至盾构下方3m（15m）范围。

袖阀管钻孔施工采取全日施工模式，袖阀管注浆加固采取天窗期施工模式。采取C类监管措施，注浆期间要对铁路进行监测和巡视。具体方案如下：

①加固范围确定为在京津城际铁路高架桥281#、282#桥桩影响区域自盾构隧道向外2m开始，横向3m宽，左线沿隧道线路方向加固里程为ZK9+469.4~ZK9+498.7，长29m，右线加固里程为YK9+376.3~YK9+404.6，长28m。

②钻孔深度拟定为：靠近盾构隧道加固钻孔共4排，其中靠近京津城际铁路高架桥桥桩侧2排为一次注浆孔，靠近盾构隧道侧2根为二次注浆孔。袖阀管注浆扩散半径为0.5m，孔纵向间距0.75m，孔横向间距0.75m，可根据现场地质情况进行调整。

③钻孔加固施工选用1套钻孔机具，先打设右线隧道加固区域再打设左线隧道加固区域。

④钻孔注浆施工，以京津城际高架桥桥桩为准，由内向外的顺利进行，钻孔采用跳钻施工。

⑤靠近盾构隧道侧的2排注浆管为二次注浆管，盾构施工过程中根据监测数据进行跟踪补偿注浆。

⑥用P.O42.5普通硅酸盐水泥作灌注主料，确定各种灌注材料的合理配比，在施工中使用的材料配比（重量比）如下：袖阀管套壳料：水泥：粘土：水=：1.5：1.88（重量比，配方由现场试验最后确定）；固管料为单液水泥浆，配比为水：水泥=1：1.5；袖阀管注浆的浆液配比，水泥：水=1：1~0.6，先稀浆后稠浆。如注浆效果较差时根据实据情况采用双液浆或超细水泥浆液。

⑦拟定注浆压力控制在0.3Mpa~0.5Mpa，实际压力值可根据施工监测及远程监测反馈信息进行动态优化，注浆顺序每次都必须跳开一个孔进行注浆，以防止发生窜浆现象；全孔段注浆完成后，间歇一段时间再进行第二次注浆，间歇时间控制在10~30min之内；当注浆压力达到0.5Mpa，稳定时间15 min，发现地面有上抬的趋势时，立即停止注浆。

注浆加固范围如图3-8和3-9所示。

图3-10地面袖阀管加固范围平面图

图3-11地面袖阀管加固范围横剖图

（3）地面深孔注浆预加固

在地面采用深孔注浆对盾构区间与南水北调东干渠之间地层进行加固，加固范围为纵向穿越段及前后各6m范围（约为33m）、竖向为地铁区间底板以下3m范围、横向为地铁区间外侧各6m范围。注浆浆液采用单液水泥浆，加固后的地基应具有良好的均匀性和自立性，其无侧限抗压强度不小于0.8Mpa，渗透系数≤1.0X10-6cm/s。

图3-12地面深孔注浆预加固剖面图

4.试验段掘进及各项措施效果分析

4.1试验段施工参数

由于南水北调东干渠、五环快速路、京津城际铁路高架桥等风险源相距较近，且穿越地层相同，所以在下穿风险源前选取100m（粉细砂地层为主地层）作为试验段，即左K9+147～左K9+247、右K9+152～右K9+252，摸索出盾构穿越立体重叠风险源的最合理盾构掘进参数。

为确定各项沉降控制措施对地面沉降控制的作用，分三个阶段采取不同的措施，通过分析地面沉降数据，确定各项措施对沉降控制的作用。

第一阶段：掘进前30m期间，此阶段主要工作为调整盾构机掘进参数（包括上部土压、推力、速度、扭矩、出土量）到最佳状态，同时根据地面沉降及盾尾漏浆情况确定最佳同步注浆量。

表4-1试验段参数设置

掘进参数	控制值
上部土压力（bar）	0.7～1.0
掘进速度（mm/min）	35～45
推力（kN）	16000～18000
出土量（m3/环）	45～47
刀盘转速（rp/min)	0.8～1.0
刀盘扭矩（kN.m）	4500～5000
注浆量（m3/环）	5.5～6
注浆压力（bar）	2～3

第二阶段：在掘进30m-60m期间，此阶段增加盾体通过阶段沉降控制措施，每环掘进过程中，往盾体周边注入粘稠膨润土，膨润土粘稠度在70s以上。

第三阶段：掘进60m-100m期间，此阶段除继续采用盾体周边注入膨润土措施，还增加盾尾壁后超近距离深孔注浆及二次补浆措施，每掘进完一环，在盾尾后5~6环位置注入水泥—水玻璃双液浆，注浆压力控制在0.3~0.5MPa。

4.2试验段结论

通过同频率测量发现普通试验段的地表平均沉降量在10-20mm，而采用洞内深孔注浆措施后的沉降量在5-10mm。使用洞内深孔注浆更能够有效的控制地表的沉降，能够满足盾构下穿五环路和京津城际的地面沉降要求。再辅以地面深孔注浆和袖阀管注浆措施对京津城际桥桩和南水北调东干渠进行隔离加固，可以阻断盾构掘进对风险源的应力扰动，能够满足风险源保护需求。

4.3地面及桥梁监控量测

4.3.1地面监测

（1）地面监测点布设位置

盾构穿越风险源影响区域，对应的隧道轴线处地面点纵向每7m设一监测断面；每断面设置7个监测点，监测点间距9m。

图4-1地面监测点位布置示意图

（2）监测结果分析

盾构机穿越五环路及京津城际时右线、左线上方路基监测点数据变化：盾构轴线上方两侧监测点DB-119-3（右线）、DB-119-5（左线）在盾构机穿越60米内沉降速率及累计沉降量见下图：

图4-2 DB-119-3沉降速率分析表

图4-3 DB-119-5沉降速率分析表

影响范围内监测点最终值：

由图可看出当穿越右线时，盾构机距离风险源10米时开始影响，当在盾构机在风险源下方时沉降变化最大，穿过风险源20米后沉降量趋于稳定。右线沉降量变化很小表现为自然沉降。

左线盾构机距离风险源20米时开始影响，当盾构机在风险源下方时沉降变化最大，穿过风险源50米后沉降量趋于稳定。右线基本无变化。

4.3.2桥梁监测

（1）全站仪及基准点设置

考虑到地面环境复杂，影响因素较多，拟将全站仪及检测棱镜都放置在箱梁内，以减小环境对监测的影响。

由于本监测范围为连续梁（80——128+80）m，在综合测量精度及仪器测量距离的要求拟在G278和G285号墩上各设置2个基准点，2个基准点拟钻孔埋设在每个桥墩墩身上下分布，以保证基准点的稳定性，基准点布设见平面图。因监测距离较长，为了保证观测精度，拟在G281和G282号墩上各设置1台全站仪。在每台全站仪支架上布设1个连接棱镜作为两台全站仪基准网观测时的连接点，以保证监测网的整体性。

图4-4监测点与基准点平面设置示意图

监测范围内桥墩墩身高度8.0~13.8n，考虑到安全因素，全站仪通过固定 支架固定在墩身离地面3~4m处，具体设置示意图如下图所示：

图4-5监测点与基准点平面设置示意图

图4-6全站仪设置示意图

（2）监测结果分析

各项变形值如下表所示：

表4-2监测点变形速率表

监测项目	监测最大值/点号	控制值
京津城际高铁横向水平位移	0.99mm/281	±2mm
京津城际高铁纵向水平位移	0.81mm/282	±2mm
京津城际高铁垂直累计位移	-0.80mm/282	±2mm

从表4-2可以看出，所有监测点变形值均远小于控制值。

各监测点变形情况如下图所示：

图4-7京津城际累计横向位移量图

图4-8京津城际累计纵向位移量图

图4-9京津城际累计垂直位移量图

从上图可以看出，京津城际北京环线特大桥所有监测点累计变形值均小于2mm控制值，可以认为盾构施工对铁路影响趋于稳定。

5.结论

盾构施工中地层位移变化和应力扰动控制技术是盾构施工的关键技术，本文以北京地铁17号线朝北区间盾构上跨南水北调东干渠、下穿五环快速路、侧穿京津城际铁路高架桥桩立体重叠风险源为依托，通过采取有效的位移变化控制措施，取得了良好的效果，满足施工要求。具体结论如下：

（1）在北京地区典型含水细中砂层中，盾构机穿越重大风险源施工前，采用MIDAS软件对盾构隧道施工进行模拟，模拟中结合了地层沉降控制措施，综合分析了采取沉降措施后盾构隧道施工对地层扰动产生的影响，对盾构穿越立体风险源沉降位移控制具有很好的指导意义。

（2）在盾构机穿越立体风险源前，建立试验段，分析对比采用控制措施前后的地层位移变化，验证了采取控制措施后可地面沉降可得到良好的控制，为类似工程地铁隧道盾构法施工沉降控制提供参考。

（3）本工程采用地面深孔注浆、地面袖阀管注浆及洞内深孔注浆的技术措施，很好地控制住了盾构机掘进对地表沉降、桥梁结构位移的影响，大大地提高了现场施工效率和安全性。

（4）通过对盾构上跨南水北调东干渠、下穿五环快速路、侧穿京津城际铁路高架桥立体重叠风险源深入分析和研究，在保证施工安全质量的前提下，以解决施工重难点为目的，通过一系列沉降控制措施总结出了相关工法施工的重要参数。为北京典型含水细中砂层地区今后采用类似工法施工提供了宝贵的经验。

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