1.中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063；2.浙江杭海城际铁路有限公司 浙江海宁 314400
摘要：为研究粉砂地层中盾构隧道小间距下穿既有运营隧道变形规律及控制措施，以杭州至海宁城际铁路工程余许区间下穿地铁1号线正线隧道为依托，通过数值模拟、现场试验和监测等手段，对既有隧道的保护措施、盾构掘进参数、隧道变形规律进行研究，通过施工期间监测数据验证掘进参数的合理性，盾构隧道变形值在评估要求值范围内，确保工程顺利实施和既有线隧道的安全运营，可为类似工程提供借鉴。
关键词：盾构；粉砂；数值模拟；隧道变形
引言
随着城市轨道交通的持续发展，根据线网规划和功能需要，出现大量近接地下工程。其中新建隧道下穿运营隧道已成为一种普通的现象。穿越既有线运营隧道难度大、风险大，如果处理不当，将会使邻近既有线结构产生附加内力和变形，直接影响运营安全及周边环境的安全。以杭州至海宁城际铁路工程余许区间下穿地铁1号线正线隧道为例，通过数值模拟、现场试验和监测等手段，对既有隧道的保护措施、盾构掘进参数、隧道变形规律进行研究，通过施工期间监测数据验证掘进参数的合理性，提出粉砂地层盾构隧道小间距下穿既有地铁隧道工程变形控制技术，研究成果既确保了依托工程的顺利施工，又可为类似工程提供参考。
1 工程背景
1.1 工程概况
杭州至海宁城际铁路余杭高铁站~许村镇站区间隧道盾构段线路出余杭高铁站沿现状文正街布置，隧道出余杭高铁站约44m位置下穿杭州地铁1号线余杭高铁站~南苑站区间隧道，区间隧道单线长 3126m，隧道由许村镇站端明挖区间始发，掘进至余杭高铁站端接收。
杭海线盾构管片外径6700mm，内径6000mm，地铁1号线隧道内径5500mm，外径6200mm。隧道竖向净距3.2m~3.5m，两者关系如下：
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图1.1 两者平面关系图
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图1.2 两者剖面关系图
1.2 场地工程地质条件
本工程由上而下涉及到土层有：①1层人工填土、②2层粉质黏土粘土、③2层粉土、⑤4层粉砂、⑦2-1层粉质黏土夹粉砂。叠交段杭海线盾构隧道所处地层为⑤4层粉砂，杭州地铁1号线隧道所处地层为③2层粉土、⑤4层粉砂。孔隙微承压水主要赋存于下部的⑤4粉砂、⑦3粉砂、⑨3-1细砂、⑨4圆砾土层中。土层物理力学参数如表1 所示。
表1.1 土层物理力学指标表
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2 既有线隧道状态评估及保护措施
2.1 既有线隧道状态评估
地铁1号线隧道已通车运营8年，根据监测数据显示，隧道运营状态良好，变形基本稳定。
2.2 保护措施
1、对地铁1号线隧道实施双液浆注浆加固，并采取自动化监测；
2、加强掘进参数的调整和盾构姿态的控制；
3、掘进时对刀盘前方实施超前注浆措施，并及时实施同步注浆。加强二次注浆。
3 数值模拟
3.1计算参数与模型
采用有限元软件 建立整体模型分析叠交段下穿节点工程各因素对杭州地铁1号线隧道的综合影响。模型的X方向取 200m，Y方向取 200m，Z 方向（地层深度方向）取60m。确保分析结果不受边界约束的影响，整体模型见图3.1-1所示，剖面相对关系见图3.1-2所示。
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图3.1-1 整体计算模型图
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图3.1-2 模型相对关系图
3.2 计算工况
计算工况设置：根据隧道穿越前~穿越中~穿越后的施工顺序，杭海线左右线隧道分别计算下穿地铁右线前、下穿地铁右线中、下穿地铁右线后（即下穿地铁左线前）、下穿地铁左线中、盾构施工完五步工况。工况设置见表3.1-1。
表3.1-1 工况设置及施工内容
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地层损失率算法：目前有大量的计算盾构法施工引起地面沉降的方法，地层损失率是通过派克公式得到的。派克假定施工引起的地面沉降是在不排水情况下的，所有沉降槽的体积应该等于地层损失的体积，假定地层损失在隧道长度上均匀分布，地面沉降的横向分布为正态分布曲线。
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图3.2-1 隧道上部地面沉降槽示意图
地面沉降的横向分布估算公式为：
S（x）=（V1/i√2π）exp（-Z2/2i2）
Smax=V1//i√2π≈V1/2.5i 《1》
式中：S（x）――沉降量
V1――地层损失量
Z――距隧道中心的距离
Smax――隧道中心线处最大的沉降量
i――沉降槽宽度系数
沉降槽宽度系数i的计算方法有多种，Attewell的公式计算方法是：i=R（Z/2R）0.8
式中：R为隧道半径，Z为隧道的中心埋深。
地层损失率的计算方法是：R=V1/V
其中：V为盾构的截面面积。
本计算中，由计算得出的地表沉降量反推地层损失率。
3.3 计算结果分析
根据计算分析，选取工况七及工况十二的位移云图。
工况七：杭海线右线隧道施工完成，地铁左线隧道最大竖向位移-3.122mm，右线隧道最大竖向位移-3.817mm；地铁左线隧道最大水平位移1.002mm，右线隧道最大水平位移1.225mm。
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图3.3-1 地铁结构竖向位移云图 图3.3-2 地铁结构水平向位移云图
工况十二：杭海线左线隧道施工完成，地铁隧道最大竖向位移-4.095mm，右线隧道最大竖向位移-4.450mm；地铁隧道最大水平位移1.190m，隧道最大水平位移1.377mm。
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图3.3-3 地铁结构竖向位移云图 图3.3-4 地铁结构水平向位移云图
4、试验段掘进参数研究
为验证下穿掘进参数，下穿地铁1号线试验段需选择地层、埋深与穿越段一致的区域。试验段设置在1890环～1949环，试验段与穿越段均为全断面⑤-4 粉砂层。
4.1试验段测试参数
试验段任务，对试验段进行了二次划分，确定不同阶段的试验目的及试验结果，试验段共划分四个阶段，具体划分如下：
第一阶段：1890-1920 环，主要为开挖面稳定性控制试验，以土压值为控制变量，其他盾构掘进参数以前期推进经验及计算值设定。本阶段分三步实施，第一步为1890-1900环，设定土压力为0.28Mpa，第二步1901-1910 环，设定土压力为 0.29Mpa，第三步为1911-1920 环，设定土压力为 0.3Mpa。若试验过程中刀盘前方沉降数据变化量超过±2mm 时，根据监测数据适当调整土压，同步注浆不变根据监测数据进行二次注浆，必要时进行深层注浆。
第二阶段：1921-1930 环，主要为盾体通过时填充试验，试验工艺为克泥效，通过对克泥效注入前后盾体上方的沉降分析，确定克泥效的注入参数以及后续控 制措施。
第三阶段：1931-1940 环，主要对二次注浆进行试验，设定不同注入量，分析二次注浆前后地表沉降变化，确定二次注浆工艺的介入时机和注浆参数。
第四阶段：1941-1950 环，第四阶段根据前期最优参数进行掘进。
4.2 试验结论
对试验段盾构掘进参数分析总结，下穿掘进参数控制如下：
1）推进过程中土压力设定根据隧道埋深设定值应为理论土压力的 1.15～1.25 倍进行控制；
2）推进过程中渣土改良采用泡沫剂改良，泡沫剂原液比 3%、发泡率 15、注入率 30%、掺入比 10%，膨润土作为应急材料，膨水比为 1：4、注入率 30%、掺入比 16%，当掘进过程中出现喷涌时采用膨润土改良；
3）推进过程中盾体克泥效注入量 0.45m³/环，注入充盈系数为 280%；
4）同步注浆注入量为5.7m³/环，注入充盈系数为170%，注浆压力不大于0.45Mpa
5）管片脱出盾尾 5 环后进行二次注浆，暂定二次注浆每环注入 1m³/环，二次注浆压力为不大于 0.9Mpa，二次注浆量需根据既有隧道沉降情况及时调整。
6）当地面沉降累计超 5mm 时，进行隧道内深孔注浆；
5、变形监测
盾构隧道小间距下穿既有运营隧道时，隧道内采取自动化监测、人工监测及巡查相结合的监测方案对隧道进行实时监测，准确反应盾构隧道施工对既有地铁隧道影响的动态变化，结合监测情况验证调整下穿过程中的掘进参数，实现信息化施工，确保地铁运行安全。
5.1 监测方案
1）自动化监测
测点要求：上下隧道正交位区域每2.5环布设一个监测断面，其余区域每5环布设一个监测断面，上行共24个断面，下行共25个断面。
监测内容：包括隧道道床沉降，隧道水平位移，隧道水平收敛、隧道轨道高差、拱顶沉降（穿越主要影响区）。
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自动化基准点布设图
2）人工监测
定期开展隧道道床沉降、水平收敛及水平位移人工复核。人工监测点布设与自动化监测点布设应对应，以便数据复核的可对比性与准确性。隧道内人工收敛监测测点断面布设原则为每隔6米（5环）布设一个监测断面。断面所在管片上存在长期运营监测收敛标志的，利用现有的收敛测点。
3）洞内巡查：地铁设施结构初始状态调查、地铁设施结构最终状态调查、定期巡视检查隧道渗漏水、隧道裂缝等状况
5.2 监测结果
根据监测数据统计分析，杭海线左线盾构完成下穿施工，杭州地铁1号线隧道最大竖向位移为2.7mm，水平位移为1.5mm；杭海线右线盾构完成下穿施工，杭州地铁1号线隧道最大竖向位移为4.8mm，水平位移为3.2mm。
6、结论与建议
经数值模拟分析，盾构穿越施工对已运营隧道影响较为明显，主要表现为盾构施工期间已运营地铁隧道发生明显下沉。沉降量与地层损失率密切相关。当控制土层损失率在5‰条件下，地铁隧道最大下沉量5.607mm，最大水平位移量1.885mm，最大收敛0.051mm。盾构施工对地铁车站水平位移影响在1mm以内，沉降2mm以内；当地层损失率在8‰条件下，地铁隧道最大下沉量8.054mm，最大水平位移量2.019mm，最大收敛0.074mm；当地层损失率在11‰条件下，地铁隧道最大下沉量12.126mm，最大水平位移量2.357mm，最大收敛0.082mm。
工程实测数据与理论计算对比表明，合理选取盾构掘进控制参数，下穿施工匀速掘进，地层沉降可得到有效控制，降低对既有隧道的影响。
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