隧道穿越既有區間的安全措施與預警分析

張杰

（華設設計集團股份有限公司，江蘇南京 210014）

0 引言

城市軌道交通快速發展，地鐵線網日趨密集，不可避免出現新建線路與既有線之間交叉、并行、換乘等情況[1-5]。新建隧道上穿、下穿既有線，特別是小凈距穿越，對既有線影響較大，主要是新建隧道引起既有隧道周邊土層受力狀態發生變形，繼而引發既有線結構受力狀態發生變化，從而出現變形[6-11]。為保證既有地鐵隧道的結構安全，一般考慮對既有隧道采取保護措施。

目前國內學者針對新建隧道穿越既有隧道采取的保護措施已有眾多研究成果。徐朝輝[12]通過對盾構改造、工后加固處理措施對既有隧道進行保護；李恒一[13]從施工順序角度來采取措施對既有隧道進行保護；王明年等[14]指出了盾構同步注漿漿液滯后效應及其改進措施。但目前新建隧道穿越既有地鐵隧道尚未形成完整的保障措施體系，且穿越過程出現的預警分析和經驗總結研究偏弱。

本文以南京地鐵在建線路穿越既有運營線為研究對象，結合數值分析和實踐經驗，系統地提出了上穿工況下，保護措施從外部條件、內部條件和應急響應措施等方面落實；下穿工況下，保護措施從洞內、洞外、試驗段和運營配合措施等方面著手；形成一套完整的新建隧道穿越既有地鐵隧道的結構安全保護體系。同時結合實踐對出現的穿越節點既有區間預警情況進行原因分析和總結，為類似工程提供警示和參考。

1 上穿既有地鐵區間隧道

1.1 工程概述

南京新建地鐵7 號線永初路站-雨潤大街站盾構區間上穿既有2 號線油坊橋站-雨潤大街站盾構區間，兩者豎向最小凈距約為1.5 m（見圖1）。

圖1 新建區間上穿既有區間關系圖（單位：m）

既有2 號線區間主要穿越土層為②-4d2 粉細砂（中密）地層，施工期間未對拱頂上方土體進行加固。

新建7 號線區間覆土厚度約為8.2 m，主要穿越土層為②-2b3-4+d3 淤泥質粉質黏土、粉質黏土夾粉砂（軟塑-流塑）地層。

1.2 保護措施

（1）外部條件

隧道圍巖土體強度越高，抗外部擾動能力越強。根據此原理，上穿施工時，為降低對下方既有運營隧道的影響，可采用MJS 注漿方式提高既有隧道周邊土體強度，形成門架式保護體系，繼而增加抗擾動變形能力。分別對盾構穿越期間土體未加固和加固進行模擬，如圖2 所示。

圖2 計算幾何模型

考慮邊界條件的影響，本次模擬模型大小采用130 m（寬）×53 m（深）×160 m（長）。隧道開挖采用錯開式開挖，先進行右線的開挖施工，待施工完畢后再進行左線施工開挖，具體布置如下：

第一步，激活地層、2 號線管片，進行初始應力狀態分析，計算結果位移清零；

第二步，7 號線隧道右線第一步開挖，鈍化第一步隧道內土體，激活開挖面土倉壓力；

第三步，7 號線隧道右線第二步開挖，激活第一環管片，激活第一環管片壁后注漿屬性，鈍化第二步隧道內土體，激活開挖面土倉壓力；

……

第N-1 步，5 號線隧道左線第n步開挖，激活第n-1 環管片，激活第n-1 環管片壁后注漿屬性，鈍化第n步隧道內土體；

第N步，激活第n環管片，激活第n環管片壁后注漿屬性，開挖模擬結束。

表1 為無加固工況和MJS 加固工況效果對比分析。從表1 可知，采取MJS 加固對減小隧道隆起、收斂變形有顯著地效果，對隧道水平位移影響甚微。根據計算，無加固工況下既有隧道隆起達到17.8 mm＞規范允許值5 mm，隧道收斂變形2.53 mm＜規范允許值10 mm；但采取MJS 加固工況下既有隧道隆起僅1.7 mm＜規范允許值5 mm、隧道收斂變形減小至0.95 mm，隆起量、收斂變形量分別為未加固工況的0.1 倍、0.4 倍。

表1 無加固與MJS 加固效果對比分析

（2）內部條件

當既有地鐵隧道狀態較差時，對地鐵結構已出現的病害先行治理，包括變形超限、道床脫空、滲漏水及表觀病害等，同時為增強管片抗變形剛度，對影響范圍內管片可采取臨時縱向拉緊鋼拉條措施（見圖3）。若當既有地鐵隧道狀態較好時，穿越前可不進行處理，根據實際預警情況，適時啟動應急響應措施。

圖3 縱向拉緊鋼拉條圖

（3）應急響應措施

若盾構機上穿前，既有隧道出現上浮預警情況，可采用鋪設鋼砂、沙袋等壓重方式或對既有隧道管片進行拉結，提升隧道整體剛度。如盾構機上穿后，既有隧道出現上浮預警情況，可在新建隧道內預留注漿孔進行下部注漿控制。

2 下穿既有地鐵區間隧道

2.1 工程概述

南京新建地鐵5 號線三山街站-朝天宮站盾構區間下穿既有1 號線三山街站-張府園站盾構區間，兩 者豎向最小凈距約為3.5 m（見圖4）。

圖4 新建區間下穿既有區間關系圖

既有1 號線區間主要位于②-3d2-3 稍密-中密粉砂層，既有區間埋深約為8.0 m。

新建5 號線區間主要位于②-3d2-3 稍密-中密粉砂層和③-4b2-3+d2 粉質黏土夾粉細砂。

2.2 保護措施

（1）既有隧道洞內微擾動注漿

普查既有隧道區間管片狀態，當收斂變形達到或已超60 mm 時，啟動洞內微擾動注漿加固，注漿采用雙液漿（水泥-水玻璃），漿液流動范圍（注漿加固體）較易控制，可有效提高固結土體早期強度，提高土層的強度和變形模量，從而控制既有隧道沉降，既有區間洞內微擾動加固如圖5 所示。

圖5 既有區間洞內微擾動注漿加固圖（單位：m）

（2）既有隧道洞內環向+縱向加固

對既有區間管片采用環向小鋼環支撐+縱向拉緊條加固，以保證下穿段既有區間隧道管片的整體性，如圖6 所示。

圖6 既有隧道洞內環向+縱向加固圖

為驗證既有區間洞內加固的有效性，對有、無洞內加固兩種工況進行模擬分析，計算幾何模型如圖7所示。

圖7 計算幾何模型

表2 為無加固工況和洞內加固工況效果對比分析。從表2 可知，采取洞內加固對減小隧道沉降、水平、收斂變形均有顯著的效果。根據計算，無加固工況下既有隧道沉降達到22.0 mm＞規范允許值10 mm，水平位移15.0 mm＞規范允許值10 mm，隧道收斂變形11.0 mm＞規范允許值10 mm；而采取洞內加固工況下既有隧道沉降僅3.9 mm＜規范允許值10 mm、水平位移2.6 mm＜規范允許值10 mm，隧道收斂變形2.1 mm＜規范允許值10 mm，沉降量、水平、收斂變形量為未加固工況的0.2 倍。

表2 無加固與洞內加固效果對比分析

為進一步分析下穿掘進面對既有隧道影響的變化趨勢，施工步長取2.4 m。由圖8 可知，新建下穿隧道掘進會引起既有隧道沉降，且量值隨著掘進面的推進不斷增加，在距離掘進面20 m 范圍內沉降速率最大。

圖8 既有隧道沉降隨掘進面變化圖

新建下穿隧道掘進會引起既有隧道沿掘進方向水平位移，且量值隨著掘進面的推進不斷增加，在距離掘進面20 m 范圍內位移速率最大（見圖9）。

圖9 既有隧道水平位移隨掘進面變化圖

（3）既有線地層注漿改性

穿越既有隧道前10 環開始，新建隧道推進過程通過盾構機中盾位置徑向孔處同步注入克泥效，及時填充盾構施工過程中由于刀盤超挖造成的盾體與土體之間的空隙。有效控制盾構通過時上方土體和結構的下沉量。在克泥效的注入過程中，會向盾體四周的土層中滲透一部分克泥效，從而形成了泥膜，有效減少后期同步注漿的漿液向土層中滲透量。

（4）二次注漿和強化管片剛度

為了有效控制盾構穿越前后的既有隧道的沉降和位移，在穿越區及前后的管片上適當增加注漿孔數量，若穿越階段既有線隧道沉降單次超過1 mm，則通過新建隧道進行二次注漿加固，抑制上方既有隧道下沉（見圖10）；同時穿越段管片按超深埋進行配筋，提高隧道自身剛度。

圖10 同步注漿示意圖（單位：m）

（5）設置穿越前試驗段

試驗段期間主要對盾構掘進過程中掘進速度、刀盤轉速、泥水壓力、刀盤扭矩、推力、出渣量、注漿量、泥漿比重、地面沉降等數據進行統計分析，選擇合理的下穿掘進參數。減少穿越期間盾構的超挖和欠挖，使盾構勻速推進，減少對土體擾動。

（6）運營配合措施

穿越期間加強既有區間設施巡檢，建立互聯互通下穿保障溝通小組，及時通報既有區間變形情況，出現問題各部門及時知曉并處置。同時，穿越期間對既 有線進行限速運營，確保既有區間安全（見圖11）。

圖11 安裝限速牌

3 穿越節點預警分析與經驗總結

根據南京地鐵建設實踐，采取上述相關穿越保護措施，可以有效控制穿越節點既有區間隧道變形，確保穿越順利。但實踐過程中，也出現過一些穿越節點既有區間預警情況，本文對其相關原因進行分析和總結。

3.1 穿越中停機的危害性

盾構機停機危害較大原因主要有以下兩點：

（1）自身質量大。盾構機機頭自身質量大，易對下部土體產生壓縮變形，進而上部既有地鐵隧道產生沉降變形。

（2）盾構啟動動荷載影響大。盾構機重新啟動時，瞬時動荷載作用力較強，易產生周邊土體急劇增加。

典型案例：南京7 號線莫愁湖站-清涼山站區間下穿既有2 號線莫愁湖站-漢中門站區間，穿越期間左、右線分別出現設備故障，導致盾構機停機。經監測數據顯示，盾構停機期間既有隧道沉降5.2 mm，穿越期間既有隧道總沉降量14.5 mm?？梢钥闯?，盾構停機期間的沉降占穿越期間總沉降量約為1/2。

所以，盾構停機危害是巨大的，下穿既有線前應對盾構機配套設備進行一次全面、系統的檢查，避免由于設備部件導致上穿、下穿期間出現停機情況，危害既有隧道安全。

3.2 土體注漿加固擾動影響

當新建隧道始發井或接收井與既有隧道交叉點距離較近時，端頭井土體加固會對鄰近既有隧道產生影響，甚至端頭井加固對既有隧道產生的變形遠大于穿越節點的影響，如何降低土體注漿加固對鄰近建構筑擾動一直是工程關注問題。

典型案例：南京5 號線三山街站-朝天宮站區間下穿既有1 號線三山街站-張府園站區間，端頭井土層加固邊線與既有區間最小水平距離約為5.0 m（見圖12）。監測數據顯示，穿越節點處端頭加固期間造成既有區間沉降變形5.1 mm；穿越期間造成既有線沉降變形2.7 mm?？梢园l現，端頭土體加固遠大于新建區間穿越期間對既有區間造成的影響。主要原因端頭土體加固范圍較大，且與既有區間距離較近，土體加固初凝階段，土體強度低，極易造成周邊土體發生變形。

圖12 新建區間端頭井加固圖

新建區間下穿節點對既有區間影響往往是關注的重點，從而輕視了向鄰近距離的土體加固作用，在兼顧端頭加固的同時起到鄰近車站基坑開挖隔離作用，但往往在施工期間對加固速度、水泥參量、材料等控制不當，對既有區間造成不可估量的影響，從而會影響后續穿越節點可用的變形余量。

4 結論

通過總結南京地鐵交叉穿越工程經驗，結合數值模擬分析，得出如下結論：

（1）在建地鐵區間隧道上穿既有地鐵區間隧道時，應制定外部、內部和應急響應保障體系，同時對既有隧道采用MJS 門架式加固保護，可顯著減小穿越期間的影響，降低既有區間隧道變形。

（2）在建區間隧道下穿既有地鐵區間隧道時，應制定洞內、洞外、試驗段和運營配合措施保障體系，同時穿越前對既有隧道進行洞內加固是十分有效的保護措施，可顯著減小穿越期間的影響，既有區間變形明顯降低，且根據模擬數據顯示在距離掘進面20 m 范圍內，既有隧道沉降、水平位移變化速率最大。

（3）穿越中停機、土體注漿加固擾動等情況對既有區間的危害是較大的，有時可能會大大超過在建區間穿越期間的影響。因此在做好結論（1）、（2）中穿越節點的安全保障措施外，同樣需格外關注盾構設備狀態、注漿工藝要求等重要因素，其對既有區間的影響不容小覷。