张文龙1**刘华1胡亚洲1刘人菩1谭茜元1谢楠1叶伟涛2
（1.深圳地铁建设集团有限公司，深圳518038；2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海201804）
摘要：研究目的：为保障淤泥填海地层中新建盾构隧道小净距上跨既有隧道施工过程，以及运营过程中隧道变形控制需求，本文基于深圳地铁5号线上跨既有11号线隧道工程，采用数值模拟对软弱地层加固方案进行比选，提出相应的变形控制措施，并结合施工过程中的变形监测验证加固方案的可靠性。研究结论：（1）提出了基于提高隧道长期抗变形能力的地层旋喷桩加固方案，当隧道两侧加固宽度大于5m后，宽度增加对减小隧道水平收敛的影响不明显；（2）上述地层加固方案相较于未采取加固措施，可以使下卧既有隧道的上浮变形、地表沉降分别减小44%和86%，满足施工期变形控制需求；（3）施工期实测数据表明下卧既有隧道最大上浮变形为3.2mm，沿线最大地表沉降为5mm，均满足变形控制要求，验证了地层加固措施的可靠性；（4）本研究成果对淤泥填海地层盾构穿越节点工程的施工具有一定的借鉴意义。
随着城市轨道交通网络化发展，新建隧道往往受限于既有建筑物桩基、市政管线和既有隧道等构筑物[1]，近距离隧道交叠不可避免。交叠隧道穿越存在重大施工风险，会对既有隧道的安全运营构成极大隐患［2］。
软弱地层中空间交叠隧道施工时，盾构施工诱发的地表沉降值和沉降槽宽度较大［3］，采用地层加固能显著减小地层变形［4］。新建隧道开挖会破坏周围地层平衡应力场，使既有地铁隧道结构产生附加内力和变形［5，6］，通过同步注浆、渣土改良、成型隧道临时支撑、洞内管片注浆加固夹层土等方法［7］，能减小新建隧道对既有隧道的变形影响。此外，隧道施工时对地铁结构变形进行动态监测，也是穿越工程顺利推进的重要保障［8］。另一方面，软土地区轨道交通运营实践表明，软弱土层支撑下的盾构隧道在列车长期循环荷载和外部环境变化荷载作用下，其几何形态容易发生较大变形。这是由于隧道及周围土体的抗变形能力不足，导致外部荷载环境变化后，周围土体及隧道发生较大变形。综上所述，现有研究已提出控制交叠隧道施工期变形的相关措施，但对运营期隧道服役安全考虑较少。
深圳地铁5号线南延线桂湾站—前湾站区间施工过程中，双线盾构隧道近距离上跨既有11号线隧道。5号线在穿越区段盾构隧道全断面位于淤泥填海地层，该土层物理力学性质差，不利于新建隧道施工轴线控制；且重叠段隧道间净距小，新建盾构隧道的施工容易引起既有隧道发生较大变形，因此如何保障淤泥填海地层中施工期和运营期新建隧道及既有隧道变形控制在允许范围内，值得进一步研究。
本文结合深圳地铁5号线盾构隧道在淤泥填海地层中小净距斜上跨既有11号线隧道的工程实践，提出基于提高隧道长期抗变形能力的地层加固方案，通过有限元数值模拟，分析该加固方案对施工期既有隧道和地层变形控制的效果。通过隧道施工过程中的变形监测，对本文提出的加固方法效果进行检验，以期为其他多线交叠隧道穿越工程提供一定的借鉴和参考。
1工程概况
1.1设计概况
深圳地铁5号线南延线桂湾站—前湾站区间以8°～17°角度斜上跨既有11号线南山站—前海湾站区间隧道，两线最小净距2.0m，其中结构净距≤3.0m的重叠段线路长约70m，交叠段线路纵断面如图1所示。
交叠段5号线处于填海淤泥地层，是典型的饱和软土，天然含水率69.5%，孔隙比1.826，压缩模量1.8MPa，承载力特征值45kPa。既有11号线位于可塑状砂质黏性土层和全风化片麻状混合花岗岩层之间，重叠隧道间夹土层从上至下主要包括淤泥层、粉质黏土层和可塑状砂质黏性土层。各土层的物理力学参数如表1所示。
1.2主要技术难题
新建5号线处于淤泥填海地层，土层受扰动后易变形且变形量大，进而引起地表沉降值和沉降槽宽度较大；淤泥填海地层受盾构掘进扰动后易发生土体结构破坏、强度丧失，导致盾构掘进过程中轴线控制困难。另一方面，重叠段隧道间净距小，斜跨角度小，影响范围大，新建隧道施工容易引起既有隧道发生较大变形。因此如何保护既有隧道结构变形、控制新建隧道施工地层变形，是本工程技术难题之一。
此外，运营期间重叠隧道段在两条线路的长期循环荷载作用下所引发的动力响应存在叠加效应，可能使动力影响范围和程度增加，加剧运营期重叠隧道结构病害，影响重叠隧道结构服役安全和行车安全。并且该区域后续规划开发频繁，施工活动引起的周边加卸载会改变隧道的荷载作用环境，诱发附加变形。如何提高淤泥填海地层中运营期隧道抗变形能力，也是本工程的技术难题之一。
2基于提高隧道长期抗变形能力的地层加固方案
针对隧道变形控制，《城市轨道交通结构安全保护技术规范》［9］提出了隧道水平位移和竖向位移10mm的预警值和20mm的控制值。此外，隧道施工引起地表沉降应控制在30mm内。由于运营期内隧道结构变形控制标准高，本节先从隧道长期运营安全考虑，提高其服役抗变形能力。该地区的类似工程表明，影响隧道服役期结构安全的主要因素是周边加卸载，为此，本节通过有限元数值模拟探讨了相应地层加固方案对控制施工期变形的影响效果，旨在获得隧道外部荷载变化条件下地层加固宽度的合理取值。
结合隧道施工期和运营期长期安全的需要，拟采用高压旋喷桩进行地层预加固。三维有限元模型示意如图2所示，模型尺寸为200m×125m×40m，底部完全固定，水平方向施加法向约束，土层参数参照表1选取。外部荷载变化分加、卸载两种情况，加载采用在隧道正上方地表施加均布荷载实现，卸载则通过在隧道侧上方开挖50m×25m×10m基坑来模拟。为减小盾构掘进引起的地层扰动，竖直方向上对淤泥层进行全面加固，加固宽度则考虑隧道两侧2m、3m、4m、5m、6m和8m六种工况，加固深度为从淤泥地层顶部至底部以下2m。
图3展示了外部荷载变化条件下，不同加固宽度对隧道水平直径变化的影响。其中水平收敛变形率为地层加固后隧道水平收敛变形除以未加固时的隧道水平收敛变形。
由图3可知，上述地层加固方案能有效提高周围土体支承能力，进而提高隧道抗变形能力。在加、卸载条件下，当加固宽度小于5m时，随着加固宽度增加，地表加卸载引起的隧道水平收敛逐渐减小；当加固宽度大于5m后，地层加固宽度增加对减小隧道水平收敛的影响逐渐趋于稳定。
因此，结合现场施工布置形式，实际的地层加固宽度方案如图4所示，即对拟建5号线隧道两侧4.95m范围内的淤泥地层采用直径600mm的双重管高压旋喷咬合桩（格栅状）进行加固。
3地层加固对施工期下卧隧道和地层变形控制的效果
为检验上述基于提高隧道长期性能考虑的地层加固方案对施工期下卧既有隧道及地层变形控制的效果，基于实际地勘结果建立相应的三维有限元模型，如图5所示，模型尺寸为310m×150m×45.5m，底部完全固定，水平方向施加法向约束。其中拟建5号线隧道全断面位于淤泥地层，各地层参数参照表1选取，隧道管片和盾壳均采用板单元模拟，注浆层采用实体单元模拟。施工工序为5号线右线、左线先后穿越11号线（图5）。
为模拟注浆材料不同阶段力学性质，模拟中浆液材料分为两种：一种是凝结前浆液，视为有内压的低刚度材料，弹性模量取0.5MPa；另一种是凝结后浆液，弹性模量取2.0MPa。计算时一个计算步模拟盾构向前掘进3环，盾构机后3环注浆材料考虑为凝结前浆液，3环以后设为凝结后浆液。掌子面压力通过垂直作用在对应位置土体上的分布面荷载来模拟。
提取5号线隧道上跨施工完成后，既有11号线左线隧道竖向变形的最终计算结果，如图6所示，其中阴影区域为5号线与11号线交叠范围。可以看出，不同条件下5号线隧道施工卸载回弹均造成11号线隧道上浮，且隧道最大上浮位置都发生于隧道交叠处。未加固条件下，5号线盾构隧道上跨施工引起11号线隧道最大上浮14mm；地层加固后，引起11号线左线最大上浮量为7.8mm，变形满足规范要求，较未加固下变形减小44%，表明地层加固对控制既有隧道变形是有效的。
提取5号线左线与11号线左线相交断面进行地表变形分析，如图7所示，其中灰色区域表示新建5号线盾构隧道，阴影区域为地层加固区域。可以看出，未加固条件下，5号线盾构施工主要影响隧道上方土体，最大沉降发生在5号线左右线线路中心线处，为69mm。按30mm的盾构施工地表沉降控制值考虑，施工造成的地表变形严重超限。与未加固地表变形不同，加固后盾构施工变形主要发生在隧道周围未加固区域，施工造成地表最大沉降9.4mm，较未加固变形减小86%，表明本文提出的地层加固对控制施工地表变形的效果十分显著。
4隧道施工期变形控制效果检验
为保证隧道安全并验证上述数值模拟分析所提出的软弱地层加固方案的可靠性，对施工期间既有地铁11号线隧道竖向位移、水平位移（隧道腰部）、隧道收敛（水平、竖向）进行监测，典型断面的监测布置如图8所示。
图8中，A、B、C、D为监测棱镜布设位置，通过A点高程值可获取隧道竖向位移，B点平面坐标可获取隧道腰部水平位移，通过A点与C点的垂直距离可获取隧道竖向收敛变化，通点B点与D点的水平距离可获取隧道水平收敛变化。监测断面每隔6环布设一个断面，在重叠区间加密到每隔3环布设一个断面。此外，还对5号线地表沉降进行监测，纵向监测点位于5号线隧道中心轴线正上方，间隔20m布设；每个横断面设置11个监测点，分别从轴线外扩0m，±10m，±20m，±30m，±40m，±50m布设。
4.1既有11号线隧道变形
选取施工期11号线左、右线竖向累计变形进行分析，如图9所示，其中阴影区域为5号线与11号线交叠范围。由图9可知，5号线上跨施工期间，11号线竖向位移整体呈现上浮趋势；整个监测范围内，11号线在交叠处上浮量较大，均与前文中的数值模拟计算规律一致。11号线左、右线最大上浮量分别为2.5mm、3.2mm，处于变形控制范围内；较之数值模拟结果，实测值偏小，一方面由于实际11号线为曲线线形，监测数据中交叠段范围与数值模拟中隧道线形简化后存在一定差异；另一方面可能与11号线下卧层为砂质黏性土层和全风化片麻状混合花岗岩，实际回弹模量较大有关。
4.2地表沉降
选取5号线与11号线交叠段横断面5号线左线隧道上方进行地表沉降分析，如图10所示，其中灰色区域表示5号线左线盾构隧道，阴影区域为地层加固区域。盾构施工后，5号线正上方最大地表沉降5mm，满足变形控制要求。可见变形实测值及沉降曲线均与前文中的数值模拟结果较为接近，证实了上述软弱地层加固方案的可靠性及数值模拟结果的准确性。
5结论
本文基于深圳地铁5号线盾构隧道在淤泥填海地层中小净距斜上跨既有11号线隧道的工程案例，从保护既有隧道结构变形、控制新建隧道施工地层变形以及提高淤泥填海地层中运营期隧道抗变形能力三个方面出发，提出变形控制技术措施，并通过隧道施工过程中的变形监测，对本文提出的加固方法效果进行检验，主要得出以下几点结论：
（1）通过模拟隧道长期服役过程中，不同地层加固宽度条件下，周边加卸载对结构变形的影响，结合现场布置，得到实际的地层加固宽度为4.95m，获得了基于提高隧道长期抗变形能力的地层旋喷桩最佳加固方案。
（2）分析了上述地层加固方案对盾构上跨施工期间既有隧道和地层变形控制的效果，表明较之未加固，既有隧道上浮变形、地表沉降分别减小44%、86%，满足规范要求，说明该加固方案也能够满足施工期的变形控制要求。
（3）提出了施工及长期运营期隧道变形监测方案。在新建盾构上跨施工期间，既有隧道最大上浮变形3.2mm，沿线最大地表沉降5mm，均满足要求，验证了本文提出的地层加固方案的合理性。
转载文献来源：中国知网-铁道工程学报
