隧道穿越既有区间的安全措施与预警分析

张杰

（华设设计集团股份有限公司，江苏南京 210014）

0 引言

城市轨道交通快速发展，地铁线网日趋密集，不可避免出现新建线路与既有线之间交叉、并行、换乘等情况[1-5]。新建隧道上穿、下穿既有线，特别是小净距穿越，对既有线影响较大，主要是新建隧道引起既有隧道周边土层受力状态发生变形，继而引发既有线结构受力状态发生变化，从而出现变形[6-11]。为保证既有地铁隧道的结构安全，一般考虑对既有隧道采取保护措施。

目前国内学者针对新建隧道穿越既有隧道采取的保护措施已有众多研究成果。徐朝辉[12]通过对盾构改造、工后加固处理措施对既有隧道进行保护；李恒一[13]从施工顺序角度来采取措施对既有隧道进行保护；王明年等[14]指出了盾构同步注浆浆液滞后效应及其改进措施。但目前新建隧道穿越既有地铁隧道尚未形成完整的保障措施体系，且穿越过程出现的预警分析和经验总结研究偏弱。

本文以南京地铁在建线路穿越既有运营线为研究对象，结合数值分析和实践经验，系统地提出了上穿工况下，保护措施从外部条件、内部条件和应急响应措施等方面落实；下穿工况下，保护措施从洞内、洞外、试验段和运营配合措施等方面着手；形成一套完整的新建隧道穿越既有地铁隧道的结构安全保护体系。同时结合实践对出现的穿越节点既有区间预警情况进行原因分析和总结，为类似工程提供警示和参考。

1 上穿既有地铁区间隧道

1.1 工程概述

南京新建地铁7 号线永初路站-雨润大街站盾构区间上穿既有2 号线油坊桥站-雨润大街站盾构区间，两者竖向最小净距约为1.5 m（见图1）。

图1 新建区间上穿既有区间关系图（单位：m）

既有2 号线区间主要穿越土层为②-4d2 粉细砂（中密）地层，施工期间未对拱顶上方土体进行加固。

新建7 号线区间覆土厚度约为8.2 m，主要穿越土层为②-2b3-4+d3 淤泥质粉质黏土、粉质黏土夹粉砂（软塑-流塑）地层。

1.2 保护措施

（1）外部条件

隧道围岩土体强度越高，抗外部扰动能力越强。根据此原理，上穿施工时，为降低对下方既有运营隧道的影响，可采用MJS 注浆方式提高既有隧道周边土体强度，形成门架式保护体系，继而增加抗扰动变形能力。分别对盾构穿越期间土体未加固和加固进行模拟，如图2 所示。

图2 计算几何模型

考虑边界条件的影响，本次模拟模型大小采用130 m（宽）×53 m（深）×160 m（长）。隧道开挖采用错开式开挖，先进行右线的开挖施工，待施工完毕后再进行左线施工开挖，具体布置如下：

第一步，激活地层、2 号线管片，进行初始应力状态分析，计算结果位移清零；

第二步，7 号线隧道右线第一步开挖，钝化第一步隧道内土体，激活开挖面土仓压力；

第三步，7 号线隧道右线第二步开挖，激活第一环管片，激活第一环管片壁后注浆属性，钝化第二步隧道内土体，激活开挖面土仓压力；

……

第N-1 步，5 号线隧道左线第n步开挖，激活第n-1 环管片，激活第n-1 环管片壁后注浆属性，钝化第n步隧道内土体；

第N步，激活第n环管片，激活第n环管片壁后注浆属性，开挖模拟结束。

表1 为无加固工况和MJS 加固工况效果对比分析。从表1 可知，采取MJS 加固对减小隧道隆起、收敛变形有显著地效果，对隧道水平位移影响甚微。根据计算，无加固工况下既有隧道隆起达到17.8 mm＞规范允许值5 mm，隧道收敛变形2.53 mm＜规范允许值10 mm；但采取MJS 加固工况下既有隧道隆起仅1.7 mm＜规范允许值5 mm、隧道收敛变形减小至0.95 mm，隆起量、收敛变形量分别为未加固工况的0.1 倍、0.4 倍。

表1 无加固与MJS 加固效果对比分析

（2）内部条件

当既有地铁隧道状态较差时，对地铁结构已出现的病害先行治理，包括变形超限、道床脱空、渗漏水及表观病害等，同时为增强管片抗变形刚度，对影响范围内管片可采取临时纵向拉紧钢拉条措施（见图3）。若当既有地铁隧道状态较好时，穿越前可不进行处理，根据实际预警情况，适时启动应急响应措施。

图3 纵向拉紧钢拉条图

（3）应急响应措施

若盾构机上穿前，既有隧道出现上浮预警情况，可采用铺设钢砂、沙袋等压重方式或对既有隧道管片进行拉结，提升隧道整体刚度。如盾构机上穿后，既有隧道出现上浮预警情况，可在新建隧道内预留注浆孔进行下部注浆控制。

2 下穿既有地铁区间隧道

2.1 工程概述

南京新建地铁5 号线三山街站-朝天宫站盾构区间下穿既有1 号线三山街站-张府园站盾构区间，两 者竖向最小净距约为3.5 m（见图4）。

图4 新建区间下穿既有区间关系图

既有1 号线区间主要位于②-3d2-3 稍密-中密粉砂层，既有区间埋深约为8.0 m。

新建5 号线区间主要位于②-3d2-3 稍密-中密粉砂层和③-4b2-3+d2 粉质黏土夹粉细砂。

2.2 保护措施

（1）既有隧道洞内微扰动注浆

普查既有隧道区间管片状态，当收敛变形达到或已超60 mm 时，启动洞内微扰动注浆加固，注浆采用双液浆（水泥-水玻璃），浆液流动范围（注浆加固体）较易控制，可有效提高固结土体早期强度，提高土层的强度和变形模量，从而控制既有隧道沉降，既有区间洞内微扰动加固如图5 所示。

图5 既有区间洞内微扰动注浆加固图（单位：m）

（2）既有隧道洞内环向+纵向加固

对既有区间管片采用环向小钢环支撑+纵向拉紧条加固，以保证下穿段既有区间隧道管片的整体性，如图6 所示。

图6 既有隧道洞内环向+纵向加固图

为验证既有区间洞内加固的有效性，对有、无洞内加固两种工况进行模拟分析，计算几何模型如图7所示。

图7 计算几何模型

表2 为无加固工况和洞内加固工况效果对比分析。从表2 可知，采取洞内加固对减小隧道沉降、水平、收敛变形均有显著的效果。根据计算，无加固工况下既有隧道沉降达到22.0 mm＞规范允许值10 mm，水平位移15.0 mm＞规范允许值10 mm，隧道收敛变形11.0 mm＞规范允许值10 mm；而采取洞内加固工况下既有隧道沉降仅3.9 mm＜规范允许值10 mm、水平位移2.6 mm＜规范允许值10 mm，隧道收敛变形2.1 mm＜规范允许值10 mm，沉降量、水平、收敛变形量为未加固工况的0.2 倍。

表2 无加固与洞内加固效果对比分析

为进一步分析下穿掘进面对既有隧道影响的变化趋势，施工步长取2.4 m。由图8 可知，新建下穿隧道掘进会引起既有隧道沉降，且量值随着掘进面的推进不断增加，在距离掘进面20 m 范围内沉降速率最大。

图8 既有隧道沉降随掘进面变化图

新建下穿隧道掘进会引起既有隧道沿掘进方向水平位移，且量值随着掘进面的推进不断增加，在距离掘进面20 m 范围内位移速率最大（见图9）。

图9 既有隧道水平位移随掘进面变化图

（3）既有线地层注浆改性

穿越既有隧道前10 环开始，新建隧道推进过程通过盾构机中盾位置径向孔处同步注入克泥效，及时填充盾构施工过程中由于刀盘超挖造成的盾体与土体之间的空隙。有效控制盾构通过时上方土体和结构的下沉量。在克泥效的注入过程中，会向盾体四周的土层中渗透一部分克泥效，从而形成了泥膜，有效减少后期同步注浆的浆液向土层中渗透量。

（4）二次注浆和强化管片刚度

为了有效控制盾构穿越前后的既有隧道的沉降和位移，在穿越区及前后的管片上适当增加注浆孔数量，若穿越阶段既有线隧道沉降单次超过1 mm，则通过新建隧道进行二次注浆加固，抑制上方既有隧道下沉（见图10）；同时穿越段管片按超深埋进行配筋，提高隧道自身刚度。

图10 同步注浆示意图（单位：m）

（5）设置穿越前试验段

试验段期间主要对盾构掘进过程中掘进速度、刀盘转速、泥水压力、刀盘扭矩、推力、出渣量、注浆量、泥浆比重、地面沉降等数据进行统计分析，选择合理的下穿掘进参数。减少穿越期间盾构的超挖和欠挖，使盾构匀速推进，减少对土体扰动。

（6）运营配合措施

穿越期间加强既有区间设施巡检，建立互联互通下穿保障沟通小组，及时通报既有区间变形情况，出现问题各部门及时知晓并处置。同时，穿越期间对既 有线进行限速运营，确保既有区间安全（见图11）。

图11 安装限速牌

3 穿越节点预警分析与经验总结

根据南京地铁建设实践，采取上述相关穿越保护措施，可以有效控制穿越节点既有区间隧道变形，确保穿越顺利。但实践过程中，也出现过一些穿越节点既有区间预警情况，本文对其相关原因进行分析和总结。

3.1 穿越中停机的危害性

盾构机停机危害较大原因主要有以下两点：

（1）自身质量大。盾构机机头自身质量大，易对下部土体产生压缩变形，进而上部既有地铁隧道产生沉降变形。

（2）盾构启动动荷载影响大。盾构机重新启动时，瞬时动荷载作用力较强，易产生周边土体急剧增加。

典型案例：南京7 号线莫愁湖站-清凉山站区间下穿既有2 号线莫愁湖站-汉中门站区间，穿越期间左、右线分别出现设备故障，导致盾构机停机。经监测数据显示，盾构停机期间既有隧道沉降5.2 mm，穿越期间既有隧道总沉降量14.5 mm。可以看出，盾构停机期间的沉降占穿越期间总沉降量约为1/2。

所以，盾构停机危害是巨大的，下穿既有线前应对盾构机配套设备进行一次全面、系统的检查，避免由于设备部件导致上穿、下穿期间出现停机情况，危害既有隧道安全。

3.2 土体注浆加固扰动影响

当新建隧道始发井或接收井与既有隧道交叉点距离较近时，端头井土体加固会对邻近既有隧道产生影响，甚至端头井加固对既有隧道产生的变形远大于穿越节点的影响，如何降低土体注浆加固对邻近建构筑扰动一直是工程关注问题。

典型案例：南京5 号线三山街站-朝天宫站区间下穿既有1 号线三山街站-张府园站区间，端头井土层加固边线与既有区间最小水平距离约为5.0 m（见图12）。监测数据显示，穿越节点处端头加固期间造成既有区间沉降变形5.1 mm；穿越期间造成既有线沉降变形2.7 mm。可以发现，端头土体加固远大于新建区间穿越期间对既有区间造成的影响。主要原因端头土体加固范围较大，且与既有区间距离较近，土体加固初凝阶段，土体强度低，极易造成周边土体发生变形。

图12 新建区间端头井加固图

新建区间下穿节点对既有区间影响往往是关注的重点，从而轻视了向邻近距离的土体加固作用，在兼顾端头加固的同时起到邻近车站基坑开挖隔离作用，但往往在施工期间对加固速度、水泥参量、材料等控制不当，对既有区间造成不可估量的影响，从而会影响后续穿越节点可用的变形余量。

4 结论

通过总结南京地铁交叉穿越工程经验，结合数值模拟分析，得出如下结论：

（1）在建地铁区间隧道上穿既有地铁区间隧道时，应制定外部、内部和应急响应保障体系，同时对既有隧道采用MJS 门架式加固保护，可显著减小穿越期间的影响，降低既有区间隧道变形。

（2）在建区间隧道下穿既有地铁区间隧道时，应制定洞内、洞外、试验段和运营配合措施保障体系，同时穿越前对既有隧道进行洞内加固是十分有效的保护措施，可显著减小穿越期间的影响，既有区间变形明显降低，且根据模拟数据显示在距离掘进面20 m 范围内，既有隧道沉降、水平位移变化速率最大。

（3）穿越中停机、土体注浆加固扰动等情况对既有区间的危害是较大的，有时可能会大大超过在建区间穿越期间的影响。因此在做好结论（1）、（2）中穿越节点的安全保障措施外，同样需格外关注盾构设备状态、注浆工艺要求等重要因素，其对既有区间的影响不容小觑。