林 洋

軟弱地層盾構(gòu)近距離對(duì)向掘進(jìn)施工控制技術(shù)

林 洋

摘 要：文章結(jié)合寧波市軌道交通2號(hào)線外灘大橋站—正大路站區(qū)間盾構(gòu)近距離對(duì)向掘進(jìn)工程，就軟弱土層盾構(gòu)近距離對(duì)向掘進(jìn)施工控制問題，應(yīng)用有限元法模擬分析盾構(gòu)近距離對(duì)向施工對(duì)地表沉降的影響規(guī)律，并依此從對(duì)向掘進(jìn)施工工藝和盾構(gòu)掘進(jìn)施工參數(shù)提出了施工控制措施。現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，地表沉降、建筑物沉降、隧道管片位移均滿足相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：軟弱地層；盾構(gòu)隧道；近距離對(duì)向掘進(jìn)；施工；控制技術(shù)

林洋：宏潤建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，工程師，浙江寧波 315700

1　工程概況

寧波市軌道交通2號(hào)線外灘大橋站—正大路站區(qū)間左右線單線長(zhǎng)約656 m，線路從外灘大橋站出來后沿大慶南路向北穿行至正大路站。2隧道中心線水平間距為12.0～14.7 m，水平凈距為5.8～8.5 m；隧道頂覆土深度在8.6～12.7 m；隧道主要穿越土層為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉砂夾黏土、粉質(zhì)黏土，地質(zhì)參數(shù)見表1。

2　工程實(shí)施難點(diǎn)

（1）土層地質(zhì)差。本工程盾構(gòu)穿越層含有淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，相對(duì)含水量低且壓縮系數(shù)小的區(qū)域，物理力學(xué)指標(biāo)較差，既不利于對(duì)相鄰隧道及地表環(huán)境的保護(hù)，也不利于隧道后期的穩(wěn)定。

（2）隧道間距近。通常在平行隧道凈距小于1倍隧道直徑的情況稱為小凈距隧道，本工程盾構(gòu)交會(huì)區(qū)段隧道中心間距12.23 m，隧道結(jié)構(gòu)凈距6.03 m（隧道直徑6.2 m），小于1倍隧道直徑，可能會(huì)造成土體擾動(dòng)的疊加效應(yīng)，影響土體周圍的應(yīng)力場(chǎng)。

（3）隧道埋深淺。盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)沿線地表及建構(gòu)筑物的影響隨著埋深（隧頂覆土）的增加逐漸減小。本工程盾構(gòu)交會(huì)區(qū)段隧頂覆土為11.8～12.7 m，約為1倍隧道直徑，對(duì)周邊地表的沉降有一定影響。

（4）周邊環(huán)境復(fù)雜。本工程盾構(gòu)交會(huì)區(qū)段主要管線較多，西側(cè)距離左線隧道邊界為10 m，東側(cè)距離右線隧道僅為8 m，因此，需提前制定好管線的遷改計(jì)劃，以便不影響周邊居民的使用。

表1　地質(zhì)參數(shù)表

3　盾構(gòu)近距離對(duì)向掘進(jìn)有限元分析

3.1有限元計(jì)算模型

為預(yù)測(cè)盾構(gòu)對(duì)向近距離掘進(jìn)對(duì)周邊地表沉降的影響，本文采用Plaxis 3D Tunnel 有限元分析軟件進(jìn)行模擬分析，模擬盾構(gòu)近距對(duì)向掘進(jìn)時(shí)對(duì)地表沉降的影響。模擬計(jì)算中假設(shè)盾構(gòu)同步注漿是及時(shí)和飽滿的，無盾構(gòu)施工擾動(dòng)。土體模型采用摩爾庫倫理想彈塑性本構(gòu)模型，盾構(gòu)管片采用線彈性模型。為較好地模擬盾構(gòu)對(duì)向近距掘進(jìn)施工對(duì)地表沉降的影響，按實(shí)際施工工況進(jìn)行模擬(先掘進(jìn)開挖左線隧道，再對(duì)向開挖右線隧道)。模型長(zhǎng)（x軸方向）80 m，寬（y軸方向）32 m，縱深（z軸方向）20 m，左右線隧道對(duì)稱布置，水平凈距為6.03 m。有限元計(jì)算模型如圖1所示。

3.2計(jì)算結(jié)果分析

3.2.1地表橫向沉降分析

圖2給出了隧道開挖橫斷面地表沉降曲線，由圖2可以看出：

（1）左線隧道開挖形成的地表沉降曲線范圍（沉降槽）約在-35 m到35 m之間，沉降槽寬度約70 m，地表最大沉降點(diǎn)落在距離2隧道中線-2 m左右的位置，最大地表沉降量約為8.3 mm；

（2）左線隧道開挖完成后，右線隧道施工緊接著進(jìn)行，此時(shí)地表最大沉降量達(dá)到了11.4 mm，約為左線隧道開挖形成的地表沉降量的1.37倍，且最大沉降點(diǎn)的位置出現(xiàn)在2.5 m的位置，向右移動(dòng)了大約4.5 m，整體曲線的走向也往右側(cè)偏移，但沉降槽的范圍變化不大，仍約在70 m左右。由此可知，盾構(gòu)對(duì)向掘進(jìn)不會(huì)改變盾構(gòu)單向掘進(jìn)時(shí)的沉降槽范圍，但會(huì)改變地表沉降量的大小和最大值沉降的位置。

3.2.2地表縱向沉降分析

圖3給出了左線隧道開挖完成后右線隧道掘進(jìn)過程中2隧道中間線上計(jì)算點(diǎn)的地表沉降曲線，圖3中橫坐標(biāo)為右線盾構(gòu)刀盤離開計(jì)算點(diǎn)的距離（刀盤離開初始開挖面的距離），由圖3可知：

（1）右線盾構(gòu)刀盤處在計(jì)算點(diǎn)時(shí)（刀盤處在初始開挖面），計(jì)算點(diǎn)地表沉降量約為5.5 mm；

（2）刀盤離開計(jì)算點(diǎn)5 m時(shí)（盾構(gòu)掘進(jìn)到5 m），計(jì)算點(diǎn)地表沉降量約為7 mm；

（3）刀盤離開計(jì)算點(diǎn)8 ～9 m時(shí)（盾構(gòu)掘進(jìn)到8～9 m，此時(shí)盾尾到達(dá)初始開挖面），計(jì)算點(diǎn)地表沉降量增加約3.5 mm；

（4）刀盤離開計(jì)算點(diǎn)9～15 m（盾構(gòu)掘進(jìn)到9～15 m，盾尾已通過初始開挖面），計(jì)算點(diǎn)地表沉降量增加約3 mm；

（5）刀盤離開計(jì)算點(diǎn)16～20 m時(shí)（盾構(gòu)掘進(jìn)到16～20 m），計(jì)算點(diǎn)地表沉降基本趨于穩(wěn)定，最終約為12 mm。

圖1　有限元計(jì)算模型

圖2　隧道開挖橫斷面沉降曲線圖

圖3　計(jì)算點(diǎn)地表沉降與盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)系曲線

4　盾構(gòu)對(duì)向掘進(jìn)施工控制措施

通過以上工程難點(diǎn)及有限元模擬分析，并考慮盾構(gòu)對(duì)向掘進(jìn)的施工風(fēng)險(xiǎn)因素，確定盾構(gòu)近距離對(duì)向掘進(jìn)技術(shù)思路：①科學(xué)合理地安排施工工藝；②嚴(yán)格控制盾構(gòu)交會(huì)段的掘進(jìn)施工參數(shù)；③在交會(huì)過程中，先暫停左線盾構(gòu)掘進(jìn)，待右線盾構(gòu)平穩(wěn)通過后，再重啟左線盾構(gòu)掘進(jìn)；④加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)、合理優(yōu)化施工參數(shù)，以降低盾構(gòu)掘進(jìn)施工對(duì)地層的擾動(dòng)，減小對(duì)鄰近隧道和地表沉降的影響。4.1 施工工藝

綜合考慮2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)對(duì)向掘進(jìn)的相互影響和對(duì)向掘進(jìn)的動(dòng)態(tài)過程，將交會(huì)區(qū)段細(xì)分為3個(gè)階段。

（1）2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)刀盤相距從80 m 至30 m為接近段，接近段掘進(jìn)施工時(shí)，2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)之間尚未相互影響，按正常區(qū)段施工控制。

（2）2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)刀盤相距從30 m 至0 m然后再從0 m增大至26 m（此時(shí)盾尾間距為10 m）為交會(huì)段。在交會(huì)段，左線盾構(gòu)暫停掘進(jìn)，右線盾構(gòu)按施工措施要求繼續(xù)掘進(jìn)（圖4）。

（3）2臺(tái)盾構(gòu)機(jī)刀盤相距從26 m逐漸增大至126 m為離開段。在離開段，左、右線盾構(gòu)均在掘進(jìn)施工，已成型的左右線隧道和周邊環(huán)境尚未完全穩(wěn)定，因此，左、右線盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)需采取相應(yīng)措施，以減少對(duì)已成型的左、右線隧道的影響。

4.2施工參數(shù)設(shè)定

（1）嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)速度。在接近段和離開段，掘進(jìn)速度宜控制在30 mm/min；在右線盾構(gòu)單獨(dú)掘進(jìn)的交會(huì)段（約56 m，見圖4），盾構(gòu)掘進(jìn)速度分階段控制，交會(huì)前30 m掘進(jìn)速度控制在25 mm/min，交會(huì)后（約26 m）掘進(jìn)速度控制在20 mm/min。

（2）嚴(yán)格控制盾構(gòu)正面平衡壓力。在接近段和離開段掘進(jìn)過程中，根據(jù)地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整土壓力，施工過程中正面土壓力設(shè)定值應(yīng)稍大于理論值，使得盾構(gòu)刀盤處的地層有2 mm隆起量，同時(shí)，增加5%作為設(shè)置平衡土壓力，以減小地表后期沉降。

4.3施工監(jiān)測(cè)

4.3.1監(jiān)測(cè)方案

為檢驗(yàn)盾構(gòu)對(duì)向掘進(jìn)施工控制措施的有效性，對(duì)施工過程中成型隧道的水平位移、垂直位移以及地表和地表建構(gòu)筑物沉降進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。其中，成型隧道水平位移和垂直位移監(jiān)測(cè)為每環(huán)管片布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，地表沉降監(jiān)測(cè)每5環(huán)布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)，建筑物在墻體角點(diǎn)布設(shè)沉降測(cè)點(diǎn)。

4.3.2監(jiān)測(cè)結(jié)果

（1）交會(huì)段地表沉降測(cè)點(diǎn)在盾尾離開之前各測(cè)點(diǎn)中最大累計(jì)隆起9 mm，盾尾遠(yuǎn)離測(cè)點(diǎn)后，各測(cè)點(diǎn)中最大地表沉降10 mm，最大隆起2 mm?？梢?，最大隆起滿足10 mm、最大沉降滿足30 mm的標(biāo)準(zhǔn)要求，地表沉降控制較好。

（2）生寶門診部和三江購物俱樂部為4層混凝土結(jié)構(gòu)，均采用樁基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)和區(qū)間隧道凈距在3.2～8.5 m。交會(huì)段盾構(gòu)掘進(jìn)期間建筑物各測(cè)點(diǎn)中最大沉降為3.2 mm，滿足建筑物最大沉降15 mm標(biāo)準(zhǔn)要求，盾構(gòu)對(duì)向掘進(jìn)對(duì)建筑物影響較小。

（3）交會(huì)段成型隧道管片最大水平位移為9 mm，管片距離交會(huì)面越近，水平位移量越大，距離交會(huì)面20 m后，管片水平位移量已降至2 mm左右；成型隧道管片垂直位移為0 mm。可見，無論是管片水平位移還是垂直位移均滿足10 mm的標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4　盾構(gòu)機(jī)交會(huì)段掘進(jìn)示意圖 （單位：m）

5　結(jié)論

（1）對(duì)盾構(gòu)近距對(duì)向掘進(jìn)進(jìn)行有限元模擬分析，能夠有效預(yù)測(cè)軟弱地層盾構(gòu)對(duì)向掘進(jìn)對(duì)周邊地表沉降的影響，并可依此提出盾構(gòu)對(duì)向掘進(jìn)施工控制措施。

（2）監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，對(duì)盾構(gòu)近距對(duì)向掘進(jìn)采取的施工控制措施對(duì)減少地表、地表建筑物沉降以及已成型隧道管片位移有顯著的作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉建航，候?qū)W淵. 盾構(gòu)法隧道[M].北京：中國鐵道出版社，1991.

[2] 地盤工學(xué)會(huì). 盾構(gòu)法的調(diào)查·設(shè)計(jì)·施工[M]. 牛青山，譯. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[3] 中國水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院. 外灘大橋站—正大路站區(qū)間施工圖設(shè)計(jì)[R]. 浙江寧波：中國水電顧問集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2010.

[4] 宏潤建設(shè)集團(tuán)股份有限公司. 外灘大橋站—正大路站盾構(gòu)掘進(jìn)施工方案[R]. 浙江寧波：宏潤建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，2013.

[5] GB50446-2008盾構(gòu)法隧道施工與驗(yàn)收規(guī)范[S]. 2008.

責(zé)任編輯 朱開明

Control Technology of Soft Soil Shielding in Short Distance Tunneling from Two Portals

Lin Yang

Abstract:The paper takes the engineering works of shielding in short distance of the two portal excavation of the section from Waitan Bridge station to Zhengda Road station on Ningbo transit line 2 as an example, it discusses the control problems in soft soil shield in short distance tunneling excavation from two portals, by using the finite element method for simulation and analysis of shielding of short distance excavation from two portals over the influence patterns of ground surface subsidence, and construction control measures are accordingly put forward for the tunneling construction technology and shielding parameters. The monitoring results show that the relevant requirements and standards have been met in the aspects of surface subsidence, building subsidence, tunnel segment displacement.

Keywords:soft soil stratum, shield tunneling, short distance tunneling from two portals, excavation, control technology

收稿日期2015-03-25

中圖分類號(hào)：U455.43