祝思然， 黃佩格， 矯偉剛， 張凱茵

(廣州軌道交通建設監(jiān)理有限公司， 廣東 廣州　510010)

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盾構(gòu)近距離下穿既有地鐵隧道沉降控制技術(shù)研究

祝思然， 黃佩格， 矯偉剛， 張凱茵

(廣州軌道交通建設監(jiān)理有限公司， 廣東 廣州510010)

摘要：以北京地鐵某區(qū)間盾構(gòu)下穿既有隧道工程為背景，運用FLAC3D軟件對施工過程進行模擬，結(jié)合現(xiàn)場實時監(jiān)測數(shù)據(jù)對沉降進行分析，并通過對盾構(gòu)近距離下穿既有線路的整個施工過程進行調(diào)查、研究與分析，提出盾構(gòu)下穿既有隧道沉降控制的有效技術(shù)措施。結(jié)果表明： 1)設置試驗段，根據(jù)試驗段監(jiān)測反饋對施工方案進行調(diào)整，對穿越段施工有極大的參考意義； 2)適當增大推進土壓，提升推進速度，可提高沉降控制效果； 3)設置聚氨脂隔離環(huán)和注入克泥效，在沉降控制中起到了十分積極的作用。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)隧道； 近距離； 下穿既有線； 數(shù)值模擬； 沉降控制

0引言

伴隨我國城市軌道交通建設的進一步發(fā)展，新建地鐵線路將越來越多地穿越城市中心地帶，施工所面對的環(huán)境條件越來越復雜。目前北京地鐵建設進入線網(wǎng)加密完善階段，新建線路規(guī)劃不可避免地進入一般城市道路、繁華商業(yè)區(qū)或狹小街道下，既有建筑物對選線的制約越來越嚴重。如果盾構(gòu)在復雜環(huán)境中的掘進對已有結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響較大，導致其安全及使用功能無法保障，將造成巨大的損失和不良的社會影響，故如何控制隧道開挖對既有線路穩(wěn)定性的影響，是近年來盾構(gòu)法施工面臨的一個重要問題。

丁智等[1]對隧道施工引起的土體變形對地面建筑物、既有隧道等鄰近建筑物的影響及盾構(gòu)隧道施工與鄰近建筑物相互影響的研究成果進行了總結(jié)；王占生等[2]對盾構(gòu)施工影響區(qū)域的劃分及預測手段進行了研究，并總結(jié)出盾構(gòu)施工引起的建筑物安全問題與應對措施；李強等[3]采用三維彈塑性有限元，研究了新隧道從既有隧道下面垂直穿過時對其變形影響的全過程。近年來，就盾構(gòu)隧道穿越施工引起的周圍土體擾動問題，國內(nèi)學者進行了一系列有價值的研究，并提出了盾構(gòu)法施工中相應的施工控制措施[4-7]。如何保證近距離疊交施工的安全穩(wěn)定并減少對既有隧道的擾動影響，對城市地下軌道交通的開發(fā)利用具有重要的實踐指導意義。

目前針對盾構(gòu)近距離下穿既有線的措施大多采用既有隧道超前預加固的方式，但存在工程造價高的問題。本文以北京某區(qū)間地鐵隧道近距離下穿既有M15隧道為背景，借助數(shù)值模擬軟件進行模擬分析，結(jié)合實際監(jiān)測數(shù)據(jù)，在未對既有隧道采取超前預加固的前提下提出比較合理的盾構(gòu)施工方法，以最大程度地減小盾構(gòu)施工對既有隧道穩(wěn)定性及地表沉降的影響。

1工程概況

新建地鐵隧道采用土壓平衡式盾構(gòu)，線路間距為15.3～17.9 m，隧道埋深為12.1～18.1 m，最大坡度為9.42‰，最小平面曲線半徑為400 m，盾構(gòu)管片外徑為6 m，內(nèi)徑為5.4 m。

新建地鐵隧道與既有M15隧道相交角度約50°近距離下穿，先下穿右線，后下穿左線。既有隧道為盾構(gòu)施工隧道，管片外徑為6 m，沉降控制標準為3 mm，地表沉降控制標準為30 mm。隧道相對位置及測點布置見圖1。下穿影響區(qū)域內(nèi)，新建地鐵區(qū)間左、右隧道間距17 m，與15號線隧道豎向凈距僅1.9 m，主要穿越的土層有④3粉細砂、⑥2粉土、⑥粉質(zhì)黏土。剖面位置及地質(zhì)情況見圖2。地表以下各主要地層的分布以及基本物理力學參數(shù)見表1。

2數(shù)值模擬分析

2.1計算模型的建立

本文運用數(shù)值模擬的方法，采用FLAC3D軟件建立三維模型進行分析計算[8-10]。根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果，得出地鐵盾構(gòu)下穿對鄰近已運營地鐵隧道的擾動程度，以指導施工，從而確保已運營地鐵隧道的安全。

圖1　隧道相對位置及測點布置圖

Fig. 1Plan showing relationship between shield tunnel and existing Metro tunnel

圖2　隧道相對位置地質(zhì)剖面示意圖

土層名稱層厚/m容重/(kN/m3)黏聚力/(kPa)內(nèi)摩擦角/(°)泊松比彈性模量/MPa粉土填土①318.08.0100.402.0粉土③220.519.0290.281.4粉質(zhì)黏土③14.619.631.0140.402.0粉土③2.0420.519.0290.281.4粉質(zhì)黏土④5.2620.333.0160.301.5粉質(zhì)黏土⑥820.235.0160.301.5粉土⑥23.320.418.0270.281.4粉質(zhì)黏土⑥2.120.235.0160.301.5中粗砂⑦12021.00.0400.201.0

按照地鐵隧道的實際尺寸、下穿角度建立數(shù)值模型，長度為112.8 m，寬度為105 m，厚度為50.3 m，單元數(shù)為277 700，節(jié)點數(shù)為284 224。計算模型單元網(wǎng)格如圖3所示。模型側(cè)面和底面為位移邊界，底面X、Y、Z方向位移固定，側(cè)面限制水平位移，模型上表面為地表，取為自由邊界。

根據(jù)經(jīng)驗取彈性模量E=5Es，土層體積模量根據(jù)公式K=E/3(1-2μ)求得，剪切模量根據(jù)公式G=E/2(1+μ)求得。襯砌及注漿體參數(shù)如表2所示。模型中襯砌用“殼結(jié)構(gòu)”單元模擬，厚度為0.3 m，注漿體采用三維實體單元模擬，參數(shù)均按照工程實際取值，上土壓力為0.1 MPa，注漿厚度為0.19 m。

(a) 整體網(wǎng)格模型

(b) 隧道網(wǎng)格模型

名稱彈性模量/GPa密度/(kg/m3)泊松比襯砌34.525000.25注漿體20.523500.35

2.2模型計算分析

本文選取新建隧道右線下穿M15，對已運營地鐵隧道的擾動影響進行分析，整個穿越過程可分為5個區(qū)域： 1)臨近M15左線； 2)通過M15左線； 3)位于M15左線與右線之間； 4)通過M15右線； 5)遠離穿越區(qū)域。

模擬計算中各監(jiān)測點的布置如圖1(紅點為既有隧道監(jiān)測點，黑點為地表監(jiān)測點)所示，右線開挖完畢后15號線隧道結(jié)構(gòu)位移如圖4所示，地表監(jiān)測點DB-27和DB-40沉降情況如圖5所示。

由圖4可知： 1)既有隧道結(jié)構(gòu)位移最大的監(jiān)測點均為監(jiān)測點8，即新建隧道與既有隧道相交位置對應的既有隧道的監(jiān)測點； 2)既有隧道左、右線沉降最大值約為13 mm。

(a) 拱頂

(b) 拱底

Fig. 4Settlement of crown and arch feet of the existing Metro tunnel on No. 15 Line

由圖5可知： 1)地表豎向位移的變化情況與既有隧道結(jié)構(gòu)位移的變化趨勢基本一致； 2)既有隧道左線結(jié)構(gòu)和上方地表均在區(qū)域1到區(qū)域2及區(qū)域2到區(qū)域3這2個過程中出現(xiàn)較大沉降； 3)既有隧道右線結(jié)構(gòu)和上方地表均在區(qū)域3到區(qū)域4及區(qū)域4到區(qū)域5這2個過程出現(xiàn)較大沉降，均在盾構(gòu)穿越及盾尾脫出這2個過程出現(xiàn)大的沉降，地表沉降最大值約為12 mm。

模擬結(jié)果既有隧道結(jié)構(gòu)沉降超出控制值，而模擬過程中參數(shù)的選擇都是根據(jù)理論計算得到，所以在施工過程中應以此為鑒，計算所得的理論參數(shù)不一定合理，應根據(jù)試驗段情況合理優(yōu)化參數(shù)。由上面分析可知，盾構(gòu)在下穿過程及盾構(gòu)脫出過程對既有隧道和地表擾動最大，所以在這2個過程中應采取合理的措施對沉降進行控制。

3施工措施

3.1土壓力設定及控制

土壓的設定是為了保持開挖面土體的穩(wěn)定，即設定值盡量接近自然土體側(cè)向自重應力[11]。通過開挖面靜止土壓力和主動土壓力的計算，考慮10～20 kPa的預備壓力，將推進上土壓控制在0.09～0.12 MPa。

(a) M15左線

(b) M15右線

Fig. 5Vertical settlement of ground surface of the existing Metro tunnel on No. 15 Line

3.2掘進速度和出土量設定

在穿越過程中盾構(gòu)掘進速度控制在10～15 cm/min，并連續(xù)平穩(wěn)；每環(huán)出土量總量控制在43～45 m3。必要時，通過適當調(diào)整出土速度以滿足土壓力控制的要求。

3.3同步注漿

同步注漿采用水泥砂漿，每環(huán)的同步注漿量在4～6 m3以上，確保注漿量達到理論空隙體積的140%以上。為保證注漿壓力有足夠注漿量的最小值，同時應與開挖艙內(nèi)的土壓力相匹配，同步注漿壓力計劃為0.2～0.3 MPa。注漿速度與盾構(gòu)掘進速度相符合。

3.4聚氨酯隔離環(huán)設置

在左、右線穿越段前端及末端各5環(huán)(隧道全斷面360°)范圍內(nèi)注入瞬凝型聚氨酯材料，其作用是防止盾構(gòu)在穿越段掘進時同步注漿漿液竄流引起的漿液流失，這能夠保證注入的漿液在隔離環(huán)之間凝結(jié)，從而起到很好的填充、支撐和加固作用。穿越段掘進時，為保證同步注漿漿液效果，在穿越段每間隔4環(huán)設置一環(huán)聚氨酯隔離環(huán)。聚氨酯隔離環(huán)布置如圖6所示。

圖6　新建區(qū)間左線風險工程區(qū)段劃分

3.5其他措施

1)掘進中加強盾尾密封油脂的注入，確保盾尾密封效果良好。

2)加強施工過程中的監(jiān)控量測，準確、實時掌握施工情況，并根據(jù)監(jiān)測信息合理調(diào)整施工參數(shù)。

3)嚴格控制盾構(gòu)姿態(tài)，改善管片受力和防水質(zhì)量。盾構(gòu)推力、扭矩和掘進速度應保持平穩(wěn)，掘進應保持連續(xù)，嚴禁在下穿地鐵15號段停機。

4實際施工措施調(diào)整及實測沉降情況

4.1實際施工措施的調(diào)整

4.1.1土壓力調(diào)整

在右線下穿施工過程中，試驗段土壓力基本在0.08～0.09 MPa。之后的推進對土壓力進行了調(diào)整，基本保持在0.12～0.13 MPa。在左線下穿施工中，上土壓力直接調(diào)整為0.13～0.14 MPa。

4.1.2注漿加固調(diào)整

新建隧道在右線下穿施工中，試驗段的地表沉降較大，既有線左線結(jié)構(gòu)沉降也較大，最大值達8～9 mm，發(fā)生在既有隧道左線的監(jiān)測點8位置。對此，施工方將同步注漿量從設定的4～6 m3調(diào)整為6 m3以上，基本控制在6～8 m3。

在左線下穿施工中，對同步注漿漿液的配比進行了調(diào)整。之前的漿液原則上初凝時間小于6 h，每1槽0.7 m3漿液配比為砂子∶水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶水=375∶120∶145∶43∶320(質(zhì)量比)；新的漿液原則上初凝時間小于4.5 h，每1槽0.7 m3漿液配比為砂子∶水泥∶粉煤灰∶膨潤土∶水=375∶145∶170∶43∶320(質(zhì)量比)，同時每1槽加白灰10 kg，縮短初凝時間，提高結(jié)石率。

4.1.3其他調(diào)整

1)左線下穿施工采用的泡沫劑調(diào)整為法國康達特發(fā)泡劑用于土體改良，并提高了盾構(gòu)推進速度，減小對既有結(jié)構(gòu)的擾動。

2)左線下穿施工時注入了克泥效產(chǎn)品填充盾殼與土體間隙，每環(huán)0.5 m3。

4.2實測沉降情況

4.2.1既有隧道結(jié)構(gòu)沉降

新建隧道右線下穿后，既有線隧道沉降人工監(jiān)測情況如圖7和圖8所示。由圖7和圖8可知： 右線下穿后既有隧道左線最大沉降位于監(jiān)測點Z08處，沉降量為10.07 mm(控制值3 mm)；既有隧道右線最大沉降位于監(jiān)測點Y07處，沉降量為6.3 mm(控制值3 mm)，相對既有左線隧道沉降量有明顯的減小，且對比實測數(shù)據(jù)和模擬理論數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，實測沉降量(10.07 mm)比模擬沉降量(13 mm)小，數(shù)值模擬所取參數(shù)均為試驗段設置的參數(shù)。由此可見在右線下穿過程中，相對試驗段土壓和注漿的調(diào)整對既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降控制作用比較明顯。

圖7　右線下穿引起15號線左線沉降情況(2013年)

Fig. 7Settlement of the existing Metro tunnel on No. 15 Line induced by construction of left line tube of new tunnel in 2013

新建隧道左線下穿完畢后，既有線結(jié)構(gòu)最終沉降人工監(jiān)測情況如圖9所示。由于擾動疊加既有隧道左線最大沉降仍位于監(jiān)測點Z08處，沉降量為11.42 mm，其中新建隧道左線下穿引起的沉降量為1.35 mm，既有隧道右線最大沉降仍位于監(jiān)測點Y07處，沉降量為8.67 mm，其中新建隧道左線下穿引起的沉降量為2.37 mm；而新建隧道左線正上方對應的既有隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)測點Z04和Y04的沉降都較小，Z04總沉降量為2.73 mm，Y04總沉降量為2.31 mm，均在控制值3 mm以內(nèi)，且圖9顯示新建隧道左線下穿時曲線圖變化幅度很小。由此可見，新建隧道在左線下穿過程中對既有隧道的二次擾動更小。

圖8　右線下穿引起15號線右線沉降情況(2013年)

Fig. 8Settlement of the existing Metro tunnel on No. 15 Line induced by construction of right line tube of new tunnel in 2013

4.2.2地表沉降

新建隧道右線上方地表依次選取DB-21(試驗段上方地表)、DB-27、DB-40 3個監(jiān)測點進行觀測，新建隧道左線上方地表選取DB-31、DB-44 2個監(jiān)測點進行觀測，位置見圖1。新建隧道左、右線下穿既有線完畢后，新建隧道右線上方地表沉降如圖10所示，新建隧道左線上方地表沉降如圖11所示。

圖9　隧道結(jié)構(gòu)豎向變形人工監(jiān)測結(jié)果總體情況

圖11　新建隧道左線上方地表沉降情況

新建隧道右線上方地表監(jiān)測點DB-21、DB-27、DB-40最終沉降量分別為25.03、 14.49、10.2 mm，左線上方地表監(jiān)測點DB-31和DB-44最終沉降量分別為10.39 mm和7.01 mm。從右線上方地表監(jiān)測數(shù)據(jù)分析可知，試驗段測點DB-21沉降遠遠大于后面2個監(jiān)測點的沉降，可見根據(jù)試驗段的沉降來調(diào)整施工參數(shù)，對地表沉降的控制起到了明顯的作用，而對比新建隧道左右線上方地表的沉降數(shù)據(jù)可知，左線上方地表沉降量明顯比右線上方地表沉降量小，與既有隧道結(jié)構(gòu)的沉降規(guī)律一致，可見新建隧道左線下穿既有隧道產(chǎn)生的擾動比右線下穿產(chǎn)生的擾動小。由上面的實測數(shù)據(jù)分析可知，在實際施工過程中，穿越段相對試驗段和新建隧道左線下穿段相對右線下穿段所進行的一些調(diào)整措施作用非常明顯，既有隧道結(jié)構(gòu)和地表的沉降均得到了更好的控制。由此可得，本工程施工中所采取一系列沉降控制措施是非常有效的。

5結(jié)論與建議

針對新建地鐵盾構(gòu)隧道近距離穿越既有地鐵隧道存在的風險，以數(shù)值模擬計算為輔助方法，并通過分析既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)與上方地表的實測位移變化情況，提出以下針對盾構(gòu)近距離下穿既有地鐵隧道的沉降控制的建議。

1)設置試驗段，采用擬定方案進行試掘進，并通過監(jiān)測進行檢驗、做出調(diào)整。

2)在上下隧道結(jié)構(gòu)之間土層比較薄的情況下，針對本次穿越設置的聚氨脂隔離環(huán)及注入克泥效產(chǎn)品對既有線的沉降控制起到了十分積極的作用，完全可以將既有隧道沉降控制在3 mm以內(nèi)。

3)建筑間隙的存在無法避免，必然會引起一定的沉降，且盾構(gòu)施工過程中這部分的沉降比較顯著，引起的沉降與注漿量、漿液質(zhì)量有直接關(guān)系，可通過合理提高注漿量及漿液質(zhì)量來減少這部分的沉降。

4)適當增大推進土壓，加強土體改良效果，并適當提升推進速度，盡量保持連續(xù)均勻的推進，可減少對土層的擾動，提高沉降控制效果。

5)充分利用監(jiān)測反饋數(shù)據(jù)，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時對施工方案進行調(diào)整，有助于對既有隧道結(jié)構(gòu)及地表沉降的控制。

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Study on Settlement Control Technologies for Shield Tunnel Closely Crossing Underneath Existing Metro Tunnel

ZHU Siran, HUANG Peige, JIAO Weigang, ZHANG Kaiyin

(GuangzhouMassTransitEngineeringConsultantCo.,Ltd.,Guangzhou510010,Guangdong,China)

Abstract:In this paper, the construction of a shield tunnel crossing underneath existing Metro tunnel in Beijing is numerically simulated by means of FLAC3D software. Study and analysis are made on the construction of the shield tunnel; and then effective settlement control technologies are proposed. The results show that: 1) The modification of the construction schemes based on data measured can provide effective reference for the shield boring. 2) The settlement control effect can be improved by increasing the shield thrusting force and thrusting speed. 3) The polyurethane isolating ring and “clay short” can obviously improve the settlement control effect.

Keywords:shield tunnel; closely crossing underneath existing Metro tunnel; numerical simulation; settlement control

中圖分類號：U 455

文獻標志碼：B

文章編號：1672-741X(2016)02-0234-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.017

作者簡介：第一 祝思然(1989—)，女，江西玉山人，2015年畢業(yè)于中國礦業(yè)大學(北京)，結(jié)構(gòu)工程專業(yè)，碩士，現(xiàn)從事軌道交通工程方面工作。E-mail: 860145886@qq.com。

收稿日期：2015-09-25; 修回日期: 2015-12-10