朱春雷

盾構斜向下穿運營隧道的水平位移影響分析

朱春雷

(杭州市地鐵集團有限責任公司杭州310000)

基于盾構施工對周圍土體及構筑物的擾動影響機理，通過實測數據對盾構近距離斜向下穿運營隧道的水平位移進行定量分析，并討論運營隧道對盾構3個施工階段的擾動敏感性:盾構下穿到達前刀盤擠土、通過時盾殼摩擦力、通過后地層損失。通過對1號線運營隧道監(jiān)測數據的綜合分析，可了解盾構穿越對其擾動程度，并在此基礎上進一步對現有的盾構施工參數方案進行優(yōu)化，確保已運營地鐵隧道的安全，供后續(xù)類似工程參考借鑒。

軌道交通;盾構施工;運營隧道;斜向下穿;水平位移

隨著軌道交通在各個城市快速發(fā)展，盾構穿越已運營地鐵隧道的現象越來越多。穿越施工期間，不可避免地會對運營地鐵造成一定影響。運營地鐵作為城市交通的命脈，其運營安全極為重要，若施工不當，則有可能造成嚴重的后果。

盾構穿越已運營的地鐵隧道工程，在上海、北京、廣州等地鐵先行城市積累了不少屬于各自城市特點的成功經驗［1-4］。筆者結合某盾構隧道近距離斜向下穿運營隧道的工程案例，根據實測數據對運營隧道水平位移受擾動影響的規(guī)律進行了分析。

1 工程概況

杭州地鐵1號線全長47.97 km，于2012年11月24日通車試運營，目前日均客流已超過50萬人次，已成為杭州重要的交通干線。在建的杭州地鐵4號線近距離斜向下穿1號線，最小凈距僅為2.12 m。圖1為隧道穿越平面圖，圖2為隧道穿越縱斷面圖。

圖1 隧道穿越平面

圖2 隧道穿越縱斷面

4號線區(qū)間隧道采用土壓平衡式盾構，盾構外徑為6.34m，區(qū)間隧道全長329.675m。隧道外徑為6.2m，內徑為5.5m。先推進的右線盾構從車站北端頭井始發(fā)，在樁基群中向北推進84.4m后，在1號線下方以23.6°的小角度斜向穿越通過，推進至另一車站端頭井調頭沿左線推進203.4m后，再次在1號線下方以17.5°的小角度斜向穿越通過。

1號線運營隧道主要位于④3灰色淤泥質黏土層當中，下臥層為⑥1灰色黏土層。4號線盾構主要在⑥1灰色黏土、⑥2灰色粉質黏土中穿越。土質為流塑—軟塑狀態(tài)，高等壓縮性，土體力學性質均較差。土層具體參數詳見表1。

為了保證1號線的運營安全，須對相關數據進行實時監(jiān)控。本工程主要對隧道結構縱向上的隆起(沉降)值、軌道橫向高差、結構收斂值等進行監(jiān)測，并制定了地鐵安全正常運營以及對隧道結構保護的要求。在盾構穿越期間，總的原則是盡量減少對地層的擾動。根據以往經驗以及現有理論指導體系，針對土壓平衡盾構，制定的主要施工技術措施是:1)保持開挖面土體穩(wěn)定;2)確定適當的注漿量、注漿位置和壓力、壓漿材料的合理配比;3)嚴格控制盾構方向，減少糾偏量; 4)信息化施工。

表1 土層物理力學性質參數

2 盾構穿越已運營隧道的擾動分析

選取先掘進的4號線右線盾構穿越1號線，從宏觀上對運營隧道受擾動影響的變形規(guī)律進行分析。兩隧道間投影交叉點的豎向距離為2.120m，平面交角α為23.6°，施工難度很大。

實測數據表明，盾構穿越對運營隧道的擾動影響主要表現為隧道的水平位移及豎向位移。本工程中豎向位移數值偏小，在穿越過程中控制在5 mm以內，穿越后控制在3 mm以內。豎向位移可通過調整土倉壓力、出土量、同步注漿、二次注漿等施工參數控制，國內類似近距離隧道下穿工程的案例較多，積累了許多成功經驗，能較好地控制豎向位移。本工程為盾構斜向小角度穿越，引起的水平位移相對較大，且過往對水平位移的研究相對豎向位移較少，下面主要針對水平位移進行分析。

2.1 盾構推進引起的地層水平位移

盾構推進與土體產生復雜的力學作用，如圖3所示。

圖3 盾構掘進受力分析

與沉降分析類似，可根據盾構施工引起土體變形機制的不同，在盾構施工過程中把地層水平位移分為5個階段［5］:

1)切口到達前。切口壓力設置及刀盤擠土作用導致切口前方土體變形，當切口壓力設置較大及刀盤擠土明顯時，前方土體受壓力作用F，向盾構推進方向移動位移S1。S1與F成正比，與測點距離盾構刀盤的距離d成反比，與隧道交角α成正比，另外與地層性質、測點處隧道剛度、時間等條件相關。

2)盾構通過。由于盾殼與土體接觸面積大，盾殼與土體摩擦力將引起地層剪切變形，其大小不容忽略，土體所受摩擦力f，沿盾構推進方向移動位移S2。

3)盾尾閉合。盾尾脫開后管片與土層之間由于超挖會形成空隙引起地層擾動，需同時注入漿液進行填充控制地層變形，即同步注漿。剩余未填充部分為土體損失量。當同步注漿量及壓力較小時，未能及時填充孔隙，可能使周邊土體位移產生徑向向內的位移(豎向表現為沉降，水平向表現為靠近盾構方向);當同步注漿量或壓力較大時，可能使周邊土體位移產生徑向向外的位移(豎向表現為隆起，水平向表現為遠離盾構方向)。

4)二次注漿。二次注漿由管片注漿孔內沿管片向外徑向注入，使周邊土體產生徑向向外位移S4。本工程在穿越段未進行二次注漿。

5)擾動土體回彈。盾構施工完成后受擾動土體位移產生回彈S5，S5與地層性質、時間相關。

梁榮柱等從理論分析的角度出發(fā)，探討了盾構施工各階段引起土體水平位移的解析解［6-10］。本文主要根據實測數據分析盾構施工對已運營隧道的影響。

2.2 盾構穿越的具體過程

穿越前，在1號線隧道內以軸線間點為中心，每隔兩環(huán)(每環(huán)寬為1.2 m)布置全站儀自動化實時監(jiān)測系統(tǒng)，對隧道水平位移值進行測量，水平位移測點布置在道床側邊，如圖4所示。選取其中15個測點進行分析。

按盾構機與1號線隧道的相對位置，取穿越時的6種關鍵施工工況對1號線隧道所受擾動影響進行分析，如圖5所示。工況1～6分別表示盾構穿越開始至穿越結束的各個階段，各工況位置描述見表2。

圖4 測點布置

圖5 盾構位置示意

表2 各工況位置

2.3 盾構穿越不同階段的隧道位移分析

1)工況1。此時，盾構刀盤到達58環(huán)，盾構管片拼裝53環(huán)，刀盤即將進入4號線隧道與1號線隧道邊線的第一個交叉點，開始正式進入疊交區(qū)段。1號線隧道上各測點的水平位移分布曲線如圖6(a)所示。

可以看出，1號線疊交段靠近盾構機的測點開始產生水平位移，最大值為2.3mm，發(fā)生在刀盤前方的2號測點，處于刀盤位置的1號測點位移為S1－1=1.3mm，遠離盾構機的測點位移均較小。假定位移小于1 mm時認為受施工擾動影響較小，位移大于5mm認為受施工擾動影響較大，則本工況盾構施工擾動影響范圍主要集中在7號測點之前的位置(刀盤前約14環(huán)位置)，且擾動剛剛開始，未形成較大影響。擾動主要是由切口壓力設置及刀盤擠土作用產生。

2)工況2。此時，盾構刀盤到達64環(huán)，盾構管片拼裝59環(huán)，盾尾即將進入4號線隧道與1號線隧道邊線的第一個交叉點，盾構完全進入疊交區(qū)段。1號線隧道上各測點的水平位移分布曲線如圖6(b)所示。

可以看出，施工擾動的影響程度及范圍均明顯加大，測點水平位移最大值為7.9 mm。擾動范圍開始擴大至9號測點(刀盤前約12環(huán)位置)。盾構機身范圍的1～3號測點主要受盾殼摩擦力作用，1號測點正處于盾尾位置，位移由1.3mm增加至6.4mm，S2－1=5.1mm。刀盤前方的4～9號測點主要受切口壓力及刀盤擠土作用，4號測點位移S1－4為4.5 mm。比較S1－1及S1－4，后者較大，主要是因為1號測點位置僅在刀盤側邊，而4號測點已有一半隧道進入刀盤位置。

3)工況3。此時，盾構刀盤到達70環(huán)，盾構管片拼裝65環(huán)，刀盤即將進入4號線隧道與1號線隧道中心線的交叉點。1號線隧道上各測點的水平位移分布曲線如圖6(c)所示。

可以看出，施工擾動的影響程度及范圍均進一步加大，最大值發(fā)生在3號測點為14.2mm，擾動范圍開始擴大至13號測點(刀盤前約12環(huán)位置)。盾尾后面的1～3號測點開始受盾尾閉合影響，1號測點位移增加至9.6mm。S3－1方向遠離管片，此時同步注漿量或壓力較大，及時填充孔隙，并使1號線隧道產生遠離4號線的位移。盾構機身范圍的4～6號測點主要受盾殼摩擦力作用，4號測點位移為11.2 mm，但此時4號測點并未完全脫離盾尾，根據實測數據，4號測點完全脫離盾尾時的位移為13mm，即S2－4=8.5mm。根據測點與盾構的相對位置關系可知，S2－4＞S2－1。7號測點位于刀盤位置，已有1/4進入盾身，位移增大至7.4mm，根據實測數據，7號測點完全位于刀盤前方時的位移為5.2mm，即S1－7=5.2 mm。該測點位置為兩隧道中線交點處，完全進入刀盤位置，因此刀盤的擠土作用遠大于其他測點。

4)工況4。此時，盾構刀盤到達76環(huán)，盾構管片拼裝61環(huán)，盾尾即將進入4號線隧道與1號線隧道中心線的交叉點。1號線隧道上各測點的水平位移分布曲線如圖6(d)所示。

可以看出，施工擾動的影響程度及范圍繼續(xù)擴大，最大值仍發(fā)生在3號測點，為13.7 mm，但擾動范圍不變，14、15號測點已位于疊交區(qū)段外，受刀盤擠壓影響較小。盾尾后面的4～6號測點受盾尾閉合影響，受同步注漿影響，4號測點位移增大至15.2 mm。盾構機身范圍的7～9號測點主要受盾殼摩擦力作用，7號測點的位移為10.4 mm，但此時7號測點并未完全脫離盾尾，根據實測數據，7號測點完全脫離盾尾時的位移為10.9mm，即S2－7=5.7 mm。刀盤前方10～13號測點位移增加值不大，基本都在1mm左右，10號測點正位于刀盤位置，其S1－10=4.7mm。

5)工況5。此時，盾構刀盤到達84環(huán)，盾構管片拼裝79環(huán)，刀盤即將脫離4號線隧道與1號線隧道邊線的最后一個交叉點，盾構開始脫離疊交區(qū)段。1號線隧道上各測點的水平位移分布曲線如圖6(e)所示。

可以看出，各測點位移開始回落，最大值仍發(fā)生在3號測點，為13.2 mm，14號測點位移由0.7 mm變?yōu)椋?.7mm，變化值為1.4mm，認為已開始受擾動影響，15號測點仍未受擾動。1～10號測點位移回落值逐漸加大，1號測點僅回落0.3 mm，處于盾尾位置的10號測點回落3.2 mm。分析認為，此時盾尾已基本越過1號線隧道，處于盾尾閉合階段的7～10號測點受同步注漿量或壓力較大的影響，產生遠離盾構的位移，因此水平位移方向為負，位移減小，由此帶動1～6號測點產生位移回落。11～13號測點處于盾身位置，其位移也未因受盾殼摩擦力作用而加大，分析原因為這3個測點僅局部進入刀盤位置，受盾殼摩擦力作用減弱，另外受同步注漿的影響帶動位移回落，同理14號測點也由此影響產生負位移。

6)工況6。此時，盾構刀盤到達85環(huán)，盾構管片拼裝90環(huán)，盾尾即將脫離4號線隧道與1號線隧道邊線的最后一個交叉點，盾構完全脫離疊交區(qū)段。1號線隧道上各測點的水平位移分布曲線如圖6(f)所示。

可以看出，各測點位移受同步注漿影響繼續(xù)回落，最大值仍發(fā)生在3號測點，為13.4 mm。1～4號測點位移回落較小，基本穩(wěn)定。位移回落最大的測點為盾尾位置的13號測點，11～15號測點因回落位移較大出現負值。

圖6 各工況下1號線隧道水平位移曲線

2.4 盾構穿越位移時程曲線分析

根據兩條隧道的疊交區(qū)域，選取具有代表性的5個測點，從另外一個角度對運營隧道受穿越擾動的影響進行分析。如圖4所示，1、13號測點處于1、4號線隧道邊線的交點處，4、10號測點處于1號線中心線與4號線隧道交點處，7號測點處于1、4號線隧道中心線的交點處。5個測點的位移時程曲線如圖7所示，T1表示刀盤到達1號測點及盾尾脫出的盾構通過全過程時間段。T1之前的位移為刀盤擠土的影響S1，T1的位移為盾殼摩擦力的影響S2(10、11號測點由于盾構還未全部通過時就開始受注漿影響，位移出現回落，S2－10取其中最大值與S1的差，S2－13無取值)。T1之后的位移為盾尾閉合影響，取盾尾脫出后各點與(S1+S2)的最大差值為S3。各測點的位移匯總見表3。

圖7 各測點位移時程曲線

表3 各工況測點位移

由圖7及表3可知，盾構到達前均對前方土體產生擠壓，使1號線隧道產生正位移S1，其大小跟測點與盾構的相對位置有關，與盾構較近或位于刀盤位置較多的測點受影響程度更大。取各位移絕對值相加為總位移，各測點S1所占比例為12%～33%，對于位于刀盤位置的測點其值不可小估。盾構通過盾身時，受盾殼摩擦力作用，使1號線隧道產生正位移S2，1、4、7號測點S1所占比例為30%～48%，說明盾殼摩擦力f的作用不可忽略，甚至占較大比例，這是與沉降分析的不同點。盾構通過后，受盾尾閉合影響，使1號線產生位移，在本次穿越過程中1號線主要受同步注漿影響，產生徑向向外的位移，各測點S3所占比例為38%～75%，在3種作用力中所占比例最高，影響最為顯著。

3 結語

通過對1號線運營隧道監(jiān)測數據的綜合分析，可了解盾構穿越對其擾動程度，并在此基礎上，可進一步對現有的盾構施工參數方案進行優(yōu)化，以確保已運營地鐵隧道的安全。

1)盾構斜向小角度下穿已運營地鐵隧道的擾動影響主要以水平位移為主，豎向位移控制較好。

2)在盾構施工過程中可以把地層水平位移分為5個階段:切口到達前、盾構通過、盾尾閉合、二次注漿、擾動土體回彈。本研究主要針對前3個施工階段。

3)3個施工階段對1號線的影響均不可小覷，各階段的影響比例與測點的位置相關。切口到達前，施工中可以通過控制切口壓力、減慢掘進速度控制對周邊土體的擠壓;盾構通過時，可以通過改良土體減小盾殼與土體摩擦力作用;盾尾閉合過程中，需合理調整同步注漿量及壓力等施工參數減小對土體的擾動。

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(編輯:郝京紅)

Analysis on Horizontal Displacement of Subway in Operation Caused by Oblique-downward Shield

Zhu Chunlei
(Hangzhou Metro Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310000)

Based on the disturbing effectmechanism of shield-driven construction on surrounding soiland buildings，a quantitative study on the disturbing effectof oblique-downward shield construction on adjacentsubway in operation is carried outby fieldmonitoring data.And the sensitivity of subway in three shield construction stages is discussed which include cutter-head compressing the soil before shield arrival，the shield shell friction on soil when crossing and ground loss after themachine goes through.The disturbance degree of shield tunneling can be obtained through the comprehensive analysis of the tunnelmonitoring data of Line 1 in operation，and the existing parameters scheme of shield construction can be further optimized to ensure the safety of the subway in operation.The analysis provides references for similar projects in the future.

rail transit;shield-driven construction;subway in operation;oblique-downward;horizontal displacement

U231

A

1672-6073(2016)02-0061-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.014

2015-08-13

2015-08-24

朱春雷，男，高級工程師，長期從事地鐵管理和研究工作，Zc l@hzmetro.com