成廣謀， 桂焱平， 丁智， 劉帥璽， 姜宜杰， 楊志德， 董毓慶

（1.杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，杭州 310003；2.浙江華東測(cè)繪與工程安全技術(shù)有限公司，杭州 311122；3.浙大城市學(xué)院土木工程系，杭州 310015；4.杭州巖通科技有限責(zé)任公司，杭州 310000）

0 引言

隨著地下空間的開發(fā)利用，地下交通網(wǎng)絡(luò)愈加密集，地下可利用空間越來越少，如何提高隧道空間利用率已成為亟待解決的問題。目前，提高空間利用率的斷面結(jié)構(gòu)形式主要有大直徑單圓、雙圓。然而大直徑單圓盾構(gòu)，由于掌子面直徑大，需要一定的覆土厚度，不適用于空間受限的環(huán)境，且容易出現(xiàn)超挖現(xiàn)象造成嚴(yán)重的地表沉降，影響周邊建（構(gòu)）筑物的安全［1］；雙圓盾構(gòu)海鷗塊背土、擠土效應(yīng)嚴(yán)重，且易發(fā)生自轉(zhuǎn)，進(jìn)一步增大地表沉降［2］。因此類矩形盾構(gòu)在空間受限的城市軌道交通領(lǐng)域更具優(yōu)勢(shì)。2015 年寧波市軌道交通3 號(hào)線率先引進(jìn)類矩形盾構(gòu)工法，開創(chuàng)了我國(guó)類矩形盾構(gòu)工法施工的先河［3］。目前對(duì)于類矩形盾構(gòu)施工對(duì)周圍環(huán)境影響的研究，主要以理論解析法［4-6］和數(shù)值模擬法［7-10］為主，對(duì)于實(shí)測(cè)分析研究相對(duì)較少。司金標(biāo)［11］通過實(shí)測(cè)分析，總結(jié)了類矩形盾構(gòu)隧道施工引起地層豎向變形的基本規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，張雪輝等基于彈性力學(xué)Mindlin 解，分析刀盤正面附加推力、殼體與土體之間摩阻力、同步注漿壓力以及土體損失4種因素的共同作用下類矩形盾構(gòu)施工引起的地表沉降。魏綱等在研究土體損失中引入了開挖面收斂模式參數(shù)和縱向損失率修正公式，進(jìn)一步完善了類矩形盾構(gòu)施工引起土體豎向位移研究。

杭州市地鐵隧道縱橫交錯(cuò)，盾構(gòu)穿越工程數(shù)量較多，密集的城市地鐵網(wǎng)絡(luò)給類矩形盾構(gòu)施工帶來巨大潛在風(fēng)險(xiǎn)，而類矩形盾構(gòu)掘進(jìn)引起的既有隧道變形特征尚缺乏認(rèn)識(shí)。以杭州某地鐵隧道類矩形盾構(gòu)施工區(qū)間施工為背景，結(jié)合工程資料及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析類矩形盾構(gòu)淺覆土掘進(jìn)施工引起的地表變形及上跨施工對(duì)既有隧道的影響，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

工程地下環(huán)境復(fù)雜，東側(cè)有5 條已運(yùn)營(yíng)的地鐵隧道，新建隧道需先穿越3條既有隧道，再與5條既有隧道平行進(jìn)入站點(diǎn)。5條既有隧道最小埋深為15.271m，地下空間有限，大直徑單元盾構(gòu)難以實(shí)施。同時(shí)既有隧道上方土體為富水砂層，沉降反應(yīng)迅速，如果采用雙圓盾構(gòu)，容易出現(xiàn)注漿材料無法及時(shí)填充到位的現(xiàn)象，導(dǎo)致地面沉降過大。在此背景下考慮采用類矩形盾構(gòu)。

1.1 工程簡(jiǎn)介

盾構(gòu)隧道全長(zhǎng)約1305m。其中采用類矩形盾構(gòu)法施工區(qū)間平面最小半徑R=430m，最大縱坡-29‰，埋深4.6～9.8m。類矩形隧道管片外徑為11.5m×6.937m，內(nèi)徑為10.6m×6.037m，管片厚度為450mm，管片寬度為1.2m。

類矩形盾構(gòu)掘進(jìn)過程中將依次上跨既有1號(hào)線下行線、1 號(hào)線出段線及4 號(hào)線出段線，平面位置如圖1所示。類矩形盾構(gòu)施工段與1號(hào)線出段線最小凈距約3.1m，且上跨段區(qū)域最小覆土僅5m左右，結(jié)構(gòu)剖面相對(duì)關(guān)系如圖2 所示。既有地鐵隧道均采用外徑6200mm的單圓盾構(gòu)。為保證既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全和正常使用，基于既有地鐵隧道的服役狀態(tài)，在1號(hào)線下行線91 環(huán)、1 號(hào)線出段線145 環(huán)、4 號(hào)線出段線131環(huán)、4號(hào)線入段線32環(huán)及1號(hào)線右線159環(huán)采取微擾動(dòng)加固，在1 號(hào)線出段線3 環(huán)（270 環(huán)、278 環(huán)、326環(huán)）采取鋼環(huán)預(yù)加固。

圖1 平面關(guān)系

圖2 剖面相對(duì)關(guān)系（單位：mm）

1.2 地質(zhì)水文

類矩形隧道位于3-3砂質(zhì)粉土和3-5質(zhì)粉土夾粉砂層中。既有隧道位于3-5 砂質(zhì)粉土夾粉砂層、6-1淤泥質(zhì)黏土和6-2淤泥質(zhì)黏土。場(chǎng)地上部地下水屬潛水，下部第6-1層圓礫層中賦存有承壓水，勘探期間測(cè)得場(chǎng)地穩(wěn)定水位埋深為1～2m（屬混合水），地下水位年變化幅度1～5m。

2 變形監(jiān)測(cè)

在類矩形盾構(gòu)隧道近距離上跨既有隧道時(shí)，為確保盾構(gòu)掘進(jìn)施工的安全和軌道交通區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的安全，在既有隧道內(nèi)及地表布設(shè)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2.1 監(jiān)測(cè)方案

既有隧道監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)在1 號(hào)線下行線、1 號(hào)線出場(chǎng)線、4 號(hào)線出場(chǎng)線，采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，斷面布設(shè)范圍見表1，斷面間距見圖1，在盾構(gòu)穿越投影區(qū)域每2.5環(huán)布設(shè)一個(gè)，其他區(qū)域每5 環(huán)布設(shè)一個(gè)。地表監(jiān)測(cè)斷面每20 環(huán)布設(shè)一個(gè)，斷面布設(shè)8 個(gè)點(diǎn)，間距分別是隧道中心軸線外側(cè)2.5、5.5、8.5、13.5、19.5m。盾構(gòu)軸線監(jiān)測(cè)沿隧道方向在左、右行線按5環(huán)（6m）間距布設(shè)一組監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別于區(qū)間盾構(gòu)左、右線軸線上方及盾構(gòu)中心線上方布設(shè)。

表1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)范圍

2.2 監(jiān)測(cè)分析

2.2.1 非上跨段地表沉降分析

圖3（a）所示為DBC5斷面隧道上方3個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向位移歷時(shí)曲線，圖3（b）為DBC25斷面隧道上方3個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向位移歷時(shí)曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為斷面累計(jì)沉降值。6 條曲線整體可分為快速沉降、沉降平穩(wěn)2 個(gè)階段。盾構(gòu)到達(dá)DBC5 斷面前，測(cè)點(diǎn)平均下沉0.62mm，占最終沉降的5.5%。盾構(gòu)通過DBC5時(shí)，測(cè)點(diǎn)平均下沉0.63mm，占最終沉降的5.5%。盾尾通過DBC5 后，測(cè)點(diǎn)平均下沉9.94mm，占最終沉降的89%。最終沉降穩(wěn)定在-13.68mm。DBC25 斷面快速沉降階段出現(xiàn)急劇的隆起是由二次注漿量過大引起的。DBC25-1及DBC25-2測(cè)點(diǎn)發(fā)生較大地表沉降，現(xiàn)場(chǎng)采取二次注漿進(jìn)行控制，但是注漿壓力過大導(dǎo)致地面隆起。DBC5斷面平穩(wěn)沉降階段中由于二次注漿使得地表沉降減小。斷面最大沉降發(fā)生在右線中心線上方，沉降速度約為3.44mm/d。工程所處地層為富水砂層，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)砂層地質(zhì)的沉降反應(yīng)很快［12］。因此類矩形盾構(gòu)在富水砂層中掘進(jìn)時(shí)要根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)采取二次注漿并調(diào)整注漿壓力，防止地表產(chǎn)生較大隆起和沉降。

圖3 地表沉降歷時(shí)曲線

圖4所示為土壓和地表沉降關(guān)系。由圖可知，土壓和地表沉降呈正相關(guān)。土壓力較小時(shí)，掌子面前方土體會(huì)向刀盤內(nèi)涌進(jìn)，導(dǎo)致前方土體損失引起地表沉降。土壓力較大時(shí)，盾構(gòu)刀盤會(huì)擠壓掌子面前方土體引起隆起。類矩形盾構(gòu)在富水砂層中掘進(jìn)時(shí)土壓力應(yīng)控制在1.2～1.3bar。

圖4 土壓和地表沉降關(guān)系

2.2.2 上跨段地表沉降分析

圖5 所示為DBC220 斷面和DBC200 斷面隧道上方3 個(gè)測(cè)點(diǎn)的豎向位移歷時(shí)曲線，6 條曲線整體可分為急劇隆起、快速沉降、平穩(wěn)沉降3個(gè)階段。盾構(gòu)到達(dá)DBC220 斷面前，測(cè)點(diǎn)平均上浮24.04mm。盾構(gòu)通過DBC220 時(shí)，測(cè)點(diǎn)平均下沉76.78mm，占最終沉降的81.8%。盾尾通過DBC220后，測(cè)點(diǎn)平均下沉17.14mm，占最終沉降的18.2%。最終沉降分別穩(wěn)定在-100、-75mm 和-33mm。DBC200 斷面在盾構(gòu)到達(dá)前出現(xiàn)的劇烈沉降，認(rèn)為是由盾構(gòu)機(jī)開倉清障施工引起的。相較于非上跨地表沉降歷時(shí)曲線，上跨段盾構(gòu)到達(dá)前產(chǎn)生的隆起更為劇烈，最大隆起為53.1mm，遠(yuǎn)大于非上跨段的隆起量。上跨段盾構(gòu)通過時(shí)地表沉降變化較大，地表最大沉降速度為42mm/d，相較于非上跨段提升了約12倍，脫離盾尾后地表沉降趨于穩(wěn)定。斷面最大沉降也由右線中心線上方轉(zhuǎn)為左線中心線上方?？梢姡軜?gòu)通過斷面時(shí)產(chǎn)生的沉降量最大，在上跨既有線時(shí)類矩形對(duì)周圍土體的擾動(dòng)增大，加劇了砂層地質(zhì)的沉降反應(yīng)。矩形盾構(gòu)在富水砂層中上跨既有線時(shí)要注意控制盾構(gòu)通過階段的地表沉降，及時(shí)采取措施。此外還需做好地質(zhì)勘察，防止盾構(gòu)機(jī)停機(jī)產(chǎn)生大量沉降。

圖5 地表沉降歷時(shí)曲線

2.2.3 既有線變形分析

圖6～圖8為既有隧道道床沉降曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為道床豎向位移，正值為隆起，負(fù)值為沉降，圖中陰影區(qū)域?yàn)樯洗┩队皡^(qū)。由圖可知，1號(hào)線出線段和4 號(hào)線出線段道床豎向位移分布呈中間大、兩側(cè)小的趨勢(shì)，最大隆起位于類矩形盾構(gòu)隧道中心線的正下方，與單圓盾構(gòu)近距離上穿既有線的規(guī)律［13］基本一致。但是，不同于單圓盾構(gòu)上穿既有線，在類矩形盾構(gòu)與既有線交叉穿越范圍外兩側(cè)40環(huán)內(nèi)，既有線道床下沉，且掘進(jìn)方向左側(cè)隧道沉降大于右側(cè)，這是由于同步注漿導(dǎo)致的。盾構(gòu)通過后，隧道兩側(cè)土體受同步注漿影響，發(fā)生明顯的沉降，產(chǎn)生的附加應(yīng)力作用于既有隧道，使得既有隧道產(chǎn)生沉降。隧道左側(cè)注漿較大，產(chǎn)生了更大的附加應(yīng)力，使得左側(cè)隧道道床沉降大于右側(cè)。類矩形盾構(gòu)上跨施工對(duì)1號(hào)線下行線道床沉降的影響范圍為交叉區(qū)域及其右側(cè)，交叉區(qū)域952～959環(huán)道床下沉是由既有隧道列車通過產(chǎn)生的震動(dòng)引起的。

圖6 1號(hào)線下行線道床沉降曲線

圖7 1號(hào)線出段線道床沉降曲線

圖8 4號(hào)線出段線道床沉降曲線

圖9～圖11 為既有隧道道床差異曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為道床差異沉降，圖中陰影區(qū)域?yàn)樯洗┩队皡^(qū)。由圖可知，1 號(hào)線出線段和4 號(hào)線出線段道床差異沉降以交叉點(diǎn)為中心呈中心對(duì)稱分布，與盾構(gòu)近距離下穿既有隧道的規(guī)律［14］相吻合，相較于普通圓形盾構(gòu)，類矩形盾構(gòu)的道床差異沉降曲線波動(dòng)較大。由于4號(hào)線出線段113～120環(huán)左側(cè)為類矩形盾構(gòu)接收井，隧道受其影響使得113～128 環(huán)出現(xiàn)較大的道床差異沉降。1號(hào)線下行線道床差異沉降值主要在-0.59～0.08mm范圍內(nèi)，總體差異沉降較小是因?yàn)槎軜?gòu)停機(jī)前的累計(jì)值被忽略。盾構(gòu)停機(jī)清障時(shí)，刀盤位于上穿投影區(qū)中點(diǎn)，復(fù)推時(shí)道床差異沉降重新累計(jì)，故1號(hào)線下行線道床差異沉降值較小。第944環(huán)和第974環(huán)差異沉降較大是由既有隧道列車通過產(chǎn)生的震動(dòng)引起的。

圖9 1號(hào)線下行線道床差異沉降曲線

圖10 1號(hào)線出段線道床差異沉降曲線

圖11 4號(hào)線出段線道床差異沉降曲線

圖12～圖14為既有隧道道床凈空收斂曲線，橫坐標(biāo)為時(shí)間，縱坐標(biāo)為凈空收斂位移，正值為水平擴(kuò)徑，負(fù)值為水平縮徑，圖中陰影區(qū)域?yàn)樯洗┩队皡^(qū)。由圖可知，類矩形盾構(gòu)上穿引起的各既有隧道最大凈空收斂發(fā)生在類矩形盾構(gòu)隧道中心線的正下方，既有隧道凈空收斂分布呈V型曲線，主要影響范圍是盾構(gòu)交叉范圍，與圓形盾構(gòu)近距離下穿既有隧道［15］的規(guī)律相同。但是，圓形盾構(gòu)下穿既有隧道所得曲線以正值為主，而類矩形上跨所得曲線多為負(fù)值，這是由于工況不同導(dǎo)致的。隧道下穿時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)造成既有線下方土體損失，使得既有線上部土壓相對(duì)變大，隧道水平直徑變大。類矩形盾構(gòu)上穿時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)造成既有線上方土體損失，使得既有線兩側(cè)土壓相對(duì)變大，隧道水平直徑變小。相較于普通圓形盾構(gòu)，類矩形盾構(gòu)隧道凈空收斂曲線波動(dòng)較大。

圖12 1號(hào)線下行線隧道凈空收斂曲線

圖13 1號(hào)線出段線隧道凈空收斂曲線

圖14 4號(hào)線出段線隧道凈空收斂曲線

3 效果評(píng)價(jià)

既有線道床最大隆起值為7.42mm，最大沉降為3.99mm，符合規(guī)范要求。最大凈空收斂分別為-2.7、-6.91mm 和-3mm，符合規(guī)范要求。說明既有線加固措施有效地控制了隧道變形，保障既有隧道的安全。

4 結(jié)語

（1） 類矩形盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，地表沉降呈現(xiàn)快速沉降、沉降平穩(wěn)2 個(gè)階段。沉降的主要階段為盾構(gòu)通過階段和盾尾脫出階段，斷面最大沉降發(fā)生在右線中心線上方。

（2） 上跨既有線時(shí)，地表沉降的主要階段為盾構(gòu)通過階段，斷面最大沉降由右線中心線上方轉(zhuǎn)為左線中心線上方。

（3） 既有隧道道床沉降在交叉范圍均為隆起，其外側(cè)40環(huán)內(nèi)以沉降為主，且左側(cè)沉降大于右側(cè)。道床差異沉降以交叉點(diǎn)為中心呈中心對(duì)稱分布，沉降曲線相較于普通圓形盾構(gòu)波動(dòng)較大。凈空收斂曲線呈V型，主要影響范圍是盾構(gòu)交叉范圍。