安建永,雷海波,王若輝,張靜濤,丁 灝,任思澔,于 科,楊曉東,管曉明

(1.中國(guó)建筑第二工程局有限公司,北京 100160; 2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院,山東 青島 266555; 3.中建八局第四建設(shè)有限公司,山東 青島 266101)

0 引言

在城市修建地鐵隧道時(shí),受地下空間資源、設(shè)施限制及線(xiàn)路展線(xiàn)影響,雙線(xiàn)平行隧道線(xiàn)路受到限制,在規(guī)劃設(shè)計(jì)中不得不將2條平行線(xiàn)路逐漸過(guò)渡成上下并行的疊線(xiàn)隧道。由于疊線(xiàn)隧道施工時(shí)相互影響,上行隧道施工時(shí)必然會(huì)造成地層和地面的二次沉降,隧道施工風(fēng)險(xiǎn)成倍增加,可能導(dǎo)致周?chē)?構(gòu))筑物、市政管線(xiàn)等發(fā)生較大沉降,造成不可估量的損失。因此,研究疊線(xiàn)隧道施工時(shí)引起的地層沉降特征顯得十分重要。

目前,疊線(xiàn)盾構(gòu)隧道施工引起地表沉降特征主要通過(guò)理論解析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析等方法展開(kāi)。魏綱等[1]、朱衛(wèi)平等[2]、Fang等[3]研究了疊線(xiàn)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)引起的地面變形估算的Mindlin公式、Peck修正公式;婁平等[4]、肖瀟等[5]采用數(shù)值模擬研究了疊線(xiàn)隧道掘進(jìn)過(guò)程中地表的變形特征以及土體沉降規(guī)律;沈俊[6]、唐曉武等[7]、廖少明等[8]分別考慮不同開(kāi)挖次序、克泥效填充、盾構(gòu)頂推力、注漿壓力、滲流、開(kāi)挖位置關(guān)系等因素對(duì)地表土層的變化規(guī)律;張治國(guó)等[9]采用數(shù)值模擬和監(jiān)測(cè)相結(jié)合方法得出上下交疊穿越軟土地鐵隧道的變形規(guī)律;安紅剛等[10-11]基于人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立地表沉降預(yù)測(cè)模型。綜上所述,針對(duì)疊線(xiàn)盾構(gòu)隧道引起的變形特征研究較多,但是對(duì)于從平行段過(guò)渡到疊線(xiàn)段全過(guò)程的地表沉降特征還鮮有研究。

本文以鄭州地鐵3號(hào)線(xiàn)二太區(qū)間超小凈距疊線(xiàn)盾構(gòu)隧道為背景,基于現(xiàn)場(chǎng)大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),得出盾構(gòu)隧道平行段轉(zhuǎn)到疊線(xiàn)段全過(guò)程的地表沉降特征,并提出地表沉降控制措施,為疊線(xiàn)隧道施工提供借鑒。

1 工程概況

鄭州市地鐵3號(hào)線(xiàn)一期工程二太區(qū)間,從二七廣場(chǎng)站出發(fā),左右線(xiàn)平行隧道凈間距為16.2 m,逐漸過(guò)渡到凈間距為5.4 m上下疊線(xiàn)隧道,凈距逐漸縮小至1.8 m,最小凈距段長(zhǎng)度約98 m,緊鄰太康路站南端頭,如圖1所示。左線(xiàn)隧道頂部埋深18.852～25.375 m;右線(xiàn)隧道埋深11.459～18.853 m。

圖1 盾構(gòu)隧道平行轉(zhuǎn)疊線(xiàn)示意Fig.1 Shield tunnel parallel to overlap construction

疊線(xiàn)隧道穿越地層為富水粉細(xì)砂層,且周邊環(huán)境十分復(fù)雜,施工對(duì)周邊建(構(gòu))筑物影響較大。上下行隧道間1.8 m的超小凈距,疊線(xiàn)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)推力分配和姿態(tài)控制存在較大困難,極易造成管片破損和錯(cuò)臺(tái)。更為重要的是,上行隧道盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)將會(huì)造成沉降二次疊加,導(dǎo)致周邊建(構(gòu))筑物沉降增大,并可能會(huì)對(duì)下行隧道結(jié)構(gòu)安全造成不利影響。

隧道穿越地層主要為細(xì)砂、粉質(zhì)黏土,上覆地層主要為雜填土、砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細(xì)砂等。工程地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道工程地質(zhì)剖面Fig.2 Engineering geological profile of shield tunnel

該區(qū)間使用中鐵裝備φ6 460 mm土壓平衡盾構(gòu)機(jī)盾構(gòu)掘進(jìn)。盾構(gòu)總推力為8 085.35～17 209.54 kN,掘進(jìn)土壓為1.1～2.2 bar;注漿壓力為0.25～0.4 MPa,二次注漿壓力為0.3～0.4 MPa。

2 平行轉(zhuǎn)疊線(xiàn)施工地表沉降特征

2.1 監(jiān)測(cè)布置

1)盾構(gòu)始發(fā)與接收段的100 m內(nèi)每6 m設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn),每30 m設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,每個(gè)斷面7～9個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2)在盾構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)段每15 m設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn),每60 m設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,每個(gè)斷面7～9個(gè)測(cè)點(diǎn)。

3)在盾構(gòu)疊線(xiàn)段時(shí)每10 m設(shè)1個(gè)軸線(xiàn)測(cè)點(diǎn),每10 m設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面。

根據(jù)盾構(gòu)隧道的變化情況,分別劃分成平行段、過(guò)渡段、疊線(xiàn)段3段。

2.2 平行段隧道地表沉降特征

平行段隧道上方地表選取2個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面DBC21,DBC41及測(cè)點(diǎn)共8個(gè),地表沉降如圖3所示。

圖3 平行段地表測(cè)點(diǎn)沉降Fig.3 Settlement of surface measuring points in parallel section

從圖3可以看出:隧道始發(fā)是左線(xiàn)隧道先開(kāi)挖,地表由于受到盾構(gòu)機(jī)推力的影響,產(chǎn)生一定的隆起位移,2個(gè)斷面的最大隆起值為1.02 mm;隨著盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn),地表變形由輕微隆起轉(zhuǎn)變?yōu)槌两?。為了有效控制沉?根據(jù)需要及時(shí)采取二次補(bǔ)漿措施,以彌補(bǔ)部分地表沉降,使得左線(xiàn)隧道通過(guò)平行段之后,地表最大沉降控制在2.5 mm以?xún)?nèi)。而右線(xiàn)隧道開(kāi)挖時(shí),由于隧道二次開(kāi)挖使得土體受到二次擾動(dòng),地表沉降進(jìn)一步增大,最大沉降達(dá)到6.65 mm。通過(guò)二次補(bǔ)漿之后,地表略有抬升,沉降最終控制在6 mm以?xún)?nèi)。

2.3 過(guò)渡段隧道地表沉降特征

過(guò)渡段隧道上方地表選取4個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面(DBC181,DBC221,DBC261,DBC281)及測(cè)點(diǎn)共16個(gè),地表沉降如圖4所示。在盾構(gòu)隧道過(guò)渡段(見(jiàn)圖4),左線(xiàn)隧道埋深先增大再減小,右線(xiàn)隧道埋深先減小后增大。從圖4可以看出,左線(xiàn)隧道先開(kāi)挖,由于過(guò)渡段埋深比平行段大,盾構(gòu)機(jī)推力造成的地表隆起略有減小,最大隆起值僅為0.54 mm,而最大沉降均控制在3 mm之內(nèi)。在DBC221-4測(cè)點(diǎn),由于二次補(bǔ)漿壓力控制不佳,造成地表隆起增大到1.46 mm,需要引起注意。

圖4 過(guò)渡段地表測(cè)點(diǎn)沉降Fig.4 Settlement of surface measuring points in transition section

當(dāng)右線(xiàn)盾構(gòu)隧道掘進(jìn)時(shí),由于埋深變淺,且左右線(xiàn)隧道相互影響逐漸增大,對(duì)地層的二次擾動(dòng)也會(huì)加劇,相比平行段會(huì)產(chǎn)生更大的沉降。對(duì)于DBC181斷面和DBC221斷面,盾構(gòu)剛抵達(dá)測(cè)點(diǎn)斷面時(shí)的隆起不明顯,隨之開(kāi)始沉降,沉降幅度較平行段有一定的增加,最大沉降值為5.4 mm,二次補(bǔ)漿后地層抬升明顯。對(duì)于DBC261斷面和DBC281斷面,由于隧道監(jiān)測(cè)斷面處于粉砂層之中,相比黏土層在開(kāi)挖擾動(dòng)下變形更劇烈,從而引起地層發(fā)生較大沉降,且沉降過(guò)程所需時(shí)間變短,不利于地表沉降控制。DBC261斷面和DBC281斷面中,隧道掘進(jìn)造成的最大沉降值分別達(dá)到11.3 mm和13.5 mm,過(guò)渡段地表沉降較平行段顯著增大,且二次補(bǔ)漿后地表抬升效果不明顯。

2.4 疊線(xiàn)段隧道地表沉降特征

疊線(xiàn)段隧道上方地表選取6個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面DBCZ368,DBC371,DBCZ383,DBCZ407,DBC427,DBC431及測(cè)點(diǎn)共12個(gè),地表沉降如圖5所示。下行隧道掘進(jìn)時(shí),由于隧道埋深較大,且拱頂上方存在較厚的粉質(zhì)黏土層,此時(shí)地表沉降控制較好,大部分測(cè)點(diǎn)沉降均控制在2～6 mm,能較好地滿(mǎn)足變形控制要求。當(dāng)上行隧道掘進(jìn)時(shí),地表沉降隨之快速增加,短時(shí)間內(nèi)圖5a～5d最大沉降值達(dá)26.63 mm,迅速超出地表沉降控制標(biāo)準(zhǔn)值。后續(xù)及時(shí)采用二次補(bǔ)漿措施抬升地層,使得地表沉降有所減小,最終最大沉降值均控制在20 mm以?xún)?nèi),基本滿(mǎn)足沉降控制要求。

圖5 疊線(xiàn)段測(cè)點(diǎn)沉降Fig.5 Settlement of surface measuring points in overlapped section

上下疊線(xiàn)段地表沉降過(guò)大的原因主要有兩方面。

1)在疊線(xiàn)段隧道,由于上下行隧道之間的凈距越來(lái)越小,由5.4 m逐漸減小到最小凈距僅1.8 m,上下疊線(xiàn)隧道的相互影響會(huì)更加強(qiáng)烈,對(duì)上覆地層引起強(qiáng)烈的二次擾動(dòng),造成地表產(chǎn)生較大沉降。

2)上行隧道穿越地層及上覆地層為粉砂層,地層穩(wěn)定性差,相比黏土地層,受到二次擾動(dòng)地層更易發(fā)生較大變形,導(dǎo)致上線(xiàn)隧道掘進(jìn)時(shí),地表沉降迅速增大。

對(duì)于圖5e中DBC427和圖5f中DBC431斷面,上行隧道掘進(jìn)引起的最大沉降分別為8.14 mm和6.86 mm,遠(yuǎn)小于測(cè)點(diǎn)圖5a～5d的最大沉降。除了上覆地層為黏質(zhì)粉土外,主要是由于對(duì)接收端頭的加固有效減小沉降。

2.5 平行段到疊線(xiàn)段沉降變化規(guī)律

盾構(gòu)隧道平行段、過(guò)渡段、疊線(xiàn)段地表沉降變化規(guī)律如圖6所示,可以看出,隨著2條隧道從平行變?yōu)樾毕虻阶詈笊舷炉B線(xiàn)施工,沉降總體變化趨勢(shì)逐漸增大,且富水砂層疊線(xiàn)段沉降是最大的。具體根據(jù)施工可劃分為3個(gè)階段。

圖6 盾構(gòu)隧道地表沉降變化規(guī)律Fig.6 Variation of ground settlement of shield tunnel

1)從平行段隧道開(kāi)挖到疊線(xiàn)段隧道開(kāi)挖過(guò)程中,最開(kāi)始由于2條隧道處于平行位置,左右線(xiàn)開(kāi)挖對(duì)地表的最大沉降影響較小,疊加效應(yīng)主要體現(xiàn)在地表沉降的橫向范圍,所以初期地表最大沉降較小。

2)隧道開(kāi)挖進(jìn)入過(guò)渡段之后,由于地層、埋深變化和下線(xiàn)隧道開(kāi)挖時(shí)的擾動(dòng),上線(xiàn)隧道開(kāi)挖時(shí)引起的地表沉降逐漸增大。

3)隧道開(kāi)挖進(jìn)入疊線(xiàn)段時(shí),由于2條隧道間距逐漸減小,下線(xiàn)隧道開(kāi)挖之后對(duì)上線(xiàn)隧道開(kāi)挖的影響逐漸增大,上線(xiàn)地層又變?yōu)樯皩?導(dǎo)致地表沉降迅速增大,達(dá)到26.63 mm,之后采取二次補(bǔ)漿措施才得以控制。

3 沉降控制技術(shù)措施

針對(duì)盾構(gòu)隧道平行轉(zhuǎn)疊線(xiàn)施工引起的地表沉降過(guò)大,提出以下安全控制技術(shù)措施。

1)交叉疊線(xiàn)盾構(gòu)隧道施工時(shí),先施工下行隧道,再施工上行隧道,這樣可以有效減少上下行隧道施工之間的互相干擾,控制地層變形和地面沉降滿(mǎn)足要求。

2)針對(duì)富水粉細(xì)砂層、周邊建(構(gòu))筑物環(huán)境復(fù)雜,無(wú)法采用常規(guī)加固方法,盾構(gòu)隧道始發(fā)采用水平凍結(jié)、“板式”凍結(jié)壁進(jìn)行端頭加固后,采用短鋼套筒技術(shù)進(jìn)行始發(fā),既可以保證端頭土體的穩(wěn)定性,又可以避免始發(fā)滲漏水,效果良好。

3)通過(guò)在下線(xiàn)隧道對(duì)疊線(xiàn)隧道中間所夾土體進(jìn)行注漿加固,上行隧道施工時(shí),在下線(xiàn)隧道采用滾輪臺(tái)車(chē)進(jìn)行支撐,確保下行隧道穩(wěn)定;上下隧道施工過(guò)程中,再對(duì)中夾土層進(jìn)行補(bǔ)注漿加固,確保了中夾土層的強(qiáng)度,控制了地層的變形。

4)疊線(xiàn)隧道施工時(shí),盾構(gòu)掘進(jìn)采用完全土壓平衡模式,勻速、快速掘進(jìn),嚴(yán)格控制出土量,確保同步注漿注入量,根據(jù)推進(jìn)速度的快慢調(diào)整注漿量,避免地層發(fā)生較大沉降;避免大幅度的軸線(xiàn)糾偏動(dòng)作;增設(shè)注漿孔管片,根據(jù)地表沉降情況及時(shí)進(jìn)行二次注漿,可以控制地層的穩(wěn)定;同時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)管片位移、隧道位移和地表沉降,根據(jù)監(jiān)測(cè)反饋信息及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)隧道掘進(jìn)參數(shù)。

5)上行隧道接收時(shí),針對(duì)接收端場(chǎng)地狹小、周邊環(huán)境復(fù)雜,采取素墻+地面局部注漿+水平注漿+降水井進(jìn)行端頭加固,并采用鋼支撐平臺(tái)進(jìn)行接收。

4 結(jié)語(yǔ)

依托實(shí)際工程,針對(duì)盾構(gòu)隧道平行段、過(guò)渡段和疊線(xiàn)段掘進(jìn)施工引起的地表沉降特征進(jìn)行研究,主要得出如下結(jié)論。

1)平行段左線(xiàn)隧道掘進(jìn)引起地表最大沉降在2.5 mm之內(nèi)。而右線(xiàn)隧道開(kāi)挖時(shí),由于2條隧道上方沉降發(fā)生一定程度疊加,地表沉降增大到6.65 mm。

2)在過(guò)渡段,由于隧道左右線(xiàn)埋深和上覆地層發(fā)生變化,右線(xiàn)隧道掘進(jìn)對(duì)地層二次擾動(dòng)加劇。由于砂層相比黏土層在開(kāi)挖擾動(dòng)下變形更劇烈,引起地層發(fā)生較大沉降,右線(xiàn)隧道掘進(jìn)時(shí)最大沉降值達(dá)到13.5 mm,過(guò)渡段地表沉降較平行段顯著增大。

3)在疊線(xiàn)段隧道,由于上下行隧道之間的凈距減小,上行隧道掘進(jìn)引起上覆地層強(qiáng)烈的二次擾動(dòng),造成地表產(chǎn)生較大沉降,且由于上行隧道穿越地層及上覆地層為粉砂層,地層穩(wěn)定性差,導(dǎo)致上線(xiàn)隧道掘進(jìn)時(shí),地表沉降迅速增大,最大值達(dá)到26.63 mm。通過(guò)采用二次補(bǔ)漿措施實(shí)現(xiàn)地表抬升。

4)針對(duì)盾構(gòu)隧道平行轉(zhuǎn)疊線(xiàn)施工引起的地表沉降過(guò)大問(wèn)題,提出安全控制技術(shù)措施,包括“先下后上”、凍結(jié)、夾層注漿、支撐臺(tái)車(chē)和端頭加固等措施,取得良好效果。