盾構(gòu)近距離多次下穿對(duì)既有隧道變形的影響

馬健，李鳳濤，袁飛飛，趙宇

（1.上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200083；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，天津300142；3.浙江大學(xué)濱海與城市巖土工程研究中心，浙江杭州310058；4.浙江大學(xué)防災(zāi)工程研究所，浙江杭州310058）

盾構(gòu)近距離多次下穿對(duì)既有隧道變形的影響

馬健1，李鳳濤2，袁飛飛3，趙宇4

（1.上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海200083；2.鐵道第三勘察設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，天津300142；3.浙江大學(xué)濱海與城市巖土工程研究中心，浙江杭州310058；4.浙江大學(xué)防災(zāi)工程研究所，浙江杭州310058）

通過對(duì)杭州地鐵4號(hào)線2次近距離下穿地鐵1號(hào)線施工過程沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，探討盾構(gòu)施工對(duì)既有隧道變形的影響規(guī)律。結(jié)果表明:既有隧道變形與盾構(gòu)掘進(jìn)的相對(duì)位置密切相關(guān)；盾構(gòu)小角度穿越時(shí)對(duì)既有隧道沉降影響較大；多次穿越同一既有隧道時(shí)，不僅要加強(qiáng)對(duì)既有隧道的監(jiān)測，同時(shí)也要對(duì)新建隧道進(jìn)行變形監(jiān)測，以便及時(shí)調(diào)整土艙土壓力、注漿量等施工參數(shù)，防止既有隧道產(chǎn)生過大變形。

盾構(gòu)下穿；既有隧道；掘進(jìn)參數(shù)；隧道監(jiān)測；變形

城市隧道施工不僅會(huì)引起地層沉降和變形，也會(huì)引起近旁的地鐵隧道不均勻沉降、開裂，甚至破壞，從而可能引發(fā)列車出軌等嚴(yán)重事故［1-3］。很多學(xué)者研究了新建隧道與既有隧道在不同相對(duì)位置（平行、垂直、上穿、下穿）對(duì)既有隧道變形的影響規(guī)律［4-10］，但較少探究盾構(gòu)機(jī)施工參數(shù)對(duì)既有隧道變形的影響。李強(qiáng)等［11］研究發(fā)現(xiàn)在新建隧道逐步向既有隧道推進(jìn)過程中，推進(jìn)力和穩(wěn)定比是控制既有隧道變形的主要因素。白廷輝等［12］提出盾構(gòu)超近距離穿越既有地鐵隧道時(shí)注漿壓力宜控制在1.1～1.2倍的靜止土壓力，嚴(yán)格控制盾構(gòu)姿態(tài)等。廖少明等［13］研究得出，合理調(diào)整盾構(gòu)機(jī)的土艙土壓力可使既有隧道變形控制在一定范圍內(nèi)。然而，已有研究僅涉及到盾構(gòu)單次穿越時(shí)引起的既有隧道隆沉現(xiàn)象及對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的定性分析。

本文以杭州地鐵4號(hào)線盾構(gòu)近距離下穿既有地鐵1號(hào)線為例，分析盾構(gòu)各掘進(jìn)參數(shù)對(duì)既有隧道豎向變形的影響規(guī)律，以及下穿隧道對(duì)既有隧道變形的影響范圍，以期為軟土條件下盾構(gòu)下穿既有隧道施工提供參考。

1　工程概況

杭州地鐵4號(hào)線官河站—火車東站盾構(gòu)區(qū)間右線長約329.675m，左線長約323.834m，線間距為9.4～15m，隧道頂埋深18～25m。區(qū)間隧道施工采用鉸接型加泥式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)全長8.6m，管片外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，管片厚度350mm，環(huán)寬1.2m。盾構(gòu)機(jī)從官河站始發(fā)，到達(dá)火車東站，調(diào)頭后到達(dá)官河站后解體退場。既有地鐵1號(hào)線埋深15～20m，隧道結(jié)構(gòu)采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，管片參數(shù)同4號(hào)線，管片之間采用高強(qiáng)度螺栓連接，管片斷面貼有遇水膨脹橡膠條用于隧道防水。4號(hào)線盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，在右線里程K21+056.399處立體交叉穿越地鐵1號(hào)線右線，穿越角度23°，豎向凈距2.1m，之后與1號(hào)線既有隧道幾乎平行掘進(jìn)，其平面示意如圖1。1號(hào)線既有隧道主要位于淤泥質(zhì)黏土及黏土層中，其上覆土層主要為雜填土、砂質(zhì)粉土、粉砂。在同一地質(zhì)條件下，4號(hào)線隧道盾構(gòu)主要在黏土、粉質(zhì)黏土地層中掘進(jìn)，土層均具有高含水率、高壓縮性、低強(qiáng)度、低滲透性等特點(diǎn)，在施工擾動(dòng)情況下強(qiáng)度下降，土體結(jié)構(gòu)易破壞。在掘進(jìn)過程中，參數(shù)稍微設(shè)置不合理就極易造成已運(yùn)營1號(hào)線的沉降及位移，甚至?xí)斐傻罔F1號(hào)線無法正常運(yùn)行。因此，必須在掘進(jìn)過程中對(duì)1號(hào)線隧道的變形及時(shí)監(jiān)測，并及時(shí)反饋?zhàn)冃涡畔⒁哉{(diào)整盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)，確保既有隧道結(jié)構(gòu)安全。

2　隧道監(jiān)測方案

為保證及時(shí)反饋既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形情況，對(duì)盾構(gòu)下穿施工過程中各監(jiān)測項(xiàng)目采用徠卡MS05AX全站儀進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測。在1號(hào)線右線K20+994—K21+322區(qū)域內(nèi)每隔5環(huán)設(shè)置1個(gè)監(jiān)測斷面，在盾構(gòu)下穿重點(diǎn)影響區(qū)域每隔2環(huán)布置1個(gè)監(jiān)測斷面，見圖2。在既有隧道監(jiān)測斷面布置隧道沉降監(jiān)測點(diǎn)。

參考胡群芳等［14］的研究成果，結(jié)合盾構(gòu)機(jī)與運(yùn)營隧道的相對(duì)位置，把盾構(gòu)機(jī)施工過程劃分為3個(gè)階段。地鐵4號(hào)線右線：盾構(gòu)穿越前（1～54環(huán)）、盾構(gòu)穿越中（55～95環(huán)）以及盾構(gòu)通過后（96～275環(huán)）。地鐵4號(hào)線左線：盾構(gòu)穿越前（1～145環(huán)）、盾構(gòu)穿越中（146～190環(huán)）以及盾構(gòu)通過后（191～270環(huán)）。

圖1　4號(hào)線與1號(hào)線平面位置示意

圖2　1號(hào)線監(jiān)測點(diǎn)布置示意

3　結(jié)果分析

土壓平衡式盾構(gòu)隧道施工因其土艙土壓力的設(shè)置和同步注漿控制等，與傳統(tǒng)工法引起的變形規(guī)律有所不同。在盾構(gòu)穿越過程中必須嚴(yán)格控制土艙土壓力，同時(shí)也必須嚴(yán)格控制與土艙土壓力有關(guān)的施工參數(shù)，如：推進(jìn)速度、出土量等，以保持盾構(gòu)掘進(jìn)面穩(wěn)定和平衡。因此，本次盾構(gòu)穿越中采用了“勻速、快推下穿地鐵線，合理設(shè)定土壓，及時(shí)同步注漿”的施工原則，以保證施工的安全可靠。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，實(shí)時(shí)記錄了土艙土壓力、出土量、同步注漿壓力以及注漿量等主要掘進(jìn)參數(shù)，并繪制掘進(jìn)參數(shù)隨施工環(huán)數(shù)變化曲線，分析盾構(gòu)機(jī)刀盤推進(jìn)到不同位置時(shí)既有隧道的隆沉規(guī)律。

圖3為4號(hào)線盾構(gòu)穿越施工過程中土艙土壓力隨掘進(jìn)環(huán)數(shù)變化曲線。土艙土壓力為土壓力盒傳感器所測平均值。由圖3可見，土艙土壓力在剛開始穿越時(shí)為0.23MPa左右，直至其穿越交叉點(diǎn)；在其它位置維持在0.28～0.35MPa，可以看出在穿越既有隧道時(shí)土艙土壓力最小，穿越前和穿出后較大。

圖3　4號(hào)線盾構(gòu)穿越施工過程中土艙土壓力隨掘進(jìn)環(huán)數(shù)變化曲線

在盾構(gòu)施工過程中，當(dāng)管片脫離盾尾后，在土體與管片之間會(huì)形成環(huán)形空隙。為防止地層變形過大而危及1號(hào)線安全需及時(shí)注漿填充，注漿時(shí)采用同步注漿壓力和注漿量雙重標(biāo)準(zhǔn)控制。由圖4可以看出，穿越前注漿壓力維持在0.30MPa，在穿越段基本維持在0.26MPa左右，比較穩(wěn)定。在穿越段注漿量維持在一個(gè)較低的范圍，防止上方既有隧道隆起過大。穿越前和穿越后，適當(dāng)提高同步注漿壓力和注漿量可使盾尾上方土體微隆，抵消部分地層損失，減少上部地層沉降。

圖4　4號(hào)線盾構(gòu)穿越施工過程中注漿壓力及注漿量隨掘進(jìn)環(huán)數(shù)變化曲線

圖5（a）為4號(hào)線右線盾構(gòu)穿越前地鐵1號(hào)線隧道隆沉變化曲線。圖例中的環(huán)數(shù)如2環(huán)、54環(huán)、98環(huán)等表示4號(hào)線右線盾構(gòu)掘進(jìn)到的環(huán)數(shù)。縱軸“+”代表隧道隆起，“-”代表隧道沉降，左側(cè)表示4號(hào)線左側(cè)1號(hào)線范圍，右側(cè)表示4號(hào)線右側(cè)1號(hào)線范圍。從圖5（a）可見，穿越前既有隧道隆沉變化并不明顯，由于盾構(gòu)機(jī)距離既有隧道較遠(yuǎn)，盾構(gòu)機(jī)對(duì)既有隧道影響較小，主要為列車往返振動(dòng)荷載導(dǎo)致的隧道變形。

圖5（b）為4號(hào)線右線盾構(gòu)穿越開始至結(jié)束1號(hào)線隧道隆沉變化曲線。可見：盾構(gòu)掘進(jìn)至54環(huán)時(shí)尚未對(duì)1號(hào)線造成明顯影響；盾構(gòu)掘進(jìn)至58環(huán)時(shí)，既有隧道開始發(fā)生顯著變形，前方1D（D為盾構(gòu)機(jī)直徑）范圍內(nèi)土體大量隆起；盾構(gòu)機(jī)小角度穿越上部既有隧道時(shí)，對(duì)交叉穿越點(diǎn)A左側(cè)隧道影響較大且影響范圍較廣（400～450環(huán)，共50環(huán)），對(duì)交叉穿越點(diǎn)A右側(cè)隧道影響較小且范圍較小（450～480環(huán)，共30環(huán)）；盾構(gòu)掘進(jìn)至72環(huán)和91環(huán)時(shí)，交叉穿越點(diǎn)A處1號(hào)線隧道隆沉曲線出現(xiàn)回落，而交叉穿越點(diǎn)A兩側(cè)卻出現(xiàn)局部隆起。這是由于小角度穿越時(shí)，盾構(gòu)機(jī)刀盤（54環(huán)到72環(huán)）對(duì)前方的擠土效應(yīng)對(duì)既有隧道左側(cè)影響較大。交叉穿越點(diǎn)A附近1號(hào)線隧道正好處于4號(hào)線隧道正上方，受盾構(gòu)施工影響較大，此時(shí)54～91環(huán)的土艙土壓力及注漿量均減小，從而導(dǎo)致穿越段上方1號(hào)線隧道隆起減小。

從圖5（c）可以看出，穿越段豎向位移較小。左側(cè)隧道達(dá)到隆起峰值，右側(cè)隧道下沉量有所變小。在以小角度斜穿施工時(shí)，左側(cè)隧道的變形更加顯著，受影響程度更大。因此小角度下穿過程中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)左側(cè)既有隧道結(jié)構(gòu)的加固及保護(hù)。盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)于控制既有隧道隆沉具有顯著作用。

圖6為4號(hào)線盾構(gòu)再次（左線）穿越時(shí)地鐵1號(hào)線隧道隆沉變化曲線。圖例中的環(huán)數(shù)如5環(huán)、158環(huán)，200環(huán)等表示4號(hào)線左線盾構(gòu)掘進(jìn)到的環(huán)數(shù)。盾構(gòu)在第一次（右線）穿越1號(hào)線隧道后，其沉降值基本穩(wěn)定不再發(fā)生變化。說明軟土基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，土體結(jié)構(gòu)變化已經(jīng)穩(wěn)定。左線穿越1號(hào)線隧道交叉點(diǎn)B時(shí)，左線隧道管片為170環(huán)，1號(hào)線隧道管片為500環(huán)。從圖6（a）來看，穿越前的施工對(duì)1號(hào)線隧道產(chǎn)生的沉降影響并不明顯。

圖5　4號(hào)線右線盾構(gòu)穿越時(shí)1號(hào)線隧道隆沉變化曲線

從圖6（b）來看，穿越中1號(hào)線隧道隆沉變化與第一次穿越有明顯不同。在整個(gè)穿越過程中，盾構(gòu)在158～194環(huán)掘進(jìn)時(shí)都會(huì)對(duì)既有隧道的變形產(chǎn)生影響；盾構(gòu)小角度穿越上部既有隧道時(shí)，在交叉點(diǎn)B對(duì)右側(cè)隧道影響較小且影響范圍較小，對(duì)左側(cè)隧道影響較大且范圍較大，盾構(gòu)機(jī)刀盤前方的擠土效應(yīng)對(duì)左側(cè)隧道影響較大；盾構(gòu)掘進(jìn)至158～176環(huán)時(shí)，與交叉點(diǎn)B處相比隆起量逐漸減少，從176～194環(huán)由隆起轉(zhuǎn)為沉降。這是因?yàn)榇┰浇徊纥c(diǎn)B附近時(shí)既有隧道正好處于新建隧道正上方，受盾構(gòu)施工影響較大，此時(shí)176～194環(huán)的土艙土壓力及注漿量均減小，從而導(dǎo)致穿越段上方隧道隆起減小。由于施工方主觀認(rèn)為施工會(huì)影響基本建成的右線和既有隧道，相對(duì)減小了盾構(gòu)的土艙土壓力及注漿量，從而造成盾構(gòu)沉降量相對(duì)增加。因此在左線小角度下穿過程中，應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)左側(cè)既有隧道結(jié)構(gòu)的加固及保護(hù)。盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)對(duì)于控制既有隧道隆沉具有顯著作用。

從圖6（c）可以看出，盾構(gòu)穿越后既有隧道的變形不大。左側(cè)隧道的沉降達(dá)到最大值，右側(cè)隧道下沉趨勢變緩，并趨于穩(wěn)定。

圖6　4號(hào)線左線盾構(gòu)穿越時(shí)1號(hào)線隧道隆沉變化曲線

4　結(jié)論

本文總結(jié)分析了杭州地鐵4號(hào)線隧道近距離下穿地鐵1號(hào)線時(shí)對(duì)既有線沉降的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）既有隧道變形與盾構(gòu)掘進(jìn)的相對(duì)位置密切相關(guān)；盾構(gòu)小角度穿越時(shí)對(duì)既有隧道沉降影響較大。

2）調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)可以有效控制隧道沉降，故在穿越過程中應(yīng)把監(jiān)測數(shù)據(jù)及時(shí)反饋給施工控制方，以便及時(shí)調(diào)整土艙土壓力和注漿量，從而控制上部既有隧道的變形。

3）多次穿越同一既有隧道時(shí)，不僅要加強(qiáng)對(duì)既有隧道的監(jiān)測，同時(shí)也要對(duì)新建隧道進(jìn)行變形監(jiān)測，以便及時(shí)根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)施工參數(shù)，防止既有隧道產(chǎn)生過大變形。

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AbstractT o unveil the influence of shield construction on adjacent tunnels，the paper analyzed the data collected in the monitoring and measuring of No.1 M etro Line in Hangzhou amid the construction of No.4 M etro line，which passes under the former twice with small spacing apart.T he results showed that the deformation of existing tunnel was closely linked to its relative location to the shield operation，or to be more specific if the operation was carried out by a small angle to the existing line，the settlement induced may increase by a large margin.In case of multiple under passing，monitoring shall be tightened up for both existing tunnel and the ongoing construction，so as to better handle the earth pressure and the grouting volume in avoidance to over-deformation.

Influence on Existing Tunnel Deformation Induced by Shield Tunnel Multiple Under Passing with Small Spacing Apart

MA Jian1，LI Fengtao2，YUAN Feifei3，ZHAO Yu4
（1.Shanghai Geotechnical Engineering Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200083，China；2.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China；3.Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310058，China；4.Institute of Disaster Prevention Engineering，Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310058，China）

Shield tunnel under passing；Existing tunnel；Boring parameters；T unnel monitoring；Deformation

U455.43

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.17

1003-1995（2016）04-0064-05

（責(zé)任審編葛全紅）

2015-09-10；

2016-01-10

馬健（1976—），男，高級(jí)工程師，碩士。