近距離盾構(gòu)下穿既有地下通道變形影響及控制措施研究

□文/楊 波

在地鐵建設中，盾構(gòu)隧道近距離下穿既有地下通道是設計和施工的難點。盾構(gòu)掘進會引起地層沉降，一旦控制不當，很容易導致既有地下通道出現(xiàn)較大的沉降變形，甚至結(jié)構(gòu)破壞，影響地下通道的運營安全。

隨著盾構(gòu)穿越既有建（構(gòu)）筑物施工案例的增多，很多學者進行了相關(guān)研究，取得了一系列成果[1～10]，但是對近距離盾構(gòu)下穿既有地下通道的研究成果較少。

本文以常州市軌道交通1號線市民廣場—奧體中心站區(qū)間盾構(gòu)下穿龍城大道地下通道為依托，采用三維數(shù)值分析方法，研究盾構(gòu)掘進對地下通道的變形影響，提出相應的施工控制措施。

1 工程概況

1.1 盾構(gòu)隧道及地下通道

常州市軌道交通1號線市民廣場—奧體中心站區(qū)間隧道上行線長約972.336 m，下行線長約985 m，最小平曲線半徑為450 m。單洞圓形隧道外徑為6.2 m，管片厚度為350 mm，采用錯縫拼裝，環(huán)寬為1.2 m，管片混凝土強度為C50。

龍城大道地下通道為雙向六車道，單箱雙室矩形框架結(jié)構(gòu)，標準段結(jié)構(gòu)凈寬28.4 m、凈高6.0 m，明挖法施工，底板下方采用三軸攪拌樁滿堂加固（厚3 m），見圖1。

圖1 龍城大道下立交地下通道

下穿段上下行隧道中心線間距為13 m，隧道頂距通道底最小豎向凈距約2.9 m，見圖2。

圖2 盾構(gòu)隧道下穿地下通道位置關(guān)系

1.2 場地條件

下穿地下通道處地層從上至下：①填土、③2黏土、⑤1粉砂夾粉土、⑤2粉砂、⑥2粉質(zhì)黏土、⑥3黏土、⑥4粉質(zhì)黏土、⑧2粉砂、⑨2粉質(zhì)黏土。下穿段隧道主要位于⑤2粉砂、⑥2層粉質(zhì)黏土、⑥3層黏土中。見圖3。

1.3 地下通道變形控制標準

根據(jù)工程特點，考慮施工、測量等綜合因素，結(jié)合規(guī)范標準，確定地下通道結(jié)構(gòu)的允許變形控制指標為±10 mm，將控制值的70%作為預警值，控制值的80%作為報警值。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型假定

1）地鐵隧道與地下通道之間的土體符合變形協(xié)調(diào)原則。

2）盾構(gòu)掘進后，管片安裝立即完成，不考慮管片安裝過程中巖土體隨時間的流變變形。

3）地層巖土體為均質(zhì)各向同性材料，物理力學參數(shù)準確可靠。

4）注漿處理后的巖土體為均質(zhì)各向同性，物理力學參數(shù)準確可靠。

2.2 模型建立

采用PLAXIS 3D軟件，根據(jù)盾構(gòu)隧道與地下通道的位置關(guān)系以及巖土勘察報告，建立三維數(shù)值計算模型。模型沿盾構(gòu)掘進方向長度取120 m，豎直方向取60 m，寬度方向取80 m；頂面為自由面，無約束；底面及四個側(cè)面均只約束法向，其余方向自由無約束。見圖4。

圖4 三維數(shù)值計算模型

2.3 計算參數(shù)

巖土體材料采用理想彈塑性本構(gòu)模型與Mohr-Coulomb 強度準則，盾構(gòu)管片及地下通道結(jié)構(gòu)采用實體單元，材料采用彈性本構(gòu)模型。

各土層基本物理力學參數(shù)見表1，隧道管片和地下通道結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)見表2。

表2 隧道管片和地下通道結(jié)構(gòu)的物理力學參數(shù)

2.4 盾構(gòu)掘進過程模擬

1）激活土體和地下通道，計算初始自重應力場，將位移清零。

2）盾構(gòu)掘進距離設置為1.2 m/步。每一步中凍結(jié)開挖面處相應的土體，以模擬隧道掘進開挖；分別向開挖面和隧道周圍土體施加豎向線性增量的面荷載，以模擬土倉壓力和注漿壓力；設定地層損失率，激活隧道管片單元。

3）按此步驟循環(huán)，實行分段開挖，先掘進上行隧道，再掘進下行隧道，直至完成整個模型的計算。

2.5 計算結(jié)果分析

按照盾構(gòu)掘進時地層損失率為5‰和3‰兩種工況進行計算。見圖5和圖6。

圖5 地層損失率為5‰時的變形

圖6 地層損失率為3‰時的變形

兩種地層損失率下，盾構(gòu)穿越后地下通道的沉降曲線見圖7。

計算表明，盾構(gòu)穿越會引起地下通道不均勻沉降，沉降量最大處位于雙線隧道的中間位置。地下通道的沉降量隨著地層損失率減小而減小。地層損失率為5‰時，地下通道最大沉降量為6.4 mm，雖然在容許范圍之內(nèi)，但是已接近變形預警值。地層損失率為3‰時，地下通道最大沉降量僅為4.0 mm，影響較小。因此盾構(gòu)穿越過程中，嚴格控制地層損失率≯3‰，可滿足地下通道的變形控制要求。

圖7 盾構(gòu)穿越后地下通道的沉降曲線

3 施工控制措施

為確保盾構(gòu)順利掘進，保證地下通道的安全，必須嚴格控制盾構(gòu)掘進過程中地下通道的沉降。鑒于本工程的特點和風險，采用信息化施工控制措施，對盾構(gòu)掘進的整個過程進行全面監(jiān)測并根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整和優(yōu)化盾構(gòu)機的掘進參數(shù)。

施工控制區(qū)分為下穿試驗段（下穿前50 m）、下穿段、下穿后段（下穿后50 m）。

3.1 設置試驗段

1）下穿前設置50 m 試驗段，不斷調(diào)整、優(yōu)化并獲取最優(yōu)施工參數(shù)，嚴格控制地層損失率≯3‰，試驗段要求按照下穿段施工。

2）通過理論計算得到試推土壓力值，根據(jù)地表、地層位移的情況不斷修正。推進速度要緩慢勻速，控制同步注漿量。對盾構(gòu)隧道周邊土體進行注漿，對其控制地面沉降的效果進行驗證。

3）根據(jù)隧道上方土層位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，調(diào)整施工參數(shù)，以獲取最優(yōu)施工參數(shù)，主要包括盾構(gòu)掘進姿態(tài)、總推力、扭矩、土倉壓力、渣土改良、注漿量及出渣量等，形成總結(jié)報告，為盾構(gòu)下穿地下通道施工提供參考。

3.2 下穿推進施工控制

3.2.1 下穿前

在下穿地下通道前對盾構(gòu)機刀盤、刀具進行全面檢查維修，更換磨損嚴重的刀具，對盾構(gòu)機的推進系統(tǒng)、泡沫系統(tǒng)、盾尾密封、運輸設備等進行全面檢修，確保盾構(gòu)機以最佳機況穿越地下通道。

3.2.2 嚴控施工參數(shù)

采用信息化施工，在盾構(gòu)下穿過程中必須嚴格控制切口土壓力及與之有關(guān)的施工參數(shù)，如推進速度、總推力、出土量等。盾構(gòu)進出下穿區(qū)前后，及時調(diào)整土倉壓力，防止地下通道發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。嚴格控制地層損失率≯3‰，減少盾構(gòu)的超挖和欠挖，將出土量控制為設計量的95%～98%，以避免盾構(gòu)前方土體出現(xiàn)坍落或擠密現(xiàn)象，減少土壓力的波動。調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，推進速度控制在2～3 cm/min，勻速、連續(xù)地穿越地下通道。

3.2.3 同步注漿控制盾構(gòu)掘進中及時進行同步注漿，須均衡、足量、多點壓注，與盾構(gòu)推進速度保持一致。下穿段同步注漿量不小于理論空隙的150%，注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa。

3.2.4 二次注漿

下穿段盾構(gòu)增加預埋注漿孔特殊管片，用于二次注漿。特殊管片每環(huán)增加設置10 個注漿孔。特殊管片環(huán)設置在盾構(gòu)下穿地下通道段及其前后各20 環(huán)。根據(jù)地下通道沉降變形等情況及時調(diào)整注漿量及施作二次注漿加固。二次注漿在盾構(gòu)管片脫離盾尾4～5環(huán)后實施，注漿壓力控制在0.4～0.5 MPa，直至土體變形穩(wěn)定，確保地下通道的沉降在變形控制標準容許范圍內(nèi)。

3.2.5 加強監(jiān)控量測

加強對地表的隆陷、地下通道及管片變形等監(jiān)測。同時根據(jù)地下通道的即時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行施工參數(shù)調(diào)整。施工過程中若沉降變形達到報警值，須及時采取控制措施，避免變形繼續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)論

1）盾構(gòu)下穿越導致地下通道產(chǎn)生不均勻沉降，沉降量最大處位于雙線隧道的中間位置。對于盾構(gòu)下穿段，控制地層損失率在3‰以內(nèi)，可滿足地下通道的變形控制要求。

2）在盾構(gòu)下穿地下通道段預埋注漿孔，可根據(jù)地下通道沉降變形等監(jiān)測情況及時調(diào)整注漿量并施作洞內(nèi)二次注漿，控制地下通道沉降。

3）采用信息化施工控制措施，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整和優(yōu)化盾構(gòu)機的掘進參數(shù)，控制地層損失率，同時加強同步注漿及二次注漿管理，可以保證盾構(gòu)順利穿越地下通道。