新建盾構(gòu)隧道下穿既有矩形隧道的試驗分析

蘇芹照 （北京市政建設(shè)集團有限責任公司，北京 100045）

1 引言

隨著城市地下空間的不斷開發(fā)，不可避免地會出現(xiàn)新建隧道穿越既有隧道的情況。在近距離盾構(gòu)法施工穿越既有隧道的情況下，新建隧道會引發(fā)既有隧道結(jié)構(gòu)縱向變形，造成結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)、下沉或上升，大大降低既有隧道的安全性。因此，在施工過程中，常常需要對實際穿越過程的沉降、變形進行監(jiān)測和控制。徐前衛(wèi)、尤春安、李大勇針對上海外灘行人觀光隧道盾構(gòu)施工，在上部超近距離穿越剛剛建成的地鐵2號線隧道工程，建立了三維有限元計算模型，研究了由于盾構(gòu)推進而引起的土層擾動變形的規(guī)律性，對已建隧道產(chǎn)生的施工影響進行了分析[1]。丁傳松、楊興富針對上海軌道交通8號線盾構(gòu)隧道施工近距離上穿越軌道交通2號線工程，研究分析了盾構(gòu)推進對已建隧道的影響規(guī)律[2]。楊建烽、鄭余朝、陳強、嚴石友依托深圳地鐵10號線崗蓮區(qū)間左線隧道在既有2號線市崗區(qū)間雙線下進行盾構(gòu)開挖的沉降控制工程案例，通過工程的沉降控制措施、監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析以及與數(shù)值模擬的比較，對下穿沉降控制方式進行研究[3]。謝東武、葛世平、丁文其、歐陽文彪對不同深度地層受隧道施工影響的地層損失和沉降槽寬度參數(shù)進行了分析，并與已有的經(jīng)驗公式進行了對比[4]。但是，上述文獻研究大多是針對于隧道整體的變形控制，而對于既有隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力研究較少。在隧道穿越施工過程中，整體變形控制可以保證隧道整體結(jié)構(gòu)的正常工作，而內(nèi)力控制可以保證關(guān)鍵區(qū)段的安全性，也是非常有必要的。故本文將基于前人的研究成果，通過對常州地鐵2號線一期工程某標段的隧道工程中的施工過程進行測試，研究盾構(gòu)隧道下穿既有隧道施工過程中變形和內(nèi)力控制。

2 工程概況

2.1 工程背景

本次測試研究依托于常州地鐵二號線某標段工程，既有矩形隧道為場站出段線，采用明挖方式，盾構(gòu)隧道為地鐵上行線，在SK15+063.993～SK15+090.632下穿矩形隧道如圖1所示，最小豎向凈距5.4m，穿越長度約26.639m，出段線基坑圍護結(jié)構(gòu)采用SMW工法樁，內(nèi)插型鋼插入盾構(gòu)區(qū)間范圍。明挖隧道坑底做地基加固，加固深度為基底以下3.5m。正線下穿段基坑開挖前選取φ850@600三軸攪拌樁做坑底滿堂加固，加固深度為4.5m，加固范圍為28.5m。

圖1 下穿段工程概況平面圖

2.2 地質(zhì)概況

根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖，土體從上到下分別為雜填土、黏土、粉質(zhì)黏土夾粉土、粉質(zhì)黏土、黏土層。既有隧道穿越土層主要為粉質(zhì)黏土夾粉土層，盾構(gòu)隧道掘進涉及的土層主要是粉質(zhì)黏土。

2.3 工況描述

穿越段位于240環(huán)處，每環(huán)長度為1.25m，于12月5日刀盤到達217環(huán)處，穿越段各測點進入擾動區(qū)。于2018年12月7日盾構(gòu)進入穿越點下239環(huán)處，停機工作10小時準備穿越。于2018年12月8日盾尾脫出，完成穿越。

3 監(jiān)測方案

3.1 監(jiān)測目的

在新建下穿盾構(gòu)隧道的施工中，盾構(gòu)機對周邊土體產(chǎn)生擾動，破壞了土體原有的應力場，導致周邊土體應力重分布，從而影響既有矩形隧道。

本次監(jiān)測目的：①了解穿越過程中既有隧道的穩(wěn)定情況，故對其位移量進行監(jiān)測，以保證其變形不超過控制值；②保證穿越過程中既有隧道的安全性，故對既有隧道側(cè)壁應變情況進行監(jiān)測。通過對上述兩個物理量的監(jiān)測，總結(jié)與分析盾構(gòu)近距離穿越施工對既有矩形隧道的影響規(guī)律。

3.2 監(jiān)測方案

3.2.1 位移量的監(jiān)測

圖2 隆陷測量點平面布置

位移量的監(jiān)測主要測量矩形隧道的豎向隆陷變形。采用水準測量的方法，使用讀數(shù)精度±0.3mm/km的水準儀天寶DINI03進行觀測。下穿區(qū)域布設(shè)5個斷面，每五環(huán)布置一個斷面，交叉之前的影響段選擇每隔7m布置一個控制截面，進入交叉段后改為每隔3.5m布置一個控制截面，影響段內(nèi)一共選擇了11個控制截面。隆陷測量點平面布置如圖2。

3.2.2 應變監(jiān)測

應變監(jiān)測采用的傳感器是HNY型混凝土內(nèi)埋式應變傳感器，測試分析系統(tǒng)采用DH3816N靜態(tài)應力應變測試分析系統(tǒng)如圖3?，F(xiàn)擬定測點布置方案為順隧道方向每隔3m選取一個控制截面，在每個控制截面上的側(cè)墻中心處分別布置一個測量豎向應變值的測點。應變監(jiān)測布置如圖4所示。

圖3 靜態(tài)應變測試儀

圖4 下穿段測點布置圖

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 豎向位移分析

圖5 位移隨時間的變化圖

圖6 累積隆陷圖

在刀盤到達224環(huán)前，三個測試點累積豎向位移均表示沉降。在刀盤到達224環(huán)時，盾構(gòu)進入測試點的擾動區(qū)，三個測試點均有明顯的隆起現(xiàn)象，其中測點230的隆起最為明顯，隆起值為1.52mm。當?shù)侗P繼續(xù)前進，達至穿越位置前均出現(xiàn)沉降，與后來數(shù)據(jù)對比，數(shù)據(jù)應該是在刀盤到達一定時間后測得，所以表現(xiàn)為沉降，在臨近穿越位置時，測點200與測點230，均表現(xiàn)了明顯隆起。在達至穿越位置后239環(huán)，測點200表現(xiàn)出沉降，沉降值為-0.3mm。此時應是盾尾脫出而使其向下變形，而230與260繼續(xù)表現(xiàn)為隆起。在239處停機10小時，所受擾動逐漸被平衡，所有測點均表現(xiàn)沉降；繼續(xù)穿越，測點230表現(xiàn)出隆起（盾構(gòu)正穿），隆起值為0.78mm，其余兩側(cè)點均為沉降，分別為1.63mm、2.11mm。隨著襯砌拼接，均有變形回彈。測點200隆起 1.21，230沉降 -0.47mm，260隆起0.75mm。本次監(jiān)測累積隆沉值最大值為-5.1mm，小于控制值20mm。具體數(shù)值如圖5、圖6。

從以上圖中可以看出：

①整體穿越過程表現(xiàn)出隆起趨勢，不論土體是受到盾構(gòu)推力的擠壓作用，亦或是穿越過程中以盾構(gòu)機盾體代替移除的土體，都使上方的矩形隧道受到向上的擠壓；

②盾構(gòu)的穿越對臨近既有矩形隧道，在進入擾動區(qū)后，均有擾動，位移均為向上隆起；

③在停機休息時，土體會自我平衡被破壞的應力場，產(chǎn)生變形回彈，表現(xiàn)為向下沉降；

④隨著盾尾拖出與襯砌的拼接，被抬起的變形又會回彈，重新進入平衡狀態(tài)。

4.2 應變分析

取 3個應變測點分別為 CS20、CS25、CS30來進行分析。其中測點CS20在盾構(gòu)穿越的起點段，CS25在穿越段，CS30在終點段，如圖7所示。

從上圖中可以看出：

①各點應變隨著盾構(gòu)機的推進在不斷增大，最大約為150微應變，未超過混凝土的抗拉應變；

圖7 應變變化圖

②隨著盾構(gòu)機的推進，起點應變先增大，當盾構(gòu)機進入穿越中點時，起點應變開始回落至穩(wěn)定值，中點應變一直在增大，但后期增大趨勢開始平緩，而終點應變一直在增大，未見下降。說明盾構(gòu)機對矩形隧道的影響是按盾構(gòu)機穿越時序來的，其應力恢復也需要一段時間。

5 結(jié)論

針對常州市某地鐵的實時監(jiān)測，研究了由于盾構(gòu)推進而引起的土層擾動變形的規(guī)律性對已建隧道產(chǎn)生的施工影響進行了分析。對本次監(jiān)測累積隆沉值最大值為-5.1mm，小于控制值20mm，本次穿越控制良好。隧道前方一段距離為擾動區(qū)，隨著盾構(gòu)機的推進，既有隧道所受的壓力變大，表現(xiàn)為隧道豎向位移趨勢為隆起，而矩形隧道應變有所增大。在施工中應予以注意。盾構(gòu)機在停機休息時，被擾動的土體自我平衡被擾動的應力場，從而使隆起處沉降，應變恢復。盾構(gòu)機遠離檢測段時，土體以及既有隧道側(cè)壁自我恢復變形，重新平衡應力場。