土壓盾構施工對鄰近平行隧道的影響研究

莊國清

（廣東華隧建設集團股份有限公司，廣州 510000）

1 引言

城市化的推進，城市人口的激增，使得城市的發展也在逐漸向外擴展，交通擁堵問題成為城市發展中最為嚴峻的問題之一。而城市地鐵是緩解城市地上交通的最佳選擇，它不僅能夠有效地利用地下空間，而且擁有比普通交通更高的效率，使用電力也更加環保[1]。由于盾構法機械化程度高、開挖速率快以及對土體擾動性較小，使其在地鐵的建設中得到了廣泛的應用。為了能夠對地下空間進行合理的利用，地鐵往往會設計為往返線，在施工的過程中修建2 條獨立的隧道。在地鐵建設方面，許多的項目需要解決2 條甚至多條隧道平行或者疊交施工所產生的全新問題[2]。同時，由于在現場機械設備、組織管理方法以及施工水平等方面,存在差異，使得盾構機在開挖過程中不可避免地會對周圍的土體產生或多或少的擾動，打破原有的土層平衡。因此，對盾構施工中鄰近隧道的影響展開研究具有重要的意義。

2 盾構隧道施工對周邊結構的影響

地鐵隧道的開挖勢必會對地表產生或多或少的影響，在城市郊區等空曠區域的地表沉降還未能引起人們的重視。在城市之中修建地鐵，一方面會受到地表密集建筑物的影響，另一方面，地鐵的線路也往往不只是一條，還會與其他的地鐵存在交叉，尤其是對于隧道并行的情況，新建隧道的施工會對既有隧道產生一定的影響[3]。

2.1 盾構施工引起的地表與地層變化

盾構機在施工的過程中會使地層中的應力應變狀態發生變化，這種變化會引起地表與地層的變形以及位移，而這種變形和位移會對周圍既有管線造成破壞，土體發生變化的主要原因是土體中的剪應力發生了變化。盾構施工大致可以分為盾構前期、盾構通過、盾構脫離以及盾構結束4 個階段，地層中每個點的位移變化量均是這4 個階段的位移之和。盾構通過時發生的地表變化主要指的是，在該段時間中盾構機外殼與土體之間的摩擦導致應力應變變化而引起的位移。盾構脫離階段主要是由于盾構的脫離形成臨空面，襯砌和土層之間存在了空隙，進而導致了土體的沉降。待灌漿結束之后沉降依舊繼續，這個階段的變形主要是由蠕變引起的，這種變形也會隨著時間的變化而慢慢趨于穩定。引起地層變化的主要因素包括覆土厚度、土體的變形模量、出土量、注漿量等。

2.2 盾構施工對圍巖的影響

盾構機在未開挖之前，圍巖會處于一個相對穩定、相對平衡的狀態，一旦盾構機開始向前推進，所開挖部分圍巖的應力平衡和位移平衡就會被打破。鄰近隧道之間的相對位置以及施工順序的先后都會對圍巖的應力以及位移產生影響。鄰近的平行隧道開挖時，圍巖的應力集中系數會根據軸線直降的距離增大而增大，到2 條隧道的距離超出一定的范圍后，圍巖的應力集中系數就相當于單條隧道的圍巖應力系數。2 條隧道離得越近，圍巖所受到的影響也就越大，2 條隧道之間的相互影響也就越大。反之，當超過一定的區域，2 條平行隧道之間的相互影響就會削弱甚至消失[4]。

2.3 盾構施工對臨近樁基的影響

隧道的開挖會引起鄰近樁基附近土體的沉降，此時樁基也會由于土體的沉降而產生負摩擦力，使得樁基產生豎向的位移。同時，隧道的開挖也會造成樁基產生水平向的位移，土體的水平移動也會導致樁基產生擠壓變形。

3 新建平行隧道的控制措施

3.1 盾構施工前進行隔離加固

盾構施工前對平行隧道之間的地層進行加固能夠有效削弱新建隧道在開挖施工過程中對既有隧道的影響。通常采用的方法有阻隔法和加固法，前一種是設置地下連續墻、灌注樁、鋼管樁等削弱盾構機掘進時產生的地層變化對隧道的影響；后一種則是通過攪拌樁、旋噴樁等對中間地層進行加固。盾構施工時不同影響范圍內的控制措施如表1 所示。

表1 不同影響范圍內控制措施

3.2 土壓盾構掘進通過鄰近平行隧道時的控制措施

土壓盾構機通過鄰近平行隧道時，主要控制掘進模式、土倉壓力、出土量控制、渣土改良劑摻量、注漿控制、推力、掘進速度、刀盤轉速、扭矩、姿態控制、螺旋機轉速等掘進參數。掘進參數變化對既有隧道穩定性存在重大影響，因此，需控制好土壓盾構掘進參數，控制好沉降，進而減少新建隧道的施工對周圍土體產生的擾動，進而達到減少對既有隧道的影響的目的。

1）土壓盾構掘進模式選擇

土壓盾構根據地層的不同和掘進環境的差異在掘進中可選擇敞開式（OPEN）、半敞開式（SEMI-OPEN）和土壓平衡式（EPB）3 種不同的掘進模式。為保證施工安全，選用土壓平衡模式進行掘進，對既有隧道影響最小。

2）土壓力控制

土壓力控制對隧道及周邊土體的穩定起關鍵性作用。為了減小建筑物荷載引起的附加應力導致的地層應力場變化，在盾構機進入影響范圍之內時就需要對盾構土倉壓力進行調整。可以在推進速度一定的情況下，降低螺旋輸送機的轉速。同時，還可以在加注泡沫或者泥漿來減小對周圍土體的擾動。

3）出土量控制

出土量是判斷盾構掘進是否超挖的重要標準之一，一旦超挖將會對既有隧道穩定性造成極大影響。因此，盾構機操作人員應密切關注螺旋機出土情況，觀察出渣量的變化和土倉壓力變化，如果發現超挖，應及時調整掘進參數后繼續掘進，并與地面監測人員取得聯系，加強同步注漿量保持土體平衡。

4）渣土改良控制

掘進過程中必須對渣土進行合理的改良，在渣土中加入適當的泡沫劑有效提高渣土的和易性，以防噴涌和結泥餅，同時還有利于控制掘進與出渣的平衡，以達到平穩快速掘進，避免地面沉降與隆起，減小對周圍土體的擾動，從而減少對鄰近隧道的擾動。

泡沫用量應根據實際情況做動態調整，根據理論計算值和經驗值，可將泡沫劑注入率定為40%～60%。經計算，當稀釋液濃度為2%～5%時，每環用量范圍為32～81 L。根據不同地層控制注入率:黏土20%～35%、砂黏土混合物25%～35%、砂性土35%～60%、巖石100%。

5）注漿控制

盾構機盾尾的注漿應具有及時性，能夠及時地對盾尾的間隙進行填充，確保管片襯砌的早期穩定，進而控制地層變形，同時也能夠保證隧道結構的質量安全。另外，過大的注漿壓力會對土體造成擾動，注漿壓力一般在0.4 MPa(出口壓力)以下，結合覆土層厚度、地質條件、水土壓力、盾構形式和注漿材料種類綜合決定。盾構掘進過程中采用單液漿方式進行同步注漿，單液漿凝固時間長，導致單液漿注漿效果不理想，因此，在掘進過程中對盾尾后4～5 環進行補充雙液漿，采用水玻璃和水泥漿，水玻璃和水泥漿的比例為1∶10，漿液初凝時間設計為15 s。

4 結語

盾構技術是目前城市地鐵的主要施工方式，地鐵施工中對平行隧道的影響是目前盾構施工的關鍵問題。本文針對這一關鍵問題，分析了盾構施工對地層地表、圍巖、鄰近樁基的影響，并針對這些問題從盾構施工前和施工中2 個方面提出了相關的控制措施，分別為隔離加固和土壓盾構機的操作控制。