盾構下穿越施工對已建隧道沉降的影響

李海兵

摘 要：盾構下穿越已建隧道既存在著隧道結構所附加的內力壓力也存在著沉降的情況，能夠直接決定已建隧道的運營是否正常。本文對新隧道開挖對已建隧道的干擾效應進行研究，以模擬地鐵盾構下穿越工程作為案例，采用三維建模對新建隧道的開挖進行模型構建，對已建隧道結構的內力和沉降變化進行計算。分析結果可得，新隧道的施工會造成已建隧道的不均勻下沉，為避免超出規范的標準，應當對已建隧道進行加固處理。已有隧道的最終沉降值會隨著盾構的推力、新建隧道覆土的厚度以及兩線距離所影響，在開挖的過程中加大盾構的推力極容易引起已有隧道變形。

關鍵詞：盾構下穿越;隧道沉降;影響研究

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A

0 引言

我國的城市建設正在與國際接軌，城市軌道交通的建設逐漸完善，地鐵線路的覆蓋率加大，施工對周邊環境的影響被各參建方所重視。隨著地鐵入線網加密的不斷完善，新建線路的規劃受到了極大的制約，盾構在復雜的施工環境中會對已有的結構造成較大的影響，無法確保已有隧道的功能性和安全性，嚴重者甚至會造成更大的安全事故和經濟損失。近幾年我國在盾構法施工方面就如何控制隧道開挖過程中降低對已有線路的穩定性影響問題進行了深入研究，采用解析Peck公式對盾構施工對周圍地下環境土體的位移進行解析和計算。

1 工程概況

地鐵B線某區間的隧道施工中，上下行隧道在SDK18+041處發生穿越。地鐵A線為已建隧道，每日客流量超過百萬人次，本次模擬工程隧道施工需要穿越運營期間的地鐵A線。新建的上下行隧道與地鐵A線的隧道間距較小，結構的凈距不超過1.5 m;兩條隧道需要進行先后出洞的施工，上行線的出洞穿越施工實踐在下行線隧道完成后的2個月之后。上行線的盾構挖掘對土體有二次影響;下行線的盾構出洞推進15 m后與已建隧道相交，進而下穿。開挖面的穩定性因工作面壓力的推進確定未通過而具有較大的難度。下行線可以正常推進后再進行上行線推進，隧道下行線距離進站洞口距離不超過20 m;地鐵A線隧道所在的土層土質構成主要為淤泥質粘土層，本次工程隧道的土層結構主要為灰色粘土層。這兩種土層性能都屬于高壓縮的類型，地基不具備較高的承載能力，沉降可能性較大，需要的穩定時間較長。

2 數值模擬

因隧道開挖對周圍環境的影響具備了三維特征，不建議采用二維有限元法來進行三維空間效應模擬。通過三維模擬對盾構隧道的開挖進行模擬能夠更好地考慮到土體的模型構建、開挖面的支護壓力以及盾構的推力等，比二維模擬更加全面和更加精準。因此采用三維有限元分析軟件對地鐵B線盾構隧道下穿越地鐵A線運營隧道的施工進行模擬，并對地鐵A線的沉降變形規律進行分析。

2.1 計算模型及邊界條件

計算模型中的假定設置：

（1）假設地表面的各個土層都呈現均勻的水平層分布;（2）計算過程中需要考慮的襯砌管片之間的橫向連接和各個管片環之間的縱向連接能夠對襯砌結構剛度起到整體折減的作用;（3）盾構的每一次推進的步長設置為5 m

～6 m;（4）對盾殼自身與土體之間存在的擠壓和剪切作用不予考慮;（5）對施工中產生影響范圍內的土體力學參數是否發生改變不予考慮。土體的材料按照理想的彈塑性介質來設置，選取8個結點的實體單元進行模擬。由于管片的材料剛度比較大，因此選取彈性殼體進行單元模擬。為提升計算的效率，對模型的單元網格劃分方面進行了一定的簡化，將遠離隧道的土體單元設定為較大，兩個隧道的交匯處單元劃分設置較密，計算的模型長寬高分別為：56.5 m、56.5 m、38.75 m（D：5.2 m，H：12.0 m）采用齊次邊界條件進行分析，除了上表面是自有面以外，其他的4個側面以及底部都采用施加法向。

2.2 計算工況設計

為了能夠對盾構動態掘進的過程進行更加細致的模擬，整個B線的開挖施工共分為24個工況推進。上下線的開挖各分為20個工況，再分別各自進行10次進尺的開挖。其中：工況1主要對初始地的應力場進行模擬;工況2為A線的全場開挖模擬和對其初始地應力場進行模擬，得到B線未進行開挖前的土體以及A線的原始應力場數據;工況3-14為下行線的開挖進尺、襯砌拼裝、盾尾同步注漿以及模擬開挖面壓力。其中盾構的切口分別方向坐標為-5 m、-11 m、-16.5 m、-21.5 m、-26.5 m、-31.5 m、-36.5 m、-36.5 m、-41.5 m、-47.5 m、-56.5 m;工況14-24為上行線的進尺開挖施工，工況與上述相同。

2.3 分析模擬結果

雖然盾構在2進尺時開挖12 m推進時仍然處于原狀狀態，但能夠感受到隔離樁的屏蔽，B線隧道的方向位移被隔離樁所限制，方向變形的影響范圍減小，變形值降低，周圍的土體豎向位移控制在1.01 mm～6.04 mm左右。由此可以得出，出洞區的圍護樁的距離與加固程度對上下行線推進的存在著良好的影響作用。在3進尺進行推進的16.5 m后，盾構穿越開挖對隔離樁區的前方土體立刻產生了影響。工程現階段已經達到了A線的下行線邊緣，能夠明顯看出A線下行線下方的土體產生了1.1 mm～5.1 mm的隆起變形。因土倉壓力造成影響，切口在到達前就出現逐漸的隆起變形，當盾構投進到3進尺16.5 m時就達到了隆起變形最大值。

3 信息化監測

施工效果通過監測最為直觀地反映出來，監測工作方面采用信息化能夠更為精準地實時反映施工數據，能夠在盾構穿越過程中對周圍已建隧道的干擾程度進行深入分析，以此為基礎對現有的盾構施工方案相關參數進行修改和優化，確保已經運營隧道的安全性。盾構穿越施工前，對地鐵A線的隧道穿越影響進行分析，采用電子水平尺自動監測系統能夠更加有效地對施工情況進行實時監控，及時回傳數據，通過電纜連接將監測的數據回傳到監控室內，工程師和施工人員能夠對施工過程進行精確的實時監測。A線運行隧道內通過設置自動差異沉降監測點來對差異沉降進行實時跟蹤監測，通常監測范圍的設置在軸線兩側的各50 m左右，監測點的間距設置為2 m。上下行的隧道也需要安裝靜力水準測量傳感器，即電子平尺。通過計算機輔助技術來對隧道的盾構下穿越施工過程進行實時監控。

4 計算結果與實測結果的對比

通過對比三維數值模擬仿真數據和實時監測的數據，能夠對數值模擬數據的精準度進行驗證。結合實時監測的數據來對模擬計算參數進行修正和完善，這樣能夠有效分析和預測出下一步開挖施工造成的隧道隆沉變形存在著哪些規律，更加便于施工過程中采取應對措施，預防和控制已建隧道出現變形情況。三維數值的模擬結果與盾構通過前的數值基本上吻合，但在盾構通過后出現較大的差異，計算沉降數值比實際監測的沉降數值更大。這種情況的出現是因為計算軟件存在著局限性，無法對盾構推進時的盾殼摩擦阻力進行模擬，在進行A線最大隆起值的計算時沒有處于盾構切口到達的時間點。

5 盾構施工控制及隧道保護

5.1 補強注漿

盾構在通過后需要在B線的施工期間進行惰性漿液的加注，對多次擾動的土體進行加固。在進行施工時，地鐵A線處于運行的狀態，土體中的多種成分也會導致土體穩定性下降，這些情況都會導致隧道的變形甚至是破壞。已建隧道的沉降會對隧道造成不可逆的不良影響，甚至還會導致安全事故的發生。因此需要在盾構通過后對這一區域進行加強注漿補壓處理，采用快速有效的注漿方法讓土體在最短時間內具有強度并且整合為一個整體，這樣能夠對地鐵A線的隧道起到支撐的作用，有效控制長期沉降。具體做法為在B線隧道的內拱頂范圍進行壓注水泥水玻璃漿液，加固的深度應當不低于1.5 m。另外，為了預防B線隧道出現位移的情況，在基底和拱頂都需要同時注漿，對隧道的下半部分也應當進行反壓注漿。

5.2 加固出洞口

盾構的出洞區存在應力釋放情況，沒辦法確保足夠的圍壓來進行同步注漿施工，土體很容易出現變形的情況。如果盾構出洞的時候出現涌沙和涌水的情況也會導致地面出現沉降并且存在土體流失的情況，極容易導致地鐵A線隧道出現運行軌道位移和差異沉降等情況，嚴重時還會導致安全事故的發生。因此需要在出洞口進行加固，加固區的厚度不能低于3 m。對出洞和穿越施工中造成的影響進行綜合考慮和分析后，對本次模擬工程的出洞口加固體厚度設置為6 m，采用滿膛加固能夠更加進一步確保穿越以及出洞的安全性。加固的土體無側限抗壓強度設置為0.5 MPa～0.8 MPa，滲透系數低于1×10-8 cm/s，樁的深度為26.5 m，出洞加固區與地墻之間的空隙采用高壓旋噴樁進行加固處理。通過數值模擬能夠得出采用圍護加固和隔離的方法能夠有效降低上下行線推進對A線的影響。在出洞加固體的外沿，即貼近地鐵A線的方向采用1 450 mm的三軸深層攪拌樁進行隔斷，強度在加固后28天能夠達到1.2 MPa。穿越區的地面與地鐵A線的兩側設置204根17.3 m的垂直注漿管，注漿管的水平線距離地鐵A線隧道不低于1 m，在施工的過程中應當對數據進行實時監測，對注漿施工進行跟蹤，隨時進行修正和調整。

6 結束語

本次模擬施工中，采用了三維數值模擬進行模型構建，對穿越施工中的已建隧道沉降變形進行了規律的預測，有效地為施工方案的設計確定以及已建隧道的保護提供了具有理論依據的參考數據。對出洞口進行加固能夠有效降低盾構穿越和出洞時對已建隧道造成進一步的沉降影響，盾構在通過已建隧道時可以采用及時注漿加固的方法來對已建隧道進行長期固結，有效控制沉降情況的發生。

參考文獻：

[1]賈少春.盾構隧道下穿黃河施工對已建橋梁基礎的影響模擬[J].城市軌道交通研究，2019（6）：76-79.

[2]孟小偉，夏靖，周錦強，等.硬巖層暗挖斜井對既有運營隧道初支結構的變形影響分析[J].結構工程師，2019

（4）：48-54.

[3]蘇芹照.新建盾構隧道下穿既有矩形隧道的試驗分析[J].安徽建筑，2020（10）：140-141.

[4]柏林，顧洋旗，康杰.盾構近工作井段小間距下穿已運營地鐵施工技術[J].綠色建筑，2020（1）：40-43+47.