城市軟土地層盾構(gòu)中穿越既有隧道影響及施工設(shè)備選取

摘要：隨著我國(guó)城市地下鐵路建設(shè)速度日益增快，地下交通線路相互交叉、錯(cuò)綜復(fù)雜，盾構(gòu)開挖工作也迎來新的挑戰(zhàn)。依托于天津市某地鐵建設(shè)工程項(xiàng)目，基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，深入研究了不同交叉角度下地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)既有隧道的影響。研究發(fā)現(xiàn)：軟土地層盾構(gòu)開挖會(huì)導(dǎo)致土層出現(xiàn)明顯的松動(dòng)，土層附加土壓力逐漸減小;隨著交叉角度的逐漸增大，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土層的附加土壓力及既有隧道的附加內(nèi)應(yīng)力的影響越小。研究成果為我國(guó)濱海地區(qū)地鐵建設(shè)工作提供了一定指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：軟土底層;盾構(gòu)掘進(jìn);既有隧道;附加土壓力;附加內(nèi)應(yīng)力

0" "引言

由于大型城市地面空間有限，地下空間的開發(fā)使用日益受到人們的重視[1-3]。隨著我國(guó)城市地下鐵路建設(shè)速度日益增快，地下交通線路相互交叉、錯(cuò)綜復(fù)雜，盾構(gòu)開挖工作也迎來了新的挑戰(zhàn)[4-6]。因此，研究新地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)既有建筑工程的影響具有重要意義。

岳仁輝[7]等采用工程經(jīng)驗(yàn)類比、成本預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)分析等研究方法，深入分析了隧道盾構(gòu)開挖對(duì)對(duì)駱崗機(jī)場(chǎng)跑道的影響，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行了盾構(gòu)方法的探討和比選;進(jìn)一步利用數(shù)值分析軟件研究了“管幕+頂進(jìn)法”施工對(duì)機(jī)場(chǎng)地面的影響，并指出該施工方案成本低、工期短，且對(duì)機(jī)場(chǎng)地面影響很小，適用于該地區(qū)地鐵隧道開挖。

魏井申[8]以廣州某地鐵新線盾構(gòu)掘進(jìn)為依托，深入研究了地鐵盾構(gòu)下穿對(duì)運(yùn)營(yíng)中地鐵的影響，并基于數(shù)值模擬研究結(jié)果，探討了適合該種工況下的開挖方法，研究成果為類似工程的建設(shè)提供了一定的參考作用。

肖自衛(wèi)[9]等基于數(shù)值模擬研究結(jié)果，深入探討了新建下穿隧道在盾構(gòu)過程中對(duì)既有隧道的影響，發(fā)現(xiàn)新建隧道施工造成既有隧道周圍土體形成松動(dòng)圈，使土壓力降低，導(dǎo)致既有隧道發(fā)生變形。

綜上所述可知，現(xiàn)有關(guān)機(jī)隧道盾構(gòu)對(duì)周圍建筑工程的研究，主要集中于地鐵盾構(gòu)對(duì)周圍房屋建筑、基坑等的影響，而由于既有隧道埋深不一致，導(dǎo)致開展盾構(gòu)對(duì)既有隧道影響的研究較難。本文基于室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)，開展了不同穿越角度下地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)既有隧道影響的研究，依托于天津市某地鐵開挖工程項(xiàng)目，深入分析了穿越角度對(duì)地層土壓力及既有隧道內(nèi)應(yīng)力的影響。本研究成果可為我國(guó)濱海地區(qū)地鐵建設(shè)工作提供了一定指導(dǎo)作用。

1" "工程概況

1.1" "工程背景

本次研究基于某市地鐵盾構(gòu)開挖工程，新建地鐵盾構(gòu)需穿越既有隧道，在經(jīng)過對(duì)項(xiàng)目所在地進(jìn)行勘察后，得到了該區(qū)域的地層大致結(jié)構(gòu)，從上至下主要為即素填土、黏土、含卵石黏土、全風(fēng)化泥巖、強(qiáng)風(fēng)化泥巖及中風(fēng)化泥巖，各土層劃分及參數(shù)如表1所示。盾構(gòu)豎井尺寸為長(zhǎng)寬高分別為23.2m、15.2m和22.5m。

1.2" "盾構(gòu)施工參數(shù)

該市地鐵盾構(gòu)采用羅賓斯Φ6260型土壓力平衡盾構(gòu)機(jī)設(shè)備，如圖1所示。盾構(gòu)設(shè)備主要由兩套盾構(gòu)機(jī)、內(nèi)部組件、主機(jī)等組成，其中幾個(gè)關(guān)鍵部件的具體參數(shù)如下。

1.2.1" "刀盤

盾構(gòu)機(jī)刀盤是安裝在盾構(gòu)機(jī)前面用于進(jìn)行巖土層切割的設(shè)備，本盾構(gòu)機(jī)的刀盤開口率為43%，開挖直徑為6180mm，刀盤總功率為750kW，刀盤轉(zhuǎn)速為0.3～2.0r/min之間。

1.2.2" "管片拼裝機(jī)

管片拼裝機(jī)安裝在盾體內(nèi)，用于單塊管片的拼接。羅賓斯Φ6260型土壓力平衡盾構(gòu)機(jī)配套管片拼裝機(jī)的速度為0.2～1.5r/min，旋轉(zhuǎn)角度為±220°。

1.2.3" "推進(jìn)油缸

羅賓斯Φ6260型土壓力平衡盾構(gòu)機(jī)配套的推進(jìn)油缸有24個(gè)，最大行程為1950mm，單個(gè)推力達(dá)1500kN，總推力達(dá)36000kN，功率達(dá)55kW。

2" "室內(nèi)模型試驗(yàn)

2.1" "模型土與模型設(shè)備

在室內(nèi)開展盾構(gòu)開挖模型試驗(yàn)，首先需要根據(jù)地質(zhì)條件配置模型土。模型土的配置需要考慮諸多因素，主要包括原開挖地層土的密度、粘聚力、內(nèi)摩擦角和含水率等重要參數(shù)。

本次研究利用部分原狀土、重晶石粉、粉細(xì)砂、水和膨潤(rùn)土等原料配置模型土，最終獲得模型土的主要參數(shù)如下：密度為1.87g/cm³，壓縮模量為1.59MPa，粘聚力為12.15kPa，內(nèi)摩擦角為10.30°。其中，原狀土的相關(guān)參數(shù)分別如下：密度為1.92g/cm³，壓縮模量為1.89MPa，粘聚力為17.57kPa，內(nèi)摩擦角為10.50°。由此可見，模型土與原狀土之間得相似性較好。

進(jìn)一步根據(jù)相似關(guān)系選取盾構(gòu)模型設(shè)備，以幾何相似比為1：20為基礎(chǔ)，得到模型盾構(gòu)機(jī)得管片直徑為310.00mm，厚度為17.50mm。模型盾構(gòu)機(jī)如圖2所示。

2.2" "監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

本次研究擬通過室內(nèi)盾構(gòu)試驗(yàn)，進(jìn)一步深入了解盾構(gòu)穿越角度對(duì)既有隧道得影響。設(shè)置了四種不同穿越交叉角度下的盾構(gòu)模型試驗(yàn)，且穿越交叉角度分別為0°、30°、60°和90°。試驗(yàn)過程中，對(duì)既有隧道上以及附近得土壓力和附加應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需要采用預(yù)埋土壓力盒監(jiān)測(cè)土壓力，并在既有隧道內(nèi)部安置應(yīng)變片監(jiān)測(cè)附加應(yīng)力。其中，土壓力盒如圖3所示。應(yīng)變片的空間布置如圖4所示。

3" "試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1" "土壓力分析

圖5顯示了模型盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中土壓力盒監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果（取均值）。由圖5可知，隨著盾構(gòu)機(jī)在模型土中掘進(jìn)工作不斷進(jìn)行，地基土中的附加土壓力變化規(guī)律基本一致，即隨著掘進(jìn)環(huán)數(shù)的逐漸增加，土層中附加土壓力一開始趨于穩(wěn)定之后緩慢減小。隨著掘進(jìn)工作的不斷推進(jìn)，附加土壓力快速減小后再次趨于穩(wěn)定。附加土壓力整體呈不斷減小的減小趨勢(shì)。

分析認(rèn)為，由于當(dāng)掌子面距離測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土體的擾動(dòng)較小，因此附加土壓力基本不變。而隨著掘進(jìn)的不斷進(jìn)行，掌子面距離測(cè)點(diǎn)越來越近，擾動(dòng)現(xiàn)象也越來越明顯。此后隨著掘進(jìn)掌子面距離測(cè)點(diǎn)越來越遠(yuǎn)，擾動(dòng)影響再次減弱，因此附加應(yīng)力減小速度變慢直至趨于平緩。

進(jìn)一步分析穿越交叉角度對(duì)附加土壓力的影響，由圖5可知，近接既有隧道穿越條件下，新開挖隧道與原隧道的交叉角度，對(duì)土中的附加土壓力影響較大。隨著穿越隧道交叉角度的增大，明顯可見附加土壓力的絕對(duì)值逐漸減小。

這表明在兩條隧道相互平行時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)造成的土體擾動(dòng)情況最明顯。而隨著交叉角度的增大，盾構(gòu)中土體擾動(dòng)現(xiàn)象逐漸弱化。當(dāng)交叉角度為0°時(shí)，最大附加土壓力絕對(duì)值達(dá)到346.08kPa。隨著交叉角度的逐漸增大，最大土壓力絕對(duì)值分別為331.78kPa、103.25kPa和81.09kPa，相較平行條件下分別下降4.11%、70.16%和76.56%。

3.2" "既有隧道附加應(yīng)力分析

圖6為不同交叉角度下既有隧道附加內(nèi)應(yīng)力隨掘進(jìn)環(huán)數(shù)變化關(guān)系。由圖6可知，隨著盾構(gòu)機(jī)在模型土中掘進(jìn)工作不斷進(jìn)行，既有隧道附加內(nèi)應(yīng)力的變化規(guī)律基本一致，即隨著掘進(jìn)環(huán)數(shù)的逐漸增加，附加內(nèi)應(yīng)力先緩慢減小，后快速增大，最后趨于平穩(wěn)。

分析認(rèn)為，這是由于當(dāng)掌子面距離測(cè)點(diǎn)較遠(yuǎn)時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土體的擾動(dòng)較小，且因開挖卸載下土體松動(dòng)，導(dǎo)致既有隧道的附加內(nèi)應(yīng)力緩慢減小。而隨著掘進(jìn)的不斷進(jìn)行，盾構(gòu)機(jī)逐漸接近兩條隧道交叉點(diǎn)的擾動(dòng)現(xiàn)象也越來越明顯。開挖造成的應(yīng)力對(duì)既有隧道影響很大，因此既有隧道的附加內(nèi)應(yīng)力快速增大，且由負(fù)附加內(nèi)應(yīng)力向正應(yīng)力轉(zhuǎn)變。此后隨著掘進(jìn)掌子面距離測(cè)點(diǎn)越來越遠(yuǎn)，盾構(gòu)開挖對(duì)既有隧道的影響再次減弱，附加內(nèi)應(yīng)力趨于穩(wěn)定。

進(jìn)一步分析穿越交叉角度對(duì)既有隧道附加內(nèi)應(yīng)力的影響。由圖6可知，近接既有隧道穿越條件下，新開挖隧道與原隧道的交叉角度，對(duì)土中的附加土壓力影響較大。隨著穿越隧道交叉角度的增大，明顯可見附加內(nèi)應(yīng)力的絕對(duì)值逐漸減小，且波動(dòng)范圍也減小。

這表明在兩條隧道相互平行時(shí)，盾構(gòu)掘進(jìn)造成的既有隧道的內(nèi)應(yīng)力和變形情況最明顯;而隨著交叉角度的增大，盾構(gòu)對(duì)既有隧道的影響逐漸弱化。當(dāng)交叉角度為0°時(shí)，最大附加內(nèi)應(yīng)力絕對(duì)值達(dá)到224.65kPa。隨著交叉角度的逐漸增大，最大附加內(nèi)應(yīng)力分別為195.17kPa、138.33kPa和43.59kPa。

4" "結(jié)論

隨著我國(guó)城市地下鐵路建設(shè)速度日益增快，地下交通線路相互交叉、錯(cuò)綜復(fù)雜，盾構(gòu)開挖工作也迎來了新的挑戰(zhàn)。因此，研究新地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)既有建筑工程的影響具有重要意義。本文依托于天津市某地鐵建設(shè)工程項(xiàng)目，基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，深入研究了0°、30°、60°和90°四個(gè)不同交叉角度下，新建地鐵隧道盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)既有隧道的影響。主要結(jié)論如下：

軟土地層盾構(gòu)開挖會(huì)導(dǎo)致土層出現(xiàn)明顯的松動(dòng)，土層附加土壓力隨著盾構(gòu)掘進(jìn)環(huán)數(shù)的增加而逐漸減小，而既有隧道的附加內(nèi)應(yīng)力則呈先減小后增大的變化趨勢(shì)。

隨著新建隧道和既有隧道的交叉角度逐漸增大，盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土層的附加土壓力及既有隧道的附加內(nèi)應(yīng)力的影響越小。當(dāng)交叉角度為0°時(shí)，最大附加土壓力和附加內(nèi)應(yīng)力絕對(duì)值分別為346.08kPa、224.65kPa。隨著交叉角度的逐漸增大，最大附加內(nèi)應(yīng)力絕對(duì)值分別為195.17、138.33和43.59kPa，附加土壓力則分別下降4.11%、70.16%和76.56%。

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