土壓盾構(gòu)施工對(duì)鄰近平行隧道的影響研究

莊國(guó)清

（廣東華隧建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，廣州 510000）

1 引言

城市化的推進(jìn)，城市人口的激增，使得城市的發(fā)展也在逐漸向外擴(kuò)展，交通擁堵問(wèn)題成為城市發(fā)展中最為嚴(yán)峻的問(wèn)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(huán)保[1]。由于盾構(gòu)法機(jī)械化程度高、開(kāi)挖速率快以及對(duì)土體擾動(dòng)性較小，使其在地鐵的建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。為了能夠?qū)Φ叵驴臻g進(jìn)行合理的利用，地鐵往往會(huì)設(shè)計(jì)為往返線(xiàn)，在施工的過(guò)程中修建2 條獨(dú)立的隧道。在地鐵建設(shè)方面，許多的項(xiàng)目需要解決2 條甚至多條隧道平行或者疊交施工所產(chǎn)生的全新問(wèn)題[2]。同時(shí)，由于在現(xiàn)場(chǎng)機(jī)械設(shè)備、組織管理方法以及施工水平等方面,存在差異，使得盾構(gòu)機(jī)在開(kāi)挖過(guò)程中不可避免地會(huì)對(duì)周?chē)耐馏w產(chǎn)生或多或少的擾動(dòng)，打破原有的土層平衡。因此，對(duì)盾構(gòu)施工中鄰近隧道的影響展開(kāi)研究具有重要的意義。

2 盾構(gòu)隧道施工對(duì)周邊結(jié)構(gòu)的影響

地鐵隧道的開(kāi)挖勢(shì)必會(huì)對(duì)地表產(chǎn)生或多或少的影響，在城市郊區(qū)等空曠區(qū)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(huì)受到地表密集建筑物的影響，另一方面，地鐵的線(xiàn)路也往往不只是一條，還會(huì)與其他的地鐵存在交叉，尤其是對(duì)于隧道并行的情況，新建隧道的施工會(huì)對(duì)既有隧道產(chǎn)生一定的影響[3]。

2.1 盾構(gòu)施工引起的地表與地層變化

盾構(gòu)機(jī)在施工的過(guò)程中會(huì)使地層中的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)發(fā)生變化，這種變化會(huì)引起地表與地層的變形以及位移，而這種變形和位移會(huì)對(duì)周?chē)扔泄芫€(xiàn)造成破壞，土體發(fā)生變化的主要原因是土體中的剪應(yīng)力發(fā)生了變化。盾構(gòu)施工大致可以分為盾構(gòu)前期、盾構(gòu)通過(guò)、盾構(gòu)脫離以及盾構(gòu)結(jié)束4 個(gè)階段，地層中每個(gè)點(diǎn)的位移變化量均是這4 個(gè)階段的位移之和。盾構(gòu)通過(guò)時(shí)發(fā)生的地表變化主要指的是，在該段時(shí)間中盾構(gòu)機(jī)外殼與土體之間的摩擦導(dǎo)致應(yīng)力應(yīng)變變化而引起的位移。盾構(gòu)脫離階段主要是由于盾構(gòu)的脫離形成臨空面，襯砌和土層之間存在了空隙，進(jìn)而導(dǎo)致了土體的沉降。待灌漿結(jié)束之后沉降依舊繼續(xù)，這個(gè)階段的變形主要是由蠕變引起的，這種變形也會(huì)隨著時(shí)間的變化而慢慢趨于穩(wěn)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(gòu)施工對(duì)圍巖的影響

盾構(gòu)機(jī)在未開(kāi)挖之前，圍巖會(huì)處于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定、相對(duì)平衡的狀態(tài)，一旦盾構(gòu)機(jī)開(kāi)始向前推進(jìn)，所開(kāi)挖部分圍巖的應(yīng)力平衡和位移平衡就會(huì)被打破。鄰近隧道之間的相對(duì)位置以及施工順序的先后都會(huì)對(duì)圍巖的應(yīng)力以及位移產(chǎn)生影響。鄰近的平行隧道開(kāi)挖時(shí)，圍巖的應(yīng)力集中系數(shù)會(huì)根據(jù)軸線(xiàn)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(yīng)力集中系數(shù)就相當(dāng)于單條隧道的圍巖應(yīng)力系數(shù)。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(dāng)超過(guò)一定的區(qū)域，2 條平行隧道之間的相互影響就會(huì)削弱甚至消失[4]。

2.3 盾構(gòu)施工對(duì)臨近樁基的影響

隧道的開(kāi)挖會(huì)引起鄰近樁基附近土體的沉降，此時(shí)樁基也會(huì)由于土體的沉降而產(chǎn)生負(fù)摩擦力，使得樁基產(chǎn)生豎向的位移。同時(shí)，隧道的開(kāi)挖也會(huì)造成樁基產(chǎn)生水平向的位移，土體的水平移動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致樁基產(chǎn)生擠壓變形。

3 新建平行隧道的控制措施

3.1 盾構(gòu)施工前進(jìn)行隔離加固

盾構(gòu)施工前對(duì)平行隧道之間的地層進(jìn)行加固能夠有效削弱新建隧道在開(kāi)挖施工過(guò)程中對(duì)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(shè)置地下連續(xù)墻、灌注樁、鋼管樁等削弱盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)產(chǎn)生的地層變化對(duì)隧道的影響；后一種則是通過(guò)攪拌樁、旋噴樁等對(duì)中間地層進(jìn)行加固。盾構(gòu)施工時(shí)不同影響范圍內(nèi)的控制措施如表1 所示。

表1 不同影響范圍內(nèi)控制措施

3.2 土壓盾構(gòu)掘進(jìn)通過(guò)鄰近平行隧道時(shí)的控制措施

土壓盾構(gòu)機(jī)通過(guò)鄰近平行隧道時(shí)，主要控制掘進(jìn)模式、土倉(cāng)壓力、出土量控制、渣土改良劑摻量、注漿控制、推力、掘進(jìn)速度、刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、扭矩、姿態(tài)控制、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速等掘進(jìn)參數(shù)。掘進(jìn)參數(shù)變化對(duì)既有隧道穩(wěn)定性存在重大影響，因此，需控制好土壓盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，控制好沉降，進(jìn)而減少新建隧道的施工對(duì)周?chē)馏w產(chǎn)生的擾動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到減少對(duì)既有隧道的影響的目的。

1）土壓盾構(gòu)掘進(jìn)模式選擇

土壓盾構(gòu)根據(jù)地層的不同和掘進(jìn)環(huán)境的差異在掘進(jìn)中可選擇敞開(kāi)式（OPEN）、半敞開(kāi)式（SEMI-OPEN）和土壓平衡式（EPB）3 種不同的掘進(jìn)模式。為保證施工安全，選用土壓平衡模式進(jìn)行掘進(jìn)，對(duì)既有隧道影響最小。

2）土壓力控制

土壓力控制對(duì)隧道及周邊土體的穩(wěn)定起關(guān)鍵性作用。為了減小建筑物荷載引起的附加應(yīng)力導(dǎo)致的地層應(yīng)力場(chǎng)變化，在盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入影響范圍之內(nèi)時(shí)就需要對(duì)盾構(gòu)土倉(cāng)壓力進(jìn)行調(diào)整?？梢栽谕七M(jìn)速度一定的情況下，降低螺旋輸送機(jī)的轉(zhuǎn)速。同時(shí)，還可以在加注泡沫或者泥漿來(lái)減小對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)。

3）出土量控制

出土量是判斷盾構(gòu)掘進(jìn)是否超挖的重要標(biāo)準(zhǔn)之一，一旦超挖將會(huì)對(duì)既有隧道穩(wěn)定性造成極大影響。因此，盾構(gòu)機(jī)操作人員應(yīng)密切關(guān)注螺旋機(jī)出土情況，觀(guān)察出渣量的變化和土倉(cāng)壓力變化，如果發(fā)現(xiàn)超挖，應(yīng)及時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)后繼續(xù)掘進(jìn)，并與地面監(jiān)測(cè)人員取得聯(lián)系，加強(qiáng)同步注漿量保持土體平衡。

4）渣土改良控制

掘進(jìn)過(guò)程中必須對(duì)渣土進(jìn)行合理的改良，在渣土中加入適當(dāng)?shù)呐菽瓌┯行岣咴恋暮鸵仔裕苑绹娪亢徒Y(jié)泥餅，同時(shí)還有利于控制掘進(jìn)與出渣的平衡，以達(dá)到平穩(wěn)快速掘進(jìn)，避免地面沉降與隆起，減小對(duì)周?chē)馏w的擾動(dòng)，從而減少對(duì)鄰近隧道的擾動(dòng)。

泡沫用量應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況做動(dòng)態(tài)調(diào)整，根據(jù)理論計(jì)算值和經(jīng)驗(yàn)值，可將泡沫劑注入率定為40%～60%。經(jīng)計(jì)算，當(dāng)稀釋液濃度為2%～5%時(shí)，每環(huán)用量范圍為32～81 L。根據(jù)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(gòu)機(jī)盾尾的注漿應(yīng)具有及時(shí)性，能夠及時(shí)地對(duì)盾尾的間隙進(jìn)行填充，確保管片襯砌的早期穩(wěn)定，進(jìn)而控制地層變形，同時(shí)也能夠保證隧道結(jié)構(gòu)的質(zhì)量安全。另外，過(guò)大的注漿壓力會(huì)對(duì)土體造成擾動(dòng)，注漿壓力一般在0.4 MPa(出口壓力)以下，結(jié)合覆土層厚度、地質(zhì)條件、水土壓力、盾構(gòu)形式和注漿材料種類(lèi)綜合決定。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中采用單液漿方式進(jìn)行同步注漿，單液漿凝固時(shí)間長(zhǎng)，導(dǎo)致單液漿注漿效果不理想，因此，在掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)盾尾后4～5 環(huán)進(jìn)行補(bǔ)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(shí)間設(shè)計(jì)為15 s。

4 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)技術(shù)是目前城市地鐵的主要施工方式，地鐵施工中對(duì)平行隧道的影響是目前盾構(gòu)施工的關(guān)鍵問(wèn)題。本文針對(duì)這一關(guān)鍵問(wèn)題，分析了盾構(gòu)施工對(duì)地層地表、圍巖、鄰近樁基的影響，并針對(duì)這些問(wèn)題從盾構(gòu)施工前和施工中2 個(gè)方面提出了相關(guān)的控制措施，分別為隔離加固和土壓盾構(gòu)機(jī)的操作控制。