盾構(gòu)下穿越施工對(duì)已建隧道沉降的影響

李海兵

摘 要：盾構(gòu)下穿越已建隧道既存在著隧道結(jié)構(gòu)所附加的內(nèi)力壓力也存在著沉降的情況，能夠直接決定已建隧道的運(yùn)營(yíng)是否正常。本文對(duì)新隧道開挖對(duì)已建隧道的干擾效應(yīng)進(jìn)行研究，以模擬地鐵盾構(gòu)下穿越工程作為案例，采用三維建模對(duì)新建隧道的開挖進(jìn)行模型構(gòu)建，對(duì)已建隧道結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和沉降變化進(jìn)行計(jì)算。分析結(jié)果可得，新隧道的施工會(huì)造成已建隧道的不均勻下沉，為避免超出規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)當(dāng)對(duì)已建隧道進(jìn)行加固處理。已有隧道的最終沉降值會(huì)隨著盾構(gòu)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(guò)程中加大盾構(gòu)的推力極容易引起已有隧道變形。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)下穿越;隧道沉降;影響研究

中圖分類號(hào)：U455.43 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

我國(guó)的城市建設(shè)正在與國(guó)際接軌，城市軌道交通的建設(shè)逐漸完善，地鐵線路的覆蓋率加大，施工對(duì)周邊環(huán)境的影響被各參建方所重視。隨著地鐵入線網(wǎng)加密的不斷完善，新建線路的規(guī)劃受到了極大的制約，盾構(gòu)在復(fù)雜的施工環(huán)境中會(huì)對(duì)已有的結(jié)構(gòu)造成較大的影響，無(wú)法確保已有隧道的功能性和安全性，嚴(yán)重者甚至?xí)斐筛蟮陌踩鹿屎徒?jīng)濟(jì)損失。近幾年我國(guó)在盾構(gòu)法施工方面就如何控制隧道開挖過(guò)程中降低對(duì)已有線路的穩(wěn)定性影響問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，采用解析Peck公式對(duì)盾構(gòu)施工對(duì)周圍地下環(huán)境土體的位移進(jìn)行解析和計(jì)算。

1 工程概況

地鐵B線某區(qū)間的隧道施工中，上下行隧道在SDK18+041處發(fā)生穿越。地鐵A線為已建隧道，每日客流量超過(guò)百萬(wàn)人次，本次模擬工程隧道施工需要穿越運(yùn)營(yíng)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(jié)構(gòu)的凈距不超過(guò)1.5 m;兩條隧道需要進(jìn)行先后出洞的施工，上行線的出洞穿越施工實(shí)踐在下行線隧道完成后的2個(gè)月之后。上行線的盾構(gòu)挖掘?qū)ν馏w有二次影響;下行線的盾構(gòu)出洞推進(jìn)15 m后與已建隧道相交，進(jìn)而下穿。開挖面的穩(wěn)定性因工作面壓力的推進(jìn)確定未通過(guò)而具有較大的難度。下行線可以正常推進(jìn)后再進(jìn)行上行線推進(jìn)，隧道下行線距離進(jìn)站洞口距離不超過(guò)20 m;地鐵A線隧道所在的土層土質(zhì)構(gòu)成主要為淤泥質(zhì)粘土層，本次工程隧道的土層結(jié)構(gòu)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(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)。

2 數(shù)值模擬

因隧道開挖對(duì)周圍環(huán)境的影響具備了三維特征，不建議采用二維有限元法來(lái)進(jìn)行三維空間效應(yīng)模擬。通過(guò)三維模擬對(duì)盾構(gòu)隧道的開挖進(jìn)行模擬能夠更好地考慮到土體的模型構(gòu)建、開挖面的支護(hù)壓力以及盾構(gòu)的推力等，比二維模擬更加全面和更加精準(zhǔn)。因此采用三維有限元分析軟件對(duì)地鐵B線盾構(gòu)隧道下穿越地鐵A線運(yùn)營(yíng)隧道的施工進(jìn)行模擬，并對(duì)地鐵A線的沉降變形規(guī)律進(jìn)行分析。

2.1 計(jì)算模型及邊界條件

計(jì)算模型中的假定設(shè)置：

（1）假設(shè)地表面的各個(gè)土層都呈現(xiàn)均勻的水平層分布;（2）計(jì)算過(guò)程中需要考慮的襯砌管片之間的橫向連接和各個(gè)管片環(huán)之間的縱向連接能夠?qū)σr砌結(jié)構(gòu)剛度起到整體折減的作用;（3）盾構(gòu)的每一次推進(jìn)的步長(zhǎng)設(shè)置為5 m

～6 m;（4）對(duì)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(duì)施工中產(chǎn)生影響范圍內(nèi)的土體力學(xué)參數(shù)是否發(fā)生改變不予考慮。土體的材料按照理想的彈塑性介質(zhì)來(lái)設(shè)置，選取8個(gè)結(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元進(jìn)行模擬。由于管片的材料剛度比較大，因此選取彈性殼體進(jìn)行單元模擬。為提升計(jì)算的效率，對(duì)模型的單元網(wǎng)格劃分方面進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化，將遠(yuǎn)離隧道的土體單元設(shè)定為較大，兩個(gè)隧道的交匯處單元?jiǎng)澐衷O(shè)置較密，計(jì)算的模型長(zhǎng)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(jìn)行分析，除了上表面是自有面以外，其他的4個(gè)側(cè)面以及底部都采用施加法向。

2.2 計(jì)算工況設(shè)計(jì)

為了能夠?qū)Χ軜?gòu)動(dòng)態(tài)掘進(jìn)的過(guò)程進(jìn)行更加細(xì)致的模擬，整個(gè)B線的開挖施工共分為24個(gè)工況推進(jìn)。上下線的開挖各分為20個(gè)工況，再分別各自進(jìn)行10次進(jìn)尺的開挖。其中：工況1主要對(duì)初始地的應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬;工況2為A線的全場(chǎng)開挖模擬和對(duì)其初始地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行模擬，得到B線未進(jìn)行開挖前的土體以及A線的原始應(yīng)力場(chǎng)數(shù)據(jù);工況3-14為下行線的開挖進(jìn)尺、襯砌拼裝、盾尾同步注漿以及模擬開挖面壓力。其中盾構(gòu)的切口分別方向坐標(biāo)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(jìn)尺開挖施工，工況與上述相同。

2.3 分析模擬結(jié)果

雖然盾構(gòu)在2進(jìn)尺時(shí)開挖12 m推進(jìn)時(shí)仍然處于原狀狀態(tài)，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(qū)的圍護(hù)樁的距離與加固程度對(duì)上下行線推進(jìn)的存在著良好的影響作用。在3進(jìn)尺進(jìn)行推進(jìn)的16.5 m后，盾構(gòu)穿越開挖對(duì)隔離樁區(qū)的前方土體立刻產(chǎn)生了影響。工程現(xiàn)階段已經(jīng)達(dá)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(chǎn)生了1.1 mm～5.1 mm的隆起變形。因土倉(cāng)壓力造成影響，切口在到達(dá)前就出現(xiàn)逐漸的隆起變形，當(dāng)盾構(gòu)投進(jìn)到3進(jìn)尺16.5 m時(shí)就達(dá)到了隆起變形最大值。

3 信息化監(jiān)測(cè)

施工效果通過(guò)監(jiān)測(cè)最為直觀地反映出來(lái)，監(jiān)測(cè)工作方面采用信息化能夠更為精準(zhǔn)地實(shí)時(shí)反映施工數(shù)據(jù)，能夠在盾構(gòu)穿越過(guò)程中對(duì)周圍已建隧道的干擾程度進(jìn)行深入分析，以此為基礎(chǔ)對(duì)現(xiàn)有的盾構(gòu)施工方案相關(guān)參數(shù)進(jìn)行修改和優(yōu)化，確保已經(jīng)運(yùn)營(yíng)隧道的安全性。盾構(gòu)穿越施工前，對(duì)地鐵A線的隧道穿越影響進(jìn)行分析，采用電子水平尺自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能夠更加有效地對(duì)施工情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)回傳數(shù)據(jù)，通過(guò)電纜連接將監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)回傳到監(jiān)控室內(nèi)，工程師和施工人員能夠?qū)κ┕み^(guò)程進(jìn)行精確的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。A線運(yùn)行隧道內(nèi)通過(guò)設(shè)置自動(dòng)差異沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)來(lái)對(duì)差異沉降進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)，通常監(jiān)測(cè)范圍的設(shè)置在軸線兩側(cè)的各50 m左右，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的間距設(shè)置為2 m。上下行的隧道也需要安裝靜力水準(zhǔn)測(cè)量傳感器，即電子平尺。通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)來(lái)對(duì)隧道的盾構(gòu)下穿越施工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

4 計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

通過(guò)對(duì)比三維數(shù)值模擬仿真數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，能夠?qū)?shù)值模擬數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)度進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)模擬計(jì)算參數(shù)進(jìn)行修正和完善，這樣能夠有效分析和預(yù)測(cè)出下一步開挖施工造成的隧道隆沉變形存在著哪些規(guī)律，更加便于施工過(guò)程中采取應(yīng)對(duì)措施，預(yù)防和控制已建隧道出現(xiàn)變形情況。三維數(shù)值的模擬結(jié)果與盾構(gòu)通過(guò)前的數(shù)值基本上吻合，但在盾構(gòu)通過(guò)后出現(xiàn)較大的差異，計(jì)算沉降數(shù)值比實(shí)際監(jiān)測(cè)的沉降數(shù)值更大。這種情況的出現(xiàn)是因?yàn)橛?jì)算軟件存在著局限性，無(wú)法對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)的盾殼摩擦阻力進(jìn)行模擬，在進(jìn)行A線最大隆起值的計(jì)算時(shí)沒(méi)有處于盾構(gòu)切口到達(dá)的時(shí)間點(diǎn)。

5 盾構(gòu)施工控制及隧道保護(hù)

5.1 補(bǔ)強(qiáng)注漿

盾構(gòu)在通過(guò)后需要在B線的施工期間進(jìn)行惰性漿液的加注，對(duì)多次擾動(dòng)的土體進(jìn)行加固。在進(jìn)行施工時(shí)，地鐵A線處于運(yùn)行的狀態(tài)，土體中的多種成分也會(huì)導(dǎo)致土體穩(wěn)定性下降，這些情況都會(huì)導(dǎo)致隧道的變形甚至是破壞。已建隧道的沉降會(huì)對(duì)隧道造成不可逆的不良影響，甚至還會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因此需要在盾構(gòu)通過(guò)后對(duì)這一區(qū)域進(jìn)行加強(qiáng)注漿補(bǔ)壓處理，采用快速有效的注漿方法讓土體在最短時(shí)間內(nèi)具有強(qiáng)度并且整合為一個(gè)整體，這樣能夠?qū)Φ罔FA線的隧道起到支撐的作用，有效控制長(zhǎng)期沉降。具體做法為在B線隧道的內(nèi)拱頂范圍進(jìn)行壓注水泥水玻璃漿液，加固的深度應(yīng)當(dāng)不低于1.5 m。另外，為了預(yù)防B線隧道出現(xiàn)位移的情況，在基底和拱頂都需要同時(shí)注漿，對(duì)隧道的下半部分也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行反壓注漿。

5.2 加固出洞口

盾構(gòu)的出洞區(qū)存在應(yīng)力釋放情況，沒(méi)辦法確保足夠的圍壓來(lái)進(jìn)行同步注漿施工，土體很容易出現(xiàn)變形的情況。如果盾構(gòu)出洞的時(shí)候出現(xiàn)涌沙和涌水的情況也會(huì)導(dǎo)致地面出現(xiàn)沉降并且存在土體流失的情況，極容易導(dǎo)致地鐵A線隧道出現(xiàn)運(yùn)行軌道位移和差異沉降等情況，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因此需要在出洞口進(jìn)行加固，加固區(qū)的厚度不能低于3 m。對(duì)出洞和穿越施工中造成的影響進(jìn)行綜合考慮和分析后，對(duì)本次模擬工程的出洞口加固體厚度設(shè)置為6 m，采用滿膛加固能夠更加進(jìn)一步確保穿越以及出洞的安全性。加固的土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度設(shè)置為0.5 MPa～0.8 MPa，滲透系數(shù)低于1×10-8 cm/s，樁的深度為26.5 m，出洞加固區(qū)與地墻之間的空隙采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固處理。通過(guò)數(shù)值模擬能夠得出采用圍護(hù)加固和隔離的方法能夠有效降低上下行線推進(jìn)對(duì)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(jìn)行隔斷，強(qiáng)度在加固后28天能夠達(dá)到1.2 MPa。穿越區(qū)的地面與地鐵A線的兩側(cè)設(shè)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(guò)程中應(yīng)當(dāng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)注漿施工進(jìn)行跟蹤，隨時(shí)進(jìn)行修正和調(diào)整。

6 結(jié)束語(yǔ)

本次模擬施工中，采用了三維數(shù)值模擬進(jìn)行模型構(gòu)建，對(duì)穿越施工中的已建隧道沉降變形進(jìn)行了規(guī)律的預(yù)測(cè)，有效地為施工方案的設(shè)計(jì)確定以及已建隧道的保護(hù)提供了具有理論依據(jù)的參考數(shù)據(jù)。對(duì)出洞口進(jìn)行加固能夠有效降低盾構(gòu)穿越和出洞時(shí)對(duì)已建隧道造成進(jìn)一步的沉降影響，盾構(gòu)在通過(guò)已建隧道時(shí)可以采用及時(shí)注漿加固的方法來(lái)對(duì)已建隧道進(jìn)行長(zhǎng)期固結(jié)，有效控制沉降情況的發(fā)生。

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