盾構(gòu)近距離多次下穿對既有隧道變形的影響

馬健，李鳳濤，袁飛飛，趙宇

（1.上海巖土工程勘察設計研究院有限公司，上海200083；2.鐵道第三勘察設計研究院集團有限公司，天津300142；3.浙江大學濱海與城市巖土工程研究中心，浙江杭州310058；4.浙江大學防災工程研究所，浙江杭州310058）

盾構(gòu)近距離多次下穿對既有隧道變形的影響

馬健1，李鳳濤2，袁飛飛3，趙宇4

（1.上海巖土工程勘察設計研究院有限公司，上海200083；2.鐵道第三勘察設計研究院集團有限公司，天津300142；3.浙江大學濱海與城市巖土工程研究中心，浙江杭州310058；4.浙江大學防災工程研究所，浙江杭州310058）

通過對杭州地鐵4號線2次近距離下穿地鐵1號線施工過程沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析，探討盾構(gòu)施工對既有隧道變形的影響規(guī)律。結(jié)果表明:既有隧道變形與盾構(gòu)掘進的相對位置密切相關(guān)；盾構(gòu)小角度穿越時對既有隧道沉降影響較大；多次穿越同一既有隧道時，不僅要加強對既有隧道的監(jiān)測，同時也要對新建隧道進行變形監(jiān)測，以便及時調(diào)整土艙土壓力、注漿量等施工參數(shù)，防止既有隧道產(chǎn)生過大變形。

盾構(gòu)下穿；既有隧道；掘進參數(shù)；隧道監(jiān)測；變形

城市隧道施工不僅會引起地層沉降和變形，也會引起近旁的地鐵隧道不均勻沉降、開裂，甚至破壞，從而可能引發(fā)列車出軌等嚴重事故［1-3］。很多學者研究了新建隧道與既有隧道在不同相對位置（平行、垂直、上穿、下穿）對既有隧道變形的影響規(guī)律［4-10］，但較少探究盾構(gòu)機施工參數(shù)對既有隧道變形的影響。李強等［11］研究發(fā)現(xiàn)在新建隧道逐步向既有隧道推進過程中，推進力和穩(wěn)定比是控制既有隧道變形的主要因素。白廷輝等［12］提出盾構(gòu)超近距離穿越既有地鐵隧道時注漿壓力宜控制在1.1～1.2倍的靜止土壓力，嚴格控制盾構(gòu)姿態(tài)等。廖少明等［13］研究得出，合理調(diào)整盾構(gòu)機的土艙土壓力可使既有隧道變形控制在一定范圍內(nèi)。然而，已有研究僅涉及到盾構(gòu)單次穿越時引起的既有隧道隆沉現(xiàn)象及對盾構(gòu)掘進參數(shù)的定性分析。

本文以杭州地鐵4號線盾構(gòu)近距離下穿既有地鐵1號線為例，分析盾構(gòu)各掘進參數(shù)對既有隧道豎向變形的影響規(guī)律，以及下穿隧道對既有隧道變形的影響范圍，以期為軟土條件下盾構(gòu)下穿既有隧道施工提供參考。

1　工程概況

杭州地鐵4號線官河站—火車東站盾構(gòu)區(qū)間右線長約329.675m，左線長約323.834m，線間距為9.4～15m，隧道頂埋深18～25m。區(qū)間隧道施工采用鉸接型加泥式土壓平衡盾構(gòu)機，盾構(gòu)全長8.6m，管片外徑6.2m，內(nèi)徑5.5m，管片厚度350mm，環(huán)寬1.2m。盾構(gòu)機從官河站始發(fā)，到達火車東站，調(diào)頭后到達官河站后解體退場。既有地鐵1號線埋深15～20m，隧道結(jié)構(gòu)采用預制鋼筋混凝土管片，管片參數(shù)同4號線，管片之間采用高強度螺栓連接，管片斷面貼有遇水膨脹橡膠條用于隧道防水。4號線盾構(gòu)掘進過程中，在右線里程K21+056.399處立體交叉穿越地鐵1號線右線，穿越角度23°，豎向凈距2.1m，之后與1號線既有隧道幾乎平行掘進，其平面示意如圖1。1號線既有隧道主要位于淤泥質(zhì)黏土及黏土層中，其上覆土層主要為雜填土、砂質(zhì)粉土、粉砂。在同一地質(zhì)條件下，4號線隧道盾構(gòu)主要在黏土、粉質(zhì)黏土地層中掘進，土層均具有高含水率、高壓縮性、低強度、低滲透性等特點，在施工擾動情況下強度下降，土體結(jié)構(gòu)易破壞。在掘進過程中，參數(shù)稍微設置不合理就極易造成已運營1號線的沉降及位移，甚至會造成地鐵1號線無法正常運行。因此，必須在掘進過程中對1號線隧道的變形及時監(jiān)測，并及時反饋變形信息以調(diào)整盾構(gòu)機掘進參數(shù)，確保既有隧道結(jié)構(gòu)安全。

2　隧道監(jiān)測方案

為保證及時反饋既有地鐵隧道結(jié)構(gòu)變形情況，對盾構(gòu)下穿施工過程中各監(jiān)測項目采用徠卡MS05AX全站儀進行自動化監(jiān)測。在1號線右線K20+994—K21+322區(qū)域內(nèi)每隔5環(huán)設置1個監(jiān)測斷面，在盾構(gòu)下穿重點影響區(qū)域每隔2環(huán)布置1個監(jiān)測斷面，見圖2。在既有隧道監(jiān)測斷面布置隧道沉降監(jiān)測點。

參考胡群芳等［14］的研究成果，結(jié)合盾構(gòu)機與運營隧道的相對位置，把盾構(gòu)機施工過程劃分為3個階段。地鐵4號線右線：盾構(gòu)穿越前（1～54環(huán)）、盾構(gòu)穿越中（55～95環(huán)）以及盾構(gòu)通過后（96～275環(huán)）。地鐵4號線左線：盾構(gòu)穿越前（1～145環(huán)）、盾構(gòu)穿越中（146～190環(huán)）以及盾構(gòu)通過后（191～270環(huán)）。

圖1　4號線與1號線平面位置示意

圖2　1號線監(jiān)測點布置示意

3　結(jié)果分析

土壓平衡式盾構(gòu)隧道施工因其土艙土壓力的設置和同步注漿控制等，與傳統(tǒng)工法引起的變形規(guī)律有所不同。在盾構(gòu)穿越過程中必須嚴格控制土艙土壓力，同時也必須嚴格控制與土艙土壓力有關(guān)的施工參數(shù)，如：推進速度、出土量等，以保持盾構(gòu)掘進面穩(wěn)定和平衡。因此，本次盾構(gòu)穿越中采用了“勻速、快推下穿地鐵線，合理設定土壓，及時同步注漿”的施工原則，以保證施工的安全可靠。盾構(gòu)機掘進時，實時記錄了土艙土壓力、出土量、同步注漿壓力以及注漿量等主要掘進參數(shù)，并繪制掘進參數(shù)隨施工環(huán)數(shù)變化曲線，分析盾構(gòu)機刀盤推進到不同位置時既有隧道的隆沉規(guī)律。

圖3為4號線盾構(gòu)穿越施工過程中土艙土壓力隨掘進環(huán)數(shù)變化曲線。土艙土壓力為土壓力盒傳感器所測平均值。由圖3可見，土艙土壓力在剛開始穿越時為0.23MPa左右，直至其穿越交叉點；在其它位置維持在0.28～0.35MPa，可以看出在穿越既有隧道時土艙土壓力最小，穿越前和穿出后較大。

圖3　4號線盾構(gòu)穿越施工過程中土艙土壓力隨掘進環(huán)數(shù)變化曲線

在盾構(gòu)施工過程中，當管片脫離盾尾后，在土體與管片之間會形成環(huán)形空隙。為防止地層變形過大而危及1號線安全需及時注漿填充，注漿時采用同步注漿壓力和注漿量雙重標準控制。由圖4可以看出，穿越前注漿壓力維持在0.30MPa，在穿越段基本維持在0.26MPa左右，比較穩(wěn)定。在穿越段注漿量維持在一個較低的范圍，防止上方既有隧道隆起過大。穿越前和穿越后，適當提高同步注漿壓力和注漿量可使盾尾上方土體微隆，抵消部分地層損失，減少上部地層沉降。

圖4　4號線盾構(gòu)穿越施工過程中注漿壓力及注漿量隨掘進環(huán)數(shù)變化曲線

圖5（a）為4號線右線盾構(gòu)穿越前地鐵1號線隧道隆沉變化曲線。圖例中的環(huán)數(shù)如2環(huán)、54環(huán)、98環(huán)等表示4號線右線盾構(gòu)掘進到的環(huán)數(shù)?？v軸“+”代表隧道隆起，“-”代表隧道沉降，左側(cè)表示4號線左側(cè)1號線范圍，右側(cè)表示4號線右側(cè)1號線范圍。從圖5（a）可見，穿越前既有隧道隆沉變化并不明顯，由于盾構(gòu)機距離既有隧道較遠，盾構(gòu)機對既有隧道影響較小，主要為列車往返振動荷載導致的隧道變形。

圖5（b）為4號線右線盾構(gòu)穿越開始至結(jié)束1號線隧道隆沉變化曲線?？梢姡憾軜?gòu)掘進至54環(huán)時尚未對1號線造成明顯影響；盾構(gòu)掘進至58環(huán)時，既有隧道開始發(fā)生顯著變形，前方1D（D為盾構(gòu)機直徑）范圍內(nèi)土體大量隆起；盾構(gòu)機小角度穿越上部既有隧道時，對交叉穿越點A左側(cè)隧道影響較大且影響范圍較廣（400～450環(huán)，共50環(huán)），對交叉穿越點A右側(cè)隧道影響較小且范圍較?。?50～480環(huán)，共30環(huán)）；盾構(gòu)掘進至72環(huán)和91環(huán)時，交叉穿越點A處1號線隧道隆沉曲線出現(xiàn)回落，而交叉穿越點A兩側(cè)卻出現(xiàn)局部隆起。這是由于小角度穿越時，盾構(gòu)機刀盤（54環(huán)到72環(huán)）對前方的擠土效應對既有隧道左側(cè)影響較大。交叉穿越點A附近1號線隧道正好處于4號線隧道正上方，受盾構(gòu)施工影響較大，此時54～91環(huán)的土艙土壓力及注漿量均減小，從而導致穿越段上方1號線隧道隆起減小。

從圖5（c）可以看出，穿越段豎向位移較小。左側(cè)隧道達到隆起峰值，右側(cè)隧道下沉量有所變小。在以小角度斜穿施工時，左側(cè)隧道的變形更加顯著，受影響程度更大。因此小角度下穿過程中，應該加強對左側(cè)既有隧道結(jié)構(gòu)的加固及保護。盾構(gòu)掘進參數(shù)對于控制既有隧道隆沉具有顯著作用。

圖6為4號線盾構(gòu)再次（左線）穿越時地鐵1號線隧道隆沉變化曲線。圖例中的環(huán)數(shù)如5環(huán)、158環(huán)，200環(huán)等表示4號線左線盾構(gòu)掘進到的環(huán)數(shù)。盾構(gòu)在第一次（右線）穿越1號線隧道后，其沉降值基本穩(wěn)定不再發(fā)生變化。說明軟土基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，土體結(jié)構(gòu)變化已經(jīng)穩(wěn)定。左線穿越1號線隧道交叉點B時，左線隧道管片為170環(huán)，1號線隧道管片為500環(huán)。從圖6（a）來看，穿越前的施工對1號線隧道產(chǎn)生的沉降影響并不明顯。

圖5　4號線右線盾構(gòu)穿越時1號線隧道隆沉變化曲線

從圖6（b）來看，穿越中1號線隧道隆沉變化與第一次穿越有明顯不同。在整個穿越過程中，盾構(gòu)在158～194環(huán)掘進時都會對既有隧道的變形產(chǎn)生影響；盾構(gòu)小角度穿越上部既有隧道時，在交叉點B對右側(cè)隧道影響較小且影響范圍較小，對左側(cè)隧道影響較大且范圍較大，盾構(gòu)機刀盤前方的擠土效應對左側(cè)隧道影響較大；盾構(gòu)掘進至158～176環(huán)時，與交叉點B處相比隆起量逐漸減少，從176～194環(huán)由隆起轉(zhuǎn)為沉降。這是因為穿越交叉點B附近時既有隧道正好處于新建隧道正上方，受盾構(gòu)施工影響較大，此時176～194環(huán)的土艙土壓力及注漿量均減小，從而導致穿越段上方隧道隆起減小。由于施工方主觀認為施工會影響基本建成的右線和既有隧道，相對減小了盾構(gòu)的土艙土壓力及注漿量，從而造成盾構(gòu)沉降量相對增加。因此在左線小角度下穿過程中，應該加強對左側(cè)既有隧道結(jié)構(gòu)的加固及保護。盾構(gòu)機掘進參數(shù)對于控制既有隧道隆沉具有顯著作用。

從圖6（c）可以看出，盾構(gòu)穿越后既有隧道的變形不大。左側(cè)隧道的沉降達到最大值，右側(cè)隧道下沉趨勢變緩，并趨于穩(wěn)定。

圖6　4號線左線盾構(gòu)穿越時1號線隧道隆沉變化曲線

4　結(jié)論

本文總結(jié)分析了杭州地鐵4號線隧道近距離下穿地鐵1號線時對既有線沉降的影響規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）既有隧道變形與盾構(gòu)掘進的相對位置密切相關(guān)；盾構(gòu)小角度穿越時對既有隧道沉降影響較大。

2）調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)可以有效控制隧道沉降，故在穿越過程中應把監(jiān)測數(shù)據(jù)及時反饋給施工控制方，以便及時調(diào)整土艙土壓力和注漿量，從而控制上部既有隧道的變形。

3）多次穿越同一既有隧道時，不僅要加強對既有隧道的監(jiān)測，同時也要對新建隧道進行變形監(jiān)測，以便及時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)施工參數(shù)，防止既有隧道產(chǎn)生過大變形。

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AbstractT o unveil the influence of shield construction on adjacent tunnels，the paper analyzed the data collected in the monitoring and measuring of No.1 M etro Line in Hangzhou amid the construction of No.4 M etro line，which passes under the former twice with small spacing apart.T he results showed that the deformation of existing tunnel was closely linked to its relative location to the shield operation，or to be more specific if the operation was carried out by a small angle to the existing line，the settlement induced may increase by a large margin.In case of multiple under passing，monitoring shall be tightened up for both existing tunnel and the ongoing construction，so as to better handle the earth pressure and the grouting volume in avoidance to over-deformation.

Influence on Existing Tunnel Deformation Induced by Shield Tunnel Multiple Under Passing with Small Spacing Apart

MA Jian1，LI Fengtao2，YUAN Feifei3，ZHAO Yu4
（1.Shanghai Geotechnical Engineering Survey and Design Institute Co.，Ltd.，Shanghai 200083，China；2.The Third Railway Survey and Design Institute Group Corporation，Tianjin 300142，China；3.Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310058，China；4.Institute of Disaster Prevention Engineering，Zhejiang University，Hangzhou Zhejiang 310058，China）

Shield tunnel under passing；Existing tunnel；Boring parameters；T unnel monitoring；Deformation

U455.43

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.04.17

1003-1995（2016）04-0064-05

（責任審編葛全紅）

2015-09-10；

2016-01-10

馬健（1976—），男，高級工程師，碩士。