盾構(gòu)近距下穿既有地鐵盾構(gòu)隧道施工參數(shù)控制

馬文輝， 彭 華， 楊成永

(北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044)

盾構(gòu)隧道施工時可以通過調(diào)整掘進(jìn)速度、排土量、土倉壓力、同步注漿及二次補(bǔ)漿等關(guān)鍵參數(shù)減小穿越施工對既有鄰近建筑物的影響.目前，針對北京地層環(huán)境條件下盾構(gòu)穿越既有地鐵盾構(gòu)隧道的工程經(jīng)驗(yàn)極少，開展此類工程的盾構(gòu)施工參數(shù)研究對保證既有地鐵正常運(yùn)營具有較大的工程意義.

國內(nèi)外學(xué)者利用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)、現(xiàn)場監(jiān)測等方法，對盾構(gòu)穿越施工引起既有隧道的變形規(guī)律及其控制措施已經(jīng)開展過一定程度的研究.文獻(xiàn)［1］提出了地下工程施工引起地表沉降的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，可用于計(jì)算盾構(gòu)施工引起的地表二維沉降.文獻(xiàn)［2］通過引入角度系數(shù)修正了Peck的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，所得公式可直接計(jì)算盾構(gòu)斜交下穿施工引起的既有隧道沉降.文獻(xiàn)［3］以上海地鐵新建4號線盾構(gòu)下穿既有2號線隧道為依托，根據(jù)隧道受荷機(jī)理和彈性力學(xué)原理推導(dǎo)了盾構(gòu)工作面壓力理論公式，提出了盾構(gòu)土倉壓力分步臺階控制的方法.文獻(xiàn)［4］針對廣州地鐵3號線盾構(gòu)上下重疊施工，采用數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)方法，考慮剛度等效折減，定性地分析了盾構(gòu)下穿施工引起上部已建隧道的變形和附加內(nèi)力.文獻(xiàn)［5］通過模型試驗(yàn)探討了隧道開挖引起的地層損失與其上方管線變形的關(guān)系.文獻(xiàn)［6-8］針對上海地鐵新建11號線盾構(gòu)上下疊交穿越既有4號線隧道的特殊工況，采用數(shù)值模擬并結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了不同盾構(gòu)穿越施工次序?qū)扔兴淼兰暗貙拥挠绊懸?guī)律，討論了新舊隧道凈距、土倉壓力、注漿壓力對既有隧道變形影響的權(quán)重，對比了不同土倉壓力、注漿壓力、配重量及其范圍對既有隧道變形的影響.文獻(xiàn)［9-10］針對杭州地鐵新建4號線盾構(gòu)斜交下穿既有1號線隧道，根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)，討論了盾構(gòu)在到達(dá)前、通過時、通過后3個盾構(gòu)施工階段對既有隧道的擾動程度及規(guī)律，分析了推力、土倉壓力、排土量等盾構(gòu)施工參數(shù)對既有隧道變形的影響.文獻(xiàn)［11］結(jié)合上海地鐵新建7號線盾構(gòu)下穿既有2號線隧道的實(shí)測數(shù)據(jù)，分析了既有隧道的變形規(guī)律及受施工影響的范圍.

目前研究成果多局限于盾構(gòu)穿越施工引起的既有隧道變形規(guī)律以及對盾構(gòu)施工參數(shù)的預(yù)測分析，缺少對北京地區(qū)典型地層條件下，盾構(gòu)穿越既有盾構(gòu)隧道施工中隧道變形規(guī)律與盾構(gòu)施工參數(shù)控制的分析研究，同時也缺少已運(yùn)營地鐵盾構(gòu)隧道病害整治方法的研究.

北京市南水北調(diào)配套東干渠工程輸水隧洞采用盾構(gòu)法施工，先后穿越9條地鐵線路，其中，下穿地鐵8號線盾構(gòu)隧道工程位于北京典型的砂卵石、黏性土地層中，施工期間既有左線隧道沉降23.9 mm，右線隧道沉降 4.8 mm，沉降差異明顯，產(chǎn)生徑向錯臺超限1處，管片接縫及螺栓孔滲水27處，病害嚴(yán)重.本文通過分析左右線隧道沉降差異較大的原因，總結(jié)了施工參數(shù)經(jīng)驗(yàn)，按照監(jiān)測數(shù)據(jù)闡述了盾構(gòu)隧道受穿越施工擾動的沉降規(guī)律;提出了盾構(gòu)隧道病害的整治方法，為類似工程提供參考.

1 工程背景

新建東干渠隧洞為外徑6 m、內(nèi)徑4.6 m的圓形暗涵，一次襯砌為C50預(yù)制管片(幅寬1.2 m，厚0.3 m)，二次襯砌為 C35模筑鋼筋混凝土(厚0.4 m).施工采用小松Φ6 340加泥式土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)，盾殼厚70 mm，盾尾間隙30 mm，主機(jī)全長(刀盤中心刀刀頭到盾尾)11.4 m;面板式盾構(gòu)，刀盤開口率40%，刀盤開挖直徑6.37 m.

既有地鐵8號線某盾構(gòu)區(qū)間隧道頂板埋深16.3 m;C50預(yù)制管片拼裝，外徑6 m，厚度0.3 m;中心線間距12 m.

如圖1，穿越處東干渠半徑為R=400 m曲線段，縱坡0‰，頂板埋深9.6 m.既有線路為直線段，右線縱坡 5.90‰，左線縱坡 5.95‰，頂板埋深6.3 m.東干渠與既有隧道交角 24°24'49″，豎向最小凈距7.3 m.新建盾構(gòu)隧道747～767共計(jì)21環(huán)管片位于既有左線隧道下方，768～790共計(jì)23環(huán)管片位于既有右線隧道下方.

穿越位置地層由現(xiàn)代河道新近沉積地層、第四系沖洪積地層組成.新建隧道位于礫黏雙層地層和礫黏礫多層地層，分布巖性主要為⑤粉質(zhì)黏土、⑥1卵礫石、⑦層粉質(zhì)黏土.

圖1 穿越工程平面Fig.1 Planar graph of traversing construction

2 數(shù)值模擬分析

施工前基于設(shè)計(jì)圖紙及施工參數(shù)，通過數(shù)值模擬評估了下穿施工對既有隧道的影響.

2.1 數(shù)值模型

考慮盾構(gòu)施工影響范圍，采用ANSYS有限元分析軟件建立了沿新建隧道長度方向120 m、垂直隧道方向160 m、深度51 m的數(shù)值模型，如圖2所示.土體采用Solid45單元，符合Druck-Prager屈服準(zhǔn)則.既有隧道采用Shell63單元.模型上表面自由，四周及底部施加法相約束.

圖2 三維有限元模擬模型Fig.2 3D finite element model

土層參數(shù)見表1，盾構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2.設(shè)定頂推力為14 000 kN，土倉壓力為0.27 MPa，注漿壓力為0.5 MPa.既有隧道剛度受管片錯縫拼裝的影響，須乘以剛度折減系數(shù)，其中，橫向剛度折減系數(shù)取0.7，縱向剛度折減系數(shù)取 0.01［4，12］.

表1 土層參數(shù)Tab.1 Soil parameters

表2 盾構(gòu)結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.2 Shield structure parameters

由于受到盾構(gòu)刀盤的擾動以及盾尾注漿的充填，管片周圍一定厚度范圍內(nèi)的土體特性將發(fā)生變化，在數(shù)值模型中，需要建立勻質(zhì)等厚的“等代層”模擬這一變化過程.等代層的彈性模量、泊松比、密度、厚度等參數(shù)的取值通常根據(jù)經(jīng)驗(yàn)推定，本文根據(jù)文獻(xiàn)［13-17］并結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)試驗(yàn)段參數(shù)擬定.

采用剛度遷移法［8］模擬新建盾構(gòu)隧道721～820環(huán)的施工過程，如圖3所示.考慮盾構(gòu)機(jī)長度和管片寬度，每個步序瞬時掘進(jìn)1.2 m(1個管片寬度)，總計(jì)100步，其中第n步的模擬內(nèi)容如表3.

圖3 盾構(gòu)施工模擬過程Fig.3 Simulation processes of shield construction

表3 模擬內(nèi)容Tab.3 Simulation contents

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果

(1)既有隧道沉降槽曲線

選擇施工過程中8個典型環(huán)片施工結(jié)束后既有隧道的沉降結(jié)果，如圖4.隨盾構(gòu)機(jī)逐步接近、穿越、駛離，既有隧道沉降逐漸增大，沉降最大位置逐漸向穿越中心移動;在模擬結(jié)束時，新建隧道拱頂部位土體沉降為12.90 mm，既有左線隧道沉降為5.90 mm，右線隧道沉降為5.30 mm，最終的沉降槽寬度約為110 m，地層及隧道的變形云圖如圖5.由于盾構(gòu)機(jī)斜交下穿既有隧道，既有隧道沉降呈現(xiàn)非對稱的分布規(guī)律，這一結(jié)果與文獻(xiàn)［2］結(jié)論類似.

圖4 既有隧道沉降槽曲線Fig.4 Settlement curves of existing tunnels

圖5 變形云圖Fig.5 Deformation nephogram

(2)隧道底板沉降時程曲線

繪制穿越中心既有隧道底板沉降的時程曲線，如圖6.

在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)穿越位置前，穿越中心處既有隧道受擾不明顯，在盾構(gòu)機(jī)刀盤距離隧道1.0D(D為盾構(gòu)機(jī)外徑)時，隧道稍有沉降;在穿越過程中，沉降速率逐漸增大，直至盾構(gòu)機(jī)刀盤駛離既有隧道.隨著盾尾脫出，沉降速率逐漸減小，盾尾駛離隧道2.5D時，沉降趨于穩(wěn)定.

圖6 隧道底板沉降時程曲線Fig.6 Time-history settlement curves of tunnel floors

3 現(xiàn)場施工及沉降監(jiān)測

穿越施工中為及時地反映既有隧道沉降規(guī)律，預(yù)判、控制潛在風(fēng)險，結(jié)合數(shù)值模擬給出的沉降槽寬度，在施工影響范圍內(nèi)的左右線隧道各布設(shè)13組監(jiān)測點(diǎn)，分別監(jiān)測隧道及軌道結(jié)構(gòu)沉降，如圖7，圖中:JG代表結(jié)構(gòu)，如JG－106表示第6個隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測點(diǎn);DC代表道床，如DC－101表示第1個道床結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測點(diǎn).穿越中心兩側(cè)的9組監(jiān)測點(diǎn)間距為5 m，其余4組間距為10 m.在施工影響范圍外布設(shè)1組基準(zhǔn)點(diǎn)，采取自動化監(jiān)測方式觀測，監(jiān)測頻率為30 min/次.因正常運(yùn)營的既有地鐵列車振動會對自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集產(chǎn)生擾動，為了規(guī)避該擾動的影響，在采集的數(shù)據(jù)與之前的數(shù)據(jù)相比發(fā)生突變時，電腦自動在接下來的1 min內(nèi)再重復(fù)采集3次，由操作人員選用其中的1組數(shù)據(jù).

圖7 自動化監(jiān)測布點(diǎn)Fig.7 Arrangement of automatic monitoring

3.1 穿越既有左線隧道施工及結(jié)果

2014年1月17日23:00～1月19日16:30，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行既有左線隧道正下方747～767環(huán)管片的掘進(jìn)與拼裝，結(jié)合工前試驗(yàn)段經(jīng)驗(yàn)，同時參考數(shù)值模擬結(jié)果，確定盾構(gòu)施工參數(shù)為:盾構(gòu)推力13 000 kN;平均掘進(jìn)速度 8 mm/min;排土量41 m3/環(huán);土倉壓力 0.27 MPa;注漿量 5.82 ～6.38 m3/環(huán)，注漿壓力 0.3 MPa.

實(shí)際每環(huán)施工的關(guān)鍵參數(shù)如下:

(1)掘進(jìn)速度

如圖8(a)所示，穿越既有左線隧道實(shí)際平均掘進(jìn)速度為 10.3 mm/min.

(2)排土量

如圖8(b)所示，穿越既有左線隧道實(shí)際平均排土量為 40.93 m3/環(huán).

(3)土倉壓力

如圖8(c)所示，747～750 環(huán)為0.280 MPa，751～7 64 環(huán)為0.260 MPa，765～767 環(huán)為0.270 MPa.

(4)同步注漿量

如圖8(d)所示，穿越既有左線隧道實(shí)際平均同步注漿量為60.03 m3/環(huán).

既有左線隧道的沉降最大監(jiān)測點(diǎn)JG-106數(shù)據(jù)如圖9所示.由圖9可知，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)完成767環(huán)拼裝后，沉降達(dá)到 18.5 mm.

圖8 施工關(guān)鍵參數(shù)Fig.8 Key parameters of construction

圖9 既有左線隧道沉降時程曲線Fig.9 Time-history settlement curve of existing left tunnel floor

典型環(huán)片拼裝完成時既有左線隧道沉降槽曲線見圖10.由于新建隧道與既有隧道是斜交，沉降槽具有非對稱性.

圖10 既有左線沉降槽曲線Fig.10 Settlement curves of existing left tunnel in typical stages

既有左線隧道沉降過大，遠(yuǎn)超出數(shù)值模擬預(yù)測結(jié)果，究其原因如下:

圖11 施工關(guān)鍵參數(shù)Fig.11 Key parameters of construction

(1)土倉壓力在穿越施工初期保持在0.280 MPa，穿越既有左線隧道施工中急劇下降至0.260 MPa.土倉壓力急劇變化造成開挖面失穩(wěn)，導(dǎo)致既有隧道沉降增大.在黏性土中，土倉壓力調(diào)整級差不宜大于 0.005 MPa［18］.(2) 同步注漿壓力未達(dá)到數(shù)值模擬要求的0.50 MPa，也未采取二次補(bǔ)漿措施，導(dǎo)致建筑空隙充填不密實(shí).(3)新建隧道位于半徑R=400 m的曲線地段，當(dāng)掘進(jìn)速度過快且波動較大時，盾構(gòu)糾偏量、土倉壓力及注漿質(zhì)量不易控制，導(dǎo)致土層受擾過大且不能得到及時抑制.

3.2 穿越既有右線隧道施工及結(jié)果

吸取穿越既有左線隧道失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，對盾構(gòu)施工參數(shù)作出如下調(diào)整:盾構(gòu)推力提高2 000 kN達(dá)到15 000 kN;同步注漿壓力提高0.2 MPa達(dá)到0.5 MPa;增加二次補(bǔ)漿措施:漿液為水泥-水玻璃雙液漿，補(bǔ)漿位置距拼裝管片6～8環(huán)，注漿量1.00～1.50 m3/環(huán)，注漿壓力 0.20～0.35 MPa;掘進(jìn)速度、土倉壓力必須嚴(yán)格執(zhí)行既定方案.

2014年1月19日16:30～1月22日5:00盾構(gòu)機(jī)完成既有右線隧道正下方768～790環(huán)管片的掘進(jìn)與拼裝.實(shí)際每環(huán)施工的關(guān)鍵參數(shù)如下:

(1)掘進(jìn)速度

如圖11(a)所示，穿越既有右線隧道實(shí)際平均掘進(jìn)速度為 7.80 mm/min，較之前減慢了 2.50 mm/min.

(2)排土量

如圖11(b)所示，穿越既有右線隧道實(shí)際平均排土量為40.97m3/環(huán)，與之前一致.

(3)土倉壓力

如圖11(c)所示，始終保持在0.270 MPa.

(4)同步注漿量

如圖11(d)所示，穿越既有右線隧道實(shí)際平均同步注漿量為60.06 m3/環(huán)，與之前一致.

既有右線隧道沉降最大監(jiān)測點(diǎn)JG-207數(shù)據(jù)如圖12所示，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)完成790環(huán)拼裝后，沉降達(dá)到 1.8 mm.

圖12 既有右線隧道沉降時程曲線Fig.12 Time-history settlement curve of existing right tunnel floor

典型環(huán)片拼裝完成時既有右線隧道沉降槽曲線見圖13，由于隧道沉降較小，沉降槽未呈現(xiàn)明顯的非對稱性.

圖13 典型階段既有右線隧道沉降槽曲線Fig.13 Settlement curves of existing right tunnel in typical stages

3.3 穿越既有左右線隧道施工結(jié)果總結(jié)

歸納了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)到不同位置時既有左右線隧道沉降值如表4.

總結(jié)分析盾構(gòu)穿越施工參數(shù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到如下結(jié)論:

(1)采用合理的盾構(gòu)施工參數(shù)是控制既有隧道沉降的關(guān)鍵:宜在合理范圍內(nèi)提高頂推力;土倉壓力調(diào)整級差不宜大于0.005 MPa;宜在合理范圍內(nèi)提高注漿量和注漿壓力，同步注漿壓力為0.5 MPa，二次補(bǔ)漿壓力為 0.20～0.35 MPa，嚴(yán)格保證二次補(bǔ)漿質(zhì)量;適當(dāng)減緩掘進(jìn)速度，有利于精確控制糾偏量和土倉壓力、提高注漿施工質(zhì)量.

表4 盾構(gòu)掘進(jìn)至不同位置時既有隧道沉降值Tab.4 Settlement of existing tunnels when shield tunnels to different locations mm

(2)數(shù)值模擬可準(zhǔn)確評估穿越施工對既有隧道影響程度.盾構(gòu)機(jī)穿越既有右線隧道時嚴(yán)格依照了原定施工參數(shù)且略有加強(qiáng)，故其沉降規(guī)律與數(shù)值模擬結(jié)果一致，且沉降值略小于預(yù)測值.

(3)綜合圖 9、12，雖然既有左線隧道沉降23.90 mm，右線沉降 4.80 mm，沉降差異明顯，但其隨盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的沉降規(guī)律較為一致.盾構(gòu)機(jī)到達(dá)隧道外緣前，既有隧道受到了一定程度的擾動，在0上下產(chǎn)生小幅波動;盾構(gòu)機(jī)距離隧道外緣0.5D～1.0D時，沉降速率緩慢增大;盾構(gòu)機(jī)抵達(dá)隧道下方直至盾尾脫出期間，沉降速率達(dá)到極值;盾尾脫出隧道外緣2.0D～2.5D后，沉降速率方逐漸減小;待盾尾脫出隧道外緣4.5D～5.5D后，沉降方趨于穩(wěn)定.總體規(guī)律與數(shù)值模擬分析結(jié)果較為吻合.

4 隧道產(chǎn)生的病害及整治

盾構(gòu)機(jī)駛離影響范圍后，既有隧道由于沉降新增了如下病害:

(1)盾構(gòu)管片接縫處及螺栓孔處發(fā)現(xiàn)27處滲漏水，如圖14;(2)左線軌道幾何尺寸偏差超出了綜合維修管理值［19］;(3)道床表面新增18條橫向裂縫，寬度在0.50～1.69 mm，深度在 50～195 mm，長度在 0.13～1.7 m.

因運(yùn)營地鐵夜間天窗作業(yè)時間短，治理設(shè)計(jì)方案必須針對盾構(gòu)管片接縫漏水、螺栓孔漏水以及道床裂縫快速處置.

圖14 典型滲漏照片F(xiàn)ig.14 Typical tunnel leakage photos

4.1 盾構(gòu)管片接縫滲漏水治理

管片接縫滲水不同于結(jié)構(gòu)裂縫滲水，不能通過直接封堵或下半圓鐵片封堵.考慮到流動水條件，需要采取化學(xué)材料注漿止水.具體方法是在確定的滲漏部位兩端布設(shè)限定終止孔(孔深至止水條)，終止孔范圍內(nèi)的拼縫采用速凝水泥外封，終止孔之間沿拼縫埋注漿鋁管，孔徑 80 mm，孔深 50～80 mm，孔距 350～400 mm，速凝水泥嵌縫埋管.采用環(huán)氧樹脂注漿，壓力 0.3～0.4 MPa，次日檢查孔口管，及時補(bǔ)漿.

4.2 盾構(gòu)螺栓孔滲漏水治理

螺栓孔滲漏處理需要拆卸螺栓孔螺帽，同時清除螺栓的泥垢、銹跡.類似接縫滲漏水的治理方法，采用阻塞球堵塞螺栓孔一端，另一端插入小鋁管，采用早強(qiáng)水泥密封，在對拉螺栓兩側(cè)鉆終止孔，孔徑6 mm，孔深80 mm，采用環(huán)氧樹脂注漿，壓力0.3～0.4 MPa，次日檢查孔口管，及時補(bǔ)漿，5～7 d后拆管和拔出塞球，清除螺栓孔中的早強(qiáng)水泥，涂上環(huán)氧樹脂漿液，并安裝螺栓帽.

4.3 道床結(jié)構(gòu)裂縫治理

考慮到道床始終受動荷載影響，為滿足裂縫處理后伸縮要求，裂縫化學(xué)注漿處理采用壓力注膠器壓注高韌性、低收縮的AB-4可撓型灌漿樹脂，抗壓強(qiáng)度大于 70 MPa(韌性)、拉伸強(qiáng)度大于10 MPa、粘接強(qiáng)度大于3 MPa、延伸率為30～50%.

對寬度小于0.5 mm的裂縫直接壓入樹脂，其余的裂縫采用樹脂加入可滑石粉進(jìn)行灌注，樹脂與可填充物的比例不小于20%.注漿后恢復(fù)混凝土結(jié)構(gòu)完整性，填充樹脂的抗拉、抗壓強(qiáng)度須大于原混凝土強(qiáng)度.

滲漏及裂縫病害的整治結(jié)束后至今已有3 a，原滲漏的接縫和螺栓孔未再發(fā)現(xiàn)濕漬;道床裂縫充填密實(shí)，未再開裂.

5 結(jié) 論

結(jié)合盾構(gòu)穿越既有地鐵盾構(gòu)隧道實(shí)例，采用數(shù)值模擬、現(xiàn)場監(jiān)測等方法，分析了既有隧道沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)以及盾構(gòu)施工參數(shù)，分析了既有左右線隧道沉降差異較大原因，得出如下結(jié)論:

(1)受穿越施工影響，雖然既有左右線隧道沉降差異明顯，但沉降規(guī)律較為一致.在充分考慮盾構(gòu)施工參數(shù)前提下，數(shù)值模擬可準(zhǔn)確評估穿越施工對既有隧道影響程度.

(2)盾構(gòu)穿越施工中尤其需要注意控制土倉壓力，適當(dāng)提高注漿壓力，確保同步注漿及二次補(bǔ)漿充填質(zhì)量，曲線段適當(dāng)減緩掘進(jìn)速度.

(3)針對施工結(jié)束后既有隧道出現(xiàn)的管片接縫和螺栓孔滲漏水、道床結(jié)構(gòu)裂縫等病害，考慮到運(yùn)營地鐵維修作業(yè)時間短，宜通過化學(xué)注漿治理滲漏水;考慮到道床受動荷載影響，為滿足裂縫處理后的伸縮要求，宜通過壓力注膠充填可撓型樹脂治理裂縫.

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