陳仁朋 張品 劉湛 穆巖松 鐘志全
摘 要:以在富水砂層中,長沙地鐵4號線近距離下穿上覆2號線運營隧道工程為背景,對Metro Jet System (MJS)水平樁加固在盾構(gòu)下穿既有隧道中的應用進行研究.通過現(xiàn)場鉆孔取芯與室內(nèi)試驗,并在地表和2號線隧道內(nèi)布置豎向位移監(jiān)測點、管片應力監(jiān)測點,研究MJS水平樁的成樁效果,以及盾構(gòu)掘進時周邊地層與上覆隧道的變形響應規(guī)律.研究表明:MJS工法樁直徑為2 m左右,抗壓強度達到3 MPa以上,均滿足設計要求;盾構(gòu)下穿時,上覆隧道沉降呈高斯曲線分布,最大沉降4.33 mm;由于盾構(gòu)開挖的卸載,相交位置處上覆隧道斷面在水平方向被擠壓,產(chǎn)生的最大附加應力為1.4 MPa;地表最大沉降為1.1 mm,其中,MJS水平樁加固區(qū)域,地表沉降相對較小.總體來看,MJS水平樁加固效果較好,可為類似工程的實施提供借鑒.
關(guān)鍵詞:MJS;隧道開挖;掘進參數(shù);地表沉降
中圖分類號:TU 443 文獻標志碼:A
文章編號:1674—2974(2018)07—0103—08
Abstract: Taking a case of Changsha Metro Line 4 excavated beneath closely spaced existing Changsha Metro Line 2 twin tunnels as research background, this paper studies the application of the Metro Jet System (MJS) Horizontal Column Reinforcement in Shield Tunneling. The quality of MJS column and the response of stratum and overlying tunnels are studied during the shield tunneling by carrying out in-situ and laboratory tests, installing the additional stress sensors and vertical displacement monitoring points inside Metro Line 2 and setting up monitoring points on ground surface. The result indicates that the diameter is appropriately 2 m and the compressive strength is higher than 3.0 MPa, which satisfy the designed specifications. When the shield excavates beneath the overlying tunnels, the settlement of the overlying tunnel present Gaussian curve distribution, and the maximum settlement is 4.33 mm. Due to the unloading of the shield excavation,the maximum additional stress is 1.4 MPa and the maximum settlement is 1.1 mm. Surface settlement is relatively small in the MJS horizontal pile reinforcement area. Overall,MJS horizontal pile can effectively reduce the settlement of existing tunnel,and can offer reference for the application of similar engineering.
Key words: metro jet system(MJS);tunnel excavations;operational parameters;surface settlement
近年來,隨著地鐵建設加速及運營里程的增加,盾構(gòu)穿越己建運營隧道的概率越來越大,確保鄰近既有運營隧道的結(jié)構(gòu)安全和正常運營成為盾構(gòu)法隧道工程中必須解決的難題[1].
針對這一問題,目前有部分學者分別從現(xiàn)場實測、模型試驗、理論計算和數(shù)值模擬等方面進行研究.Kim等[2]和Byun等[3]分別進行了臨近隧道開挖對均質(zhì)土體中已埋管道影響的模型試驗研究.模型試驗成本較高,試驗繁瑣,耗時長,無法應用到每個工程中;張治國等[4]首次采用彈性層狀半空間地基模型,建立了用連續(xù)彈性方法研究這一問題,但只考慮了土體損失的影響;張瓊方等[5]利用Mindlin[6]解,將上覆隧道視為Winkler彈性地基梁,推出盾構(gòu)下穿引起上覆隧道豎向位移的理論解,但公式較為復雜;畢繼紅等[7]分別用數(shù)值模擬的方法分析了盾構(gòu)開挖對鄰近既有隧道的影響,但施工現(xiàn)場狀況復雜,數(shù)值模擬難以綜合考慮各種因素的影響.目前較為普遍的研究方法是通過現(xiàn)場布置監(jiān)測點,分析盾構(gòu)下穿對上覆隧道的影響.Fang等[8]分析工程實例發(fā)現(xiàn),盾構(gòu)近距離下穿上覆已建運營隧道,會致使上覆雙圓隧道沉降呈“W”形分布;張瓊方等[9]和朱蕾等[10]通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析盾構(gòu)下穿的影響,發(fā)現(xiàn)隧道交叉區(qū)域,上覆隧道隆起值達到16 mm,但未提出控制這一變形的有效措施;李磊等[11]通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值模擬,研究了盾構(gòu)下穿時注漿壓力和掌子面推力對上覆隧道沉降的影響.然而,上述研究多涉及到盾構(gòu)下穿對上覆已建隧道受力變形規(guī)律的影響,而對保護措施及其應用的研究較少.
本文依托長沙地鐵4號線盾構(gòu)下穿2號線運營隧道工程,通過現(xiàn)場鉆孔取芯與室內(nèi)試驗研究MJS水平樁的成樁效果,并在地表和2號線隧道內(nèi)布置豎向位移監(jiān)測點、隧道內(nèi)應力監(jiān)測點,研究在MJS水平樁加固的作用下,盾構(gòu)下穿對地表變形和上覆已建運營隧道受力變形的影響,其研究成果可為類似工程提供借鑒.
1 工程概況
已建2號線隧道埋深9 m左右,4號線隧道埋深18 m左右,4號線區(qū)間隧道與2號線最小豎向凈距約2.857 m,如圖2所示.場地地層分布大致可分為4層:第1層為雜填土,厚度約1 m;第2層為細砂,厚度為8.4 m;第3層為圓礫,厚度約7.3 m;第4層為中粗砂,地下水位在地表下3 m左右.通過室內(nèi)實驗獲得圓礫和中粗砂的級配曲線,其不均勻系數(shù)分別為13.75、17.5,級配良好.MJS水平樁施工和4號線盾構(gòu)掘進位置主要位于④4中粗砂層,室內(nèi)級配實驗的結(jié)果表明該砂土粒徑大于0.25 mm的顆粒含量占全重的55%,粒徑大于0.5 mm的顆粒含量占全重的23%,相應土層具體物理力學性質(zhì)指標見表1.
4號線掘進采用土壓平衡盾構(gòu)機,主機長12.5 m,刀盤開口率為37%,最大開挖直徑為6.29 m.隧道結(jié)構(gòu)采用預制鋼筋混凝土管片,綜合考慮各種因素,采用錯縫拼裝方式[12],管片外徑6 m,內(nèi)徑5.4 m,幅寬1.5 m,管片之間采用高強度螺栓連接,斷面貼有遇水膨脹橡膠條用于防水.盾構(gòu)機掘進過程中,通過計算機對掘進參數(shù)進行實時監(jiān)控記錄.為減小盾構(gòu)下穿對上覆已建地鐵運營隧道的影響,對該隧道采取的保護措施如下:
1)4號線左右線路上各設置一個長8 m,寬6 m的豎井(如圖1所示),左線豎井距2號線最短距離5.9 m.豎井內(nèi)設有一道冠梁,三道腰梁,采用袖閥管注漿方法在豎井底部施工4 m厚水泥漿加固體和2 m厚雙液漿加固體.
2)在豎井內(nèi)施工MJS施工平臺,施工平臺為500 mm厚C25素混凝土加固層.
3)在4號線左右隧道拱頂上方各施工兩排共計13根MJS樁,設計樁徑2 m,樁長42 m,樁間搭接厚度400 mm,樁剖面呈半圓形,圖3為4號左線拱頂施工的MJS樁示意圖.水平樁采用跳樁法施工,具體的施工順序是:12、6、13、11、9、10、8、7、5、3、1、2、4.其中,7號和5號樁、3號和1號樁、2號和4號樁皆為兩根樁同時施工.13根MJS樁在隧道開挖區(qū)上方及周邊形成相互搭接的具有高強度的水平旋噴固結(jié)體拱棚,拱棚長42 m,最大截面高度為3.6 m.MJS樁施工的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示.
2 MJS加固效果研究
2.1 現(xiàn)場取樣
為檢驗MJS水平樁施工的有效性,13根MJS樁施工完后,在加固區(qū)進行現(xiàn)場豎向鉆孔取樣.圖4中線1~4為2號線隧道輪廓外擴1 m線,共布置10個取樣孔,1號、3號、6號、9號鉆孔分別位于4號線軸線與各條外擴1 m線相交位置,其他6個鉆孔位于4號線輪廓線與各條外擴1 m線相交位置,具體布置位置如圖4所示.為研究MJS成樁效果和加固體性能,在12號和6號MJS樁施工完成,凝期達到30 d后,在圖4所示的A、B取樣孔鉆孔取樣,分別制取3個試樣.試樣長徑比為1.0,測試尺寸為70 mm × 70 mm的圓柱體試樣的抗壓強度.
表3為10個取樣孔中取芯情況的統(tǒng)計,鉆孔深度設定在19 ~ 22 m之間,以保證鉆孔深度能到MJS樁加固區(qū)域.加固體芯樣出現(xiàn)位置在17.4~17.6 m之間,基本在同一地層深度位置,故MJS水平樁施工時的控制較為精準.1號、3號、6號、9號取樣孔位于4號左線軸線位置,MJS加固體厚度較隧道邊緣位置加固體小,從圖3中可以看出芯樣長度應為一倍MJS樁徑左右,隧道正上方的加固體芯樣長度在1.2 ~ 1.6 m之間,滿足要求.在隧道邊緣位置取的加固體芯樣長度在1.6 ~ 2.9 m之間,總體來看,MJS 水平樁成樁效果較好.
利用微機控制壓力試驗機測得A組試樣抗壓強度平均值為3.9 MPa,B組為3.53 MPa,如表4所示,滿足設計的強度要求.
3 盾構(gòu)掘進參數(shù)分析
3.1 土倉壓力
土艙壓力是土壓平衡盾構(gòu)施工管理的主要參數(shù),是土壓平衡盾構(gòu)保證開挖面穩(wěn)定、控制地表變形的關(guān)鍵指標.意大利學者Russo[13]在總結(jié)歐洲地鐵隧道數(shù)值分析結(jié)果和現(xiàn)場實測資料的基礎(chǔ)上,提出保證掘進工作面穩(wěn)定的土壓力經(jīng)驗公式為
根據(jù)公式(1),計算出4號左線盾構(gòu)下穿時,土倉壓力應保持在222 ~ 262 kPa之間,和實測結(jié)果較為相似.圖5反映盾構(gòu)機掘進過程中各環(huán)拼裝時土倉壓力的大小,前10環(huán)拼裝時,主要是適應地層的過程,土倉壓力設置較??;16和20環(huán)位置處,盾構(gòu)機破除豎井井壁,混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好,所以土倉壓力設置較小;從第21環(huán)起,盾構(gòu)機開始下穿上覆已建運營2號線,盾構(gòu)機穿越2號線之前(11 ~ 20環(huán)),土倉壓力平均值為181 kPa,下穿2號左線時,土倉壓力平均值為178 kPa,此時上覆隧道發(fā)生沉降,為減小上覆隧道進一步沉降,下穿2號右線時調(diào)整掘進參數(shù),土倉壓力平均值為221 kPa,較左線提高了43 kPa.
3.2 總推力與掘進速度
盾構(gòu)機掘進過程中,陳仁朋等[14]認為總推力主要由盾構(gòu)機正面壓力和機身與周圍土體接觸所引起的摩擦力兩部分組成,其中,盾構(gòu)機正面壓力由刀盤面板壓力和刀盤開口壓力兩部分組成.圖6反映4號左線掘進過程中各管片拼裝時總推力和推進速度的變化情況,和土倉壓力的情況一致,前10環(huán)拼裝時,參數(shù)設置較小;16和20環(huán)位置處,盾構(gòu)機破除豎井井壁,混凝土井壁堅硬,所以推力設置增大,推進速度同時有所降低;盾構(gòu)機穿越2號線之前(11 ~20環(huán)),推力和推進速度的平均值分別為13 450 kN和30 mm/min,下穿2號左線時,二者的平均值分別為13 560 kN和41 mm/min,下穿2號右線時,由于土倉壓力的提高,推力平均值變?yōu)?4 930 kN,較左線提高1 370 kN,推進速度平均值保持不變.
4 隧道內(nèi)應力監(jiān)測
2號線管片拼裝形式采用“3+2+1”型錯縫拼裝,在圖1中2號線監(jiān)測斷面處,管片內(nèi)側(cè)表面安裝振弦式表面應變計監(jiān)測隧道內(nèi)側(cè)受力變形狀況,其中應變計測的是管片的環(huán)向應變,具體安裝位置如圖7所示(括號內(nèi)表示左線布置的傳感器編號).
典型應變傳感器布置位置處的附加應力變化情況如圖8所示,其中管片附加應力為在實測管片應變的基礎(chǔ)上乘以管片混凝土(C50)模量34.5 GPa得到,隧道內(nèi)側(cè)受拉為正,受壓為負.圖8表明盾構(gòu)機在下穿2號線之前,各傳感器位置處附加應力基本不變,下穿期間各處產(chǎn)生附加應力;下穿左線時,左右隧道傳感器附加應力陡增,左右線隧道附加應力最大分別達到1 MPa和0.2 MPa,由于掘進位置離右線有一段距離,故右線傳感器附加應力相對較??;盾構(gòu)機掘進參數(shù)調(diào)整后,下穿右線時,左右隧道各位置處傳感器產(chǎn)生的附加應力較小,最大分別為0.4 MPa和0.2 MPa;穿越后,各傳感器數(shù)值基本保持不變.
圖9反映盾構(gòu)下穿結(jié)束后,2號右線監(jiān)測斷面的最終附加應力分布圖.由于盾構(gòu)開挖2號線下方土體,在2號線隧道豎直方向發(fā)生卸載,隧道兩側(cè)的土壓力基本保持不變,相當于三軸實驗中的被動擠伸過程,同時由于兩條線路的斜交,致使隧道最終的附加應力狀況如圖10所示.
5 沉降監(jiān)測分析
為研究盾構(gòu)下穿施工對上覆已建運營隧道和地表變形的影響,對兩條線路交叉區(qū)域的地表和上覆隧道的豎向位移進行監(jiān)測.在2號線右線上方ZDK27+312.6斷面布置地表豎向位移監(jiān)測點,通過水準儀監(jiān)測地表沉降.同時在2號左右線隧道道床位置每隔5 m布置豎向位移監(jiān)測點,采用液壓式靜力水準儀進行實時監(jiān)測,監(jiān)測點詳細布置位置如圖10所示.規(guī)定豎向位移沉降為負,隆起為正.
5.1 運營隧道沉降分析
圖11為上覆已建運營隧道典型豎向位移監(jiān)測點在盾構(gòu)掘進過程中的沉降曲線,在穿越上覆已建隧道之前,Z24-1監(jiān)測點隆起1.5 mm,其余監(jiān)測點
表現(xiàn)為輕微沉降;盾構(gòu)機在下穿2號左線過程中,2號左線沉降較快發(fā)展,調(diào)整掘進參數(shù)后,穿越2號右線下方時,相對左線2號右線沉降發(fā)展較為平緩,在盾尾注漿區(qū)沉降開始較快發(fā)展;盾頭距監(jiān)測斷面隧道50 m之外后,上覆隧道沉降趨于穩(wěn)定.
隧道掘進過程中土體的沉降槽形態(tài)一般可以用高斯曲線擬合,即Peck公式[15]:
上覆已建運營隧道脫離盾構(gòu)機的影響范圍后,為描述上覆隧道的沉降形態(tài),結(jié)合實測數(shù)值和式(4)計算的理論值,繪制了如圖12所示的沉降槽曲線.由圖12可知,2號右線的實測值和通過公式(4)計算得到的理論值所描繪的沉降槽形態(tài)吻合度高,最大沉降發(fā)生在隧道中心線位置,達到2.56 mm;離軸線越遠沉降越小,距隧道中心線20 m左右,上覆隧道沉降基本為0.2號左線的左側(cè)位置由于鋪有臨時道路(見圖1),在車輛荷載的作用下,沉降有所偏大,距4號左線左側(cè)10 m位置處,2號左線隧道沉降最大,達到4.33 mm,致使2號左線實測值和通過計算的理論值所描繪的沉降槽形態(tài)有所差別,具體計算參數(shù)如表5所示.結(jié)合下穿2號左線時的掘進參數(shù)和上覆隧道的響應,穿越2號右線時,土倉壓力和總推力皆有所提高,致使2號右線隧道的沉降值整體小于2號左線隧道.
5.2 地表豎向位移分析
盾構(gòu)掘進過程中,從盾構(gòu)機開始破除豎井井壁到盾頭離監(jiān)測斷面65 m遠期間,YDK312.6斷面1 ~ 7號豎向位移監(jiān)測點的沉降情況如圖13所示.在盾頭到達監(jiān)測斷面之前,各監(jiān)測點皆發(fā)生隆起,3 ~ 5號監(jiān)測點最大隆起值達到1.5 mm左右;盾頭到達監(jiān)測斷面后,各監(jiān)測點開始沉降;盾尾到達監(jiān)測斷面時,地表各監(jiān)測點沉降發(fā)生陡變,1 ~ 7號監(jiān)測點分別沉降0.37 mm、1.32 mm、1.25 mm、1.52 mm、1.51 mm、0.71 mm和0.18 mm,距離隧道中心線越近沉降越大;盾頭距監(jiān)測斷面20 m后,各監(jiān)測點沉降基本穩(wěn)定.
盾構(gòu)機遠離監(jiān)測斷面Y312.6后,監(jiān)測斷面的沉降形態(tài)如圖14所示.整體來看,地表位移值較小,最大為1.1 mm,小于上覆2號線施工時引起的地表最大沉降(7 mm左右),遠小于我國規(guī)定的地鐵隧道允許的地表沉降值30 mm,同時也遠小于同類工程引起的地表沉降[9-11],表明MJS水平樁加固的有效性.地表和上覆已建隧的沉降槽形態(tài)有所不同,MJS加固區(qū)地表的沉降明顯小于未加固區(qū),這是由于在盾構(gòu)機到達監(jiān)測斷面之前,MJS加固區(qū)地表的隆起值較大,進而使最終產(chǎn)生的沉降值較小.
6 結(jié) 論
盾構(gòu)近距離下穿上覆已建運營隧道會致使隧道的受力變形發(fā)生改變,同時也會影響地表的豎向位移.基于長沙地鐵4號線近距離下穿上覆已運營2號線,通過現(xiàn)場布置豎向位移和應力監(jiān)測點,研究在MJS水平樁加固條件下,盾構(gòu)掘進時周邊地層與上覆隧道的變形響應規(guī)律,結(jié)論如下:
1)在中粗砂地層中,MJS工法樁施工樁身完整性較好,單軸抗壓強度達到3.5 MPa以上.
2)盾構(gòu)下穿上覆隧道之前,上覆隧道附加應力基本未發(fā)生改變,下穿時隧道在豎直方向卸載,致使在水平方向受到擠壓,最大附加應力為1.4 MPa.
3)盾構(gòu)下穿過程中,上覆左線隧道最大沉降4.33 mm;右線隧道最大沉降2.56 mm,沉降槽形態(tài)符合高斯曲線;刀盤距離上覆隧道25 m后,隧道沉降基本穩(wěn)定.地表最大沉降1.1 mm,MJS加固區(qū)地表沉降僅有0.3 mm,遠小于同類工程引起的地表沉降值.
4)MJS水平樁加固隧道之間土層,能有效降低盾構(gòu)掘進過程中對地表和上覆隧道的影響,可為類似工程提供借鑒.
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