土壓盾構(gòu)淺覆土近距離上跨既有隧道施工技術(shù)

王顯根

（濟(jì)南市交通工程質(zhì)量與安全中心，山東濟(jì)南 250014）

1 背景

隨著城市軌道交通建設(shè)的不斷發(fā)展、地鐵線路的增多，不可避免地出現(xiàn)上跨下穿的相交布置。萬(wàn)俊峰[1]以鄭州地鐵2 號(hào)線某站區(qū)間隧道在富水粉細(xì)砂地層中長(zhǎng)距離下穿多條有壓混凝土給水管線為例，分析盾構(gòu)隧道下穿產(chǎn)生不均勻沉降導(dǎo)致地層土體變形的施工風(fēng)險(xiǎn)，得出地層沉降主要受刀盤結(jié)構(gòu)形式、刀盤支撐形式（影響渣土改良效果） 、渣土改良劑在刀盤上的注入位置3 方面影響。陶永虎[2]等以貴陽(yáng)市軌道交通1號(hào)線火車站站—沙沖路站暗挖區(qū)間隧道為依托，選擇下穿客運(yùn)站臺(tái)、鐵路股道及行包地道特殊段為研究對(duì)象，研究了鐵路路基沉降的縱向分布曲線，施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模擬計(jì)算的可行性。宋方方[3]采用軟件數(shù)值仿真模型研究了盾構(gòu)雙線隧道不同步施工對(duì)地表沉降的影響，實(shí)際工程驗(yàn)證了模擬計(jì)算的可行性。文獻(xiàn)[4-6]對(duì)土壓平衡盾構(gòu)側(cè)穿橋樁施工技術(shù)進(jìn)行了研究；陳曉忠[7]研究了復(fù)雜地質(zhì)條件下重疊隧道進(jìn)洞施工技術(shù)；文獻(xiàn)[8-11]基于FLAC3D模擬研究了盾構(gòu)穿越施工對(duì)橋梁樁基穩(wěn)定性影響，通過(guò)模擬數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，驗(yàn)證了加固對(duì)控制地面沉降、橋樁變形的有效性；遲勝超等[12]總結(jié)分析了各種不同類型的鄰近或穿越既有線形式，提出了軌道交通結(jié)構(gòu)工前狀態(tài)調(diào)查、評(píng)估的內(nèi)容及方法，針對(duì)實(shí)際工程進(jìn)行了評(píng)估并提出了風(fēng)險(xiǎn)管控建議。文獻(xiàn)[13-14]研究了軟土地層盾構(gòu)施工沉降及注漿加固理論。少有文獻(xiàn)針對(duì)盾構(gòu)上跨既有線路研究既有隧道的受力及變形問(wèn)題，常規(guī)的盾構(gòu)上跨既有隧道施工多采用下部隧道支撐防護(hù)的方法，少有對(duì)其受力變形進(jìn)行計(jì)算研究。為此，本文以濟(jì)南地鐵2號(hào)線出入場(chǎng)線盾構(gòu)淺覆土上跨開(kāi)源路站—烈士陵園站區(qū)間既有隧道施工為背景，研究盾構(gòu)淺覆土上跨既有隧道變形控制技術(shù)。

濟(jì)南地鐵2號(hào)線姜家莊出入線單線長(zhǎng)847 m，采用土壓平衡盾構(gòu)施工。姜家莊出入場(chǎng)線與已建成的開(kāi)源路站—烈士陵園站盾構(gòu)區(qū)間平面相交。左線豎向最小凈距3.1 m，重疊長(zhǎng)度約80 m，右線豎向最小凈距5.5 m，重疊長(zhǎng)度約82 m。區(qū)間覆土厚度7.7～13.6 m，線間距9.0～18.0 m；盾構(gòu)由出入線始發(fā)井始發(fā)，掘進(jìn)到烈士陵園站吊出，使用1臺(tái)盾構(gòu)完成出入線施工。既有線隧道由另一施工單位施工，出入線盾構(gòu)施工具備始發(fā)條件時(shí)，既有隧道已鋪軌完成并進(jìn)行運(yùn)行調(diào)試。

出入線左線上跨開(kāi)源路站—烈士陵園站區(qū)間既有隧道掘進(jìn)地層為<1-1>層素填土、<9-1>層粉質(zhì)黏土、<10-1>層中粉質(zhì)黏土、<10-2>層黏土、<12-1>層碎石；右線上跨開(kāi)源路站—烈士陵園站烈區(qū)間既有隧道掘進(jìn)地層為<1-1>層素填土、<9-1>層粉質(zhì)黏土、<10-1>層中粉質(zhì)黏土、<12-1>層碎石。填土層厚度變化較大，一般厚度約0～3.6 m。填土層之下深度0.4～23.5 m分布粉質(zhì)黏土，深度1.0～24.8 m為第四系全新統(tǒng)的黏性土、碎石、塊石、含碎石粉質(zhì)黏土、殘積土；場(chǎng)地下伏基巖以?shī)W陶系石灰?guī)r、燕山期閃長(zhǎng)巖為主。

左右線盾構(gòu)隧道均處于地下水位以下，地下水類型為松散巖類孔隙含水層。

2 數(shù)值模擬

2號(hào)線出入線隧道盾構(gòu)上跨既有隧道，對(duì)既有隧道管片產(chǎn)生擠壓變形的風(fēng)險(xiǎn)較大，為此對(duì)出入場(chǎng)線隧道施工進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬數(shù)據(jù)針對(duì)變形部位采取針對(duì)性的預(yù)加固措施，保證既有隧道安全。本文采用土木工程常用軟件Midas GTS NX對(duì)上跨既有隧道進(jìn)行數(shù)值模擬,模擬盾構(gòu)施工過(guò)程對(duì)周圍環(huán)境、既有隧道變形、巖土體材料變形的影響。

2.1 計(jì)算模型、邊界及載荷

模型選取盾構(gòu)隧道周邊50 m、深度大于5倍隧道半徑，模型250 m（長(zhǎng)）×100 m（寬）×50 m（高），盾構(gòu)施工有較好的防水密封性，模擬計(jì)算中不考慮地下水滲流作用，采用單力學(xué)分析模式進(jìn)行計(jì)算；各地層采用摩爾-庫(kù)侖本構(gòu)的三維實(shí)體單元模擬，盾構(gòu)管片采用彈性本構(gòu)的二維板單元進(jìn)行模擬。

假定計(jì)算邊界處已不受隧道開(kāi)挖的影響，即該處為靜止的原始應(yīng)力狀態(tài)，變形為零，采用約束來(lái)模擬。計(jì)算邊界條件：豎向邊界約束水平位移，水平底部邊界約束豎向位移，頂部為無(wú)約束的自由面。計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 計(jì)算模型及網(wǎng)格劃分示意圖

采用太沙基松動(dòng)土壓理論計(jì)算土壓，選取盾構(gòu)中心點(diǎn)處?kù)o止土壓力為盾構(gòu)支護(hù)壓力，出場(chǎng)線土壓力計(jì)算結(jié)果為91.9 kPa，入場(chǎng)線理論計(jì)算結(jié)果為85.4 kPa。仿真計(jì)算中出場(chǎng)線支護(hù)壓力設(shè)為110 kPa，入場(chǎng)線支護(hù)壓力設(shè)為105 kPa。出入線盾構(gòu)支護(hù)壓力示意圖如圖2所示。

圖2 出入線盾構(gòu)支護(hù)壓力示意圖

2.2 模擬計(jì)算步序

（1）初始應(yīng)力場(chǎng)建立。模型首先進(jìn)行彈性計(jì)算，使土體達(dá)到開(kāi)挖前的固結(jié)狀態(tài)，并形成初始應(yīng)力場(chǎng)。

（2）既有線施工。初始應(yīng)力場(chǎng)建立后位移清零，加入既有線，使其開(kāi)挖完成并施加區(qū)間管片作用。

（3）位移清零。對(duì)模型已有工況進(jìn)行位移清零，保證出入線開(kāi)挖前的初始狀態(tài)。

（4）出入線施工。模擬出入線隧道實(shí)際施工情況，先施工出場(chǎng)線，后施工入場(chǎng)線，由1臺(tái)盾構(gòu)完成出入線施工。

（5）根據(jù)出入線上跨投影區(qū)域劃分，出場(chǎng)線模型分3部分（上跨前128 m +上跨中80 m +上跨后42 m）。依序開(kāi)挖各段出場(chǎng)線并施加支護(hù)壓力，并激活相應(yīng)的出場(chǎng)線管片單元，待出場(chǎng)線施工完成后開(kāi)挖入場(chǎng)線。

（6）根據(jù)上跨投影區(qū)域劃分，入場(chǎng)線模型分3部分（上跨前45 m +上跨中82 m +上跨后123 m）。依序開(kāi)挖各段入場(chǎng)線并施加支護(hù)壓力，并激活相應(yīng)的入場(chǎng)線管片單元，模擬施工結(jié)束。

2.3 模擬結(jié)果分析

（1）圖3為出入線區(qū)間盾構(gòu)上跨掘進(jìn)過(guò)程中既有隧道豎向位移云圖，由圖3可見(jiàn)，出入線區(qū)間盾構(gòu)上跨掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)既有隧道產(chǎn)生偏壓影響，既有隧道豎向位移約3.38 mm，小于3.5 mm，無(wú)需采取洞內(nèi)支撐措施。

圖3 既有隧道豎向位移云圖（單位：m）

（2）圖4、圖5為運(yùn)營(yíng)期間列車荷載下既有隧道彎矩云圖和軸力云圖，由圖4可知運(yùn)營(yíng)期間列車荷載下既有隧道彎矩為366.7 kN·m，由圖5可知運(yùn)營(yíng)期間列車荷載下既有隧道拱頂軸力為1 193 kN。此段管片采用配筋加強(qiáng)C型管片，滿足要求。

圖4 運(yùn)營(yíng)期間列車荷載下既有隧道彎矩云圖（單位：kN · m）

圖5 運(yùn)營(yíng)期間列車荷載下既有隧道軸力云圖（單位：kN）

3 盾構(gòu)掘進(jìn)施工控制

3.1 施工環(huán)境勘察

查看實(shí)際工程環(huán)境與地勘資料的一致性，對(duì)有異議的部位，聯(lián)合建設(shè)單位、監(jiān)理、地勘單位進(jìn)行進(jìn)一步勘察，根據(jù)實(shí)際的勘察資料修正優(yōu)化施工方案；進(jìn)一步掌握盾構(gòu)施工影響范圍內(nèi)的地下水位變化情況、線路區(qū)域地面覆土的變化情況，以利于正確控制盾構(gòu)掘進(jìn)的土壓力、同步（二次）注漿參數(shù)。

調(diào)查既有隧道的施工情況，詳細(xì)記錄管片的錯(cuò)臺(tái)、滲水、破裂等情況，同步（二次）注漿壓力及方量，檢測(cè)隧道軸線標(biāo)高、圓度、水平（垂直）收斂，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)確定是否需要補(bǔ)漿加固管片。

3.2 監(jiān)控量測(cè)

3.2.1 監(jiān)測(cè)要求

根據(jù)施工監(jiān)測(cè)方案布設(shè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，在盾構(gòu)上跨既有隧道施工期間做好既有隧道管片變形和地表沉降監(jiān)測(cè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋信息迅速調(diào)整、優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，減小地表沉降變形量及既有線隧道變形量。

將盾構(gòu)上跨既有線后20環(huán)作為盾構(gòu)穿越后的沉降穩(wěn)定階段，在此期間仍需要對(duì)既有隧道進(jìn)行密切監(jiān)測(cè)，如果既有隧道出現(xiàn)較大沉降應(yīng)及時(shí)對(duì)既有隧道進(jìn)行注漿加固。

3.2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

（1）地表監(jiān)測(cè)。在盾構(gòu)上跨既有隧道兩側(cè)范圍內(nèi)，垂直于盾構(gòu)推進(jìn)方向各設(shè)置2道地表沉降觀測(cè)斷面，沿隧道中線上方地面設(shè)置1道地表沉降觀測(cè)斷面，地表沉降監(jiān)測(cè)頻率2次/天。

（2）洞內(nèi)監(jiān)測(cè)。在盾構(gòu)上跨施工時(shí)，在既有隧道拼裝好的管片上布置隧道沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)及凈空收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，及時(shí)了解既有隧道在上跨施工后的沉降及管片變形，以指導(dǎo)施工。沉降點(diǎn)布置在管片拱底塊的平臺(tái)上，點(diǎn)位對(duì)稱布置，在影響范圍內(nèi)每5環(huán)管片布置2組。凈空收斂監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在影響范圍內(nèi)每5環(huán)管片布置1組。隧道內(nèi)沉降監(jiān)測(cè)頻率2次/天，凈空收斂監(jiān)測(cè)頻率2次/天。

（3）監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)。根據(jù)GB 50446-2017《盾構(gòu)法隧道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》[15]、GB 50299-2018《地下鐵道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》[16]的相關(guān)規(guī)定，盾構(gòu)法成型隧道允許偏差如表1所示，盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值如表2所示。

表1 盾構(gòu)法成型隧道允許偏差

表2 盾構(gòu)施工監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值

3.3 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制

3.3.1 土倉(cāng)壓力控制

盾構(gòu)上跨既有隧道時(shí)保持土倉(cāng)壓力穩(wěn)定，通過(guò)調(diào)整螺機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)調(diào)整土倉(cāng)內(nèi)土量，使土倉(cāng)壓力保持穩(wěn)定，根據(jù)隧道埋深及水文地質(zhì)資料確定土倉(cāng)壓力控制值為0.6～0.8 bar，實(shí)際土壓力設(shè)定值根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)值進(jìn)行微調(diào)。

3.3.2 推力、扭矩及推進(jìn)速度

盾構(gòu)上跨既有線區(qū)段地層以黏土、碎石地層為主，做好渣土的流塑性改良，防止刀盤結(jié)泥餅，造成盾構(gòu)停機(jī)。渣土改良采用優(yōu)質(zhì)泡沫，泡沫液濃度3%、發(fā)泡率8～12，根據(jù)泡沫液濃度及泡沫的壽命調(diào)整發(fā)泡率。結(jié)合既有線盾構(gòu)在該地段的掘進(jìn)參數(shù)，在較好的渣土改良條件下，推力控制范圍600～800 t，刀盤扭矩控制范圍1 000～2 200 kN · m。

根據(jù)設(shè)定的土壓壓力，合理控制推進(jìn)油缸分區(qū)油壓，減少盾構(gòu)糾偏，每環(huán)糾偏量不超過(guò)5 mm，推進(jìn)速度宜控制在30～45 mm/min勻速掘進(jìn)。

3.3.3 出土量及注漿量控制

盾構(gòu)刀盤開(kāi)挖直徑6.68 m、管片外徑6.4 m、管片寬度1.2 m，土體松散系數(shù)取1.15～1.25，同步注漿系數(shù)取1.5～1.8，每環(huán)掘進(jìn)1.2 m出土量、同步注漿量計(jì)算為：

出土量最小值：Vmin= 6.682×3.14÷4×1.2×1.15 =48.3 m3

出土量最大值：Vmax= 6.682×3.14÷4×1.2×1.25 =52.5 m3

實(shí)際出土量控制50 m3，采取測(cè)量渣土箱實(shí)際土方量及龍門吊稱重的方法，雙重控制盾構(gòu)掘進(jìn)出土量，規(guī)避超挖帶來(lái)的地面沉降。

注漿量最小值：Qmin=（6.682- 6.42）×3.14 ÷ 4×1.2×1.5 = 5.2 m3

注漿量最大值：Qmax=（6.682- 6.42）×3.14 ÷ 4×1.2×1.8 = 6.2 m3

實(shí)際掘進(jìn)中注漿量控制6 m3，根據(jù)實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整注漿量，必要時(shí)進(jìn)行二次注漿，同步注漿壓力取為1.1～1.2倍的靜止土壓力，即0.09～0.11 MPa，二次注漿壓力控制0.15～0.18 MPa；同步漿液初凝時(shí)間控制為4～6 h，稠度為11～13，以保證漿液注入后快速凝結(jié)，管片壁后充填飽滿。

3.4 風(fēng)險(xiǎn)控制

施工前針對(duì)性辨識(shí)風(fēng)險(xiǎn)源以及針對(duì)可行的應(yīng)急預(yù)案，施工項(xiàng)目部、建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位、第三方監(jiān)測(cè)單位、既有隧道施工單位成立聯(lián)動(dòng)組，建立聯(lián)動(dòng)機(jī)制，在上跨既有隧道施工過(guò)程中及時(shí)匯報(bào)施工情況、掘進(jìn)參數(shù)、監(jiān)測(cè)情況，保障盾構(gòu)上跨既有線隧道施工安全。

3.5 施工驗(yàn)證

根據(jù)Midas GTS NX數(shù)值模擬計(jì)算數(shù)據(jù)，地鐵出入線上跨既有線施工未對(duì)既有隧道加固，施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)滿足控制要求：最大地表沉降12.6 mm、隧道結(jié)構(gòu)豎向位移-9.2 mm、隧道結(jié)構(gòu)凈空收斂5.2 mm，未發(fā)生監(jiān)測(cè)報(bào)警，確保了既有隧道及地面道路的安全。

4 結(jié)論

（1）采用Midas GTS NX軟件模擬盾構(gòu)隧道上跨既有隧道施工對(duì)既有隧道的沉降變形、運(yùn)營(yíng)期間列車荷載下既有隧道彎矩、運(yùn)營(yíng)期間列車荷載下既有隧道軸力等進(jìn)行模擬計(jì)算分析，在模擬計(jì)算數(shù)據(jù)滿足既有隧道安全的前提下，可不對(duì)既有隧道進(jìn)行支撐加固。

（2）根據(jù)具體的工程環(huán)境、水文地質(zhì)條件針對(duì)性制定盾構(gòu)掘進(jìn)、監(jiān)測(cè)方案，重點(diǎn)關(guān)注既有隧道變形量，在施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，確保順利完成上跨既有隧道施工；多方聯(lián)動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)控制機(jī)制有利于控制既有隧道變形，確保既有隧道及地面道路的運(yùn)行安全。