富水砂層類矩形盾構(gòu)上跨既有隧道實測分析

成廣謀， 桂焱平， 丁智， 劉帥璽， 姜宜杰， 楊志德， 董毓慶

（1.杭州市地鐵集團有限責任公司，杭州 310003；2.浙江華東測繪與工程安全技術有限公司，杭州 311122；3.浙大城市學院土木工程系，杭州 310015；4.杭州巖通科技有限責任公司，杭州 310000）

0 引言

隨著地下空間的開發(fā)利用，地下交通網(wǎng)絡愈加密集，地下可利用空間越來越少，如何提高隧道空間利用率已成為亟待解決的問題。目前，提高空間利用率的斷面結(jié)構(gòu)形式主要有大直徑單圓、雙圓。然而大直徑單圓盾構(gòu)，由于掌子面直徑大，需要一定的覆土厚度，不適用于空間受限的環(huán)境，且容易出現(xiàn)超挖現(xiàn)象造成嚴重的地表沉降，影響周邊建（構(gòu)）筑物的安全［1］；雙圓盾構(gòu)海鷗塊背土、擠土效應嚴重，且易發(fā)生自轉(zhuǎn)，進一步增大地表沉降［2］。因此類矩形盾構(gòu)在空間受限的城市軌道交通領域更具優(yōu)勢。2015 年寧波市軌道交通3 號線率先引進類矩形盾構(gòu)工法，開創(chuàng)了我國類矩形盾構(gòu)工法施工的先河［3］。目前對于類矩形盾構(gòu)施工對周圍環(huán)境影響的研究，主要以理論解析法［4-6］和數(shù)值模擬法［7-10］為主，對于實測分析研究相對較少。司金標［11］通過實測分析，總結(jié)了類矩形盾構(gòu)隧道施工引起地層豎向變形的基本規(guī)律。在此基礎上，張雪輝等基于彈性力學Mindlin 解，分析刀盤正面附加推力、殼體與土體之間摩阻力、同步注漿壓力以及土體損失4種因素的共同作用下類矩形盾構(gòu)施工引起的地表沉降。魏綱等在研究土體損失中引入了開挖面收斂模式參數(shù)和縱向損失率修正公式，進一步完善了類矩形盾構(gòu)施工引起土體豎向位移研究。

杭州市地鐵隧道縱橫交錯，盾構(gòu)穿越工程數(shù)量較多，密集的城市地鐵網(wǎng)絡給類矩形盾構(gòu)施工帶來巨大潛在風險，而類矩形盾構(gòu)掘進引起的既有隧道變形特征尚缺乏認識。以杭州某地鐵隧道類矩形盾構(gòu)施工區(qū)間施工為背景，結(jié)合工程資料及現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析類矩形盾構(gòu)淺覆土掘進施工引起的地表變形及上跨施工對既有隧道的影響，為類似工程提供借鑒。

1 工程概況

工程地下環(huán)境復雜，東側(cè)有5 條已運營的地鐵隧道，新建隧道需先穿越3條既有隧道，再與5條既有隧道平行進入站點。5條既有隧道最小埋深為15.271m，地下空間有限，大直徑單元盾構(gòu)難以實施。同時既有隧道上方土體為富水砂層，沉降反應迅速，如果采用雙圓盾構(gòu)，容易出現(xiàn)注漿材料無法及時填充到位的現(xiàn)象，導致地面沉降過大。在此背景下考慮采用類矩形盾構(gòu)。

1.1 工程簡介

盾構(gòu)隧道全長約1305m。其中采用類矩形盾構(gòu)法施工區(qū)間平面最小半徑R=430m，最大縱坡-29‰，埋深4.6～9.8m。類矩形隧道管片外徑為11.5m×6.937m，內(nèi)徑為10.6m×6.037m，管片厚度為450mm，管片寬度為1.2m。

類矩形盾構(gòu)掘進過程中將依次上跨既有1號線下行線、1 號線出段線及4 號線出段線，平面位置如圖1所示。類矩形盾構(gòu)施工段與1號線出段線最小凈距約3.1m，且上跨段區(qū)域最小覆土僅5m左右，結(jié)構(gòu)剖面相對關系如圖2 所示。既有地鐵隧道均采用外徑6200mm的單圓盾構(gòu)。為保證既有地鐵隧道的結(jié)構(gòu)安全和正常使用，基于既有地鐵隧道的服役狀態(tài)，在1號線下行線91 環(huán)、1 號線出段線145 環(huán)、4 號線出段線131環(huán)、4號線入段線32環(huán)及1號線右線159環(huán)采取微擾動加固，在1 號線出段線3 環(huán)（270 環(huán)、278 環(huán)、326環(huán)）采取鋼環(huán)預加固。

圖1 平面關系

圖2 剖面相對關系（單位：mm）

1.2 地質(zhì)水文

類矩形隧道位于3-3砂質(zhì)粉土和3-5質(zhì)粉土夾粉砂層中。既有隧道位于3-5 砂質(zhì)粉土夾粉砂層、6-1淤泥質(zhì)黏土和6-2淤泥質(zhì)黏土。場地上部地下水屬潛水，下部第6-1層圓礫層中賦存有承壓水，勘探期間測得場地穩(wěn)定水位埋深為1～2m（屬混合水），地下水位年變化幅度1～5m。

2 變形監(jiān)測

在類矩形盾構(gòu)隧道近距離上跨既有隧道時，為確保盾構(gòu)掘進施工的安全和軌道交通區(qū)間隧道結(jié)構(gòu)的安全，在既有隧道內(nèi)及地表布設變形監(jiān)測點。

2.1 監(jiān)測方案

既有隧道監(jiān)測斷面布設在1 號線下行線、1 號線出場線、4 號線出場線，采用自動化監(jiān)測，斷面布設范圍見表1，斷面間距見圖1，在盾構(gòu)穿越投影區(qū)域每2.5環(huán)布設一個，其他區(qū)域每5 環(huán)布設一個。地表監(jiān)測斷面每20 環(huán)布設一個，斷面布設8 個點，間距分別是隧道中心軸線外側(cè)2.5、5.5、8.5、13.5、19.5m。盾構(gòu)軸線監(jiān)測沿隧道方向在左、右行線按5環(huán)（6m）間距布設一組監(jiān)測點，分別于區(qū)間盾構(gòu)左、右線軸線上方及盾構(gòu)中心線上方布設。

表1 自動化監(jiān)測范圍

2.2 監(jiān)測分析

2.2.1 非上跨段地表沉降分析

圖3（a）所示為DBC5斷面隧道上方3個測點的豎向位移歷時曲線，圖3（b）為DBC25斷面隧道上方3個測點的豎向位移歷時曲線，橫坐標為時間，縱坐標為斷面累計沉降值。6 條曲線整體可分為快速沉降、沉降平穩(wěn)2 個階段。盾構(gòu)到達DBC5 斷面前，測點平均下沉0.62mm，占最終沉降的5.5%。盾構(gòu)通過DBC5時，測點平均下沉0.63mm，占最終沉降的5.5%。盾尾通過DBC5 后，測點平均下沉9.94mm，占最終沉降的89%。最終沉降穩(wěn)定在-13.68mm。DBC25 斷面快速沉降階段出現(xiàn)急劇的隆起是由二次注漿量過大引起的。DBC25-1及DBC25-2測點發(fā)生較大地表沉降，現(xiàn)場采取二次注漿進行控制，但是注漿壓力過大導致地面隆起。DBC5斷面平穩(wěn)沉降階段中由于二次注漿使得地表沉降減小。斷面最大沉降發(fā)生在右線中心線上方，沉降速度約為3.44mm/d。工程所處地層為富水砂層，盾構(gòu)掘進對砂層地質(zhì)的沉降反應很快［12］。因此類矩形盾構(gòu)在富水砂層中掘進時要根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及時采取二次注漿并調(diào)整注漿壓力，防止地表產(chǎn)生較大隆起和沉降。

圖3 地表沉降歷時曲線

圖4所示為土壓和地表沉降關系。由圖可知，土壓和地表沉降呈正相關。土壓力較小時，掌子面前方土體會向刀盤內(nèi)涌進，導致前方土體損失引起地表沉降。土壓力較大時，盾構(gòu)刀盤會擠壓掌子面前方土體引起隆起。類矩形盾構(gòu)在富水砂層中掘進時土壓力應控制在1.2～1.3bar。

圖4 土壓和地表沉降關系

2.2.2 上跨段地表沉降分析

圖5 所示為DBC220 斷面和DBC200 斷面隧道上方3 個測點的豎向位移歷時曲線，6 條曲線整體可分為急劇隆起、快速沉降、平穩(wěn)沉降3個階段。盾構(gòu)到達DBC220 斷面前，測點平均上浮24.04mm。盾構(gòu)通過DBC220 時，測點平均下沉76.78mm，占最終沉降的81.8%。盾尾通過DBC220后，測點平均下沉17.14mm，占最終沉降的18.2%。最終沉降分別穩(wěn)定在-100、-75mm 和-33mm。DBC200 斷面在盾構(gòu)到達前出現(xiàn)的劇烈沉降，認為是由盾構(gòu)機開倉清障施工引起的。相較于非上跨地表沉降歷時曲線，上跨段盾構(gòu)到達前產(chǎn)生的隆起更為劇烈，最大隆起為53.1mm，遠大于非上跨段的隆起量。上跨段盾構(gòu)通過時地表沉降變化較大，地表最大沉降速度為42mm/d，相較于非上跨段提升了約12倍，脫離盾尾后地表沉降趨于穩(wěn)定。斷面最大沉降也由右線中心線上方轉(zhuǎn)為左線中心線上方。可見，盾構(gòu)通過斷面時產(chǎn)生的沉降量最大，在上跨既有線時類矩形對周圍土體的擾動增大，加劇了砂層地質(zhì)的沉降反應。矩形盾構(gòu)在富水砂層中上跨既有線時要注意控制盾構(gòu)通過階段的地表沉降，及時采取措施。此外還需做好地質(zhì)勘察，防止盾構(gòu)機停機產(chǎn)生大量沉降。

圖5 地表沉降歷時曲線

2.2.3 既有線變形分析

圖6～圖8為既有隧道道床沉降曲線，橫坐標為時間，縱坐標為道床豎向位移，正值為隆起，負值為沉降，圖中陰影區(qū)域為上穿投影區(qū)。由圖可知，1號線出線段和4 號線出線段道床豎向位移分布呈中間大、兩側(cè)小的趨勢，最大隆起位于類矩形盾構(gòu)隧道中心線的正下方，與單圓盾構(gòu)近距離上穿既有線的規(guī)律［13］基本一致。但是，不同于單圓盾構(gòu)上穿既有線，在類矩形盾構(gòu)與既有線交叉穿越范圍外兩側(cè)40環(huán)內(nèi)，既有線道床下沉，且掘進方向左側(cè)隧道沉降大于右側(cè)，這是由于同步注漿導致的。盾構(gòu)通過后，隧道兩側(cè)土體受同步注漿影響，發(fā)生明顯的沉降，產(chǎn)生的附加應力作用于既有隧道，使得既有隧道產(chǎn)生沉降。隧道左側(cè)注漿較大，產(chǎn)生了更大的附加應力，使得左側(cè)隧道道床沉降大于右側(cè)。類矩形盾構(gòu)上跨施工對1號線下行線道床沉降的影響范圍為交叉區(qū)域及其右側(cè)，交叉區(qū)域952～959環(huán)道床下沉是由既有隧道列車通過產(chǎn)生的震動引起的。

圖6 1號線下行線道床沉降曲線

圖7 1號線出段線道床沉降曲線

圖8 4號線出段線道床沉降曲線

圖9～圖11 為既有隧道道床差異曲線，橫坐標為時間，縱坐標為道床差異沉降，圖中陰影區(qū)域為上穿投影區(qū)。由圖可知，1 號線出線段和4 號線出線段道床差異沉降以交叉點為中心呈中心對稱分布，與盾構(gòu)近距離下穿既有隧道的規(guī)律［14］相吻合，相較于普通圓形盾構(gòu)，類矩形盾構(gòu)的道床差異沉降曲線波動較大。由于4號線出線段113～120環(huán)左側(cè)為類矩形盾構(gòu)接收井，隧道受其影響使得113～128 環(huán)出現(xiàn)較大的道床差異沉降。1號線下行線道床差異沉降值主要在-0.59～0.08mm范圍內(nèi)，總體差異沉降較小是因為盾構(gòu)停機前的累計值被忽略。盾構(gòu)停機清障時，刀盤位于上穿投影區(qū)中點，復推時道床差異沉降重新累計，故1號線下行線道床差異沉降值較小。第944環(huán)和第974環(huán)差異沉降較大是由既有隧道列車通過產(chǎn)生的震動引起的。

圖9 1號線下行線道床差異沉降曲線

圖10 1號線出段線道床差異沉降曲線

圖11 4號線出段線道床差異沉降曲線

圖12～圖14為既有隧道道床凈空收斂曲線，橫坐標為時間，縱坐標為凈空收斂位移，正值為水平擴徑，負值為水平縮徑，圖中陰影區(qū)域為上穿投影區(qū)。由圖可知，類矩形盾構(gòu)上穿引起的各既有隧道最大凈空收斂發(fā)生在類矩形盾構(gòu)隧道中心線的正下方，既有隧道凈空收斂分布呈V型曲線，主要影響范圍是盾構(gòu)交叉范圍，與圓形盾構(gòu)近距離下穿既有隧道［15］的規(guī)律相同。但是，圓形盾構(gòu)下穿既有隧道所得曲線以正值為主，而類矩形上跨所得曲線多為負值，這是由于工況不同導致的。隧道下穿時，盾構(gòu)掘進造成既有線下方土體損失，使得既有線上部土壓相對變大，隧道水平直徑變大。類矩形盾構(gòu)上穿時，盾構(gòu)掘進造成既有線上方土體損失，使得既有線兩側(cè)土壓相對變大，隧道水平直徑變小。相較于普通圓形盾構(gòu)，類矩形盾構(gòu)隧道凈空收斂曲線波動較大。

圖12 1號線下行線隧道凈空收斂曲線

圖13 1號線出段線隧道凈空收斂曲線

圖14 4號線出段線隧道凈空收斂曲線

3 效果評價

既有線道床最大隆起值為7.42mm，最大沉降為3.99mm，符合規(guī)范要求。最大凈空收斂分別為-2.7、-6.91mm 和-3mm，符合規(guī)范要求。說明既有線加固措施有效地控制了隧道變形，保障既有隧道的安全。

4 結(jié)語

（1） 類矩形盾構(gòu)掘進過程中，地表沉降呈現(xiàn)快速沉降、沉降平穩(wěn)2 個階段。沉降的主要階段為盾構(gòu)通過階段和盾尾脫出階段，斷面最大沉降發(fā)生在右線中心線上方。

（2） 上跨既有線時，地表沉降的主要階段為盾構(gòu)通過階段，斷面最大沉降由右線中心線上方轉(zhuǎn)為左線中心線上方。

（3） 既有隧道道床沉降在交叉范圍均為隆起，其外側(cè)40環(huán)內(nèi)以沉降為主，且左側(cè)沉降大于右側(cè)。道床差異沉降以交叉點為中心呈中心對稱分布，沉降曲線相較于普通圓形盾構(gòu)波動較大。凈空收斂曲線呈V型，主要影響范圍是盾構(gòu)交叉范圍。