盾構(gòu)穿越軟土雙圓地鐵隧道的變形實(shí)測分析

曾英俊

上海城建市政工程（集團(tuán)）有限公司 上海 200065

隨著上海城市軌道交通建設(shè)的迅猛發(fā)展，地鐵盾構(gòu)隧道不可避免地需要穿越既有隧道。盾構(gòu)施工引起的地表沉降是施工環(huán)境保護(hù)的一個(gè)重要指標(biāo)，特別是在建筑密集區(qū)域建設(shè)的城市軌道交通，對(duì)地表沉降有更嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn)。盾構(gòu)隧道引起地表沉降的估算方法包括經(jīng)驗(yàn)公式法、理論解析解法和數(shù)值分析法。繼以Peck公式[1]為主的經(jīng)典經(jīng)驗(yàn)公式法之后，Park、陳小亮等[2-3]國內(nèi)外學(xué)者通過采用包括有限元分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及三維有限差分模型等方法在內(nèi)的方式，并通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)對(duì)盾構(gòu)施工引起的地表沉降指標(biāo)進(jìn)行分析和研究，且主要以單圓盾構(gòu)為主[4-6]。

截至目前，國內(nèi)外有關(guān)雙圓盾構(gòu)施工引起地面沉降及土壓力的相關(guān)研究較少，且主要集中在中國和日本[7]。日本方面，開展的研究主要偏向施工數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)歸納；國內(nèi)方面，周文波、廖少明等[8-9]針對(duì)雙圓盾構(gòu)施工的主要技術(shù)難點(diǎn)、計(jì)算模型、施工擾動(dòng)、地層沉降規(guī)律開展了一些研究，并得出了一些初步成果。綜上所述，雙圓隧道現(xiàn)有研究成果多集中于雙圓盾構(gòu)隧道本體結(jié)構(gòu)、雙圓盾構(gòu)施工控制和環(huán)境影響方面，在雙圓盾構(gòu)工法引起的地表沉降方面的研究較少。

上海軌道交通6號(hào)線（下皆統(tǒng)一稱地鐵6號(hào)線）是我國首條采用雙圓盾構(gòu)工法施工的地鐵隧道，為新建盾構(gòu)穿越雙圓盾構(gòu)隧道的施工造成了很多的不確定性。

本文結(jié)合上海地鐵14號(hào)線云山路站—藍(lán)天路站區(qū)間盾構(gòu)近距離下穿運(yùn)營地鐵6號(hào)線雙圓隧道案例，通過施工控制和現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析，給出地鐵盾構(gòu)施工過程中的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，并對(duì)土壓力和注漿量等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化處理。

1 工程概況

圖1 盾構(gòu)穿越地鐵6號(hào)線平面示意

圖2 盾構(gòu)穿越地鐵6號(hào)線剖面示意

穿越疊交處地鐵6號(hào)線隧道頂覆土約5.81 m，疊交處地鐵14號(hào)線隧道頂覆土約17.06 m，兩者剖面最小距離為5.05 m。地鐵14號(hào)線盾構(gòu)施工穿越區(qū)域各土層主要力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)

壓力系數(shù)。

地鐵6號(hào)線雙圓隧道與本工程上行線交叉環(huán)號(hào)自844至861，與下行線交叉環(huán)號(hào)自846至863。根據(jù)需要，設(shè)置直接影響段前的100環(huán)為試驗(yàn)段，具體設(shè)定環(huán)數(shù)如表2所示。

表2 穿越影響段、試驗(yàn)段的定義

需穿越的地鐵6號(hào)線已投入運(yùn)營7年，穿越過程中不允許停運(yùn)。為減少地鐵14號(hào)線穿越運(yùn)營中地鐵6號(hào)線過程中可能造成的沉降，穿越施工時(shí)采用分階段施工控制、盾構(gòu)施工參數(shù)優(yōu)化和全天候變形監(jiān)測技術(shù)等關(guān)鍵施工技術(shù)，分別控制施工期間的短期地層變形和施工后的長期地層變形。

2 監(jiān)控量測

為了確保監(jiān)測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，采用電子水平尺＋人工監(jiān)測相結(jié)合的方式。盾構(gòu)穿越前，沿著雙圓隧道上、下行線軸線分別布置了電子水平尺測點(diǎn)，同時(shí)在試驗(yàn)段內(nèi)布設(shè)多個(gè)監(jiān)測斷面，對(duì)土體位移變化進(jìn)行監(jiān)測，如圖3所示。本次試驗(yàn)采用自主研發(fā)的智慧桿實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)，在試驗(yàn)段設(shè)置2類智慧桿，長度分別為15、30 m，其中，15 m類型主要安裝在隧道頂面且與隧道有微小距離的位置；30 m類型主要布置于上、下行線隧道中央。布設(shè)的2類智慧桿對(duì)土體水平位移、分層沉降等進(jìn)行自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測，分析盾構(gòu)在試驗(yàn)段內(nèi)掘進(jìn)施工對(duì)土體的擾動(dòng)規(guī)律。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)優(yōu)化、確定施工參數(shù)，以指導(dǎo)穿越地鐵6號(hào)線的實(shí)際施工。

圖3 試驗(yàn)段智慧桿監(jiān)測方案

電子水平尺布置于地鐵6號(hào)線上、下行線98 m長的隧道上方軸線范圍內(nèi)，即沿縱向?qū)?9把2 m長電水平尺首尾相連，構(gòu)成總長98 m監(jiān)測線路。每把電子水平尺作為1個(gè)測點(diǎn)，地鐵6號(hào)線上行線測點(diǎn)編號(hào)為SU08～SU56，下行線測點(diǎn)編號(hào)為XU08～XU56；與地鐵14號(hào)線隧道下行線正交測點(diǎn)編號(hào)為SU28、XU28，與地鐵14號(hào)線隧道上行線正交測點(diǎn)編號(hào)為SU36、XU36，如圖4所示。電子水平尺采用24 h全天候監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸頻率為5 min一次。

圖4 電子水平尺布置與地鐵14號(hào)線隧道相對(duì)關(guān)系

3 實(shí)測數(shù)據(jù)分析

新建隧道埋深約為20 m，處于上海④號(hào)、⑤1-1號(hào)土層中，屬較為典型的軟土。在盾構(gòu)下穿過程中，隨著切口位置的變化，雙圓隧道上、下行線所受的擾動(dòng)呈現(xiàn)非對(duì)稱、持續(xù)變化的特性，先、后遭遇下穿的雙圓隧道兩側(cè)變形規(guī)律具有一致性、先后性。

3.1 新建下行線盾構(gòu)下穿導(dǎo)致的既有雙圓隧道結(jié)構(gòu)變形

新建地鐵14號(hào)線下行線盾構(gòu)穿越既有地鐵6號(hào)線雙圓隧道過程中，地鐵6號(hào)線隧道變形變化如圖5所示。從圖5中可以看出，地鐵6號(hào)線下行線結(jié)構(gòu)累計(jì)隆沉±1 mm。其中，盾構(gòu)推拼至841環(huán)前，地鐵6號(hào)線結(jié)構(gòu)隆沉在±0.5 mm內(nèi)，發(fā)展平穩(wěn)，無明顯突變。842環(huán)推拼完成后刀盤逐漸靠近重疊區(qū)，地鐵6號(hào)線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生隆起；推拼至846環(huán)，累計(jì)隆起達(dá)到＋1 mm。在847環(huán)處，對(duì)切口土壓力進(jìn)行調(diào)整，下調(diào)0.017 MPa，結(jié)構(gòu)隆起趨勢(shì)減小幅度明顯，結(jié)構(gòu)沉降0.5 mm。自846環(huán)開始，盾構(gòu)在地鐵6號(hào)線下方掘進(jìn)，結(jié)構(gòu)持續(xù)隆起，呈現(xiàn)一定的指數(shù)形式增長；在盾構(gòu)推進(jìn)至855環(huán)時(shí)，累計(jì)隆起量達(dá)＋2 mm；盾構(gòu)推拼至855環(huán)時(shí)，盾尾位于監(jiān)測斷面下方，隆起量較小，基本保持平穩(wěn)。855環(huán)至863環(huán)，盾尾逐漸離開地鐵6號(hào)線下行線監(jiān)測斷面。

圖5 新建地鐵14號(hào)線下行線盾構(gòu)穿越既有地鐵6號(hào)線下行線結(jié)構(gòu)變形的全生命周期變化

圖6為新建地鐵14號(hào)線下行線盾構(gòu)下穿既有地鐵6號(hào)線上行線時(shí)典型測點(diǎn)變形。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在842環(huán)和846環(huán)之間，逐漸接觸下行線監(jiān)測點(diǎn)（XU26～XU30）時(shí)，上行線結(jié)構(gòu)隆沉不明顯。圖7為既有地鐵6號(hào)線與新建隧道14號(hào)線正交上方測點(diǎn)SU28和XU28點(diǎn)位處隆沉曲線。由圖可知，上行線緊隨下行線隆起，至盾構(gòu)推進(jìn)至855環(huán)后變化趨勢(shì)同時(shí)趨于平穩(wěn)，累計(jì)隆起量約2 mm，且地鐵6號(hào)線上、下行線隆起量基本相同?？芍?，盾構(gòu)穿越過程中，能夠維持地鐵6號(hào)線良好的整體性和穩(wěn)定性。

總而言之，時(shí)代在不斷發(fā)展和進(jìn)步，報(bào)紙行業(yè)要想生存和發(fā)展，就必須注重編輯工作的創(chuàng)新，強(qiáng)化媒體發(fā)展模式的轉(zhuǎn)型，形成適合大眾的媒體發(fā)展模式。在新的發(fā)展時(shí)期，報(bào)紙編輯應(yīng)直面新媒體時(shí)代帶來的各種機(jī)遇和挑戰(zhàn)，樹立以受眾為中心的報(bào)紙編輯理念，不斷提升自身的核心競爭力，促進(jìn)報(bào)紙行業(yè)的健康成長，推動(dòng)我國傳媒行業(yè)的多元化發(fā)展。

圖6 新建地鐵14號(hào)線下行線盾構(gòu)下穿既有地鐵6號(hào)線上行線時(shí)典型測點(diǎn)變形

圖7 測點(diǎn)SU28和XU28點(diǎn)位處隆沉規(guī)律

3.2 新建上行線盾構(gòu)下穿導(dǎo)致的既有雙圓隧道結(jié)構(gòu)變形

新建掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)施工對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生的影響區(qū)大約呈45°，即兩者的水平距離約等于兩者的垂直距離。根據(jù)新建地鐵14號(hào)線上行線盾構(gòu)下穿既有地鐵6號(hào)線下行線過程中的結(jié)構(gòu)隆沉監(jiān)測結(jié)果可知，自840環(huán)開始至845環(huán)，盾構(gòu)機(jī)逐漸進(jìn)入45°影響區(qū)，此時(shí)被穿越隧道結(jié)構(gòu)變形呈現(xiàn)隆起趨勢(shì)，最終累計(jì)隆起量約為1 mm，與下行線基本相同。自845環(huán)開始，盾構(gòu)開始正式穿越，對(duì)地鐵6號(hào)線下行線結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定隆起。盾構(gòu)推進(jìn)至845環(huán)至850環(huán)時(shí)，施工引起的結(jié)構(gòu)累計(jì)最大隆起量為1.25 mm，最終整體隆起量約為2 mm，發(fā)展穩(wěn)定。853環(huán)至861環(huán)之間，盾尾逐漸離開穿越區(qū)，地鐵6號(hào)線隧道產(chǎn)生約為1 mm的沉降。由監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，地鐵14號(hào)線上行線盾構(gòu)穿越地鐵6號(hào)線雙圓隧道下行線時(shí)，累計(jì)隆沉控制在±1 mm內(nèi)，基本做到了微擾動(dòng)施工。

由新建地鐵14號(hào)線上行線盾構(gòu)下穿既有地鐵6號(hào)線上行線過程導(dǎo)致的上行線隆沉監(jiān)測結(jié)果可知，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在840環(huán)與845環(huán)之間逐步推進(jìn)的過程中，既有地鐵6號(hào)線的上行線（監(jiān)測點(diǎn)SU34～SU38）的隆沉不明顯。

圖8為本次穿越對(duì)地鐵6號(hào)線上行線和下行線影響的對(duì)比。以SU36、XU36這2個(gè)典型監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入45°影響區(qū)后，被穿越隧道上、下行線均呈現(xiàn)隆起趨勢(shì)，且上行線緊隨下行線隆起。盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)至855環(huán)后，監(jiān)測數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)趨于平穩(wěn)，累計(jì)隆起量約1 mm。對(duì)比圖7和圖8可以看出，新建隧道上、下行線穿越時(shí)，被穿越雙圓隧道的變形規(guī)律是相似的：穿越過程中，被穿越雙圓隧道下行線先受影響，上行線緊隨其后，兩者變形規(guī)律基本相同，上、下行線結(jié)構(gòu)累計(jì)沉降均控制在±1 mm左右，最終實(shí)現(xiàn)了安全穿越。

圖8 地鐵14號(hào)線上行線下穿地鐵6號(hào)線上、下行線結(jié)構(gòu)隆沉對(duì)比

4 施工參數(shù)優(yōu)化控制

通過優(yōu)化包括土倉壓力、推力、出土量、同步注漿壓力、注漿量和注漿開始時(shí)間等在內(nèi)的盾構(gòu)施工參數(shù)，可減小盾構(gòu)推進(jìn)對(duì)地鐵雙圓隧道的影響。其中，土倉壓力、注漿量的調(diào)整是施工參數(shù)控制的關(guān)鍵所在。

4.1 盾構(gòu)機(jī)土倉壓力與被穿越隧道隆沉的關(guān)系規(guī)律

盾構(gòu)推進(jìn)至距離穿越斷面5環(huán)位置時(shí)，盾構(gòu)機(jī)主機(jī)進(jìn)入45°影響區(qū)，此時(shí)在土倉壓力保持不變的情況下，被穿越結(jié)構(gòu)將開始產(chǎn)生附加變形。穿越時(shí)，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生有較為明顯的隆起變形時(shí)，需對(duì)土倉壓力進(jìn)行微調(diào)。

圖9、圖10分別給出了新建地鐵14號(hào)線下行線、上行線盾構(gòu)穿越既有地鐵6號(hào)線期間，土倉壓力與結(jié)構(gòu)沉降之間的關(guān)系。由圖9可知，下行線盾構(gòu)土倉壓力自0.140 MPa逐步下調(diào)至0.127 MPa，造成被穿越隧道結(jié)構(gòu)的隆起趨勢(shì)被打斷，隨后產(chǎn)生了約1 mm的沉降。下行線推進(jìn)至853環(huán)后，盾構(gòu)機(jī)切口基本穿越監(jiān)測斷面，隧道隆起達(dá)到最大。此后，被穿越隧道結(jié)構(gòu)開始沉降，現(xiàn)場采取了逐級(jí)增大土倉壓力的措施，調(diào)整后的最終土壓力比起始?jí)毫χ荡?.005 MPa。

圖9 地鐵14號(hào)線下行線穿越期間土倉壓力調(diào)整與結(jié)構(gòu)沉降關(guān)系

圖10 地鐵14號(hào)線上行線穿越期間土倉壓力調(diào)整與結(jié)構(gòu)沉降關(guān)系

同理，由圖10可知，上行線盾構(gòu)的土層壓力與被穿越隧道結(jié)構(gòu)的隆沉情況類似。穿越前，被穿越隧道結(jié)構(gòu)以隆起為主。將盾構(gòu)土倉壓力調(diào)低后，結(jié)構(gòu)的隆起趨勢(shì)被打斷，隨后產(chǎn)生了約1 mm的沉降。盾構(gòu)機(jī)切口基本穿越監(jiān)測斷面時(shí)，隧道隆起達(dá)到最大。此后，被穿越隧道結(jié)構(gòu)開始沉降，可通過逐級(jí)增大土倉壓力的措施進(jìn)行控制，調(diào)整后的最終土壓力比起始?jí)毫χ荡?.005 MPa。

本次穿越數(shù)據(jù)表明，在盾構(gòu)機(jī)穿越節(jié)點(diǎn)之前，可以考慮將盾構(gòu)機(jī)土倉壓力下調(diào)，下調(diào)幅度控制在0.015～0.035 MPa，且宜采取“先緩后急”的方式調(diào)整土倉壓力。

4.2 盾尾注漿量的與被穿越隧道隆沉的關(guān)系規(guī)律

圖11給出了下行線穿越過程中盾尾注漿量與被穿越隧道結(jié)構(gòu)隆之間的關(guān)系?？梢钥闯?，下行線穿越過程中（典型斷面如XU28斷面），隨著注漿量自3.6 m3調(diào)整至3.5 m3，結(jié)構(gòu)隆起變形放緩。被穿越隧道結(jié)構(gòu)隆沉對(duì)注漿量的反應(yīng)較為靈敏，因此在盾尾穿越斷面后，宜將注漿量下調(diào)0.1～0.2 m3。

圖11 盾尾注漿量與結(jié)構(gòu)隆沉關(guān)系

后續(xù)的相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，在盾構(gòu)完全穿越后，被穿越隧道結(jié)構(gòu)整體呈下沉趨勢(shì)，同步注漿對(duì)減小工后沉降的作用不明顯。因此，在盾構(gòu)完成穿越后，可以考慮進(jìn)行二次注漿。

5 結(jié)語

本文結(jié)合上海某新建盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵雙圓隧道工程實(shí)例，通過實(shí)測數(shù)據(jù)分析，研究施工參數(shù)優(yōu)化對(duì)既有隧道變形的影響規(guī)律，得到的主要結(jié)論如下：

1）實(shí)測數(shù)據(jù)表明，在新建盾構(gòu)隧道下穿既有雙圓隧道的過程中，既有隧道結(jié)構(gòu)隆沉變形在±2 mm內(nèi)，符合施工要求。

2）在盾構(gòu)穿越過程中，施工參數(shù)的調(diào)整對(duì)結(jié)構(gòu)隆沉變形的影響較為明顯，穿越前設(shè)定以±1 mm為控制限值是合理的。

3）新建隧道下穿既有雙圓隧道時(shí)，既有雙圓隧道具有以下的變形規(guī)律：先遭遇下穿的雙圓隧道一側(cè)先變形，后遭遇下穿的雙圓隧道一側(cè)后變形，且兩側(cè)變形規(guī)律基本保持一致，兩側(cè)變形程度的大小無明顯規(guī)律。

4）本工程實(shí)測數(shù)據(jù)分析表明，在新建盾構(gòu)隧道下穿既有地鐵雙圓隧道過程中，影響既有雙圓隧道結(jié)構(gòu)隆沉的主要施工控制參數(shù)為土倉壓力、盾尾注漿量。

本次研究分析了實(shí)測變形數(shù)據(jù)，首次揭示了新建盾構(gòu)隧道穿越雙圓隧道過程中既有隧道的變形規(guī)律，對(duì)后續(xù)的同類型工程設(shè)計(jì)、施工具有重要的借鑒意義。

針對(duì)新建隧道工程穿越既有雙圓隧道問題，目前仍有較多未探索的領(lǐng)域：如新建隧道穿越雙圓隧道時(shí)雙圓隧道自身的收斂變形規(guī)律、管片的受力情況，以及未來可能存在的雙圓盾構(gòu)穿越雙圓盾構(gòu)問題，均需要深入探索。