盾構(gòu)隧道平行轉(zhuǎn)疊線施工地表沉降特征及控制技術*

安建永,雷海波,王若輝,張靜濤,丁 灝,任思澔,于 科,楊曉東,管曉明

(1.中國建筑第二工程局有限公司,北京 100160; 2.青島理工大學土木工程學院,山東 青島 266555; 3.中建八局第四建設有限公司,山東 青島 266101)

0 引言

在城市修建地鐵隧道時,受地下空間資源、設施限制及線路展線影響,雙線平行隧道線路受到限制,在規(guī)劃設計中不得不將2條平行線路逐漸過渡成上下并行的疊線隧道。由于疊線隧道施工時相互影響,上行隧道施工時必然會造成地層和地面的二次沉降,隧道施工風險成倍增加,可能導致周圍建(構(gòu))筑物、市政管線等發(fā)生較大沉降,造成不可估量的損失。因此,研究疊線隧道施工時引起的地層沉降特征顯得十分重要。

目前,疊線盾構(gòu)隧道施工引起地表沉降特征主要通過理論解析、數(shù)值模擬和現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)分析等方法展開。魏綱等[1]、朱衛(wèi)平等[2]、Fang等[3]研究了疊線盾構(gòu)隧道掘進引起的地面變形估算的Mindlin公式、Peck修正公式;婁平等[4]、肖瀟等[5]采用數(shù)值模擬研究了疊線隧道掘進過程中地表的變形特征以及土體沉降規(guī)律;沈俊[6]、唐曉武等[7]、廖少明等[8]分別考慮不同開挖次序、克泥效填充、盾構(gòu)頂推力、注漿壓力、滲流、開挖位置關系等因素對地表土層的變化規(guī)律;張治國等[9]采用數(shù)值模擬和監(jiān)測相結(jié)合方法得出上下交疊穿越軟土地鐵隧道的變形規(guī)律;安紅剛等[10-11]基于人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡和實測數(shù)據(jù)建立地表沉降預測模型。綜上所述,針對疊線盾構(gòu)隧道引起的變形特征研究較多,但是對于從平行段過渡到疊線段全過程的地表沉降特征還鮮有研究。

本文以鄭州地鐵3號線二太區(qū)間超小凈距疊線盾構(gòu)隧道為背景,基于現(xiàn)場大量實測數(shù)據(jù),得出盾構(gòu)隧道平行段轉(zhuǎn)到疊線段全過程的地表沉降特征,并提出地表沉降控制措施,為疊線隧道施工提供借鑒。

1 工程概況

鄭州市地鐵3號線一期工程二太區(qū)間,從二七廣場站出發(fā),左右線平行隧道凈間距為16.2 m,逐漸過渡到凈間距為5.4 m上下疊線隧道,凈距逐漸縮小至1.8 m,最小凈距段長度約98 m,緊鄰太康路站南端頭,如圖1所示。左線隧道頂部埋深18.852～25.375 m;右線隧道埋深11.459～18.853 m。

圖1 盾構(gòu)隧道平行轉(zhuǎn)疊線示意Fig.1 Shield tunnel parallel to overlap construction

疊線隧道穿越地層為富水粉細砂層,且周邊環(huán)境十分復雜,施工對周邊建(構(gòu))筑物影響較大。上下行隧道間1.8 m的超小凈距,疊線盾構(gòu)隧道掘進推力分配和姿態(tài)控制存在較大困難,極易造成管片破損和錯臺。更為重要的是,上行隧道盾構(gòu)掘進時將會造成沉降二次疊加,導致周邊建(構(gòu))筑物沉降增大,并可能會對下行隧道結(jié)構(gòu)安全造成不利影響。

隧道穿越地層主要為細砂、粉質(zhì)黏土,上覆地層主要為雜填土、砂質(zhì)粉土、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土、粉砂、細砂等。工程地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)隧道工程地質(zhì)剖面Fig.2 Engineering geological profile of shield tunnel

該區(qū)間使用中鐵裝備φ6 460 mm土壓平衡盾構(gòu)機盾構(gòu)掘進。盾構(gòu)總推力為8 085.35～17 209.54 kN,掘進土壓為1.1～2.2 bar;注漿壓力為0.25～0.4 MPa,二次注漿壓力為0.3～0.4 MPa。

2 平行轉(zhuǎn)疊線施工地表沉降特征

2.1 監(jiān)測布置

1)盾構(gòu)始發(fā)與接收段的100 m內(nèi)每6 m設1個測點,每30 m設1個監(jiān)測斷面,每個斷面7～9個測點。

2)在盾構(gòu)標準段每15 m設1個測點,每60 m設1個監(jiān)測斷面,每個斷面7～9個測點。

3)在盾構(gòu)疊線段時每10 m設1個軸線測點,每10 m設1個監(jiān)測斷面。

根據(jù)盾構(gòu)隧道的變化情況,分別劃分成平行段、過渡段、疊線段3段。

2.2 平行段隧道地表沉降特征

平行段隧道上方地表選取2個典型監(jiān)測斷面DBC21,DBC41及測點共8個,地表沉降如圖3所示。

圖3 平行段地表測點沉降Fig.3 Settlement of surface measuring points in parallel section

從圖3可以看出:隧道始發(fā)是左線隧道先開挖,地表由于受到盾構(gòu)機推力的影響,產(chǎn)生一定的隆起位移,2個斷面的最大隆起值為1.02 mm;隨著盾構(gòu)繼續(xù)掘進,地表變形由輕微隆起轉(zhuǎn)變?yōu)槌两?。為了有效控制沉?根據(jù)需要及時采取二次補漿措施,以彌補部分地表沉降,使得左線隧道通過平行段之后,地表最大沉降控制在2.5 mm以內(nèi)。而右線隧道開挖時,由于隧道二次開挖使得土體受到二次擾動,地表沉降進一步增大,最大沉降達到6.65 mm。通過二次補漿之后,地表略有抬升,沉降最終控制在6 mm以內(nèi)。

2.3 過渡段隧道地表沉降特征

過渡段隧道上方地表選取4個典型監(jiān)測斷面(DBC181,DBC221,DBC261,DBC281)及測點共16個,地表沉降如圖4所示。在盾構(gòu)隧道過渡段(見圖4),左線隧道埋深先增大再減小,右線隧道埋深先減小后增大。從圖4可以看出,左線隧道先開挖,由于過渡段埋深比平行段大,盾構(gòu)機推力造成的地表隆起略有減小,最大隆起值僅為0.54 mm,而最大沉降均控制在3 mm之內(nèi)。在DBC221-4測點,由于二次補漿壓力控制不佳,造成地表隆起增大到1.46 mm,需要引起注意。

圖4 過渡段地表測點沉降Fig.4 Settlement of surface measuring points in transition section

當右線盾構(gòu)隧道掘進時,由于埋深變淺,且左右線隧道相互影響逐漸增大,對地層的二次擾動也會加劇,相比平行段會產(chǎn)生更大的沉降。對于DBC181斷面和DBC221斷面,盾構(gòu)剛抵達測點斷面時的隆起不明顯,隨之開始沉降,沉降幅度較平行段有一定的增加,最大沉降值為5.4 mm,二次補漿后地層抬升明顯。對于DBC261斷面和DBC281斷面,由于隧道監(jiān)測斷面處于粉砂層之中,相比黏土層在開挖擾動下變形更劇烈,從而引起地層發(fā)生較大沉降,且沉降過程所需時間變短,不利于地表沉降控制。DBC261斷面和DBC281斷面中,隧道掘進造成的最大沉降值分別達到11.3 mm和13.5 mm,過渡段地表沉降較平行段顯著增大,且二次補漿后地表抬升效果不明顯。

2.4 疊線段隧道地表沉降特征

疊線段隧道上方地表選取6個典型監(jiān)測斷面DBCZ368,DBC371,DBCZ383,DBCZ407,DBC427,DBC431及測點共12個,地表沉降如圖5所示。下行隧道掘進時,由于隧道埋深較大,且拱頂上方存在較厚的粉質(zhì)黏土層,此時地表沉降控制較好,大部分測點沉降均控制在2～6 mm,能較好地滿足變形控制要求。當上行隧道掘進時,地表沉降隨之快速增加,短時間內(nèi)圖5a～5d最大沉降值達26.63 mm,迅速超出地表沉降控制標準值。后續(xù)及時采用二次補漿措施抬升地層,使得地表沉降有所減小,最終最大沉降值均控制在20 mm以內(nèi),基本滿足沉降控制要求。

圖5 疊線段測點沉降Fig.5 Settlement of surface measuring points in overlapped section

上下疊線段地表沉降過大的原因主要有兩方面。

1)在疊線段隧道,由于上下行隧道之間的凈距越來越小,由5.4 m逐漸減小到最小凈距僅1.8 m,上下疊線隧道的相互影響會更加強烈,對上覆地層引起強烈的二次擾動,造成地表產(chǎn)生較大沉降。

2)上行隧道穿越地層及上覆地層為粉砂層,地層穩(wěn)定性差,相比黏土地層,受到二次擾動地層更易發(fā)生較大變形,導致上線隧道掘進時,地表沉降迅速增大。

對于圖5e中DBC427和圖5f中DBC431斷面,上行隧道掘進引起的最大沉降分別為8.14 mm和6.86 mm,遠小于測點圖5a～5d的最大沉降。除了上覆地層為黏質(zhì)粉土外,主要是由于對接收端頭的加固有效減小沉降。

2.5 平行段到疊線段沉降變化規(guī)律

盾構(gòu)隧道平行段、過渡段、疊線段地表沉降變化規(guī)律如圖6所示,可以看出,隨著2條隧道從平行變?yōu)樾毕虻阶詈笊舷炉B線施工,沉降總體變化趨勢逐漸增大,且富水砂層疊線段沉降是最大的。具體根據(jù)施工可劃分為3個階段。

圖6 盾構(gòu)隧道地表沉降變化規(guī)律Fig.6 Variation of ground settlement of shield tunnel

1)從平行段隧道開挖到疊線段隧道開挖過程中,最開始由于2條隧道處于平行位置,左右線開挖對地表的最大沉降影響較小,疊加效應主要體現(xiàn)在地表沉降的橫向范圍,所以初期地表最大沉降較小。

2)隧道開挖進入過渡段之后,由于地層、埋深變化和下線隧道開挖時的擾動,上線隧道開挖時引起的地表沉降逐漸增大。

3)隧道開挖進入疊線段時,由于2條隧道間距逐漸減小,下線隧道開挖之后對上線隧道開挖的影響逐漸增大,上線地層又變?yōu)樯皩?導致地表沉降迅速增大,達到26.63 mm,之后采取二次補漿措施才得以控制。

3 沉降控制技術措施

針對盾構(gòu)隧道平行轉(zhuǎn)疊線施工引起的地表沉降過大,提出以下安全控制技術措施。

1)交叉疊線盾構(gòu)隧道施工時,先施工下行隧道,再施工上行隧道,這樣可以有效減少上下行隧道施工之間的互相干擾,控制地層變形和地面沉降滿足要求。

2)針對富水粉細砂層、周邊建(構(gòu))筑物環(huán)境復雜,無法采用常規(guī)加固方法,盾構(gòu)隧道始發(fā)采用水平凍結(jié)、“板式”凍結(jié)壁進行端頭加固后,采用短鋼套筒技術進行始發(fā),既可以保證端頭土體的穩(wěn)定性,又可以避免始發(fā)滲漏水,效果良好。

3)通過在下線隧道對疊線隧道中間所夾土體進行注漿加固,上行隧道施工時,在下線隧道采用滾輪臺車進行支撐,確保下行隧道穩(wěn)定;上下隧道施工過程中,再對中夾土層進行補注漿加固,確保了中夾土層的強度,控制了地層的變形。

4)疊線隧道施工時,盾構(gòu)掘進采用完全土壓平衡模式,勻速、快速掘進,嚴格控制出土量,確保同步注漿注入量,根據(jù)推進速度的快慢調(diào)整注漿量,避免地層發(fā)生較大沉降;避免大幅度的軸線糾偏動作;增設注漿孔管片,根據(jù)地表沉降情況及時進行二次注漿,可以控制地層的穩(wěn)定;同時加強監(jiān)測管片位移、隧道位移和地表沉降,根據(jù)監(jiān)測反饋信息及時調(diào)整盾構(gòu)隧道掘進參數(shù)。

5)上行隧道接收時,針對接收端場地狹小、周邊環(huán)境復雜,采取素墻+地面局部注漿+水平注漿+降水井進行端頭加固,并采用鋼支撐平臺進行接收。

4 結(jié)語

依托實際工程,針對盾構(gòu)隧道平行段、過渡段和疊線段掘進施工引起的地表沉降特征進行研究,主要得出如下結(jié)論。

1)平行段左線隧道掘進引起地表最大沉降在2.5 mm之內(nèi)。而右線隧道開挖時,由于2條隧道上方沉降發(fā)生一定程度疊加,地表沉降增大到6.65 mm。

2)在過渡段,由于隧道左右線埋深和上覆地層發(fā)生變化,右線隧道掘進對地層二次擾動加劇。由于砂層相比黏土層在開挖擾動下變形更劇烈,引起地層發(fā)生較大沉降,右線隧道掘進時最大沉降值達到13.5 mm,過渡段地表沉降較平行段顯著增大。

3)在疊線段隧道,由于上下行隧道之間的凈距減小,上行隧道掘進引起上覆地層強烈的二次擾動,造成地表產(chǎn)生較大沉降,且由于上行隧道穿越地層及上覆地層為粉砂層,地層穩(wěn)定性差,導致上線隧道掘進時,地表沉降迅速增大,最大值達到26.63 mm。通過采用二次補漿措施實現(xiàn)地表抬升。

4)針對盾構(gòu)隧道平行轉(zhuǎn)疊線施工引起的地表沉降過大問題,提出安全控制技術措施,包括“先下后上”、凍結(jié)、夾層注漿、支撐臺車和端頭加固等措施,取得良好效果。