盾構(gòu)連續(xù)上跨下穿既有線變形規(guī)律及控制技術(shù)研究

營 升

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司,天津 300222)

0 引言

隨著地鐵建設(shè)的飛速發(fā)展,許多城市淺層地下空間利用已接近飽和,如需繼續(xù)拓展地鐵網(wǎng)路,就必須使線路在既有線和既有建筑中間疊落穿插、交叉穿越。由此將帶來地層擾動(dòng)、土體損失甚至破壞既有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等嚴(yán)重安全問題。因此,研究既有建(構(gòu))筑物在盾構(gòu)穿越復(fù)雜工程時(shí)的變形規(guī)律,并采取有效的控制措施,對(duì)保障施工安全具有重要意義。

目前,眾多學(xué)者結(jié)合相關(guān)工程實(shí)例對(duì)盾構(gòu)隧道穿越既有結(jié)構(gòu)的施工技術(shù)開展研究,并且形成了一些研究成果。如:江華等[1]提出了隧道附近的兩道沉降縫范圍內(nèi)是雙線盾構(gòu)掘進(jìn)的主要影響區(qū)域;馮國輝等[2]、羅敬炬[3]、駱瑞萍等[4]、邢慧堂等[5]、李本[6]、黎水昌等[7]、楊志勇等[8]、趙宇鵬等[9]圍繞盾構(gòu)隧道上跨、下穿既有建(構(gòu))筑物開展了研究,結(jié)果表明地層損失率及隧道直徑的增加會(huì)引起隧道變形近似線性增大,變形大致以盾構(gòu)隧道45°及上方區(qū)域?yàn)橹饕獏^(qū)域;盾構(gòu)掘進(jìn)各參數(shù)對(duì)變形的影響程度各不相同,并根據(jù)情況增設(shè)加固措施,其中徑向注漿方式的加固能力并不會(huì)隨著厚度的增加而線性增加。此外,劉志濤等[10]、劉映晶等[11]、何占坤[12]還研究了注漿時(shí)間、位置、漿液種類對(duì)控制隧道變形的有效性;劉建國等[13]從掘進(jìn)參數(shù)角度,得出新舊隧道之間的凈距對(duì)管片變形影響最大,對(duì)注漿量影響較小的結(jié)論;Jin等[14]認(rèn)為新舊隧道間距越小,沉降越大;Chen等[15]提出穿越工程完成后現(xiàn)有隧道的最終沉降剖面呈現(xiàn)“U”形。

盡管在盾構(gòu)穿越工程方面已取得了一些研究成果,但針對(duì)連續(xù)上跨、下穿既有地下結(jié)構(gòu)的工程案例研究仍較為欠缺,并且此類穿越施工條件下既有線的變形規(guī)律和有效控制對(duì)策更為復(fù)雜、缺乏成功案例研究和系統(tǒng)性分析。鑒于此,本文依托北京地鐵19號(hào)線牛街站—金融街站盾構(gòu)區(qū)間續(xù)上跨國鐵直徑線、下穿長椿街車站的工程實(shí)例,采用數(shù)值模擬計(jì)算,并結(jié)合現(xiàn)場工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)盾構(gòu)施工過程中既有結(jié)構(gòu)變形規(guī)律和相應(yīng)施工控制措施展開研究,可為今后類似工程施工提供一定參考。

1 工程概況

北京地鐵19號(hào)線05標(biāo)牛街站—金融街站區(qū)間盾構(gòu)長度1 820.383m,采用兩臺(tái)土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)施工,左右線間距19.2～13.0m,區(qū)間覆土厚度14.4～25.4m。盾構(gòu)隧道外徑6 400mm,管片厚度300mm,寬度1 200mm。隧道主要穿越土層為粉土、卵石。區(qū)間地下水為潛水層,水位埋深26.9～28.0m。

?！饏^(qū)間左、右線盾構(gòu)隧道先后依次上跨國鐵直徑線、下穿既有2號(hào)線長椿街站,穿越段長約17.7m。既有國鐵直徑線隧道管片外徑為11.6m,內(nèi)徑10.5m,管片厚度為550mm,新建隧道底部與國鐵直徑線隧道頂部凈距5.45m。既有長椿街站為地下島式車站,車站為明挖單層兩柱三跨矩形箱體結(jié)構(gòu),車站寬17.7m,高7.55m,頂板厚0.9m,底板厚0.8m,側(cè)墻厚0.8m。新建隧道頂部與長椿街車站底板邊緣豎向凈距3.55m。國鐵直徑線隧道邊緣與長椿街車站邊緣橫向凈距約3.6m。穿越段剖面如圖1所示。

圖1 新建隧道與既有線位置關(guān)系Fig.1 The location relationship between the old and new tunnels

2 盾構(gòu)穿越既有線施工結(jié)構(gòu)變形控制措施

盾構(gòu)施工需連續(xù)上跨、下穿既有線工程,且盾構(gòu)與既有線凈間距小,除在盾構(gòu)施工過程中對(duì)掘進(jìn)參數(shù)、出渣量、注漿量、監(jiān)控測(cè)量等方面進(jìn)行嚴(yán)格控制外,還必須增設(shè)加固措施,因此提出了“盾構(gòu)徑向注漿+車站底板注漿”的加固方案,具體措施如下。

2.1 新建隧道徑向注漿

在新建盾構(gòu)隧道管片增設(shè)徑向注漿孔,離盾尾5～10環(huán);盾構(gòu)區(qū)間通過后,從隧道內(nèi)采取徑向注漿的方式加固盾構(gòu)區(qū)周圍土體,注漿范圍為盾構(gòu)區(qū)間外輪廓線外環(huán)厚2.0m,注漿壓力≤0.3MPa,嚴(yán)格控制注漿壓力及注漿量,保證注漿效果。

2.2 既有長椿街車站下方土體注漿加固

在車站附近增設(shè)一座臨時(shí)施工豎井及橫通道,利用已開挖完成的探測(cè)橫通道進(jìn)行深孔注漿,加固新建盾構(gòu)區(qū)間左右線結(jié)構(gòu)兩側(cè)10m范圍內(nèi),以及既有長椿街站結(jié)構(gòu)兩側(cè)各5m范圍內(nèi)的土體;注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿(砂卵石地層)、超細(xì)水泥-水玻璃雙液漿(粉細(xì)砂地層),注漿壓力為0.3MPa,如圖2所示。

圖2 穿越段土體加固Fig.2 Soil reinforcement in crossing section

3 盾構(gòu)穿越既有建筑數(shù)值模擬分析

3.1 模型建立及參數(shù)設(shè)置

根據(jù)工程資料和施工線路的相對(duì)位置,為了避免模型邊界效應(yīng)影響計(jì)算結(jié)果,取3～5倍開挖洞徑作為模型邊界,以新建隧道軸線方向?yàn)閥方向,建立x=78m,y=84m,z=50m的地層模型,如圖3所示。地層和既有結(jié)構(gòu)的物理、力學(xué)參數(shù)分別如表1,2所示,土層采用莫爾-庫倫本構(gòu)模型,既有結(jié)構(gòu)采用各向同性的線彈性本構(gòu)模型。

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layer

表2 既有線和新建隧道結(jié)構(gòu)參數(shù)Table 2 Structural parameters of existing and new tunnels

圖3 數(shù)值模型及穿越關(guān)系Fig.3 Numerical simulation model and crossing relationship

3.2 未加固時(shí)盾構(gòu)上跨國鐵直徑線變形分析

在新建19號(hào)線隧道上跨國鐵直徑線的過程中,由于卸荷效應(yīng)和土體擾動(dòng),國鐵直徑線整體呈現(xiàn)出豎向上浮趨勢(shì),如圖4所示。

圖4 盾構(gòu)開挖引起國鐵直徑線豎向位移云圖(單位:m)Fig.4 Vertical displacement cloud map of the National Railway Diameter Line caused by shield excavation (unit:m)

豎向變形基本以新建隧道沿軸線方向中心截面作為對(duì)稱軸呈對(duì)稱分布,中間變形大,兩端變形小,左線上跨完成后國鐵直徑線的最大上浮量為8.34mm,右線上跨完成后國鐵直徑線的復(fù)合最大上浮量為13.50mm。

左、右線上跨完成后其具體變形時(shí)程曲線如圖5所示。測(cè)點(diǎn)位于國鐵直徑線模型中部拱底位置,左右線數(shù)據(jù)單獨(dú)提取,不疊加。

圖5 左右線開挖引起國鐵直徑線豎向變形時(shí)程曲線Fig.5 Time history curve of vertical deformation of the National Railway Diameter Line caused by left and right line excavation

國鐵直徑線的豎向變形可以分為3個(gè)階段。

1)盾構(gòu)刀盤到達(dá)國鐵直徑線之前 開挖擾動(dòng)土體范圍有限,對(duì)既有隧道影響較小,各測(cè)點(diǎn)豎向變形表現(xiàn)為較小隆起,均在1.5mm范圍內(nèi)。

2)盾構(gòu)刀盤到達(dá)國鐵直徑線隧道邊緣至盾尾脫出國鐵直徑線階段 新舊隧道間距較小,盾構(gòu)施工對(duì)夾層土體擾動(dòng)較大,既有隧道變形速率加快,變形大幅度增加,其中左線上跨時(shí)最大隆起量為3.28mm,右線上跨時(shí)最大隆起量為3.09mm。

3)盾尾脫出國鐵直徑線至盾構(gòu)遠(yuǎn)離直徑線 此階段盾構(gòu)不斷遠(yuǎn)離國鐵直徑線,開挖擾動(dòng)逐漸減小,既有隧道豎向位移逐漸趨于穩(wěn)定,左線開挖完成后,既有隧道最終隆起量為3.73mm,右線開挖完后既有隧道最終隆起量為3.50mm。

在上跨國鐵直徑線過程中,變形主要集中在第2階段,第1,3階段的變形量占比較少。左線上跨時(shí),第2階段變形量約占總變形量的49.87%,第1,3階段變形量占比約為38.07%和12.06%;右線上跨時(shí),第2階段變形量占總變形量約50.00%,第1,3階段變形量分別占比約為37.71%和12.29%。

3.3 未加固時(shí)盾構(gòu)下穿長椿街車站變形分析

在未做加固措施的情況下,盾構(gòu)穿越工程將引起車站整體不均勻沉降(見圖6),主要表現(xiàn)為向盾構(gòu)掘進(jìn)反方向傾斜,沉降變形中間大、兩端小,并以新建隧道軸線為對(duì)稱軸分布。

圖6 盾構(gòu)開挖引起長椿街車站豎向位移云圖(單位:m)Fig.6 Vertical displacement cloud map of Changchun Street Station caused by shield excavation(unit:m)

提取車站上布置的結(jié)構(gòu)豎向變形測(cè)點(diǎn)SJC102～SJC106(下行線側(cè)墻測(cè)點(diǎn))、SJC202～SJC206(上行線側(cè)墻測(cè)點(diǎn))數(shù)據(jù),繪制變形與掘進(jìn)進(jìn)度相關(guān)曲線,具體如圖7所示。

圖7 盾構(gòu)開挖引起長椿街車站豎向變形時(shí)程曲線Fig.7 Time history curve of vertical deformation of Changchun Street Station caused by shield excavation

長椿街車站的豎向變形也可以分為3個(gè)階段。

1)盾構(gòu)刀盤到達(dá)長椿街車站前 開挖擾動(dòng)土體范圍有限,對(duì)長椿街車站影響較小,各測(cè)點(diǎn)的豎向變形表現(xiàn)為微小沉降,左線到達(dá)時(shí)沉降量最大為-3.37mm,右線到達(dá)時(shí)沉降量最大為-4.65mm。

2)刀盤到達(dá)長椿街車站下行線至盾尾脫出長椿街車站上行線階段 夾層土受到較大擾動(dòng),車站結(jié)構(gòu)的豎向變形趨勢(shì)加快,各測(cè)點(diǎn)的變形量大幅度增加,其中左線上跨時(shí)最大沉降量-11.67mm,右線上跨時(shí)最大沉降量為-11.33mm。

3)盾尾脫出長椿街車站至盾構(gòu)遠(yuǎn)離車站 開挖擾動(dòng)對(duì)車站的影響逐漸減小,車站的豎向位移趨于穩(wěn)定,左線開挖穩(wěn)定后的最終沉降量為-12.52mm,右線開挖穩(wěn)定后的最終沉降量為-11.87mm。

下穿長椿街車站過程中,盾構(gòu)引起的車站變形主要集中在第2階段,另外兩階段的變形較少。左線上跨時(shí),第2階段的變形量約占總變形量的81.36%,第1階段和第3階段變形量分別占比約為13.23%和5.41%;右線上跨時(shí),第2階段的變形量約占總變形量的75.74%,第1階段和第3階段變形量分別占比約為19.39%和3.87%。

3.4 盾構(gòu)穿越既有建筑變形控制措施模擬計(jì)算

在沒有加固措施的情況下,盾構(gòu)施工對(duì)土層擾動(dòng)較大,土中的應(yīng)力重分布和二次固結(jié)現(xiàn)象對(duì)既有線影響明顯,國鐵直徑線和長椿街地鐵站均產(chǎn)生了嚴(yán)重變形。

因此,再次建立模型,并增設(shè)加固措施,加固措施如前所述: ①對(duì)長椿街車站底板處的土體進(jìn)行深孔注漿加固。 ②在新建盾構(gòu)隧道管片離盾尾5～10環(huán)增設(shè)徑向注漿孔,層厚2m。通過數(shù)值模擬探究加固措施的有效性。

加固區(qū)力學(xué)性質(zhì)介于混凝土與土體之間,本構(gòu)模型采用莫爾-庫倫模型,車站底板加固僅考慮深孔注漿完成后的效果,對(duì)加固區(qū)土體進(jìn)行賦值。加固區(qū)的物理力學(xué)參數(shù)如表3所示,其數(shù)值模型如圖8所示。

表3 加固區(qū)材料參數(shù)Table 3 Material parameters of reinforced area

圖8 加固措施模擬模型Fig.8 Simulation model of reinforcement measures

新建隧道雙線開挖完成后,提取國鐵直徑線與新建隧道相交處隧道拱底典型測(cè)點(diǎn)1,2數(shù)據(jù)(見圖9),新建隧道增設(shè)徑向注漿加固后,對(duì)國鐵直徑線的豎向變形產(chǎn)生明顯抑制:加固后典型測(cè)點(diǎn)1,2的變形量為1.57mm和1.45mm。相比未加固時(shí),變形量減小了56.87%和57.85%。驗(yàn)證了加固措施對(duì)抑制既有線變形的有效性。

圖9 國鐵直徑線典型測(cè)點(diǎn)1,2豎向變形時(shí)程曲線Fig.9 Time history curve of vertical deformation of typical measuring points 1 and 2 of the National Railway Diameter Line

在車站下方土體增加深孔注漿和對(duì)新建隧道增設(shè)管片徑向注漿后,長椿街車站的豎向變形同樣得到很好的控制,提取典型測(cè)點(diǎn)3,4數(shù)據(jù)(見圖10):加固后最大變形量為-3.16mm和-3.00mm,相比未加固時(shí),變形量減小比例達(dá)74.74%和 74.72%。再次驗(yàn)證“新建盾構(gòu)隧道徑向注漿+既有車站底板深孔注漿”的加固措施對(duì)控制既有線變形的有效性。

圖10 長椿街車站典型測(cè)點(diǎn)3,4豎向變形時(shí)程曲線Fig.10 Time history curve of vertical deformation of typical measuring points 3 and 4 of Changchun Street Station

4 盾構(gòu)穿越既有建筑的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

為探究更加清晰明確的盾構(gòu)穿越工程對(duì)既有建筑的影響規(guī)律,在國鐵直徑線和長椿街車站典型位置處布置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)既有線主體變形。

國鐵直徑線監(jiān)測(cè)點(diǎn)在里程K4+780—K4+835每5m布置一個(gè)斷面,長椿街車站的監(jiān)測(cè)點(diǎn)從新建隧道與既有結(jié)構(gòu)相交處中心位置開始布設(shè),中心位置每隔5m布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn),遠(yuǎn)離中心位置每隔15m布置1個(gè)測(cè)點(diǎn),共計(jì)布置28個(gè)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)平面布置如圖11所示。

圖11 測(cè)點(diǎn)布置平面Fig.11 Layout plan of measuring points

4.2 盾構(gòu)上跨國鐵直徑線變形實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

選取盾構(gòu)開挖影響區(qū)內(nèi)變形明顯的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析,監(jiān)測(cè)結(jié)果與工程進(jìn)度的時(shí)程曲線如圖12所示。

圖12 左右線開挖引起國鐵直徑線各測(cè)點(diǎn)豎向變形時(shí)程曲線Fig.12 Time history curve of vertical deformation of measuring points of the National Railway Diameter Line caused by left and right line excavation

在實(shí)際上跨過程中,國鐵直徑線隧道豎向變形可以分為3個(gè)階段。

1)第1階段為19號(hào)線盾構(gòu)到達(dá)前,對(duì)應(yīng)環(huán)號(hào)為610～628環(huán)。此階段盾構(gòu)在逐漸靠近直徑線隧道,由于土體擾動(dòng)作用較小,隧道的豎向變形不大。左線開挖時(shí),最大變形為0.46mm,右線開挖時(shí),最大變形為0.29mm。

2)第2階段為刀盤到達(dá)直徑線正下方至盾尾脫出,對(duì)應(yīng)環(huán)號(hào)為628～645環(huán)。此階段的變形增長較快,各測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)為隆起,這是由于上方土體的卸荷作用導(dǎo)致的。左線開挖時(shí),國鐵直徑線上新舊隧道軸線相交處的變形最大,為1.58mm(測(cè)點(diǎn)SDC-07);右線開挖時(shí),最大變形出現(xiàn)在同一位置,為1.45mm(測(cè)點(diǎn)SDC-09)。

3)第3階段為盾尾脫離直徑線至遠(yuǎn)離,對(duì)應(yīng)環(huán)號(hào)為645～666環(huán)。由于盾構(gòu)在不斷遠(yuǎn)離直徑線,并且增設(shè)了徑向注漿,各測(cè)點(diǎn)的變形都逐漸趨于穩(wěn)定。

綜上,在19號(hào)線隧道上跨國鐵直徑線時(shí),其豎向變形主要集中在第2階段,選取左右線開挖后最大變形測(cè)點(diǎn)進(jìn)行各階段變形分析,得到的結(jié)果如表4所示。由表4可知,左、右線上跨時(shí),第2階段變形占比分別為70.73%和73.89%。

表4 上跨過程國鐵直徑線豎向變形情況Table 4 Vertical deformation of the National Railway Diameter Line in the process of over crossing

4.3 下穿長椿街車站變形分析

選取測(cè)點(diǎn)SJC102～SJC106,SJC202～SJC206的變形數(shù)據(jù)對(duì)下穿過程中長椿街車站豎向變形進(jìn)行分析,繪制其變形時(shí)程曲線如圖13所示。

圖13 左右線開挖引起長椿街車站各測(cè)點(diǎn)豎向變形時(shí)程Fig.13 Time history curve of vertical deformation of measuring points at Changchun Street Station caused by left and right line excavation

在左右線下穿時(shí),長椿街車站的豎向變形也可以分為3個(gè)階段。

1)第1階段為19號(hào)線盾構(gòu)到達(dá)前,對(duì)應(yīng)環(huán)號(hào)為620～641環(huán)。此階段盾構(gòu)緩慢靠近長椿街車站,由于盾構(gòu)推力作用,測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)微小隆起。左線開挖時(shí),最大變形為0.32mm;右線開挖時(shí),最大變形為0.22mm。

2)第2階段為刀盤到達(dá)長椿街車站正下方至盾尾脫出,對(duì)應(yīng)環(huán)號(hào)為641～663環(huán)。此階段的變形增長較快,此時(shí)由于車站下方土體存在卸荷效應(yīng),導(dǎo)致土體內(nèi)應(yīng)力重分布,各測(cè)點(diǎn)表現(xiàn)為沉降。左線開挖時(shí),位于左線與直徑線隧道交叉處測(cè)點(diǎn)SJC203的變形最大,沉降為-3.05mm;右線開挖時(shí),最大變形也出現(xiàn)在兩隧道交叉處的測(cè)點(diǎn)SJC105,沉降為-3.06mm。

3)第3階段為盾尾脫離長椿街車站,對(duì)應(yīng)環(huán)號(hào)為663～680環(huán)。由于盾構(gòu)在不斷遠(yuǎn)離車站,土層的擾動(dòng)范圍有限,各測(cè)點(diǎn)的變形都逐漸趨于穩(wěn)定。

綜上,在19號(hào)線隧道下穿長椿街車站時(shí),其豎向變形主要集中在第2階段,選取左右線開挖后最大變形測(cè)點(diǎn)進(jìn)行各階段變形分析,得到的結(jié)果如表5所示。由表5可知,左、右線上跨時(shí),第2階段變形占比分別為87.05%和83.68%。

表5 下穿過程長椿街車站豎向變形情況Table 5 Vertical deformation of Changchun Street Station when undercrossing

4.4 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

新建隧道加固前后既有線的最大變形量及現(xiàn)場實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表6所示。結(jié)果顯示,在此類復(fù)雜穿越工程中,盾構(gòu)在粉細(xì)砂、卵石、無水地層中連續(xù)上跨下穿既有線工程中,采取“新建隧道徑向注漿+既有車站底板深孔注漿”的加固措施,能夠使既有建筑變形得到良好的控制。

表6 加固后既有建筑變形情況Table 6 Deformation of existing buildings after reinforcement

在實(shí)際工程中,國鐵直徑線隧道豎向變形平均最大降低了56.3%,長椿街車站的豎向變形平均最大降低了74.85%。

5 結(jié)語

本文以北京地鐵19號(hào)線盾構(gòu)隧道連續(xù)上跨國鐵直徑線、下穿長椿街車站為工程背景,通過數(shù)值模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)合的方法,分析了在穿越施工過程中既有建筑的變形規(guī)律及變形控制措施。

1)新建盾構(gòu)在上跨國鐵直徑線和下穿長椿街車站的過程中,其變形均可分為3個(gè)階段: ①刀盤到達(dá)前; ②刀盤到達(dá)至盾尾脫出; ③盾尾脫出至盾構(gòu)遠(yuǎn)離。并且變形主要集中在第2階段,上跨國鐵直徑線時(shí)其3個(gè)階段的豎向變形占比分別約為38%,50%和12%;而下穿長椿街車站時(shí),3個(gè)階段的豎向變形分別為16%,78%和6%。

2)在上跨階段,直徑線隧道豎向變形表現(xiàn)為隆起的趨勢(shì),變形集中在新舊隧道軸線相交處,并以新建隧道軸線為對(duì)稱軸對(duì)稱分布,中間變形大,兩端變形小。在下穿階段,車站變形表現(xiàn)為不均勻沉降,向盾構(gòu)掘進(jìn)的反方向傾斜,同樣表現(xiàn)為中間沉降大,兩端沉降小的對(duì)稱分布規(guī)律。

3)對(duì)于此類工程,“新建隧道徑向注漿+既有車站底板注漿”的變形控制措施能夠有效抑制既有線變形,上跨既有線隧道,變形平均最大降低了56.83%,下穿既有車站,變形平均最大降低了74.85%。