盾構(gòu)下穿越施工對(duì)已建隧道沉降的影響

/盾構(gòu)下穿越施工對(duì)已建隧道沉降的影響

摘

要:通過三維有限元方法對(duì)盾構(gòu)近距離下穿越已建隧道的數(shù)值仿真模擬，得出盾構(gòu)穿越施工時(shí)已建隧道隨各進(jìn)尺開挖的的沉降規(guī)律及施工影響特點(diǎn)，并依據(jù)實(shí)測(cè)反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比分析，為合理確定施工方案和已建施工技術(shù)愛惜措施的選擇供應(yīng)牢靠的依據(jù)。關(guān)鍵詞:盾構(gòu);下穿越;三維有限元;沉降;監(jiān)測(cè)

1引言

近年來(lái)，我國(guó)地鐵建設(shè)發(fā)展快速，地鐵網(wǎng)絡(luò)的逐步形成。當(dāng)運(yùn)用盾構(gòu)工法新建隧道時(shí)，受地下空間限制及換乘的須要，不行避開地要穿越已建隧道，會(huì)遇到不同線路的隧道空間近距離交叉穿越問題。新建地鐵隧道工程必需保證現(xiàn)有既有地鐵線路的平安，施工面臨極大的技術(shù)難度和平安風(fēng)險(xiǎn)。

文獻(xiàn)［1］接受通用解析Peck公式解析計(jì)算了盾構(gòu)施工引起的鄰近地下管線平面處的土體豎向位移。文獻(xiàn)［2］運(yùn)用邊界單元法解析計(jì)算了盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中對(duì)已建建筑的影響。有限元數(shù)值模擬盾構(gòu)施工步驟、管片和土層接觸面、開挖過程中地應(yīng)力釋放等具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，文獻(xiàn)［3～6］分別接受二維、三維有限元方法模擬了盾構(gòu)隧道穿越施工中的深層土體的位移場(chǎng)及鄰近隧道的變形規(guī)律，分析了覆土、土體強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)剛度等因素對(duì)已建隧道變形的影響。文獻(xiàn)［7，8］通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)盾構(gòu)近距離穿越擾動(dòng)影響問題進(jìn)行了定量分析。

針對(duì)上海地鐵7號(hào)線某區(qū)間近距離下穿越地鐵1號(hào)線盾構(gòu)掘進(jìn)工程，通過數(shù)值模擬，得出盾構(gòu)法施工對(duì)近距離下穿越已建隧道的隆沉規(guī)律，為合理確定施工方案和施工技術(shù)愛惜措施的選擇供應(yīng)牢靠的依據(jù)。并在監(jiān)測(cè)反饋中得到印證，探討了近距離下穿越施工技術(shù)限制要領(lǐng)。

2工程概況

地鐵7號(hào)線某區(qū)間隧道施工中，上、下行線隧道在SDK17+040處穿越運(yùn)營(yíng)中的地鐵1號(hào)線區(qū)間隧道。地鐵1號(hào)線為正在運(yùn)營(yíng)的隧道，是上海市修建的第一條地鐵隧道，目前日客流量在100萬(wàn)人次以上，本工程隧道施工時(shí)必需以百分百的把握確保地鐵列車的運(yùn)行平安。

(1)新建上、下行線隧道和地鐵1號(hào)線隧道間距離很小，結(jié)構(gòu)凈距僅1．5m。

(2)該處為兩根隧道先后出洞施工。下行線隧道出洞完成穿越施工后2個(gè)月上行線隧道將再次出洞進(jìn)行穿越施工，上行線盾構(gòu)掘進(jìn)使土體再次擾動(dòng)。

(3)下行線盾構(gòu)出洞推動(dòng)15m后和隧道呈98°相交、下穿。由于工作面壓力沒有通過前100m試推動(dòng)確定，要保持開挖面穩(wěn)定難度較大。當(dāng)下行線進(jìn)入正常推動(dòng)階段后，而上行線再次進(jìn)行出洞推動(dòng)，隧道下行線距離常熟路站進(jìn)洞口最近僅約18m。

(4)地鐵1號(hào)線隧道所處的土層主要為④淤泥質(zhì)粘土層，本工程隧道所處的土層主要為⑤1灰色粘土層。該兩層土屬高壓縮性土，地基承載力差，受擾動(dòng)后沉降大、穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)。

3數(shù)值模擬

由于隧道開挖對(duì)鄰近構(gòu)筑物的影響具有很強(qiáng)的三維特征，二維有限元法無(wú)法模擬三維空間效應(yīng)。而盾構(gòu)隧道開挖的三維模擬可考慮的因素較多，包括土體的本構(gòu)模型、開挖面支護(hù)壓力、盾構(gòu)千斤頂推力等，因此相對(duì)比二維模擬可以得到較為全面而志向的結(jié)果。本文接受三維有限元分析軟件模擬地鐵M7線盾構(gòu)隧道下穿越運(yùn)營(yíng)中的地鐵1號(hào)線隧道的施工的力學(xué)性態(tài)以及對(duì)1號(hào)線隆沉變形規(guī)律。3．1計(jì)算模型以及邊界條件的確定

計(jì)算中假定如下:①假定地表面和各土層均呈勻質(zhì)水平層狀分布;②計(jì)算中考慮襯砌管片分塊之間的橫向連接及各管片環(huán)之間的縱向連接對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)整體剛度的折減作用;③盾構(gòu)每一推動(dòng)步長(zhǎng)為一環(huán)管片寬度1．2m(為縮短計(jì)算時(shí)間，計(jì)算中接受了5～6m/步長(zhǎng));④不考慮盾殼本身和土體的擠壓、剪切作用;⑤不考慮受施工擾動(dòng)影響范圍內(nèi)的土體物理力學(xué)參數(shù)的變更。

土體材料依據(jù)志向彈塑性介質(zhì)來(lái)考慮，選取8結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元來(lái)模擬;由于管片材料的剛度較大，一般認(rèn)為在彈性范圍內(nèi)工作，故選取彈性殼體單元模擬。為了提高計(jì)算效率，模型取在單元的網(wǎng)格劃分上做了適當(dāng)簡(jiǎn)化，遠(yuǎn)離隧道的土體單元較大，兩隧道相互交匯處單元?jiǎng)澐州^密，計(jì)算模型的長(zhǎng)×寬×高=57．5m×57．5m×39．75m(D=6．2m，H=13．0m)。分析時(shí)接受齊次邊界條件，除了上表面為自有面外，其余4個(gè)側(cè)面和底部均施加法向約束同時(shí)。3．2計(jì)算工況設(shè)計(jì)

為了詳細(xì)模擬盾構(gòu)動(dòng)態(tài)掘進(jìn)過程，整個(gè)M7線開挖模擬共分23個(gè)工況，上下行線開挖各分20個(gè)工況，分別各進(jìn)行10次進(jìn)尺開挖。

(1)工況1為初始地應(yīng)力場(chǎng)的模擬。

(2)工況2為1號(hào)線全長(zhǎng)開挖并初始地應(yīng)力場(chǎng)的模擬，得到七號(hào)線未開挖前土體和1號(hào)線的原始應(yīng)力場(chǎng)。

(3)工況3至13為下行線開挖進(jìn)尺，進(jìn)行襯砌拼裝，盾尾同步注漿及開挖面壓力的模擬。盾構(gòu)切口分別方向z坐標(biāo)分別為－6m、－12m、－17．5m、－22．5m、－27．5m、－32．5m、－37．5m、－42．5m、－48．5m、－57．5m。

(

4)工況13至23為上行線進(jìn)尺開挖，工況同上。3．3模擬結(jié)果分析

2進(jìn)尺時(shí)，開挖了12m，盾構(gòu)雖然在原狀土內(nèi)推動(dòng)，但是受到隔離樁的屏蔽作用，由圖3可以看到M7線隧道y方向的位移被隔離樁限制，y方向變形影響范圍大為減小，且變形值減小，隧道四周土體豎向位移在1．11～6．14mm。說(shuō)明出洞區(qū)圍護(hù)樁加固和隔離對(duì)于減小上下行線推動(dòng)對(duì)1號(hào)線影響有良好的作用。

3進(jìn)尺推動(dòng)17．5m后，盾構(gòu)穿越隔離樁區(qū)后對(duì)開挖面前方土體立刻產(chǎn)生影響，由于已經(jīng)達(dá)到1號(hào)線下行線的邊緣，可以看出1號(hào)線下行線下方土體的產(chǎn)生隆起1．2～5．2mm。隧道前方土體明顯產(chǎn)生了擾動(dòng)，擾動(dòng)范圍大體為前方向上向下沿45°－Φ/2，影響范圍在前方2D盾構(gòu)直徑范圍內(nèi)。

由圖4可，由于土倉(cāng)壓力的影響，在切口到達(dá)前逐步隆起，在盾構(gòu)推動(dòng)到3進(jìn)尺17．5m時(shí)，即切口到達(dá)時(shí)達(dá)到隆起的最大值1．1mm。在盾尾脫出后，由于開挖荷載的釋放，1號(hào)線下行線由隆起慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槌两?，最終沉降為－5．1mm。說(shuō)明盾構(gòu)的推動(dòng)過程對(duì)1號(hào)線下行線的沉降呈先隆后沉的影響。

3信息化監(jiān)測(cè)

監(jiān)測(cè)是施工的眼睛，是施工效果的干脆反應(yīng)。監(jiān)測(cè)工作為信息化施工供應(yīng)真實(shí)、剛好、精確的數(shù)據(jù)，可了解盾構(gòu)穿越對(duì)鄰近已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的擾動(dòng)程度，并在此基礎(chǔ)上，可進(jìn)一步對(duì)現(xiàn)有的盾構(gòu)施工參數(shù)方案進(jìn)行優(yōu)化，確保已運(yùn)營(yíng)地鐵隧道的平安。因此，盾構(gòu)穿越前，在地鐵1號(hào)線隧道穿越影響區(qū)段內(nèi)布設(shè)電子水平尺自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過連接電纜將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控室，進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確的監(jiān)測(cè)。在運(yùn)行中的1號(hào)線隧道內(nèi)設(shè)置自動(dòng)差異沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)(靜力水準(zhǔn)儀)進(jìn)行差異沉降跟蹤監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)范圍為施工軸線兩側(cè)各50m左右，測(cè)點(diǎn)間距為2m。上下行線隧道安裝了25×2×2=100個(gè)靜力水準(zhǔn)(電子平尺)測(cè)量傳感器，接受計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)，在隧道盾構(gòu)穿越1號(hào)線期間內(nèi)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。4計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比

通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和三維數(shù)值模擬仿真結(jié)果對(duì)比分析，可以驗(yàn)證數(shù)值模擬的正確性。并可依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，修正模擬計(jì)算的參數(shù)，用以預(yù)料下一步開挖引起已建隧道隆沉變形的規(guī)律，以便剛好實(shí)行相應(yīng)的施工措施，限制已建線隧道的變形。

由圖6，三維數(shù)值模擬結(jié)果的計(jì)算結(jié)果在盾構(gòu)通過前基本是吻合，而在盾構(gòu)通過后存在較大差異，計(jì)算沉降比實(shí)測(cè)沉降大。由于計(jì)算軟件的局限性，數(shù)值模擬無(wú)法模擬盾構(gòu)推動(dòng)時(shí)盾殼的摩阻力，因此在計(jì)算時(shí)1號(hào)線的最大隆起值發(fā)生在盾構(gòu)切口到達(dá)時(shí)。而實(shí)測(cè)時(shí)最大隆起值出現(xiàn)在盾尾脫出時(shí)。

盾構(gòu)通過后，施工沉降和土體固結(jié)沉降將持續(xù)數(shù)月甚至更長(zhǎng)的時(shí)間，隧道產(chǎn)生的沉降值較大，因此在盾構(gòu)通過后必需接受注漿等措施限制長(zhǎng)期沉降的發(fā)展［9］。因此，在施工方案中，在盾構(gòu)通過后在7號(hào)線隧道內(nèi)做補(bǔ)壓漿處理以削減長(zhǎng)期沉降，從而也導(dǎo)致圖6中后期計(jì)算有沉降，而實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反應(yīng)了注漿的效果。

5盾構(gòu)施工限制及隧道愛惜5．1出洞口加固

由于盾構(gòu)在出洞加固區(qū)，應(yīng)力釋放，無(wú)法保證同步注漿施工所需的圍壓，土體變形難以限制，倘如在盾構(gòu)出洞時(shí)出現(xiàn)涌水、涌砂的狀況，會(huì)引起地面沉降及土體流失，簡(jiǎn)潔造成地鐵1號(hào)線隧道出現(xiàn)差異沉降、運(yùn)行隧道移位等狀況，將對(duì)地鐵1號(hào)線隧道造成不利影響，嚴(yán)峻時(shí)甚至?xí)＜暗罔F1號(hào)線的運(yùn)行安全。

一般出洞口加固區(qū)厚度為3m。為確保穿越和出洞的平安，綜合考慮出洞和穿越施工的影響，本工程將出洞口加固體厚度擴(kuò)大到6m并進(jìn)行滿膛加固，加固方法為φ850@600三軸深層攪拌樁，加固土體無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度0．5～0．8MPa，滲透系數(shù)不大于1×10－8c/sm，樁深約27m，出洞加固區(qū)和地墻間的空隙接受一排Ф650高壓旋噴樁加固處理。

從數(shù)值模擬可知圍護(hù)加固和隔離對(duì)于減小上下行線推動(dòng)對(duì)1號(hào)線影響有較大的作用。因此在出洞加固體外沿地鐵1號(hào)線軸線方向，距離地鐵1號(hào)線3m處設(shè)置1500mm厚φ850三軸深層攪拌樁隔斷(加固后28天強(qiáng)度qu≥1．2MPa)。

在穿越區(qū)地面上地鐵1號(hào)線兩側(cè)梅花狀預(yù)設(shè)七排φ32mm@1200mm長(zhǎng)度17．2m垂直注漿管共203根，注漿管水平相離地鐵1號(hào)線隧道1m。必要時(shí)依據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行跟蹤注漿。

5．1盾構(gòu)通過后拱頂補(bǔ)強(qiáng)注漿

盾構(gòu)通過后地鐵1號(hào)線隧道和在建M7線隧道間的1．5m厚范圍內(nèi)，存在7號(hào)線施工期間所注的惰性漿液、還有被多次擾動(dòng)過的土體，多種成分并存使得這一區(qū)域土體穩(wěn)定性很差，加上上部地鐵1號(hào)線列車的運(yùn)行，簡(jiǎn)潔產(chǎn)生變形導(dǎo)致破壞。已建隧道沉降過大勢(shì)必會(huì)對(duì)已運(yùn)營(yíng)隧道產(chǎn)生不行逆的不利影響，甚至影響隧道的平安。因此在這一區(qū)域注漿時(shí)，必需考慮運(yùn)用快速有效的注漿方法，把土體短期內(nèi)整合為具有確定強(qiáng)度的整體，作為地鐵1號(hào)線隧道的持力層以達(dá)到效限制長(zhǎng)期沉降的目的。

詳細(xì)做法是在M7線隧道內(nèi)拱頂范圍內(nèi)壓注水泥水玻璃漿液，加固注漿深度1．5m。此外為防止M7線隧道位移，基底注漿和拱頂注漿同時(shí)進(jìn)行。即在隧道上半部進(jìn)行土體補(bǔ)強(qiáng)注漿的同時(shí)，在隧道下半部對(duì)稱部位進(jìn)行反壓注漿［10］。

6結(jié)語(yǔ)

(1)在穿越施工前，利用三維數(shù)值仿真數(shù)值模擬可以對(duì)穿越施工中已建的沉降變形規(guī)律進(jìn)行了預(yù)料，為施工方案的確定和已建隧道的愛惜供應(yīng)了理論依據(jù)和決策數(shù)據(jù)。

(2)出洞口加固接受圍護(hù)加固和隔離屏障等手段可有效削減盾構(gòu)出洞及穿越推動(dòng)對(duì)已建隧道的沉降影響。

(3)在盾構(gòu)通過已建隧道后，可接受注漿等手段對(duì)已建隧道的應(yīng)力釋放及長(zhǎng)期固結(jié)沉降進(jìn)行有效限制。

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