盾構下穿越施工對已建隧道沉降的影響

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摘

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

1引言

近年來，我國地鐵建設發(fā)展快速，地鐵網(wǎng)絡的逐步形成。當運用盾構工法新建隧道時，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難度和平安風險。

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

針對上海地鐵7號線某區(qū)間近距離下穿越地鐵1號線盾構掘進工程，通過數(shù)值模擬，得出盾構法施工對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愛惜措施的選擇供應牢靠的依據(jù)。并在監(jiān)測反饋中得到印證，探討了近距離下穿越施工技術限制要領。

2工程概況

地鐵7號線某區(qū)間隧道施工中，上、下行線隧道在SDK17+040處穿越運營中的地鐵1號線區(qū)間隧道。地鐵1號線為正在運營的隧道，是上海市修建的第一條地鐵隧道，目前日客流量在100萬人次以上，本工程隧道施工時必需以百分百的把握確保地鐵列車的運行平安。

(1)新建上、下行線隧道和地鐵1號線隧道間距離很小，結(jié)構凈距僅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個月上行線隧道將再次出洞進行穿越施工，上行線盾構掘進使土體再次擾動。

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

(4)地鐵1號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，受擾動后沉降大、穩(wěn)定時間長。

3數(shù)值模擬

由于隧道開挖對鄰近構筑物的影響具有很強的三維特征，二維有限元法無法模擬三維空間效應。而盾構隧道開挖的三維模擬可考慮的因素較多，包括土體的本構模型、開挖面支護壓力、盾構千斤頂推力等，因此相對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線盾構隧道下穿越運營中的地鐵1號線隧道的施工的力學性態(tài)以及對1號線隆沉變形規(guī)律。3．1計算模型以及邊界條件的確定

計算中假定如下: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)之間的縱向連接對襯砌結(jié)構整體剛度的折減作用;③盾構每一推動步長為一環(huán)管片寬度1．2m(為縮短計算時間，計算中接受了5～6m/步長);④不考慮盾殼本身和土體的擠壓、剪切作用;⑤不考慮受施工擾動影響范圍內(nèi)的土體物理力學參數(shù)的變更。

土體材料依據(jù)志向彈塑性介質(zhì)來考慮，選取8結(jié)點實體單元來模擬;由于管片材料的剛度較大，一般認為在彈性范圍內(nèi)工作，故選取彈性殼體單元模擬。為了提高計算效率，模型取在單元的網(wǎng)格劃分上做了適當簡化，遠離隧道的土體單元較大，兩隧道相互交匯處單元劃分較密，計算模型的長×寬×高=57．5m×57．5m×39．75m(D=6．2m，H=13．0m)。分析時接受齊次邊界條件，除了上表面為自有面外，其余4個側(cè)面和底部均施加法向約束同時。3．2計算工況設計

為了詳細模擬盾構動態(tài)掘進過程，整個M7線開挖模擬共分23個工況，上下行線開挖各分20個工況，分別各進行10次進尺開挖。

(1)工況1為初始地應力場的模擬。

(2)工況2為1號線全長開挖并初始地應力場的模擬，得到七號線未開挖前土體和1號線的原始應力場。

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

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4)工況13至23為上行線進尺開挖，工況同上。3．3模擬結(jié)果分析

2進尺時，開挖了12m，盾構雖然在原狀土內(nèi)推動，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。說明出洞區(qū)圍護樁加固和隔離對于減小上下行線推動對1號線影響有良好的作用。

3進尺推動17．5m后，盾構穿越隔離樁區(qū)后對開挖面前方土體立刻產(chǎn)生影響，由于已經(jīng)達到1號線下行線的邊緣，可以看出1號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，擾動范圍大體為前方向上向下沿45°－Φ/2，影響范圍在前方2D盾構直徑范圍內(nèi)。

由圖4可，由于土倉壓力的影響，在切口到達前逐步隆起，在盾構推動到3進尺17．5m時，即切口到達時達到隆起的最大值1．1mm。在盾尾脫出后，由于開挖荷載的釋放，1號線下行線由隆起慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)槌两?，最終沉降為－5．1mm。說明盾構的推動過程對1號線下行線的沉降呈先隆后沉的影響。

3信息化監(jiān)測

監(jiān)測是施工的眼睛，是施工效果的干脆反應。監(jiān)測工作為信息化施工供應真實、剛好、精確的數(shù)據(jù)，可了解盾構穿越對鄰近已運營地鐵隧道的擾動程度，并在此基礎上，可進一步對現(xiàn)有的盾構施工參數(shù)方案進行優(yōu)化，確保已運營地鐵隧道的平安。因此，盾構穿越前，在地鐵1號線隧道穿越影響區(qū)段內(nèi)布設電子水平尺自動監(jiān)測系統(tǒng)，通過連接電纜將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控室，進行實時、精確的監(jiān)測。在運行中的1號線隧道內(nèi)設置自動差異沉降監(jiān)測點(靜力水準儀)進行差異沉降跟蹤監(jiān)測，監(jiān)測范圍為施工軸線兩側(cè)各50m左右，測點間距為2m。上下行線隧道安裝了25×2×2=100個靜力水準(電子平尺)測量傳感器，接受計算機聯(lián)網(wǎng)，在隧道盾構穿越1號線期間內(nèi)進行實時監(jiān)測。4計算結(jié)果和實測結(jié)果的對比

通過監(jiān)測數(shù)據(jù)和三維數(shù)值模擬仿真結(jié)果對比分析，可以驗證數(shù)值模擬的正確性。并可依據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，修正模擬計算的參數(shù)，用以預料下一步開挖引起已建隧道隆沉變形的規(guī)律，以便剛好實行相應的施工措施，限制已建線隧道的變形。

由圖6，三維數(shù)值模擬結(jié)果的計算結(jié)果在盾構通過前基本是吻合，而在盾構通過后存在較大差異，計算沉降比實測沉降大。由于計算軟件的局限性，數(shù)值模擬無法模擬盾構推動時盾殼的摩阻力，因此在計算時1號線的最大隆起值發(fā)生在盾構切口到達時。而實測時最大隆起值出現(xiàn)在盾尾脫出時。

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

5盾構施工限制及隧道愛惜5．1出洞口加固

由于盾構在出洞加固區(qū)，應力釋放，無法保證同步注漿施工所需的圍壓，土體變形難以限制，倘如在盾構出洞時出現(xiàn)涌水、涌砂的狀況，會引起地面沉降及土體流失，簡潔造成地鐵1號線隧道出現(xiàn)差異沉降、運行隧道移位等狀況，將對地鐵1號線隧道造成不利影響，嚴峻時甚至會危及地鐵1號線的運行安全。

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大到6m并進行滿膛加固，加固方法為φ850@600三軸深層攪拌樁，加固土體無側(cè)限抗壓強度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)值模擬可知圍護加固和隔離對于減小上下行線推動對1號線影響有較大的作用。因此在出洞加固體外沿地鐵1號線軸線方向，距離地鐵1號線3m處設置1500mm厚φ850三軸深層攪拌樁隔斷(加固后28天強度qu≥1．2MPa)。

在穿越區(qū)地面上地鐵1號線兩側(cè)梅花狀預設七排φ32mm@1200mm長度17．2m垂直注漿管共203根，注漿管水平相離地鐵1號線隧道1m。必要時依據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，進行跟蹤注漿。

5．1盾構通過后拱頂補強注漿

盾構通過后地鐵1號線隧道和在建M7線隧道間的1．5m厚范圍內(nèi)，存在7號線施工期間所注的惰性漿液、還有被多次擾動過的土體，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號線列車的運行，簡潔產(chǎn)生變形導致破壞。已建隧道沉降過大勢必會對已運營隧道產(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，必需考慮運用快速有效的注漿方法，把土體短期內(nèi)整合為具有確定強度的整體，作為地鐵1號線隧道的持力層以達到效限制長期沉降的目的。

詳細做法是在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進行。即在隧道上半部進行土體補強注漿的同時，在隧道下半部對稱部位進行反壓注漿［10］。

6結(jié)語

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

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

(3)在盾構通過已建隧道后，可接受注漿等手段對已建隧道的應力釋放及長期固結(jié)沉降進行有效限制。

參考文獻(References)［1］王濤，魏綱，徐目慶．隧道開挖對鄰近地下管線的影響預料分析［J］．巖土力學，2006，27(增):483-486．［2］廖少明，余炎，彭芳樂．盾構近距離穿越穿越相鄰隧道施工的參數(shù)解析［J］．巖土力學，2004，25(增2):223-226．［3］曹偉飚，姚燕明．上海市軌道交通8號線(曲阜路-人民廣場)區(qū)間隧道盾構穿越2號線影響分析［J］．地下工程和隧道，2005，(3):7-12．［4］于寧，朱合華．盾構施工仿真及相鄰影響的數(shù)值分析［J］．巖土力學，2004，25(2):292-296．［5］徐前衛(wèi)，尤春安，李大勇．盾構近距離穿越已建隧道的施工影響分析［J］．巖土力學，2004，25(增):95-98．［6］韋凱，雷震宇，周順華．盾構隧道下穿地下管線的變形限制因素分析［J］．地下空間和工程學報，2004，4(4):325-330，［7］