廣佛城際鐵路小凈距大直徑盾構(gòu)隧道后行線掘進(jìn)對(duì)先行線管片的影響

劉　　瑋，楊安民，傅金陽，陽軍生（.廣東華隧建設(shè)股份有限公司，廣東 廣州　　5060；.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙　　40075）

廣佛城際鐵路小凈距大直徑盾構(gòu)隧道后行線掘進(jìn)對(duì)先行線管片的影響

劉瑋1，楊安民2，傅金陽2，陽軍生2
（1.廣東華隧建設(shè)股份有限公司，廣東 廣州510620；2.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙410075）

對(duì)廣州至佛山城際鐵路小凈距大直徑盾構(gòu)雙線隧道施工過程中管片的變位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析，探討了后行線施工引起的先行線管片的變形特性。結(jié)果表明:先行線管片附加水平位移與自身變形隨后行線盾構(gòu)掘進(jìn)都經(jīng)歷了“微量增加、明顯增加、突變、回縮直至穩(wěn)定”4個(gè)階段，離后行線越近位移量越大；淺埋小凈距條件下，對(duì)后行線施工擾動(dòng)的敏感程度先行線管片上部區(qū)域比下部區(qū)域高；后行線盾構(gòu)刀盤開挖階段比拼裝管片階段對(duì)先行線管片的擾動(dòng)作用大。

小凈距隧道；大直徑盾構(gòu)；先行線；管片；變位；實(shí)測(cè)分析

盾構(gòu)法作為一種快速、安全、對(duì)外界環(huán)境擾動(dòng)小的施工方法，目前在城市軌道交通建設(shè)中已獲得廣泛應(yīng)用。采用盾構(gòu)法施工的隧道多為并行隧道。由于受周邊地下建（構(gòu)）筑物的影響，或者為了滿足線路規(guī)劃設(shè)計(jì)的要求，有時(shí)兩條隧道的凈距小于規(guī)范限制的最小值6 m［1］。小凈距條件下，如何控制后行線施工對(duì)先行線的影響，確保先行線的安全穩(wěn)定，是盾構(gòu)隧道設(shè)計(jì)施工需重點(diǎn)解決的問題。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)小凈距平行盾構(gòu)隧道施工相互影響問題進(jìn)行了大量研究，研究手段以理論分析、數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)為主。Yamaguchi等［2］針對(duì)4條平行盾構(gòu)隧道近距離掘進(jìn)過程中圍巖與隧道的相互作用進(jìn)行了研究；Koyama［3］在總結(jié)日本盾構(gòu)法隧道技術(shù)及現(xiàn)狀時(shí)，也對(duì)小凈距隧道施工問題進(jìn)行了闡述。在國內(nèi)，晏莉等［4-5］針對(duì)淺埋雙孔平行隧道平面彈性問題提出了復(fù)變函數(shù)與交替算法相結(jié)合的理論解析方法，獲得了隧道開挖后圍巖的應(yīng)力和位移解；張頂峰［6］推導(dǎo)出了淺埋新建盾構(gòu)隧道施工過程對(duì)既有隧道變形影響的解析解，并通過隧道襯砌允許裂縫寬度反演計(jì)算出了隧道的極限變形；陶連金等［7］通過數(shù)值模擬方法研究了盾構(gòu)近接工程中新建盾構(gòu)隧道施工對(duì)既有盾構(gòu)隧道縱向和橫向變位、附加彎矩及軸力的影響規(guī)律；何川等［8］采用相似模型試驗(yàn)和三維有限元數(shù)值分析手段，對(duì)新建隧道施工所引起的已建平行隧道縱向變形、縱向附加軸力和彎矩、橫向變形、橫向附加軸力和彎矩進(jìn)行了深入研究；張明聚等［9］通過現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，研究了小凈距平行盾構(gòu)隧道施工中后行線掘進(jìn)引起的先行線管片附加應(yīng)力變化。

本文針對(duì)廣州至佛山城際鐵路陳村2號(hào)隧道盾構(gòu)始發(fā)段雙線凈距小、埋深淺、地層條件復(fù)雜的特點(diǎn)，通過對(duì)大直徑盾構(gòu)隧道先行線管片變位的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)與數(shù)據(jù)分析，探討后行線施工所引起的先行線管片變位規(guī)律。

1　工程概況

廣州至佛山城際鐵路陳村2號(hào)隧道位于佛山市順德區(qū)陳村鎮(zhèn)及廣州市番禹區(qū)，連接陳村站與廣州南站。隧道全長3 969 m，其中盾構(gòu)段長3 385.5 m［10］。盾構(gòu)段采用2臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工，直徑為8.84 m。管片外徑8.50 m，內(nèi)徑7.70 m，寬1.60 m，由4塊標(biāo)準(zhǔn)塊，2塊連接塊和1塊封頂塊組成，強(qiáng)度等級(jí)為C50。右線比左線早約2個(gè)月推進(jìn)，因此，右線為先行線、左線為后行線。

陳村2號(hào)隧道盾構(gòu)始發(fā)段位于2.95%的縱坡段上，雙線凈距僅約3～4 m，最小覆土厚度約5.5 m。地質(zhì)條件復(fù)雜，地下水位很淺，埋深0～2.1 m，所穿越地層從上到下依次為淤泥、粉細(xì)砂、全～弱風(fēng)化泥巖（見圖1）。

鑒于盾構(gòu)始發(fā)段存在雙線凈距小、埋深淺、坡度大、穿越地層為高水位復(fù)合軟弱地層等不利因素，為保證盾構(gòu)施工的安全進(jìn)行，需在盾構(gòu)掘進(jìn)前對(duì)始發(fā)段地層進(jìn)行加固。加固平面圖見圖 2，在 DK31+441—DK31+459設(shè)置3道厚800 mm素混凝土地下連續(xù)墻；對(duì)DK31+441—DK31+510段采用水泥土攪拌樁加固，平面加固范圍為結(jié)構(gòu)線外3 m，上部加固至拱部以上3 m，下部深入全風(fēng)化層1 m。實(shí)際施工中為避開地表比較密集的建（構(gòu)）筑物，連續(xù)墻用φ800鉆孔灌注樁代替，水泥土攪拌樁的布置密度有所減小。

圖1　始發(fā)段縱剖面

圖2　始發(fā)段地層加固平面

2　既有線變位監(jiān)測(cè)

2.1測(cè)點(diǎn)布置

在右線加固區(qū)范圍內(nèi)選取DK31+475，DK31+ 490共2個(gè)斷面布設(shè)管片變位測(cè)點(diǎn)，測(cè)試分析左線盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)右線的影響。2個(gè)斷面的雙線凈距分別為3.4，3.6 m。每斷面布設(shè)8個(gè)測(cè)點(diǎn)，位置見圖3。測(cè)點(diǎn)的布置方式為先在大號(hào)螺栓的側(cè)面粘貼反射片，再將螺栓粘貼于管片內(nèi)壁對(duì)應(yīng)位置。

圖3　右線管片測(cè)點(diǎn)布置示意

2.2監(jiān)測(cè)儀器與方法

監(jiān)測(cè)儀器為徠卡TS06全站儀，采用坐標(biāo)法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)站點(diǎn)與后視點(diǎn)布置于盾構(gòu)始發(fā)井前的明挖段底板上，兩者對(duì)應(yīng)里程分別為DK31+418，DK31+370。

3　監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

3.1管片附加水平位移

假設(shè)左線盾構(gòu)刀盤未到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，刀盤與監(jiān)測(cè)斷面的距離為負(fù)值；刀盤通過監(jiān)測(cè)斷面后，刀盤與監(jiān)測(cè)斷面的距離為正值。盾殼長度為10.4 m。2個(gè)斷面監(jiān)測(cè)結(jié)果見圖4。監(jiān)測(cè)斷面右線管片水平偏移示意如圖5。

圖4　監(jiān)測(cè)斷面右線管片附加水平位移曲線

圖5　監(jiān)測(cè)斷面右線管片水平偏移示意

分析圖4、圖5可知：

1）左線盾構(gòu)推進(jìn)過程中，監(jiān)測(cè)斷面右線管片的附加水平位移表現(xiàn)為“微量增加、明顯增加、突變、回縮直至穩(wěn)定”4個(gè)階段：①當(dāng)左線刀盤落后監(jiān)測(cè)斷面的距離＞10 m時(shí)，右線管片的附加水平位移不明顯，總體略有增加；②當(dāng)左線刀盤落后監(jiān)測(cè)斷面的距離＜10 m時(shí)，管片向右側(cè)的附加水平位移量隨左線盾構(gòu)推進(jìn)有較為明顯的增加；③當(dāng)左線刀盤到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面時(shí)，右線管片的附加水平位移量出現(xiàn)跳躍式的增加，且在左線刀盤穿過至盾尾到達(dá)監(jiān)測(cè)斷面期間，位移量仍略有增大；④左線盾尾穿過監(jiān)測(cè)斷面后，右線管片的附加水平位移在向左側(cè)一定程度回縮之后逐漸穩(wěn)定。

2）左線盾構(gòu)通過監(jiān)測(cè)斷面的過程中，右線管片的附加水平位移表現(xiàn)為整體向右偏移?？拷缶€一側(cè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)（1#，2#，3#）中，拱腰處（2#）的位移量最大，其次為拱腰上部45°方向（3#），拱腰下部45°方向（1#）位移量最小；遠(yuǎn)離左線一側(cè)的3個(gè)測(cè)點(diǎn)（4#，5#，6#）的位移量均較同一水平面上另一側(cè)測(cè)點(diǎn)小。

2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面右線管片附加水平位移最大時(shí)對(duì)應(yīng)的左線刀盤與監(jiān)測(cè)斷面距離及各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)值見表1。

表1　右線管片附加水平位移最大值

由表1、圖5均可看出，DK31+475斷面右線管片的附加水平位移較 DK31+490斷面大。這是因?yàn)椋孩俸虳K31+475斷面相比，DK31+490斷面雙線凈距較大、埋深較深、離始發(fā)井較遠(yuǎn)；②盡管兩斷面均處于始發(fā)試掘階段，但通過一段距離的調(diào)整，左線盾構(gòu)推進(jìn)到DK31+490斷面時(shí)施工參數(shù)與 DK31+475斷面相比已進(jìn)行了優(yōu)化，故能更有效地控制盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周邊土層的擾動(dòng)。

3.2管片變形

由上節(jié)分析可知，右線管片靠近左線一側(cè)3個(gè)測(cè)點(diǎn)的附加水平位移量均比同一水平面上遠(yuǎn)離左線一側(cè)的測(cè)點(diǎn)大，說明管片自身產(chǎn)生了相對(duì)變形。圖6為DK31+475斷面右線管片拱腰處水平收斂曲線?？梢娖渥兓?guī)律與管片附加水平位移變化規(guī)律相似，隨左線盾構(gòu)推進(jìn)經(jīng)歷了變化較小→增加明顯→跳躍增加→減小至相對(duì)穩(wěn)定值4個(gè)階段，最終水平收斂值約為2.5 mm。

3.3后行線盾構(gòu)不同工作狀態(tài)的影響

盾構(gòu)推進(jìn)分為刀盤開挖和拼裝管片兩種狀態(tài)，刀盤開挖時(shí)，推進(jìn)系統(tǒng)處于啟動(dòng)狀態(tài)，在千斤頂傳遞過來的頂推力作用下，刀盤擠壓前方土體；拼裝管片時(shí)，需要關(guān)閉推進(jìn)系統(tǒng)，刀盤對(duì)前方土體的推擠擾動(dòng)作用減小。故兩種工作狀態(tài)下，盾構(gòu)前方土體的受力狀態(tài)不同。為比較后行線盾構(gòu)不同工作狀態(tài)對(duì)先行線管片的擾動(dòng)大小，6月25日—6月28日左線刀盤與DK31+ 475監(jiān)測(cè)斷面的距離為 -10～10 m時(shí)，對(duì)靠近左線一側(cè)右線管片上的3個(gè)測(cè)點(diǎn)（1#，2#，3#）在盾構(gòu)刀盤開挖與緊后拼裝管片兩種狀態(tài)下的附加水平位移進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，結(jié)果見圖7（為便于比較，每個(gè)掘進(jìn)循環(huán)在刀盤開挖與緊后拼裝管片兩種狀態(tài)用同一管片環(huán)數(shù)表示）。

圖6　DK31+475斷面右線管片拱腰處水平收斂曲線

圖7　左線盾構(gòu)不同工作狀態(tài)下DK31+475斷面右線管片附加水平位移對(duì)比

圖7驗(yàn)證了盾構(gòu)兩種工作狀態(tài)下先行線管片受到后行線施工的擾動(dòng)程度不同。相較于刀盤開挖狀態(tài)，左線拼裝管片時(shí)，右線管片3個(gè)測(cè)點(diǎn)的附加水平位移量均有一定減小，說明左線刀盤開挖期間，在頂推力作用下刀盤前方土體產(chǎn)生了一定的可恢復(fù)彈性變形，使得右線管片附加水平位移量增大；左線拼裝管片時(shí)刀盤不再推擠前方土體，該變形消失，右線管片附加水平位移相應(yīng)出現(xiàn)一定回縮。左線盾構(gòu)不同狀態(tài)下，2#，3#測(cè)點(diǎn)附加水平位移變化曲線的梯度均大于1#測(cè)點(diǎn)，說明在淺埋小凈距條件下對(duì)后行線擾動(dòng)的敏感程度先行線管片上部區(qū)域比下部區(qū)域高。

4　結(jié)論

1）小凈距盾構(gòu)隧道施工過程中，受到后行線盾構(gòu)掘進(jìn)影響，先行線管片的附加水平位移經(jīng)歷了微量增加、明顯增加、突變、回縮直至穩(wěn)定4個(gè)階段；先行線管片既產(chǎn)生整體偏移，自身也在發(fā)生變形。

2）先行線管片不同位置受后行線盾構(gòu)掘進(jìn)的影響不一?？拷笮芯€一側(cè)的附加水平位移量大于遠(yuǎn)離后行線一側(cè)；監(jiān)測(cè)部位中，拱腰處的位移量最大，其次是拱腰上部45°處，拱腰下部45°處最小。

3）先行線管片受后行線施工的影響程度與凈距大小、隧道埋深有關(guān)。凈距越小、埋深越淺，先行線管片受影響程度越大。

4）后行線盾構(gòu)處于開挖狀態(tài)時(shí)，因刀盤對(duì)前方土體的推擠作用使得先行線管片產(chǎn)生的附加水平位移量比管片拼裝狀態(tài)時(shí)大。

［1］中華人民共和國鐵道部.TB 10003—2004鐵路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國鐵道出版社，2004.

［2］YAMAGUCHI I，YAMAZAKII，KIRITANIY.Studyof Ground-tunnel Interactions of Four Shield Tunnels Driven in Close Proximity，in Relation to Design and Construction of Parallel Shield Tunnels［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，1998，13（3）：289-304.

［3］KOYAMA Y.Present Status and Technology of Shield Tunnelling Method in Japan［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2003，18（2）：145-159.

［4］晏莉，陽軍生，劉寶琛.淺埋雙孔平行隧道開挖圍巖應(yīng)力和位移分析［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2011，33（3）：413-419.

［5］晏莉.并行隧道施工相互影響分析及應(yīng)用研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2008.

［6］張頂峰.越江隧道保護(hù)區(qū)內(nèi)新建平行隧道對(duì)既有隧道的影響機(jī)理及控制技術(shù)研究［D］.上海：上海交通大學(xué)，2011.

［7］陶連金，孫斌，李曉霖.超近距離雙孔并行盾構(gòu)施工的相互影響分析［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2009，28（9）：1856-1862.

［8］何川，蘇宗賢，曾東洋.盾構(gòu)隧道施工對(duì)已建平行隧道變形和附加內(nèi)力的影響研究［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007，26（10）：2063-2069.

［9］張明聚，趙明，王鵬程，等.小凈距平行盾構(gòu)隧道施工先行隧道管片附加應(yīng)力監(jiān)測(cè)研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2012，34 （11）：2121-2126.

［10］中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.新建鐵路廣佛環(huán)線佛山西站至廣州南站段陳村2號(hào)隧道施工圖［R］.西安：中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2013.

（責(zé)任審編葛全紅）

Influence of Later Tunnel Driving on Early Driven Tunnel Segmental Lining in Construction of Guangzhou-Foshan Intercity Railway Using Large Diameter Shield with Small Space Apart

LIU Wei1，YANG Anmin2，F(xiàn)U Jinyang2，YANG Junsheng2
（1.Guangdong Huasui Construction Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510620，China；2.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410075，China）

T he site monitoring and data analysis for segmental lining deflection of double line shield tunnel construction with small space apart and large diameter in Guangzhou-Foshan intercity railway were conducted and the deformation characteristics of early driven tunnel segmental lining caused by later driving tunnel construction. T he results showed that the additional horizontal displacement and self-deformation of early driven tunnel segmental lining caused by later shield tunnel driving have experienced such four stages as fractionally increasing，markedly increasing，mutation，retraction and stabilization，the displacement is greater in the region close to the later driving tunnel，the upper region of early driven tunnel segmental lining was more sensitive than the lower region to the disturbance caused by the later driving tunnel construction，and the cutter head excavation of the later shield tunnel has a more disturbance effect on early driven tunnel segmental lining than segmental lining assembling.

T unnels with small spaceapart；Largediametershield；Earlydriventunnel；Segmentallining；Deflection；Field measurement analysis

劉瑋（1976— ），男，高級(jí)工程師，碩士。

U456.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.15

1003-1995（2016）07-0060-04

2015-10-20；

2016-05-05

中國博士后科學(xué)基金（2015T80887）；中南大學(xué)“創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)計(jì)劃”（2015CXS015）