MJS水平樁加固在盾構(gòu)下穿既有隧道中應(yīng)用研究

陳仁朋 張品 劉湛 穆巖松 鐘志全

摘 要：以在富水砂層中，長沙地鐵4號(hào)線近距離下穿上覆2號(hào)線運(yùn)營隧道工程為背景，對(duì)Metro Jet System （MJS）水平樁加固在盾構(gòu)下穿既有隧道中的應(yīng)用進(jìn)行研究.通過現(xiàn)場鉆孔取芯與室內(nèi)試驗(yàn)，并在地表和2號(hào)線隧道內(nèi)布置豎向位移監(jiān)測點(diǎn)、管片應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，研究MJS水平樁的成樁效果，以及盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)周邊地層與上覆隧道的變形響應(yīng)規(guī)律.研究表明：MJS工法樁直徑為2 m左右，抗壓強(qiáng)度達(dá)到3 MPa以上，均滿足設(shè)計(jì)要求；盾構(gòu)下穿時(shí)，上覆隧道沉降呈高斯曲線分布，最大沉降4.33 mm；由于盾構(gòu)開挖的卸載，相交位置處上覆隧道斷面在水平方向被擠壓，產(chǎn)生的最大附加應(yīng)力為1.4 MPa；地表最大沉降為1.1 mm，其中，MJS水平樁加固區(qū)域，地表沉降相對(duì)較小.總體來看，MJS水平樁加固效果較好，可為類似工程的實(shí)施提供借鑒.

關(guān)鍵詞：MJS；隧道開挖；掘進(jìn)參數(shù)；地表沉降

中圖分類號(hào)：TU 443 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674—2974（2018）07—0103—08

Abstract： Taking a case of Changsha Metro Line 4 excavated beneath closely spaced existing Changsha Metro Line 2 twin tunnels as research background， this paper studies the application of the Metro Jet System （MJS） Horizontal Column Reinforcement in Shield Tunneling. The quality of MJS column and the response of stratum and overlying tunnels are studied during the shield tunneling by carrying out in-situ and laboratory tests， installing the additional stress sensors and vertical displacement monitoring points inside Metro Line 2 and setting up monitoring points on ground surface. The result indicates that the diameter is appropriately 2 m and the compressive strength is higher than 3.0 MPa， which satisfy the designed specifications. When the shield excavates beneath the overlying tunnels， the settlement of the overlying tunnel present Gaussian curve distribution， and the maximum settlement is 4.33 mm. Due to the unloading of the shield excavation，the maximum additional stress is 1.4 MPa and the maximum settlement is 1.1 mm. Surface settlement is relatively small in the MJS horizontal pile reinforcement area. Overall，MJS horizontal pile can effectively reduce the settlement of existing tunnel，and can offer reference for the application of similar engineering.

Key words： metro jet system（MJS）；tunnel excavations；operational parameters；surface settlement

近年來，隨著地鐵建設(shè)加速及運(yùn)營里程的增加，盾構(gòu)穿越己建運(yùn)營隧道的概率越來越大，確保鄰近既有運(yùn)營隧道的結(jié)構(gòu)安全和正常運(yùn)營成為盾構(gòu)法隧道工程中必須解決的難題[1].

針對(duì)這一問題，目前有部分學(xué)者分別從現(xiàn)場實(shí)測、模型試驗(yàn)、理論計(jì)算和數(shù)值模擬等方面進(jìn)行研究.Kim等[2]和Byun等[3]分別進(jìn)行了臨近隧道開挖對(duì)均質(zhì)土體中已埋管道影響的模型試驗(yàn)研究.模型試驗(yàn)成本較高，試驗(yàn)繁瑣，耗時(shí)長，無法應(yīng)用到每個(gè)工程中；張治國等[4]首次采用彈性層狀半空間地基模型，建立了用連續(xù)彈性方法研究這一問題，但只考慮了土體損失的影響；張瓊方等[5]利用Mindlin[6]解，將上覆隧道視為Winkler彈性地基梁，推出盾構(gòu)下穿引起上覆隧道豎向位移的理論解，但公式較為復(fù)雜；畢繼紅等[7]分別用數(shù)值模擬的方法分析了盾構(gòu)開挖對(duì)鄰近既有隧道的影響，但施工現(xiàn)場狀況復(fù)雜，數(shù)值模擬難以綜合考慮各種因素的影響.目前較為普遍的研究方法是通過現(xiàn)場布置監(jiān)測點(diǎn)，分析盾構(gòu)下穿對(duì)上覆隧道的影響.Fang等[8]分析工程實(shí)例發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)近距離下穿上覆已建運(yùn)營隧道，會(huì)致使上覆雙圓隧道沉降呈“W”形分布；張瓊方等[9]和朱蕾等[10]通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)分析盾構(gòu)下穿的影響，發(fā)現(xiàn)隧道交叉區(qū)域，上覆隧道隆起值達(dá)到16 mm，但未提出控制這一變形的有效措施；李磊等[11]通過現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合數(shù)值模擬，研究了盾構(gòu)下穿時(shí)注漿壓力和掌子面推力對(duì)上覆隧道沉降的影響.然而，上述研究多涉及到盾構(gòu)下穿對(duì)上覆已建隧道受力變形規(guī)律的影響，而對(duì)保護(hù)措施及其應(yīng)用的研究較少.

本文依托長沙地鐵4號(hào)線盾構(gòu)下穿2號(hào)線運(yùn)營隧道工程，通過現(xiàn)場鉆孔取芯與室內(nèi)試驗(yàn)研究MJS水平樁的成樁效果，并在地表和2號(hào)線隧道內(nèi)布置豎向位移監(jiān)測點(diǎn)、隧道內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，研究在MJS水平樁加固的作用下，盾構(gòu)下穿對(duì)地表變形和上覆已建運(yùn)營隧道受力變形的影響，其研究成果可為類似工程提供借鑒.

1 工程概況

已建2號(hào)線隧道埋深9 m左右，4號(hào)線隧道埋深18 m左右，4號(hào)線區(qū)間隧道與2號(hào)線最小豎向凈距約2.857 m，如圖2所示.場地地層分布大致可分為4層：第1層為雜填土，厚度約1 m；第2層為細(xì)砂，厚度為8.4 m；第3層為圓礫，厚度約7.3 m；第4層為中粗砂，地下水位在地表下3 m左右.通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)獲得圓礫和中粗砂的級(jí)配曲線，其不均勻系數(shù)分別為13.75、17.5，級(jí)配良好.MJS水平樁施工和4號(hào)線盾構(gòu)掘進(jìn)位置主要位于④4中粗砂層，室內(nèi)級(jí)配實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明該砂土粒徑大于0.25 mm的顆粒含量占全重的55%，粒徑大于0.5 mm的顆粒含量占全重的23%，相應(yīng)土層具體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1.

4號(hào)線掘進(jìn)采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，主機(jī)長12.5 m，刀盤開口率為37%，最大開挖直徑為6.29 m.隧道結(jié)構(gòu)采用預(yù)制鋼筋混凝土管片，綜合考慮各種因素，采用錯(cuò)縫拼裝方式[12]，管片外徑6 m，內(nèi)徑5.4 m，幅寬1.5 m，管片之間采用高強(qiáng)度螺栓連接，斷面貼有遇水膨脹橡膠條用于防水.盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，通過計(jì)算機(jī)對(duì)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄.為減小盾構(gòu)下穿對(duì)上覆已建地鐵運(yùn)營隧道的影響，對(duì)該隧道采取的保護(hù)措施如下：

1）4號(hào)線左右線路上各設(shè)置一個(gè)長8 m，寬6 m的豎井（如圖1所示），左線豎井距2號(hào)線最短距離5.9 m.豎井內(nèi)設(shè)有一道冠梁，三道腰梁，采用袖閥管注漿方法在豎井底部施工4 m厚水泥漿加固體和2 m厚雙液漿加固體.

2）在豎井內(nèi)施工MJS施工平臺(tái)，施工平臺(tái)為500 mm厚C25素混凝土加固層.

3）在4號(hào)線左右隧道拱頂上方各施工兩排共計(jì)13根MJS樁，設(shè)計(jì)樁徑2 m，樁長42 m，樁間搭接厚度400 mm，樁剖面呈半圓形，圖3為4號(hào)左線拱頂施工的MJS樁示意圖.水平樁采用跳樁法施工，具體的施工順序是：12、6、13、11、9、10、8、7、5、3、1、2、4.其中，7號(hào)和5號(hào)樁、3號(hào)和1號(hào)樁、2號(hào)和4號(hào)樁皆為兩根樁同時(shí)施工.13根MJS樁在隧道開挖區(qū)上方及周邊形成相互搭接的具有高強(qiáng)度的水平旋噴固結(jié)體拱棚，拱棚長42 m，最大截面高度為3.6 m.MJS樁施工的主要技術(shù)參數(shù)如表2所示.

2 MJS加固效果研究

2.1 現(xiàn)場取樣

為檢驗(yàn)MJS水平樁施工的有效性，13根MJS樁施工完后，在加固區(qū)進(jìn)行現(xiàn)場豎向鉆孔取樣.圖4中線1～4為2號(hào)線隧道輪廓外擴(kuò)1 m線，共布置10個(gè)取樣孔，1號(hào)、3號(hào)、6號(hào)、9號(hào)鉆孔分別位于4號(hào)線軸線與各條外擴(kuò)1 m線相交位置，其他6個(gè)鉆孔位于4號(hào)線輪廓線與各條外擴(kuò)1 m線相交位置，具體布置位置如圖4所示.為研究MJS成樁效果和加固體性能，在12號(hào)和6號(hào)MJS樁施工完成，凝期達(dá)到30 d后，在圖4所示的A、B取樣孔鉆孔取樣，分別制取3個(gè)試樣.試樣長徑比為1.0，測試尺寸為70 mm × 70 mm的圓柱體試樣的抗壓強(qiáng)度.

表3為10個(gè)取樣孔中取芯情況的統(tǒng)計(jì)，鉆孔深度設(shè)定在19 ～ 22 m之間，以保證鉆孔深度能到MJS樁加固區(qū)域.加固體芯樣出現(xiàn)位置在17.4～17.6 m之間，基本在同一地層深度位置，故MJS水平樁施工時(shí)的控制較為精準(zhǔn).1號(hào)、3號(hào)、6號(hào)、9號(hào)取樣孔位于4號(hào)左線軸線位置，MJS加固體厚度較隧道邊緣位置加固體小，從圖3中可以看出芯樣長度應(yīng)為一倍MJS樁徑左右，隧道正上方的加固體芯樣長度在1.2 ～ 1.6 m之間，滿足要求.在隧道邊緣位置取的加固體芯樣長度在1.6 ～ 2.9 m之間，總體來看，MJS 水平樁成樁效果較好.

利用微機(jī)控制壓力試驗(yàn)機(jī)測得A組試樣抗壓強(qiáng)度平均值為3.9 MPa，B組為3.53 MPa，如表4所示，滿足設(shè)計(jì)的強(qiáng)度要求.

3 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)分析

3.1 土倉壓力

土艙壓力是土壓平衡盾構(gòu)施工管理的主要參數(shù)，是土壓平衡盾構(gòu)保證開挖面穩(wěn)定、控制地表變形的關(guān)鍵指標(biāo).意大利學(xué)者Russo[13]在總結(jié)歐洲地鐵隧道數(shù)值分析結(jié)果和現(xiàn)場實(shí)測資料的基礎(chǔ)上，提出保證掘進(jìn)工作面穩(wěn)定的土壓力經(jīng)驗(yàn)公式為

根據(jù)公式（1），計(jì)算出4號(hào)左線盾構(gòu)下穿時(shí)，土倉壓力應(yīng)保持在222 ～ 262 kPa之間，和實(shí)測結(jié)果較為相似.圖5反映盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中各環(huán)拼裝時(shí)土倉壓力的大小，前10環(huán)拼裝時(shí)，主要是適應(yīng)地層的過程，土倉壓力設(shè)置較小；16和20環(huán)位置處，盾構(gòu)機(jī)破除豎井井壁，混凝土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較好，所以土倉壓力設(shè)置較小；從第21環(huán)起，盾構(gòu)機(jī)開始下穿上覆已建運(yùn)營2號(hào)線，盾構(gòu)機(jī)穿越2號(hào)線之前（11 ～ 20環(huán)），土倉壓力平均值為181 kPa，下穿2號(hào)左線時(shí)，土倉壓力平均值為178 kPa，此時(shí)上覆隧道發(fā)生沉降，為減小上覆隧道進(jìn)一步沉降，下穿2號(hào)右線時(shí)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，土倉壓力平均值為221 kPa，較左線提高了43 kPa.

3.2 總推力與掘進(jìn)速度

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，陳仁朋等[14]認(rèn)為總推力主要由盾構(gòu)機(jī)正面壓力和機(jī)身與周圍土體接觸所引起的摩擦力兩部分組成，其中，盾構(gòu)機(jī)正面壓力由刀盤面板壓力和刀盤開口壓力兩部分組成.圖6反映4號(hào)左線掘進(jìn)過程中各管片拼裝時(shí)總推力和推進(jìn)速度的變化情況，和土倉壓力的情況一致，前10環(huán)拼裝時(shí)，參數(shù)設(shè)置較小；16和20環(huán)位置處，盾構(gòu)機(jī)破除豎井井壁，混凝土井壁堅(jiān)硬，所以推力設(shè)置增大，推進(jìn)速度同時(shí)有所降低；盾構(gòu)機(jī)穿越2號(hào)線之前（11 ～20環(huán)），推力和推進(jìn)速度的平均值分別為13 450 kN和30 mm/min，下穿2號(hào)左線時(shí)，二者的平均值分別為13 560 kN和41 mm/min，下穿2號(hào)右線時(shí)，由于土倉壓力的提高，推力平均值變?yōu)?4 930 kN，較左線提高1 370 kN，推進(jìn)速度平均值保持不變.

4 隧道內(nèi)應(yīng)力監(jiān)測

2號(hào)線管片拼裝形式采用“3+2+1”型錯(cuò)縫拼裝，在圖1中2號(hào)線監(jiān)測斷面處，管片內(nèi)側(cè)表面安裝振弦式表面應(yīng)變計(jì)監(jiān)測隧道內(nèi)側(cè)受力變形狀況，其中應(yīng)變計(jì)測的是管片的環(huán)向應(yīng)變，具體安裝位置如圖7所示（括號(hào)內(nèi)表示左線布置的傳感器編號(hào)）.

典型應(yīng)變傳感器布置位置處的附加應(yīng)力變化情況如圖8所示，其中管片附加應(yīng)力為在實(shí)測管片應(yīng)變的基礎(chǔ)上乘以管片混凝土（C50）模量34.5 GPa得到，隧道內(nèi)側(cè)受拉為正，受壓為負(fù).圖8表明盾構(gòu)機(jī)在下穿2號(hào)線之前，各傳感器位置處附加應(yīng)力基本不變，下穿期間各處產(chǎn)生附加應(yīng)力；下穿左線時(shí)，左右隧道傳感器附加應(yīng)力陡增，左右線隧道附加應(yīng)力最大分別達(dá)到1 MPa和0.2 MPa，由于掘進(jìn)位置離右線有一段距離，故右線傳感器附加應(yīng)力相對(duì)較小；盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整后，下穿右線時(shí)，左右隧道各位置處傳感器產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小，最大分別為0.4 MPa和0.2 MPa；穿越后，各傳感器數(shù)值基本保持不變.

圖9反映盾構(gòu)下穿結(jié)束后，2號(hào)右線監(jiān)測斷面的最終附加應(yīng)力分布圖.由于盾構(gòu)開挖2號(hào)線下方土體，在2號(hào)線隧道豎直方向發(fā)生卸載，隧道兩側(cè)的土壓力基本保持不變，相當(dāng)于三軸實(shí)驗(yàn)中的被動(dòng)擠伸過程，同時(shí)由于兩條線路的斜交，致使隧道最終的附加應(yīng)力狀況如圖10所示.

5 沉降監(jiān)測分析

為研究盾構(gòu)下穿施工對(duì)上覆已建運(yùn)營隧道和地表變形的影響，對(duì)兩條線路交叉區(qū)域的地表和上覆隧道的豎向位移進(jìn)行監(jiān)測.在2號(hào)線右線上方ZDK27+312.6斷面布置地表豎向位移監(jiān)測點(diǎn)，通過水準(zhǔn)儀監(jiān)測地表沉降.同時(shí)在2號(hào)左右線隧道道床位置每隔5 m布置豎向位移監(jiān)測點(diǎn)，采用液壓式靜力水準(zhǔn)儀進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，監(jiān)測點(diǎn)詳細(xì)布置位置如圖10所示.規(guī)定豎向位移沉降為負(fù)，隆起為正.

5.1 運(yùn)營隧道沉降分析

圖11為上覆已建運(yùn)營隧道典型豎向位移監(jiān)測點(diǎn)在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的沉降曲線，在穿越上覆已建隧道之前，Z24-1監(jiān)測點(diǎn)隆起1.5 mm，其余監(jiān)測點(diǎn)

表現(xiàn)為輕微沉降；盾構(gòu)機(jī)在下穿2號(hào)左線過程中，2號(hào)左線沉降較快發(fā)展，調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)后，穿越2號(hào)右線下方時(shí)，相對(duì)左線2號(hào)右線沉降發(fā)展較為平緩，在盾尾注漿區(qū)沉降開始較快發(fā)展；盾頭距監(jiān)測斷面隧道50 m之外后，上覆隧道沉降趨于穩(wěn)定.

隧道掘進(jìn)過程中土體的沉降槽形態(tài)一般可以用高斯曲線擬合，即Peck公式[15]：

上覆已建運(yùn)營隧道脫離盾構(gòu)機(jī)的影響范圍后，為描述上覆隧道的沉降形態(tài)，結(jié)合實(shí)測數(shù)值和式（4）計(jì)算的理論值，繪制了如圖12所示的沉降槽曲線.由圖12可知，2號(hào)右線的實(shí)測值和通過公式（4）計(jì)算得到的理論值所描繪的沉降槽形態(tài)吻合度高，最大沉降發(fā)生在隧道中心線位置，達(dá)到2.56 mm；離軸線越遠(yuǎn)沉降越小，距隧道中心線20 m左右，上覆隧道沉降基本為0.2號(hào)左線的左側(cè)位置由于鋪有臨時(shí)道路（見圖1），在車輛荷載的作用下，沉降有所偏大，距4號(hào)左線左側(cè)10 m位置處，2號(hào)左線隧道沉降最大，達(dá)到4.33 mm，致使2號(hào)左線實(shí)測值和通過計(jì)算的理論值所描繪的沉降槽形態(tài)有所差別，具體計(jì)算參數(shù)如表5所示.結(jié)合下穿2號(hào)左線時(shí)的掘進(jìn)參數(shù)和上覆隧道的響應(yīng)，穿越2號(hào)右線時(shí)，土倉壓力和總推力皆有所提高，致使2號(hào)右線隧道的沉降值整體小于2號(hào)左線隧道.

5.2 地表豎向位移分析

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，從盾構(gòu)機(jī)開始破除豎井井壁到盾頭離監(jiān)測斷面65 m遠(yuǎn)期間，YDK312.6斷面1 ～ 7號(hào)豎向位移監(jiān)測點(diǎn)的沉降情況如圖13所示.在盾頭到達(dá)監(jiān)測斷面之前，各監(jiān)測點(diǎn)皆發(fā)生隆起，3 ～ 5號(hào)監(jiān)測點(diǎn)最大隆起值達(dá)到1.5 mm左右；盾頭到達(dá)監(jiān)測斷面后，各監(jiān)測點(diǎn)開始沉降；盾尾到達(dá)監(jiān)測斷面時(shí)，地表各監(jiān)測點(diǎn)沉降發(fā)生陡變，1 ～ 7號(hào)監(jiān)測點(diǎn)分別沉降0.37 mm、1.32 mm、1.25 mm、1.52 mm、1.51 mm、0.71 mm和0.18 mm，距離隧道中心線越近沉降越大；盾頭距監(jiān)測斷面20 m后，各監(jiān)測點(diǎn)沉降基本穩(wěn)定.

盾構(gòu)機(jī)遠(yuǎn)離監(jiān)測斷面Y312.6后，監(jiān)測斷面的沉降形態(tài)如圖14所示.整體來看，地表位移值較小，最大為1.1 mm，小于上覆2號(hào)線施工時(shí)引起的地表最大沉降（7 mm左右），遠(yuǎn)小于我國規(guī)定的地鐵隧道允許的地表沉降值30 mm，同時(shí)也遠(yuǎn)小于同類工程引起的地表沉降[9-11]，表明MJS水平樁加固的有效性.地表和上覆已建隧的沉降槽形態(tài)有所不同，MJS加固區(qū)地表的沉降明顯小于未加固區(qū)，這是由于在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)監(jiān)測斷面之前，MJS加固區(qū)地表的隆起值較大，進(jìn)而使最終產(chǎn)生的沉降值較小.

6 結(jié) 論

盾構(gòu)近距離下穿上覆已建運(yùn)營隧道會(huì)致使隧道的受力變形發(fā)生改變，同時(shí)也會(huì)影響地表的豎向位移.基于長沙地鐵4號(hào)線近距離下穿上覆已運(yùn)營2號(hào)線，通過現(xiàn)場布置豎向位移和應(yīng)力監(jiān)測點(diǎn)，研究在MJS水平樁加固條件下，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)周邊地層與上覆隧道的變形響應(yīng)規(guī)律，結(jié)論如下：

1）在中粗砂地層中，MJS工法樁施工樁身完整性較好，單軸抗壓強(qiáng)度達(dá)到3.5 MPa以上.

2）盾構(gòu)下穿上覆隧道之前，上覆隧道附加應(yīng)力基本未發(fā)生改變，下穿時(shí)隧道在豎直方向卸載，致使在水平方向受到擠壓，最大附加應(yīng)力為1.4 MPa.

3）盾構(gòu)下穿過程中，上覆左線隧道最大沉降4.33 mm；右線隧道最大沉降2.56 mm，沉降槽形態(tài)符合高斯曲線；刀盤距離上覆隧道25 m后，隧道沉降基本穩(wěn)定.地表最大沉降1.1 mm，MJS加固區(qū)地表沉降僅有0.3 mm，遠(yuǎn)小于同類工程引起的地表沉降值.

4）MJS水平樁加固隧道之間土層，能有效降低盾構(gòu)掘進(jìn)過程中對(duì)地表和上覆隧道的影響，可為類似工程提供借鑒.

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