近距離盾構下穿既有地下通道變形影響及控制措施研究

□文/楊 波

在地鐵建設中，盾構隧道近距離下穿既有地下通道是設計和施工的難點。盾構掘進會引起地層沉降，一旦控制不當，很容易導致既有地下通道出現較大的沉降變形，甚至結構破壞，影響地下通道的運營安全。

隨著盾構穿越既有建（構）筑物施工案例的增多，很多學者進行了相關研究，取得了一系列成果[1～10]，但是對近距離盾構下穿既有地下通道的研究成果較少。

本文以常州市軌道交通1號線市民廣場—奧體中心站區間盾構下穿龍城大道地下通道為依托，采用三維數值分析方法，研究盾構掘進對地下通道的變形影響，提出相應的施工控制措施。

1 工程概況

1.1 盾構隧道及地下通道

常州市軌道交通1號線市民廣場—奧體中心站區間隧道上行線長約972.336 m，下行線長約985 m，最小平曲線半徑為450 m。單洞圓形隧道外徑為6.2 m，管片厚度為350 mm，采用錯縫拼裝，環寬為1.2 m，管片混凝土強度為C50。

龍城大道地下通道為雙向六車道，單箱雙室矩形框架結構，標準段結構凈寬28.4 m、凈高6.0 m，明挖法施工，底板下方采用三軸攪拌樁滿堂加固（厚3 m），見圖1。

圖1 龍城大道下立交地下通道

下穿段上下行隧道中心線間距為13 m，隧道頂距通道底最小豎向凈距約2.9 m，見圖2。

圖2 盾構隧道下穿地下通道位置關系

1.2 場地條件

下穿地下通道處地層從上至下：①填土、③2黏土、⑤1粉砂夾粉土、⑤2粉砂、⑥2粉質黏土、⑥3黏土、⑥4粉質黏土、⑧2粉砂、⑨2粉質黏土。下穿段隧道主要位于⑤2粉砂、⑥2層粉質黏土、⑥3層黏土中。見圖3。

1.3 地下通道變形控制標準

根據工程特點，考慮施工、測量等綜合因素，結合規范標準，確定地下通道結構的允許變形控制指標為±10 mm，將控制值的70%作為預警值，控制值的80%作為報警值。

2 數值模擬分析

2.1 模型假定

1）地鐵隧道與地下通道之間的土體符合變形協調原則。

2）盾構掘進后，管片安裝立即完成，不考慮管片安裝過程中巖土體隨時間的流變變形。

3）地層巖土體為均質各向同性材料，物理力學參數準確可靠。

4）注漿處理后的巖土體為均質各向同性，物理力學參數準確可靠。

2.2 模型建立

采用PLAXIS 3D軟件，根據盾構隧道與地下通道的位置關系以及巖土勘察報告，建立三維數值計算模型。模型沿盾構掘進方向長度取120 m，豎直方向取60 m，寬度方向取80 m；頂面為自由面，無約束；底面及四個側面均只約束法向，其余方向自由無約束。見圖4。

圖4 三維數值計算模型

2.3 計算參數

巖土體材料采用理想彈塑性本構模型與Mohr-Coulomb 強度準則，盾構管片及地下通道結構采用實體單元，材料采用彈性本構模型。

各土層基本物理力學參數見表1，隧道管片和地下通道結構的物理力學參數見表2。

表2 隧道管片和地下通道結構的物理力學參數

2.4 盾構掘進過程模擬

1）激活土體和地下通道，計算初始自重應力場，將位移清零。

2）盾構掘進距離設置為1.2 m/步。每一步中凍結開挖面處相應的土體，以模擬隧道掘進開挖；分別向開挖面和隧道周圍土體施加豎向線性增量的面荷載，以模擬土倉壓力和注漿壓力；設定地層損失率，激活隧道管片單元。

3）按此步驟循環，實行分段開挖，先掘進上行隧道，再掘進下行隧道，直至完成整個模型的計算。

2.5 計算結果分析

按照盾構掘進時地層損失率為5‰和3‰兩種工況進行計算。見圖5和圖6。

圖5 地層損失率為5‰時的變形

圖6 地層損失率為3‰時的變形

兩種地層損失率下，盾構穿越后地下通道的沉降曲線見圖7。

計算表明，盾構穿越會引起地下通道不均勻沉降，沉降量最大處位于雙線隧道的中間位置。地下通道的沉降量隨著地層損失率減小而減小。地層損失率為5‰時，地下通道最大沉降量為6.4 mm，雖然在容許范圍之內，但是已接近變形預警值。地層損失率為3‰時，地下通道最大沉降量僅為4.0 mm，影響較小。因此盾構穿越過程中，嚴格控制地層損失率≯3‰，可滿足地下通道的變形控制要求。

圖7 盾構穿越后地下通道的沉降曲線

3 施工控制措施

為確保盾構順利掘進，保證地下通道的安全，必須嚴格控制盾構掘進過程中地下通道的沉降。鑒于本工程的特點和風險，采用信息化施工控制措施，對盾構掘進的整個過程進行全面監測并根據監測數據及時調整和優化盾構機的掘進參數。

施工控制區分為下穿試驗段（下穿前50 m）、下穿段、下穿后段（下穿后50 m）。

3.1 設置試驗段

1）下穿前設置50 m 試驗段，不斷調整、優化并獲取最優施工參數，嚴格控制地層損失率≯3‰，試驗段要求按照下穿段施工。

2）通過理論計算得到試推土壓力值，根據地表、地層位移的情況不斷修正。推進速度要緩慢勻速，控制同步注漿量。對盾構隧道周邊土體進行注漿，對其控制地面沉降的效果進行驗證。

3）根據隧道上方土層位移監測數據，調整施工參數，以獲取最優施工參數，主要包括盾構掘進姿態、總推力、扭矩、土倉壓力、渣土改良、注漿量及出渣量等，形成總結報告，為盾構下穿地下通道施工提供參考。

3.2 下穿推進施工控制

3.2.1 下穿前

在下穿地下通道前對盾構機刀盤、刀具進行全面檢查維修，更換磨損嚴重的刀具，對盾構機的推進系統、泡沫系統、盾尾密封、運輸設備等進行全面檢修，確保盾構機以最佳機況穿越地下通道。

3.2.2 嚴控施工參數

采用信息化施工，在盾構下穿過程中必須嚴格控制切口土壓力及與之有關的施工參數，如推進速度、總推力、出土量等。盾構進出下穿區前后，及時調整土倉壓力，防止地下通道發生扭轉變形。嚴格控制地層損失率≯3‰，減少盾構的超挖和欠挖，將出土量控制為設計量的95%～98%，以避免盾構前方土體出現坍落或擠密現象，減少土壓力的波動。調整盾構姿態，推進速度控制在2～3 cm/min，勻速、連續地穿越地下通道。

3.2.3 同步注漿控制盾構掘進中及時進行同步注漿，須均衡、足量、多點壓注，與盾構推進速度保持一致。下穿段同步注漿量不小于理論空隙的150%，注漿壓力控制在0.3～0.4 MPa。

3.2.4 二次注漿

下穿段盾構增加預埋注漿孔特殊管片，用于二次注漿。特殊管片每環增加設置10 個注漿孔。特殊管片環設置在盾構下穿地下通道段及其前后各20 環。根據地下通道沉降變形等情況及時調整注漿量及施作二次注漿加固。二次注漿在盾構管片脫離盾尾4～5環后實施，注漿壓力控制在0.4～0.5 MPa，直至土體變形穩定，確保地下通道的沉降在變形控制標準容許范圍內。

3.2.5 加強監控量測

加強對地表的隆陷、地下通道及管片變形等監測。同時根據地下通道的即時監測數據進行施工參數調整。施工過程中若沉降變形達到報警值，須及時采取控制措施，避免變形繼續發展。

4 結論

1）盾構下穿越導致地下通道產生不均勻沉降，沉降量最大處位于雙線隧道的中間位置。對于盾構下穿段，控制地層損失率在3‰以內，可滿足地下通道的變形控制要求。

2）在盾構下穿地下通道段預埋注漿孔，可根據地下通道沉降變形等監測情況及時調整注漿量并施作洞內二次注漿，控制地下通道沉降。

3）采用信息化施工控制措施，根據監測數據及時調整和優化盾構機的掘進參數，控制地層損失率，同時加強同步注漿及二次注漿管理，可以保證盾構順利穿越地下通道。