盾構連續上跨下穿既有線變形規律及控制技術研究

營 升

(中鐵十八局集團有限公司,天津 300222)

0 引言

隨著地鐵建設的飛速發展,許多城市淺層地下空間利用已接近飽和,如需繼續拓展地鐵網路,就必須使線路在既有線和既有建筑中間疊落穿插、交叉穿越。由此將帶來地層擾動、土體損失甚至破壞既有結構穩定性等嚴重安全問題。因此,研究既有建(構)筑物在盾構穿越復雜工程時的變形規律,并采取有效的控制措施,對保障施工安全具有重要意義。

目前,眾多學者結合相關工程實例對盾構隧道穿越既有結構的施工技術開展研究,并且形成了一些研究成果。如:江華等[1]提出了隧道附近的兩道沉降縫范圍內是雙線盾構掘進的主要影響區域;馮國輝等[2]、羅敬炬[3]、駱瑞萍等[4]、邢慧堂等[5]、李本[6]、黎水昌等[7]、楊志勇等[8]、趙宇鵬等[9]圍繞盾構隧道上跨、下穿既有建(構)筑物開展了研究,結果表明地層損失率及隧道直徑的增加會引起隧道變形近似線性增大,變形大致以盾構隧道45°及上方區域為主要區域;盾構掘進各參數對變形的影響程度各不相同,并根據情況增設加固措施,其中徑向注漿方式的加固能力并不會隨著厚度的增加而線性增加。此外,劉志濤等[10]、劉映晶等[11]、何占坤[12]還研究了注漿時間、位置、漿液種類對控制隧道變形的有效性;劉建國等[13]從掘進參數角度,得出新舊隧道之間的凈距對管片變形影響最大,對注漿量影響較小的結論;Jin等[14]認為新舊隧道間距越小,沉降越大;Chen等[15]提出穿越工程完成后現有隧道的最終沉降剖面呈現“U”形。

盡管在盾構穿越工程方面已取得了一些研究成果,但針對連續上跨、下穿既有地下結構的工程案例研究仍較為欠缺,并且此類穿越施工條件下既有線的變形規律和有效控制對策更為復雜、缺乏成功案例研究和系統性分析。鑒于此,本文依托北京地鐵19號線牛街站—金融街站盾構區間續上跨國鐵直徑線、下穿長椿街車站的工程實例,采用數值模擬計算,并結合現場工程實測數據,對盾構施工過程中既有結構變形規律和相應施工控制措施展開研究,可為今后類似工程施工提供一定參考。

1 工程概況

北京地鐵19號線05標牛街站—金融街站區間盾構長度1 820.383m,采用兩臺土壓平衡式盾構機施工,左右線間距19.2～13.0m,區間覆土厚度14.4～25.4m。盾構隧道外徑6 400mm,管片厚度300mm,寬度1 200mm。隧道主要穿越土層為粉土、卵石。區間地下水為潛水層,水位埋深26.9～28.0m。

牛—金區間左、右線盾構隧道先后依次上跨國鐵直徑線、下穿既有2號線長椿街站,穿越段長約17.7m。既有國鐵直徑線隧道管片外徑為11.6m,內徑10.5m,管片厚度為550mm,新建隧道底部與國鐵直徑線隧道頂部凈距5.45m。既有長椿街站為地下島式車站,車站為明挖單層兩柱三跨矩形箱體結構,車站寬17.7m,高7.55m,頂板厚0.9m,底板厚0.8m,側墻厚0.8m。新建隧道頂部與長椿街車站底板邊緣豎向凈距3.55m。國鐵直徑線隧道邊緣與長椿街車站邊緣橫向凈距約3.6m。穿越段剖面如圖1所示。

圖1 新建隧道與既有線位置關系Fig.1 The location relationship between the old and new tunnels

2 盾構穿越既有線施工結構變形控制措施

盾構施工需連續上跨、下穿既有線工程,且盾構與既有線凈間距小,除在盾構施工過程中對掘進參數、出渣量、注漿量、監控測量等方面進行嚴格控制外,還必須增設加固措施,因此提出了“盾構徑向注漿+車站底板注漿”的加固方案,具體措施如下。

2.1 新建隧道徑向注漿

在新建盾構隧道管片增設徑向注漿孔,離盾尾5～10環;盾構區間通過后,從隧道內采取徑向注漿的方式加固盾構區周圍土體,注漿范圍為盾構區間外輪廓線外環厚2.0m,注漿壓力≤0.3MPa,嚴格控制注漿壓力及注漿量,保證注漿效果。

2.2 既有長椿街車站下方土體注漿加固

在車站附近增設一座臨時施工豎井及橫通道,利用已開挖完成的探測橫通道進行深孔注漿,加固新建盾構區間左右線結構兩側10m范圍內,以及既有長椿街站結構兩側各5m范圍內的土體;注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿(砂卵石地層)、超細水泥-水玻璃雙液漿(粉細砂地層),注漿壓力為0.3MPa,如圖2所示。

圖2 穿越段土體加固Fig.2 Soil reinforcement in crossing section

3 盾構穿越既有建筑數值模擬分析

3.1 模型建立及參數設置

根據工程資料和施工線路的相對位置,為了避免模型邊界效應影響計算結果,取3～5倍開挖洞徑作為模型邊界,以新建隧道軸線方向為y方向,建立x=78m,y=84m,z=50m的地層模型,如圖3所示。地層和既有結構的物理、力學參數分別如表1,2所示,土層采用莫爾-庫倫本構模型,既有結構采用各向同性的線彈性本構模型。

表1 土層物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layer

表2 既有線和新建隧道結構參數Table 2 Structural parameters of existing and new tunnels

圖3 數值模型及穿越關系Fig.3 Numerical simulation model and crossing relationship

3.2 未加固時盾構上跨國鐵直徑線變形分析

在新建19號線隧道上跨國鐵直徑線的過程中,由于卸荷效應和土體擾動,國鐵直徑線整體呈現出豎向上浮趨勢,如圖4所示。

圖4 盾構開挖引起國鐵直徑線豎向位移云圖(單位:m)Fig.4 Vertical displacement cloud map of the National Railway Diameter Line caused by shield excavation (unit:m)

豎向變形基本以新建隧道沿軸線方向中心截面作為對稱軸呈對稱分布,中間變形大,兩端變形小,左線上跨完成后國鐵直徑線的最大上浮量為8.34mm,右線上跨完成后國鐵直徑線的復合最大上浮量為13.50mm。

左、右線上跨完成后其具體變形時程曲線如圖5所示。測點位于國鐵直徑線模型中部拱底位置,左右線數據單獨提取,不疊加。

圖5 左右線開挖引起國鐵直徑線豎向變形時程曲線Fig.5 Time history curve of vertical deformation of the National Railway Diameter Line caused by left and right line excavation

國鐵直徑線的豎向變形可以分為3個階段。

1)盾構刀盤到達國鐵直徑線之前 開挖擾動土體范圍有限,對既有隧道影響較小,各測點豎向變形表現為較小隆起,均在1.5mm范圍內。

2)盾構刀盤到達國鐵直徑線隧道邊緣至盾尾脫出國鐵直徑線階段 新舊隧道間距較小,盾構施工對夾層土體擾動較大,既有隧道變形速率加快,變形大幅度增加,其中左線上跨時最大隆起量為3.28mm,右線上跨時最大隆起量為3.09mm。

3)盾尾脫出國鐵直徑線至盾構遠離直徑線 此階段盾構不斷遠離國鐵直徑線,開挖擾動逐漸減小,既有隧道豎向位移逐漸趨于穩定,左線開挖完成后,既有隧道最終隆起量為3.73mm,右線開挖完后既有隧道最終隆起量為3.50mm。

在上跨國鐵直徑線過程中,變形主要集中在第2階段,第1,3階段的變形量占比較少。左線上跨時,第2階段變形量約占總變形量的49.87%,第1,3階段變形量占比約為38.07%和12.06%;右線上跨時,第2階段變形量占總變形量約50.00%,第1,3階段變形量分別占比約為37.71%和12.29%。

3.3 未加固時盾構下穿長椿街車站變形分析

在未做加固措施的情況下,盾構穿越工程將引起車站整體不均勻沉降(見圖6),主要表現為向盾構掘進反方向傾斜,沉降變形中間大、兩端小,并以新建隧道軸線為對稱軸分布。

圖6 盾構開挖引起長椿街車站豎向位移云圖(單位:m)Fig.6 Vertical displacement cloud map of Changchun Street Station caused by shield excavation(unit:m)

提取車站上布置的結構豎向變形測點SJC102～SJC106(下行線側墻測點)、SJC202～SJC206(上行線側墻測點)數據,繪制變形與掘進進度相關曲線,具體如圖7所示。

圖7 盾構開挖引起長椿街車站豎向變形時程曲線Fig.7 Time history curve of vertical deformation of Changchun Street Station caused by shield excavation

長椿街車站的豎向變形也可以分為3個階段。

1)盾構刀盤到達長椿街車站前 開挖擾動土體范圍有限,對長椿街車站影響較小,各測點的豎向變形表現為微小沉降,左線到達時沉降量最大為-3.37mm,右線到達時沉降量最大為-4.65mm。

2)刀盤到達長椿街車站下行線至盾尾脫出長椿街車站上行線階段 夾層土受到較大擾動,車站結構的豎向變形趨勢加快,各測點的變形量大幅度增加,其中左線上跨時最大沉降量-11.67mm,右線上跨時最大沉降量為-11.33mm。

3)盾尾脫出長椿街車站至盾構遠離車站 開挖擾動對車站的影響逐漸減小,車站的豎向位移趨于穩定,左線開挖穩定后的最終沉降量為-12.52mm,右線開挖穩定后的最終沉降量為-11.87mm。

下穿長椿街車站過程中,盾構引起的車站變形主要集中在第2階段,另外兩階段的變形較少。左線上跨時,第2階段的變形量約占總變形量的81.36%,第1階段和第3階段變形量分別占比約為13.23%和5.41%;右線上跨時,第2階段的變形量約占總變形量的75.74%,第1階段和第3階段變形量分別占比約為19.39%和3.87%。

3.4 盾構穿越既有建筑變形控制措施模擬計算

在沒有加固措施的情況下,盾構施工對土層擾動較大,土中的應力重分布和二次固結現象對既有線影響明顯,國鐵直徑線和長椿街地鐵站均產生了嚴重變形。

因此,再次建立模型,并增設加固措施,加固措施如前所述: ①對長椿街車站底板處的土體進行深孔注漿加固。 ②在新建盾構隧道管片離盾尾5～10環增設徑向注漿孔,層厚2m。通過數值模擬探究加固措施的有效性。

加固區力學性質介于混凝土與土體之間,本構模型采用莫爾-庫倫模型,車站底板加固僅考慮深孔注漿完成后的效果,對加固區土體進行賦值。加固區的物理力學參數如表3所示,其數值模型如圖8所示。

表3 加固區材料參數Table 3 Material parameters of reinforced area

圖8 加固措施模擬模型Fig.8 Simulation model of reinforcement measures

新建隧道雙線開挖完成后,提取國鐵直徑線與新建隧道相交處隧道拱底典型測點1,2數據(見圖9),新建隧道增設徑向注漿加固后,對國鐵直徑線的豎向變形產生明顯抑制:加固后典型測點1,2的變形量為1.57mm和1.45mm。相比未加固時,變形量減小了56.87%和57.85%。驗證了加固措施對抑制既有線變形的有效性。

圖9 國鐵直徑線典型測點1,2豎向變形時程曲線Fig.9 Time history curve of vertical deformation of typical measuring points 1 and 2 of the National Railway Diameter Line

在車站下方土體增加深孔注漿和對新建隧道增設管片徑向注漿后,長椿街車站的豎向變形同樣得到很好的控制,提取典型測點3,4數據(見圖10):加固后最大變形量為-3.16mm和-3.00mm,相比未加固時,變形量減小比例達74.74%和 74.72%。再次驗證“新建盾構隧道徑向注漿+既有車站底板深孔注漿”的加固措施對控制既有線變形的有效性。

圖10 長椿街車站典型測點3,4豎向變形時程曲線Fig.10 Time history curve of vertical deformation of typical measuring points 3 and 4 of Changchun Street Station

4 盾構穿越既有建筑的實測數據分析

4.1 監測點布置

為探究更加清晰明確的盾構穿越工程對既有建筑的影響規律,在國鐵直徑線和長椿街車站典型位置處布置多個監測點,監測既有線主體變形。

國鐵直徑線監測點在里程K4+780—K4+835每5m布置一個斷面,長椿街車站的監測點從新建隧道與既有結構相交處中心位置開始布設,中心位置每隔5m布設1個測點,遠離中心位置每隔15m布置1個測點,共計布置28個測點。監測點平面布置如圖11所示。

圖11 測點布置平面Fig.11 Layout plan of measuring points

4.2 盾構上跨國鐵直徑線變形實測數據分析

選取盾構開挖影響區內變形明顯的測點進行分析,監測結果與工程進度的時程曲線如圖12所示。

圖12 左右線開挖引起國鐵直徑線各測點豎向變形時程曲線Fig.12 Time history curve of vertical deformation of measuring points of the National Railway Diameter Line caused by left and right line excavation

在實際上跨過程中,國鐵直徑線隧道豎向變形可以分為3個階段。

1)第1階段為19號線盾構到達前,對應環號為610～628環。此階段盾構在逐漸靠近直徑線隧道,由于土體擾動作用較小,隧道的豎向變形不大。左線開挖時,最大變形為0.46mm,右線開挖時,最大變形為0.29mm。

2)第2階段為刀盤到達直徑線正下方至盾尾脫出,對應環號為628～645環。此階段的變形增長較快,各測點表現為隆起,這是由于上方土體的卸荷作用導致的。左線開挖時,國鐵直徑線上新舊隧道軸線相交處的變形最大,為1.58mm(測點SDC-07);右線開挖時,最大變形出現在同一位置,為1.45mm(測點SDC-09)。

3)第3階段為盾尾脫離直徑線至遠離,對應環號為645～666環。由于盾構在不斷遠離直徑線,并且增設了徑向注漿,各測點的變形都逐漸趨于穩定。

綜上,在19號線隧道上跨國鐵直徑線時,其豎向變形主要集中在第2階段,選取左右線開挖后最大變形測點進行各階段變形分析,得到的結果如表4所示。由表4可知,左、右線上跨時,第2階段變形占比分別為70.73%和73.89%。

表4 上跨過程國鐵直徑線豎向變形情況Table 4 Vertical deformation of the National Railway Diameter Line in the process of over crossing

4.3 下穿長椿街車站變形分析

選取測點SJC102～SJC106,SJC202～SJC206的變形數據對下穿過程中長椿街車站豎向變形進行分析,繪制其變形時程曲線如圖13所示。

圖13 左右線開挖引起長椿街車站各測點豎向變形時程Fig.13 Time history curve of vertical deformation of measuring points at Changchun Street Station caused by left and right line excavation

在左右線下穿時,長椿街車站的豎向變形也可以分為3個階段。

1)第1階段為19號線盾構到達前,對應環號為620～641環。此階段盾構緩慢靠近長椿街車站,由于盾構推力作用,測點出現微小隆起。左線開挖時,最大變形為0.32mm;右線開挖時,最大變形為0.22mm。

2)第2階段為刀盤到達長椿街車站正下方至盾尾脫出,對應環號為641～663環。此階段的變形增長較快,此時由于車站下方土體存在卸荷效應,導致土體內應力重分布,各測點表現為沉降。左線開挖時,位于左線與直徑線隧道交叉處測點SJC203的變形最大,沉降為-3.05mm;右線開挖時,最大變形也出現在兩隧道交叉處的測點SJC105,沉降為-3.06mm。

3)第3階段為盾尾脫離長椿街車站,對應環號為663～680環。由于盾構在不斷遠離車站,土層的擾動范圍有限,各測點的變形都逐漸趨于穩定。

綜上,在19號線隧道下穿長椿街車站時,其豎向變形主要集中在第2階段,選取左右線開挖后最大變形測點進行各階段變形分析,得到的結果如表5所示。由表5可知,左、右線上跨時,第2階段變形占比分別為87.05%和83.68%。

表5 下穿過程長椿街車站豎向變形情況Table 5 Vertical deformation of Changchun Street Station when undercrossing

4.4 實測數據與數值模擬結果對比

新建隧道加固前后既有線的最大變形量及現場實測數據如表6所示。結果顯示,在此類復雜穿越工程中,盾構在粉細砂、卵石、無水地層中連續上跨下穿既有線工程中,采取“新建隧道徑向注漿+既有車站底板深孔注漿”的加固措施,能夠使既有建筑變形得到良好的控制。

表6 加固后既有建筑變形情況Table 6 Deformation of existing buildings after reinforcement

在實際工程中,國鐵直徑線隧道豎向變形平均最大降低了56.3%,長椿街車站的豎向變形平均最大降低了74.85%。

5 結語

本文以北京地鐵19號線盾構隧道連續上跨國鐵直徑線、下穿長椿街車站為工程背景,通過數值模擬與實測數據結合的方法,分析了在穿越施工過程中既有建筑的變形規律及變形控制措施。

1)新建盾構在上跨國鐵直徑線和下穿長椿街車站的過程中,其變形均可分為3個階段: ①刀盤到達前; ②刀盤到達至盾尾脫出; ③盾尾脫出至盾構遠離。并且變形主要集中在第2階段,上跨國鐵直徑線時其3個階段的豎向變形占比分別約為38%,50%和12%;而下穿長椿街車站時,3個階段的豎向變形分別為16%,78%和6%。

2)在上跨階段,直徑線隧道豎向變形表現為隆起的趨勢,變形集中在新舊隧道軸線相交處,并以新建隧道軸線為對稱軸對稱分布,中間變形大,兩端變形小。在下穿階段,車站變形表現為不均勻沉降,向盾構掘進的反方向傾斜,同樣表現為中間沉降大,兩端沉降小的對稱分布規律。

3)對于此類工程,“新建隧道徑向注漿+既有車站底板注漿”的變形控制措施能夠有效抑制既有線變形,上跨既有線隧道,變形平均最大降低了56.83%,下穿既有車站,變形平均最大降低了74.85%。