盾构近距离下穿既有地铁隧道沉降控制技术研究

祝思然， 黄佩格， 矫伟刚， 张凯茵

(广州轨道交通建设监理有限公司， 广东 广州　510010)



盾构近距离下穿既有地铁隧道沉降控制技术研究

祝思然， 黄佩格， 矫伟刚， 张凯茵

(广州轨道交通建设监理有限公司， 广东 广州510010)

摘要：以北京地铁某区间盾构下穿既有隧道工程为背景，运用FLAC3D软件对施工过程进行模拟，结合现场实时监测数据对沉降进行分析，并通过对盾构近距离下穿既有线路的整个施工过程进行调查、研究与分析，提出盾构下穿既有隧道沉降控制的有效技术措施。结果表明： 1)设置试验段，根据试验段监测反馈对施工方案进行调整，对穿越段施工有极大的参考意义； 2)适当增大推进土压，提升推进速度，可提高沉降控制效果； 3)设置聚氨脂隔离环和注入克泥效，在沉降控制中起到了十分积极的作用。

关键词：盾构隧道； 近距离； 下穿既有线； 数值模拟； 沉降控制

0引言

伴随我国城市轨道交通建设的进一步发展，新建地铁线路将越来越多地穿越城市中心地带，施工所面对的环境条件越来越复杂。目前北京地铁建设进入线网加密完善阶段，新建线路规划不可避免地进入一般城市道路、繁华商业区或狭小街道下，既有建筑物对选线的制约越来越严重。如果盾构在复杂环境中的掘进对已有结构的稳定性影响较大，导致其安全及使用功能无法保障，将造成巨大的损失和不良的社会影响，故如何控制隧道开挖对既有线路稳定性的影响，是近年来盾构法施工面临的一个重要问题。

丁智等[1]对隧道施工引起的土体变形对地面建筑物、既有隧道等邻近建筑物的影响及盾构隧道施工与邻近建筑物相互影响的研究成果进行了总结；王占生等[2]对盾构施工影响区域的划分及预测手段进行了研究，并总结出盾构施工引起的建筑物安全问题与应对措施；李强等[3]采用三维弹塑性有限元，研究了新隧道从既有隧道下面垂直穿过时对其变形影响的全过程。近年来，就盾构隧道穿越施工引起的周围土体扰动问题，国内学者进行了一系列有价值的研究，并提出了盾构法施工中相应的施工控制措施[4-7]。如何保证近距离叠交施工的安全稳定并减少对既有隧道的扰动影响，对城市地下轨道交通的开发利用具有重要的实践指导意义。

目前针对盾构近距离下穿既有线的措施大多采用既有隧道超前预加固的方式，但存在工程造价高的问题。本文以北京某区间地铁隧道近距离下穿既有M15隧道为背景，借助数值模拟软件进行模拟分析，结合实际监测数据，在未对既有隧道采取超前预加固的前提下提出比较合理的盾构施工方法，以最大程度地减小盾构施工对既有隧道稳定性及地表沉降的影响。

1工程概况

新建地铁隧道采用土压平衡式盾构，线路间距为15.3～17.9 m，隧道埋深为12.1～18.1 m，最大坡度为9.42‰，最小平面曲线半径为400 m，盾构管片外径为6 m，内径为5.4 m。

新建地铁隧道与既有M15隧道相交角度约50°近距离下穿，先下穿右线，后下穿左线。既有隧道为盾构施工隧道，管片外径为6 m，沉降控制标准为3 mm，地表沉降控制标准为30 mm。隧道相对位置及测点布置见图1。下穿影响区域内，新建地铁区间左、右隧道间距17 m，与15号线隧道竖向净距仅1.9 m，主要穿越的土层有④3粉细砂、⑥2粉土、⑥粉质黏土。剖面位置及地质情况见图2。地表以下各主要地层的分布以及基本物理力学参数见表1。

2数值模拟分析

2.1计算模型的建立

本文运用数值模拟的方法，采用FLAC3D软件建立三维模型进行分析计算[8-10]。根据数值模拟计算结果，得出地铁盾构下穿对邻近已运营地铁隧道的扰动程度，以指导施工，从而确保已运营地铁隧道的安全。

图1　隧道相对位置及测点布置图

Fig. 1Plan showing relationship between shield tunnel and existing Metro tunnel

图2　隧道相对位置地质剖面示意图

土层名称层厚/m容重/(kN/m3)黏聚力/(kPa)内摩擦角/(°)泊松比弹性模量/MPa粉土填土①318.08.0100.402.0粉土③220.519.0290.281.4粉质黏土③14.619.631.0140.402.0粉土③2.0420.519.0290.281.4粉质黏土④5.2620.333.0160.301.5粉质黏土⑥820.235.0160.301.5粉土⑥23.320.418.0270.281.4粉质黏土⑥2.120.235.0160.301.5中粗砂⑦12021.00.0400.201.0

按照地铁隧道的实际尺寸、下穿角度建立数值模型，长度为112.8 m，宽度为105 m，厚度为50.3 m，单元数为277 700，节点数为284 224。计算模型单元网格如图3所示。模型侧面和底面为位移边界，底面X、Y、Z方向位移固定，侧面限制水平位移，模型上表面为地表，取为自由边界。

根据经验取弹性模量E=5Es，土层体积模量根据公式K=E/3(1-2μ)求得，剪切模量根据公式G=E/2(1+μ)求得。衬砌及注浆体参数如表2所示。模型中衬砌用“壳结构”单元模拟，厚度为0.3 m，注浆体采用三维实体单元模拟，参数均按照工程实际取值，上土压力为0.1 MPa，注浆厚度为0.19 m。

(a) 整体网格模型

(b) 隧道网格模型

名称弹性模量/GPa密度/(kg/m3)泊松比衬砌34.525000.25注浆体20.523500.35

2.2模型计算分析

本文选取新建隧道右线下穿M15，对已运营地铁隧道的扰动影响进行分析，整个穿越过程可分为5个区域： 1)临近M15左线； 2)通过M15左线； 3)位于M15左线与右线之间； 4)通过M15右线； 5)远离穿越区域。

模拟计算中各监测点的布置如图1(红点为既有隧道监测点，黑点为地表监测点)所示，右线开挖完毕后15号线隧道结构位移如图4所示，地表监测点DB-27和DB-40沉降情况如图5所示。

由图4可知： 1)既有隧道结构位移最大的监测点均为监测点8，即新建隧道与既有隧道相交位置对应的既有隧道的监测点； 2)既有隧道左、右线沉降最大值约为13 mm。

(a) 拱顶

(b) 拱底

Fig. 4Settlement of crown and arch feet of the existing Metro tunnel on No. 15 Line

由图5可知： 1)地表竖向位移的变化情况与既有隧道结构位移的变化趋势基本一致； 2)既有隧道左线结构和上方地表均在区域1到区域2及区域2到区域3这2个过程中出现较大沉降； 3)既有隧道右线结构和上方地表均在区域3到区域4及区域4到区域5这2个过程出现较大沉降，均在盾构穿越及盾尾脱出这2个过程出现大的沉降，地表沉降最大值约为12 mm。

模拟结果既有隧道结构沉降超出控制值，而模拟过程中参数的选择都是根据理论计算得到，所以在施工过程中应以此为鉴，计算所得的理论参数不一定合理，应根据试验段情况合理优化参数。由上面分析可知，盾构在下穿过程及盾构脱出过程对既有隧道和地表扰动最大，所以在这2个过程中应采取合理的措施对沉降进行控制。

3施工措施

3.1土压力设定及控制

土压的设定是为了保持开挖面土体的稳定，即设定值尽量接近自然土体侧向自重应力[11]。通过开挖面静止土压力和主动土压力的计算，考虑10～20 kPa的预备压力，将推进上土压控制在0.09～0.12 MPa。

(a) M15左线

(b) M15右线

Fig. 5Vertical settlement of ground surface of the existing Metro tunnel on No. 15 Line

3.2掘进速度和出土量设定

在穿越过程中盾构掘进速度控制在10～15 cm/min，并连续平稳；每环出土量总量控制在43～45 m3。必要时，通过适当调整出土速度以满足土压力控制的要求。

3.3同步注浆

同步注浆采用水泥砂浆，每环的同步注浆量在4～6 m3以上，确保注浆量达到理论空隙体积的140%以上。为保证注浆压力有足够注浆量的最小值，同时应与开挖舱内的土压力相匹配，同步注浆压力计划为0.2～0.3 MPa。注浆速度与盾构掘进速度相符合。

3.4聚氨酯隔离环设置

在左、右线穿越段前端及末端各5环(隧道全断面360°)范围内注入瞬凝型聚氨酯材料，其作用是防止盾构在穿越段掘进时同步注浆浆液窜流引起的浆液流失，这能够保证注入的浆液在隔离环之间凝结，从而起到很好的填充、支撑和加固作用。穿越段掘进时，为保证同步注浆浆液效果，在穿越段每间隔4环设置一环聚氨酯隔离环。聚氨酯隔离环布置如图6所示。

图6　新建区间左线风险工程区段划分

3.5其他措施

1)掘进中加强盾尾密封油脂的注入，确保盾尾密封效果良好。

2)加强施工过程中的监控量测，准确、实时掌握施工情况，并根据监测信息合理调整施工参数。

3)严格控制盾构姿态，改善管片受力和防水质量。盾构推力、扭矩和掘进速度应保持平稳，掘进应保持连续，严禁在下穿地铁15号段停机。

4实际施工措施调整及实测沉降情况

4.1实际施工措施的调整

4.1.1土压力调整

在右线下穿施工过程中，试验段土压力基本在0.08～0.09 MPa。之后的推进对土压力进行了调整，基本保持在0.12～0.13 MPa。在左线下穿施工中，上土压力直接调整为0.13～0.14 MPa。

4.1.2注浆加固调整

新建隧道在右线下穿施工中，试验段的地表沉降较大，既有线左线结构沉降也较大，最大值达8～9 mm，发生在既有隧道左线的监测点8位置。对此，施工方将同步注浆量从设定的4～6 m3调整为6 m3以上，基本控制在6～8 m3。

在左线下穿施工中，对同步注浆浆液的配比进行了调整。之前的浆液原则上初凝时间小于6 h，每1槽0.7 m3浆液配比为砂子∶水泥∶粉煤灰∶膨润土∶水=375∶120∶145∶43∶320(质量比)；新的浆液原则上初凝时间小于4.5 h，每1槽0.7 m3浆液配比为砂子∶水泥∶粉煤灰∶膨润土∶水=375∶145∶170∶43∶320(质量比)，同时每1槽加白灰10 kg，缩短初凝时间，提高结石率。

4.1.3其他调整

1)左线下穿施工采用的泡沫剂调整为法国康达特发泡剂用于土体改良，并提高了盾构推进速度，减小对既有结构的扰动。

2)左线下穿施工时注入了克泥效产品填充盾壳与土体间隙，每环0.5 m3。

4.2实测沉降情况

4.2.1既有隧道结构沉降

新建隧道右线下穿后，既有线隧道沉降人工监测情况如图7和图8所示。由图7和图8可知： 右线下穿后既有隧道左线最大沉降位于监测点Z08处，沉降量为10.07 mm(控制值3 mm)；既有隧道右线最大沉降位于监测点Y07处，沉降量为6.3 mm(控制值3 mm)，相对既有左线隧道沉降量有明显的减小，且对比实测数据和模拟理论数据发现，实测沉降量(10.07 mm)比模拟沉降量(13 mm)小，数值模拟所取参数均为试验段设置的参数。由此可见在右线下穿过程中，相对试验段土压和注浆的调整对既有隧道结构的沉降控制作用比较明显。

图7　右线下穿引起15号线左线沉降情况(2013年)

Fig. 7Settlement of the existing Metro tunnel on No. 15 Line induced by construction of left line tube of new tunnel in 2013

新建隧道左线下穿完毕后，既有线结构最终沉降人工监测情况如图9所示。由于扰动叠加既有隧道左线最大沉降仍位于监测点Z08处，沉降量为11.42 mm，其中新建隧道左线下穿引起的沉降量为1.35 mm，既有隧道右线最大沉降仍位于监测点Y07处，沉降量为8.67 mm，其中新建隧道左线下穿引起的沉降量为2.37 mm；而新建隧道左线正上方对应的既有隧道结构监测点Z04和Y04的沉降都较小，Z04总沉降量为2.73 mm，Y04总沉降量为2.31 mm，均在控制值3 mm以内，且图9显示新建隧道左线下穿时曲线图变化幅度很小。由此可见，新建隧道在左线下穿过程中对既有隧道的二次扰动更小。

图8　右线下穿引起15号线右线沉降情况(2013年)

Fig. 8Settlement of the existing Metro tunnel on No. 15 Line induced by construction of right line tube of new tunnel in 2013

4.2.2地表沉降

新建隧道右线上方地表依次选取DB-21(试验段上方地表)、DB-27、DB-40 3个监测点进行观测，新建隧道左线上方地表选取DB-31、DB-44 2个监测点进行观测，位置见图1。新建隧道左、右线下穿既有线完毕后，新建隧道右线上方地表沉降如图10所示，新建隧道左线上方地表沉降如图11所示。

图9　隧道结构竖向变形人工监测结果总体情况

图11　新建隧道左线上方地表沉降情况

新建隧道右线上方地表监测点DB-21、DB-27、DB-40最终沉降量分别为25.03、 14.49、10.2 mm，左线上方地表监测点DB-31和DB-44最终沉降量分别为10.39 mm和7.01 mm。从右线上方地表监测数据分析可知，试验段测点DB-21沉降远远大于后面2个监测点的沉降，可见根据试验段的沉降来调整施工参数，对地表沉降的控制起到了明显的作用，而对比新建隧道左右线上方地表的沉降数据可知，左线上方地表沉降量明显比右线上方地表沉降量小，与既有隧道结构的沉降规律一致，可见新建隧道左线下穿既有隧道产生的扰动比右线下穿产生的扰动小。由上面的实测数据分析可知，在实际施工过程中，穿越段相对试验段和新建隧道左线下穿段相对右线下穿段所进行的一些调整措施作用非常明显，既有隧道结构和地表的沉降均得到了更好的控制。由此可得，本工程施工中所采取一系列沉降控制措施是非常有效的。

5结论与建议

针对新建地铁盾构隧道近距离穿越既有地铁隧道存在的风险，以数值模拟计算为辅助方法，并通过分析既有地铁隧道结构与上方地表的实测位移变化情况，提出以下针对盾构近距离下穿既有地铁隧道的沉降控制的建议。

1)设置试验段，采用拟定方案进行试掘进，并通过监测进行检验、做出调整。

2)在上下隧道结构之间土层比较薄的情况下，针对本次穿越设置的聚氨脂隔离环及注入克泥效产品对既有线的沉降控制起到了十分积极的作用，完全可以将既有隧道沉降控制在3 mm以内。

3)建筑间隙的存在无法避免，必然会引起一定的沉降，且盾构施工过程中这部分的沉降比较显著，引起的沉降与注浆量、浆液质量有直接关系，可通过合理提高注浆量及浆液质量来减少这部分的沉降。

4)适当增大推进土压，加强土体改良效果，并适当提升推进速度，尽量保持连续均匀的推进，可减少对土层的扰动，提高沉降控制效果。

5)充分利用监测反馈数据，根据监测结果及时对施工方案进行调整，有助于对既有隧道结构及地表沉降的控制。

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Study on Settlement Control Technologies for Shield Tunnel Closely Crossing Underneath Existing Metro Tunnel

ZHU Siran, HUANG Peige, JIAO Weigang, ZHANG Kaiyin

(GuangzhouMassTransitEngineeringConsultantCo.,Ltd.,Guangzhou510010,Guangdong,China)

Abstract:In this paper, the construction of a shield tunnel crossing underneath existing Metro tunnel in Beijing is numerically simulated by means of FLAC3D software. Study and analysis are made on the construction of the shield tunnel; and then effective settlement control technologies are proposed. The results show that: 1) The modification of the construction schemes based on data measured can provide effective reference for the shield boring. 2) The settlement control effect can be improved by increasing the shield thrusting force and thrusting speed. 3) The polyurethane isolating ring and “clay short” can obviously improve the settlement control effect.

Keywords:shield tunnel; closely crossing underneath existing Metro tunnel; numerical simulation; settlement control

中图分类号：U 455

文献标志码：B

文章编号：1672-741X(2016)02-0234-07

DOI:10.3973/j.issn.1672-741X.2016.02.017

作者简介：第一 祝思然(1989—)，女，江西玉山人，2015年毕业于中国矿业大学(北京)，结构工程专业，硕士，现从事轨道交通工程方面工作。E-mail: 860145886@qq.com。

收稿日期：2015-09-25; 修回日期: 2015-12-10