盾构斜向下穿运营隧道的水平位移影响分析

朱春雷

盾构斜向下穿运营隧道的水平位移影响分析

朱春雷

(杭州市地铁集团有限责任公司杭州310000)

基于盾构施工对周围土体及构筑物的扰动影响机理，通过实测数据对盾构近距离斜向下穿运营隧道的水平位移进行定量分析，并讨论运营隧道对盾构3个施工阶段的扰动敏感性:盾构下穿到达前刀盘挤土、通过时盾壳摩擦力、通过后地层损失。通过对1号线运营隧道监测数据的综合分析，可了解盾构穿越对其扰动程度，并在此基础上进一步对现有的盾构施工参数方案进行优化，确保已运营地铁隧道的安全，供后续类似工程参考借鉴。

轨道交通;盾构施工;运营隧道;斜向下穿;水平位移

随着轨道交通在各个城市快速发展，盾构穿越已运营地铁隧道的现象越来越多。穿越施工期间，不可避免地会对运营地铁造成一定影响。运营地铁作为城市交通的命脉，其运营安全极为重要，若施工不当，则有可能造成严重的后果。

盾构穿越已运营的地铁隧道工程，在上海、北京、广州等地铁先行城市积累了不少属于各自城市特点的成功经验［1-4］。笔者结合某盾构隧道近距离斜向下穿运营隧道的工程案例，根据实测数据对运营隧道水平位移受扰动影响的规律进行了分析。

1 工程概况

杭州地铁1号线全长47.97 km，于2012年11月24日通车试运营，目前日均客流已超过50万人次，已成为杭州重要的交通干线。在建的杭州地铁4号线近距离斜向下穿1号线，最小净距仅为2.12 m。图1为隧道穿越平面图，图2为隧道穿越纵断面图。

图1 隧道穿越平面

图2 隧道穿越纵断面

4号线区间隧道采用土压平衡式盾构，盾构外径为6.34m，区间隧道全长329.675m。隧道外径为6.2m，内径为5.5m。先推进的右线盾构从车站北端头井始发，在桩基群中向北推进84.4m后，在1号线下方以23.6°的小角度斜向穿越通过，推进至另一车站端头井调头沿左线推进203.4m后，再次在1号线下方以17.5°的小角度斜向穿越通过。

1号线运营隧道主要位于④3灰色淤泥质黏土层当中，下卧层为⑥1灰色黏土层。4号线盾构主要在⑥1灰色黏土、⑥2灰色粉质黏土中穿越。土质为流塑—软塑状态，高等压缩性，土体力学性质均较差。土层具体参数详见表1。

为了保证1号线的运营安全，须对相关数据进行实时监控。本工程主要对隧道结构纵向上的隆起(沉降)值、轨道横向高差、结构收敛值等进行监测，并制定了地铁安全正常运营以及对隧道结构保护的要求。在盾构穿越期间，总的原则是尽量减少对地层的扰动。根据以往经验以及现有理论指导体系，针对土压平衡盾构，制定的主要施工技术措施是:1)保持开挖面土体稳定;2)确定适当的注浆量、注浆位置和压力、压浆材料的合理配比;3)严格控制盾构方向，减少纠偏量; 4)信息化施工。

表1 土层物理力学性质参数

2 盾构穿越已运营隧道的扰动分析

选取先掘进的4号线右线盾构穿越1号线，从宏观上对运营隧道受扰动影响的变形规律进行分析。两隧道间投影交叉点的竖向距离为2.120m，平面交角α为23.6°，施工难度很大。

实测数据表明，盾构穿越对运营隧道的扰动影响主要表现为隧道的水平位移及竖向位移。本工程中竖向位移数值偏小，在穿越过程中控制在5 mm以内，穿越后控制在3 mm以内。竖向位移可通过调整土仓压力、出土量、同步注浆、二次注浆等施工参数控制，国内类似近距离隧道下穿工程的案例较多，积累了许多成功经验，能较好地控制竖向位移。本工程为盾构斜向小角度穿越，引起的水平位移相对较大，且过往对水平位移的研究相对竖向位移较少，下面主要针对水平位移进行分析。

2.1 盾构推进引起的地层水平位移

盾构推进与土体产生复杂的力学作用，如图3所示。

图3 盾构掘进受力分析

与沉降分析类似，可根据盾构施工引起土体变形机制的不同，在盾构施工过程中把地层水平位移分为5个阶段［5］:

1)切口到达前。切口压力设置及刀盘挤土作用导致切口前方土体变形，当切口压力设置较大及刀盘挤土明显时，前方土体受压力作用F，向盾构推进方向移动位移S1。S1与F成正比，与测点距离盾构刀盘的距离d成反比，与隧道交角α成正比，另外与地层性质、测点处隧道刚度、时间等条件相关。

2)盾构通过。由于盾壳与土体接触面积大，盾壳与土体摩擦力将引起地层剪切变形，其大小不容忽略，土体所受摩擦力f，沿盾构推进方向移动位移S2。

3)盾尾闭合。盾尾脱开后管片与土层之间由于超挖会形成空隙引起地层扰动，需同时注入浆液进行填充控制地层变形，即同步注浆。剩余未填充部分为土体损失量。当同步注浆量及压力较小时，未能及时填充孔隙，可能使周边土体位移产生径向向内的位移(竖向表现为沉降，水平向表现为靠近盾构方向);当同步注浆量或压力较大时，可能使周边土体位移产生径向向外的位移(竖向表现为隆起，水平向表现为远离盾构方向)。

4)二次注浆。二次注浆由管片注浆孔内沿管片向外径向注入，使周边土体产生径向向外位移S4。本工程在穿越段未进行二次注浆。

5)扰动土体回弹。盾构施工完成后受扰动土体位移产生回弹S5，S5与地层性质、时间相关。

梁荣柱等从理论分析的角度出发，探讨了盾构施工各阶段引起土体水平位移的解析解［6-10］。本文主要根据实测数据分析盾构施工对已运营隧道的影响。

2.2 盾构穿越的具体过程

穿越前，在1号线隧道内以轴线间点为中心，每隔两环(每环宽为1.2 m)布置全站仪自动化实时监测系统，对隧道水平位移值进行测量，水平位移测点布置在道床侧边，如图4所示。选取其中15个测点进行分析。

按盾构机与1号线隧道的相对位置，取穿越时的6种关键施工工况对1号线隧道所受扰动影响进行分析，如图5所示。工况1～6分别表示盾构穿越开始至穿越结束的各个阶段，各工况位置描述见表2。

图4 测点布置

图5 盾构位置示意

表2 各工况位置

2.3 盾构穿越不同阶段的隧道位移分析

1)工况1。此时，盾构刀盘到达58环，盾构管片拼装53环，刀盘即将进入4号线隧道与1号线隧道边线的第一个交叉点，开始正式进入叠交区段。1号线隧道上各测点的水平位移分布曲线如图6(a)所示。

可以看出，1号线叠交段靠近盾构机的测点开始产生水平位移，最大值为2.3mm，发生在刀盘前方的2号测点，处于刀盘位置的1号测点位移为S1－1=1.3mm，远离盾构机的测点位移均较小。假定位移小于1 mm时认为受施工扰动影响较小，位移大于5mm认为受施工扰动影响较大，则本工况盾构施工扰动影响范围主要集中在7号测点之前的位置(刀盘前约14环位置)，且扰动刚刚开始，未形成较大影响。扰动主要是由切口压力设置及刀盘挤土作用产生。

2)工况2。此时，盾构刀盘到达64环，盾构管片拼装59环，盾尾即将进入4号线隧道与1号线隧道边线的第一个交叉点，盾构完全进入叠交区段。1号线隧道上各测点的水平位移分布曲线如图6(b)所示。

可以看出，施工扰动的影响程度及范围均明显加大，测点水平位移最大值为7.9 mm。扰动范围开始扩大至9号测点(刀盘前约12环位置)。盾构机身范围的1～3号测点主要受盾壳摩擦力作用，1号测点正处于盾尾位置，位移由1.3mm增加至6.4mm，S2－1=5.1mm。刀盘前方的4～9号测点主要受切口压力及刀盘挤土作用，4号测点位移S1－4为4.5 mm。比较S1－1及S1－4，后者较大，主要是因为1号测点位置仅在刀盘侧边，而4号测点已有一半隧道进入刀盘位置。

3)工况3。此时，盾构刀盘到达70环，盾构管片拼装65环，刀盘即将进入4号线隧道与1号线隧道中心线的交叉点。1号线隧道上各测点的水平位移分布曲线如图6(c)所示。

可以看出，施工扰动的影响程度及范围均进一步加大，最大值发生在3号测点为14.2mm，扰动范围开始扩大至13号测点(刀盘前约12环位置)。盾尾后面的1～3号测点开始受盾尾闭合影响，1号测点位移增加至9.6mm。S3－1方向远离管片，此时同步注浆量或压力较大，及时填充孔隙，并使1号线隧道产生远离4号线的位移。盾构机身范围的4～6号测点主要受盾壳摩擦力作用，4号测点位移为11.2 mm，但此时4号测点并未完全脱离盾尾，根据实测数据，4号测点完全脱离盾尾时的位移为13mm，即S2－4=8.5mm。根据测点与盾构的相对位置关系可知，S2－4＞S2－1。7号测点位于刀盘位置，已有1/4进入盾身，位移增大至7.4mm，根据实测数据，7号测点完全位于刀盘前方时的位移为5.2mm，即S1－7=5.2 mm。该测点位置为两隧道中线交点处，完全进入刀盘位置，因此刀盘的挤土作用远大于其他测点。

4)工况4。此时，盾构刀盘到达76环，盾构管片拼装61环，盾尾即将进入4号线隧道与1号线隧道中心线的交叉点。1号线隧道上各测点的水平位移分布曲线如图6(d)所示。

可以看出，施工扰动的影响程度及范围继续扩大，最大值仍发生在3号测点，为13.7 mm，但扰动范围不变，14、15号测点已位于叠交区段外，受刀盘挤压影响较小。盾尾后面的4～6号测点受盾尾闭合影响，受同步注浆影响，4号测点位移增大至15.2 mm。盾构机身范围的7～9号测点主要受盾壳摩擦力作用，7号测点的位移为10.4 mm，但此时7号测点并未完全脱离盾尾，根据实测数据，7号测点完全脱离盾尾时的位移为10.9mm，即S2－7=5.7 mm。刀盘前方10～13号测点位移增加值不大，基本都在1mm左右，10号测点正位于刀盘位置，其S1－10=4.7mm。

5)工况5。此时，盾构刀盘到达84环，盾构管片拼装79环，刀盘即将脱离4号线隧道与1号线隧道边线的最后一个交叉点，盾构开始脱离叠交区段。1号线隧道上各测点的水平位移分布曲线如图6(e)所示。

可以看出，各测点位移开始回落，最大值仍发生在3号测点，为13.2 mm，14号测点位移由0.7 mm变为－0.7mm，变化值为1.4mm，认为已开始受扰动影响，15号测点仍未受扰动。1～10号测点位移回落值逐渐加大，1号测点仅回落0.3 mm，处于盾尾位置的10号测点回落3.2 mm。分析认为，此时盾尾已基本越过1号线隧道，处于盾尾闭合阶段的7～10号测点受同步注浆量或压力较大的影响，产生远离盾构的位移，因此水平位移方向为负，位移减小，由此带动1～6号测点产生位移回落。11～13号测点处于盾身位置，其位移也未因受盾壳摩擦力作用而加大，分析原因为这3个测点仅局部进入刀盘位置，受盾壳摩擦力作用减弱，另外受同步注浆的影响带动位移回落，同理14号测点也由此影响产生负位移。

6)工况6。此时，盾构刀盘到达85环，盾构管片拼装90环，盾尾即将脱离4号线隧道与1号线隧道边线的最后一个交叉点，盾构完全脱离叠交区段。1号线隧道上各测点的水平位移分布曲线如图6(f)所示。

可以看出，各测点位移受同步注浆影响继续回落，最大值仍发生在3号测点，为13.4 mm。1～4号测点位移回落较小，基本稳定。位移回落最大的测点为盾尾位置的13号测点，11～15号测点因回落位移较大出现负值。

图6 各工况下1号线隧道水平位移曲线

2.4 盾构穿越位移时程曲线分析

根据两条隧道的叠交区域，选取具有代表性的5个测点，从另外一个角度对运营隧道受穿越扰动的影响进行分析。如图4所示，1、13号测点处于1、4号线隧道边线的交点处，4、10号测点处于1号线中心线与4号线隧道交点处，7号测点处于1、4号线隧道中心线的交点处。5个测点的位移时程曲线如图7所示，T1表示刀盘到达1号测点及盾尾脱出的盾构通过全过程时间段。T1之前的位移为刀盘挤土的影响S1，T1的位移为盾壳摩擦力的影响S2(10、11号测点由于盾构还未全部通过时就开始受注浆影响，位移出现回落，S2－10取其中最大值与S1的差，S2－13无取值)。T1之后的位移为盾尾闭合影响，取盾尾脱出后各点与(S1+S2)的最大差值为S3。各测点的位移汇总见表3。

图7 各测点位移时程曲线

表3 各工况测点位移

由图7及表3可知，盾构到达前均对前方土体产生挤压，使1号线隧道产生正位移S1，其大小跟测点与盾构的相对位置有关，与盾构较近或位于刀盘位置较多的测点受影响程度更大。取各位移绝对值相加为总位移，各测点S1所占比例为12%～33%，对于位于刀盘位置的测点其值不可小估。盾构通过盾身时，受盾壳摩擦力作用，使1号线隧道产生正位移S2，1、4、7号测点S1所占比例为30%～48%，说明盾壳摩擦力f的作用不可忽略，甚至占较大比例，这是与沉降分析的不同点。盾构通过后，受盾尾闭合影响，使1号线产生位移，在本次穿越过程中1号线主要受同步注浆影响，产生径向向外的位移，各测点S3所占比例为38%～75%，在3种作用力中所占比例最高，影响最为显著。

3 结语

通过对1号线运营隧道监测数据的综合分析，可了解盾构穿越对其扰动程度，并在此基础上，可进一步对现有的盾构施工参数方案进行优化，以确保已运营地铁隧道的安全。

1)盾构斜向小角度下穿已运营地铁隧道的扰动影响主要以水平位移为主，竖向位移控制较好。

2)在盾构施工过程中可以把地层水平位移分为5个阶段:切口到达前、盾构通过、盾尾闭合、二次注浆、扰动土体回弹。本研究主要针对前3个施工阶段。

3)3个施工阶段对1号线的影响均不可小觑，各阶段的影响比例与测点的位置相关。切口到达前，施工中可以通过控制切口压力、减慢掘进速度控制对周边土体的挤压;盾构通过时，可以通过改良土体减小盾壳与土体摩擦力作用;盾尾闭合过程中，需合理调整同步注浆量及压力等施工参数减小对土体的扰动。

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(编辑:郝京红)

Analysis on Horizontal Displacement of Subway in Operation Caused by Oblique-downward Shield

Zhu Chunlei
(Hangzhou Metro Group Co.，Ltd.，Hangzhou 310000)

Based on the disturbing effectmechanism of shield-driven construction on surrounding soiland buildings，a quantitative study on the disturbing effectof oblique-downward shield construction on adjacentsubway in operation is carried outby fieldmonitoring data.And the sensitivity of subway in three shield construction stages is discussed which include cutter-head compressing the soil before shield arrival，the shield shell friction on soil when crossing and ground loss after themachine goes through.The disturbance degree of shield tunneling can be obtained through the comprehensive analysis of the tunnelmonitoring data of Line 1 in operation，and the existing parameters scheme of shield construction can be further optimized to ensure the safety of the subway in operation.The analysis provides references for similar projects in the future.

rail transit;shield-driven construction;subway in operation;oblique-downward;horizontal displacement

U231

A

1672-6073(2016)02-0061-05

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.014

2015-08-13

2015-08-24

朱春雷，男，高级工程师，长期从事地铁管理和研究工作，Zc l@hzmetro.com