近距离盾构下穿既有地下通道变形影响及控制措施研究

□文/杨 波

在地铁建设中，盾构隧道近距离下穿既有地下通道是设计和施工的难点。盾构掘进会引起地层沉降，一旦控制不当，很容易导致既有地下通道出现较大的沉降变形，甚至结构破坏，影响地下通道的运营安全。

随着盾构穿越既有建（构）筑物施工案例的增多，很多学者进行了相关研究，取得了一系列成果[1～10]，但是对近距离盾构下穿既有地下通道的研究成果较少。

本文以常州市轨道交通1号线市民广场—奥体中心站区间盾构下穿龙城大道地下通道为依托，采用三维数值分析方法，研究盾构掘进对地下通道的变形影响，提出相应的施工控制措施。

1 工程概况

1.1 盾构隧道及地下通道

常州市轨道交通1号线市民广场—奥体中心站区间隧道上行线长约972.336 m，下行线长约985 m，最小平曲线半径为450 m。单洞圆形隧道外径为6.2 m，管片厚度为350 mm，采用错缝拼装，环宽为1.2 m，管片混凝土强度为C50。

龙城大道地下通道为双向六车道，单箱双室矩形框架结构，标准段结构净宽28.4 m、净高6.0 m，明挖法施工，底板下方采用三轴搅拌桩满堂加固（厚3 m），见图1。

图1 龙城大道下立交地下通道

下穿段上下行隧道中心线间距为13 m，隧道顶距通道底最小竖向净距约2.9 m，见图2。

图2 盾构隧道下穿地下通道位置关系

1.2 场地条件

下穿地下通道处地层从上至下：①填土、③2黏土、⑤1粉砂夹粉土、⑤2粉砂、⑥2粉质黏土、⑥3黏土、⑥4粉质黏土、⑧2粉砂、⑨2粉质黏土。下穿段隧道主要位于⑤2粉砂、⑥2层粉质黏土、⑥3层黏土中。见图3。

1.3 地下通道变形控制标准

根据工程特点，考虑施工、测量等综合因素，结合规范标准，确定地下通道结构的允许变形控制指标为±10 mm，将控制值的70%作为预警值，控制值的80%作为报警值。

2 数值模拟分析

2.1 模型假定

1）地铁隧道与地下通道之间的土体符合变形协调原则。

2）盾构掘进后，管片安装立即完成，不考虑管片安装过程中岩土体随时间的流变变形。

3）地层岩土体为均质各向同性材料，物理力学参数准确可靠。

4）注浆处理后的岩土体为均质各向同性，物理力学参数准确可靠。

2.2 模型建立

采用PLAXIS 3D软件，根据盾构隧道与地下通道的位置关系以及岩土勘察报告，建立三维数值计算模型。模型沿盾构掘进方向长度取120 m，竖直方向取60 m，宽度方向取80 m；顶面为自由面，无约束；底面及四个侧面均只约束法向，其余方向自由无约束。见图4。

图4 三维数值计算模型

2.3 计算参数

岩土体材料采用理想弹塑性本构模型与Mohr-Coulomb 强度准则，盾构管片及地下通道结构采用实体单元，材料采用弹性本构模型。

各土层基本物理力学参数见表1，隧道管片和地下通道结构的物理力学参数见表2。

表2 隧道管片和地下通道结构的物理力学参数

2.4 盾构掘进过程模拟

1）激活土体和地下通道，计算初始自重应力场，将位移清零。

2）盾构掘进距离设置为1.2 m/步。每一步中冻结开挖面处相应的土体，以模拟隧道掘进开挖；分别向开挖面和隧道周围土体施加竖向线性增量的面荷载，以模拟土仓压力和注浆压力；设定地层损失率，激活隧道管片单元。

3）按此步骤循环，实行分段开挖，先掘进上行隧道，再掘进下行隧道，直至完成整个模型的计算。

2.5 计算结果分析

按照盾构掘进时地层损失率为5‰和3‰两种工况进行计算。见图5和图6。

图5 地层损失率为5‰时的变形

图6 地层损失率为3‰时的变形

两种地层损失率下，盾构穿越后地下通道的沉降曲线见图7。

计算表明，盾构穿越会引起地下通道不均匀沉降，沉降量最大处位于双线隧道的中间位置。地下通道的沉降量随着地层损失率减小而减小。地层损失率为5‰时，地下通道最大沉降量为6.4 mm，虽然在容许范围之内，但是已接近变形预警值。地层损失率为3‰时，地下通道最大沉降量仅为4.0 mm，影响较小。因此盾构穿越过程中，严格控制地层损失率≯3‰，可满足地下通道的变形控制要求。

图7 盾构穿越后地下通道的沉降曲线

3 施工控制措施

为确保盾构顺利掘进，保证地下通道的安全，必须严格控制盾构掘进过程中地下通道的沉降。鉴于本工程的特点和风险，采用信息化施工控制措施，对盾构掘进的整个过程进行全面监测并根据监测数据及时调整和优化盾构机的掘进参数。

施工控制区分为下穿试验段（下穿前50 m）、下穿段、下穿后段（下穿后50 m）。

3.1 设置试验段

1）下穿前设置50 m 试验段，不断调整、优化并获取最优施工参数，严格控制地层损失率≯3‰，试验段要求按照下穿段施工。

2）通过理论计算得到试推土压力值，根据地表、地层位移的情况不断修正。推进速度要缓慢匀速，控制同步注浆量。对盾构隧道周边土体进行注浆，对其控制地面沉降的效果进行验证。

3）根据隧道上方土层位移监测数据，调整施工参数，以获取最优施工参数，主要包括盾构掘进姿态、总推力、扭矩、土仓压力、渣土改良、注浆量及出渣量等，形成总结报告，为盾构下穿地下通道施工提供参考。

3.2 下穿推进施工控制

3.2.1 下穿前

在下穿地下通道前对盾构机刀盘、刀具进行全面检查维修，更换磨损严重的刀具，对盾构机的推进系统、泡沫系统、盾尾密封、运输设备等进行全面检修，确保盾构机以最佳机况穿越地下通道。

3.2.2 严控施工参数

采用信息化施工，在盾构下穿过程中必须严格控制切口土压力及与之有关的施工参数，如推进速度、总推力、出土量等。盾构进出下穿区前后，及时调整土仓压力，防止地下通道发生扭转变形。严格控制地层损失率≯3‰，减少盾构的超挖和欠挖，将出土量控制为设计量的95%～98%，以避免盾构前方土体出现坍落或挤密现象，减少土压力的波动。调整盾构姿态，推进速度控制在2～3 cm/min，匀速、连续地穿越地下通道。

3.2.3 同步注浆控制盾构掘进中及时进行同步注浆，须均衡、足量、多点压注，与盾构推进速度保持一致。下穿段同步注浆量不小于理论空隙的150%，注浆压力控制在0.3～0.4 MPa。

3.2.4 二次注浆

下穿段盾构增加预埋注浆孔特殊管片，用于二次注浆。特殊管片每环增加设置10 个注浆孔。特殊管片环设置在盾构下穿地下通道段及其前后各20 环。根据地下通道沉降变形等情况及时调整注浆量及施作二次注浆加固。二次注浆在盾构管片脱离盾尾4～5环后实施，注浆压力控制在0.4～0.5 MPa，直至土体变形稳定，确保地下通道的沉降在变形控制标准容许范围内。

3.2.5 加强监控量测

加强对地表的隆陷、地下通道及管片变形等监测。同时根据地下通道的即时监测数据进行施工参数调整。施工过程中若沉降变形达到报警值，须及时采取控制措施，避免变形继续发展。

4 结论

1）盾构下穿越导致地下通道产生不均匀沉降，沉降量最大处位于双线隧道的中间位置。对于盾构下穿段，控制地层损失率在3‰以内，可满足地下通道的变形控制要求。

2）在盾构下穿地下通道段预埋注浆孔，可根据地下通道沉降变形等监测情况及时调整注浆量并施作洞内二次注浆，控制地下通道沉降。

3）采用信息化施工控制措施，根据监测数据及时调整和优化盾构机的掘进参数，控制地层损失率，同时加强同步注浆及二次注浆管理，可以保证盾构顺利穿越地下通道。