新建盾构隧道下穿既有矩形隧道的试验分析

苏芹照 （北京市政建设集团有限责任公司，北京 100045）

1 引言

随着城市地下空间的不断开发，不可避免地会出现新建隧道穿越既有隧道的情况。在近距离盾构法施工穿越既有隧道的情况下，新建隧道会引发既有隧道结构纵向变形，造成结构扭转、下沉或上升，大大降低既有隧道的安全性。因此，在施工过程中，常常需要对实际穿越过程的沉降、变形进行监测和控制。徐前卫、尤春安、李大勇针对上海外滩行人观光隧道盾构施工，在上部超近距离穿越刚刚建成的地铁2号线隧道工程，建立了三维有限元计算模型，研究了由于盾构推进而引起的土层扰动变形的规律性，对已建隧道产生的施工影响进行了分析[1]。丁传松、杨兴富针对上海轨道交通8号线盾构隧道施工近距离上穿越轨道交通2号线工程，研究分析了盾构推进对已建隧道的影响规律[2]。杨建烽、郑余朝、陈强、严石友依托深圳地铁10号线岗莲区间左线隧道在既有2号线市岗区间双线下进行盾构开挖的沉降控制工程案例，通过工程的沉降控制措施、监测数据的分析以及与数值模拟的比较，对下穿沉降控制方式进行研究[3]。谢东武、葛世平、丁文其、欧阳文彪对不同深度地层受隧道施工影响的地层损失和沉降槽宽度参数进行了分析，并与已有的经验公式进行了对比[4]。但是，上述文献研究大多是针对于隧道整体的变形控制，而对于既有隧道结构的内力研究较少。在隧道穿越施工过程中，整体变形控制可以保证隧道整体结构的正常工作，而内力控制可以保证关键区段的安全性，也是非常有必要的。故本文将基于前人的研究成果，通过对常州地铁2号线一期工程某标段的隧道工程中的施工过程进行测试，研究盾构隧道下穿既有隧道施工过程中变形和内力控制。

2 工程概况

2.1 工程背景

本次测试研究依托于常州地铁二号线某标段工程，既有矩形隧道为场站出段线，采用明挖方式，盾构隧道为地铁上行线，在SK15+063.993～SK15+090.632下穿矩形隧道如图1所示，最小竖向净距5.4m，穿越长度约26.639m，出段线基坑围护结构采用SMW工法桩，内插型钢插入盾构区间范围。明挖隧道坑底做地基加固，加固深度为基底以下3.5m。正线下穿段基坑开挖前选取φ850@600三轴搅拌桩做坑底满堂加固，加固深度为4.5m，加固范围为28.5m。

图1 下穿段工程概况平面图

2.2 地质概况

根据工程地质剖面图，土体从上到下分别为杂填土、黏土、粉质黏土夹粉土、粉质黏土、黏土层。既有隧道穿越土层主要为粉质黏土夹粉土层，盾构隧道掘进涉及的土层主要是粉质黏土。

2.3 工况描述

穿越段位于240环处，每环长度为1.25m，于12月5日刀盘到达217环处，穿越段各测点进入扰动区。于2018年12月7日盾构进入穿越点下239环处，停机工作10小时准备穿越。于2018年12月8日盾尾脱出，完成穿越。

3 监测方案

3.1 监测目的

在新建下穿盾构隧道的施工中，盾构机对周边土体产生扰动，破坏了土体原有的应力场，导致周边土体应力重分布，从而影响既有矩形隧道。

本次监测目的：①了解穿越过程中既有隧道的稳定情况，故对其位移量进行监测，以保证其变形不超过控制值；②保证穿越过程中既有隧道的安全性，故对既有隧道侧壁应变情况进行监测。通过对上述两个物理量的监测，总结与分析盾构近距离穿越施工对既有矩形隧道的影响规律。

3.2 监测方案

3.2.1 位移量的监测

图2 隆陷测量点平面布置

位移量的监测主要测量矩形隧道的竖向隆陷变形。采用水准测量的方法，使用读数精度±0.3mm/km的水准仪天宝DINI03进行观测。下穿区域布设5个断面，每五环布置一个断面，交叉之前的影响段选择每隔7m布置一个控制截面，进入交叉段后改为每隔3.5m布置一个控制截面，影响段内一共选择了11个控制截面。隆陷测量点平面布置如图2。

3.2.2 应变监测

应变监测采用的传感器是HNY型混凝土内埋式应变传感器，测试分析系统采用DH3816N静态应力应变测试分析系统如图3。现拟定测点布置方案为顺隧道方向每隔3m选取一个控制截面，在每个控制截面上的侧墙中心处分别布置一个测量竖向应变值的测点。应变监测布置如图4所示。

图3 静态应变测试仪

图4 下穿段测点布置图

4 数据分析

4.1 竖向位移分析

图5 位移随时间的变化图

图6 累积隆陷图

在刀盘到达224环前，三个测试点累积竖向位移均表示沉降。在刀盘到达224环时，盾构进入测试点的扰动区，三个测试点均有明显的隆起现象，其中测点230的隆起最为明显，隆起值为1.52mm。当刀盘继续前进，达至穿越位置前均出现沉降，与后来数据对比，数据应该是在刀盘到达一定时间后测得，所以表现为沉降，在临近穿越位置时，测点200与测点230，均表现了明显隆起。在达至穿越位置后239环，测点200表现出沉降，沉降值为-0.3mm。此时应是盾尾脱出而使其向下变形，而230与260继续表现为隆起。在239处停机10小时，所受扰动逐渐被平衡，所有测点均表现沉降；继续穿越，测点230表现出隆起（盾构正穿），隆起值为0.78mm，其余两侧点均为沉降，分别为1.63mm、2.11mm。随着衬砌拼接，均有变形回弹。测点200隆起 1.21，230沉降 -0.47mm，260隆起0.75mm。本次监测累积隆沉值最大值为-5.1mm，小于控制值20mm。具体数值如图5、图6。

从以上图中可以看出：

①整体穿越过程表现出隆起趋势，不论土体是受到盾构推力的挤压作用，亦或是穿越过程中以盾构机盾体代替移除的土体，都使上方的矩形隧道受到向上的挤压；

②盾构的穿越对临近既有矩形隧道，在进入扰动区后，均有扰动，位移均为向上隆起；

③在停机休息时，土体会自我平衡被破坏的应力场，产生变形回弹，表现为向下沉降；

④随着盾尾拖出与衬砌的拼接，被抬起的变形又会回弹，重新进入平衡状态。

4.2 应变分析

取 3个应变测点分别为 CS20、CS25、CS30来进行分析。其中测点CS20在盾构穿越的起点段，CS25在穿越段，CS30在终点段，如图7所示。

从上图中可以看出：

①各点应变随着盾构机的推进在不断增大，最大约为150微应变，未超过混凝土的抗拉应变；

图7 应变变化图

②随着盾构机的推进，起点应变先增大，当盾构机进入穿越中点时，起点应变开始回落至稳定值，中点应变一直在增大，但后期增大趋势开始平缓，而终点应变一直在增大，未见下降。说明盾构机对矩形隧道的影响是按盾构机穿越时序来的，其应力恢复也需要一段时间。

5 结论

针对常州市某地铁的实时监测，研究了由于盾构推进而引起的土层扰动变形的规律性对已建隧道产生的施工影响进行了分析。对本次监测累积隆沉值最大值为-5.1mm，小于控制值20mm，本次穿越控制良好。隧道前方一段距离为扰动区，随着盾构机的推进，既有隧道所受的压力变大，表现为隧道竖向位移趋势为隆起，而矩形隧道应变有所增大。在施工中应予以注意。盾构机在停机休息时，被扰动的土体自我平衡被扰动的应力场，从而使隆起处沉降，应变恢复。盾构机远离检测段时，土体以及既有隧道侧壁自我恢复变形，重新平衡应力场。