富水砂层类矩形盾构上跨既有隧道实测分析

2022-08-05成广谋桂焱平丁智刘帅玺姜宜杰杨志德董毓庆

低温建筑技术 2022年6期

成广谋，桂焱平，丁智，刘帅玺，姜宜杰，杨志德，董毓庆

（1.杭州市地铁集团有限责任公司，杭州 310003；2.浙江华东测绘与工程安全技术有限公司，杭州 311122；3.浙大城市学院土木工程系，杭州 310015；4.杭州岩通科技有限责任公司，杭州 310000）

0 引言

随着地下空间的开发利用，地下交通网络愈加密集，地下可利用空间越来越少，如何提高隧道空间利用率已成为亟待解决的问题。目前，提高空间利用率的断面结构形式主要有大直径单圆、双圆。然而大直径单圆盾构，由于掌子面直径大，需要一定的覆土厚度，不适用于空间受限的环境，且容易出现超挖现象造成严重的地表沉降，影响周边建（构）筑物的安全［1］；双圆盾构海鸥块背土、挤土效应严重，且易发生自转，进一步增大地表沉降［2］。因此类矩形盾构在空间受限的城市轨道交通领域更具优势。2015 年宁波市轨道交通3 号线率先引进类矩形盾构工法，开创了我国类矩形盾构工法施工的先河［3］。目前对于类矩形盾构施工对周围环境影响的研究，主要以理论解析法［4-6］和数值模拟法［7-10］为主，对于实测分析研究相对较少。司金标［11］通过实测分析，总结了类矩形盾构隧道施工引起地层竖向变形的基本规律。在此基础上，张雪辉等基于弹性力学Mindlin 解，分析刀盘正面附加推力、壳体与土体之间摩阻力、同步注浆压力以及土体损失4种因素的共同作用下类矩形盾构施工引起的地表沉降。魏纲等在研究土体损失中引入了开挖面收敛模式参数和纵向损失率修正公式，进一步完善了类矩形盾构施工引起土体竖向位移研究。

杭州市地铁隧道纵横交错，盾构穿越工程数量较多，密集的城市地铁网络给类矩形盾构施工带来巨大潜在风险，而类矩形盾构掘进引起的既有隧道变形特征尚缺乏认识。以杭州某地铁隧道类矩形盾构施工区间施工为背景，结合工程资料及现场监测数据，分析类矩形盾构浅覆土掘进施工引起的地表变形及上跨施工对既有隧道的影响，为类似工程提供借鉴。

1 工程概况

工程地下环境复杂，东侧有5 条已运营的地铁隧道，新建隧道需先穿越3条既有隧道，再与5条既有隧道平行进入站点。5条既有隧道最小埋深为15.271m，地下空间有限，大直径单元盾构难以实施。同时既有隧道上方土体为富水砂层，沉降反应迅速，如果采用双圆盾构，容易出现注浆材料无法及时填充到位的现象，导致地面沉降过大。在此背景下考虑采用类矩形盾构。

1.1 工程简介

盾构隧道全长约1305m。其中采用类矩形盾构法施工区间平面最小半径R=430m，最大纵坡-29‰，埋深4.6～9.8m。类矩形隧道管片外径为11.5m×6.937m，内径为10.6m×6.037m，管片厚度为450mm，管片宽度为1.2m。

类矩形盾构掘进过程中将依次上跨既有1号线下行线、1 号线出段线及4 号线出段线，平面位置如图1所示。类矩形盾构施工段与1号线出段线最小净距约3.1m，且上跨段区域最小覆土仅5m左右，结构剖面相对关系如图2 所示。既有地铁隧道均采用外径6200mm的单圆盾构。为保证既有地铁隧道的结构安全和正常使用，基于既有地铁隧道的服役状态，在1号线下行线91 环、1 号线出段线145 环、4 号线出段线131环、4号线入段线32环及1号线右线159环采取微扰动加固，在1 号线出段线3 环（270 环、278 环、326环）采取钢环预加固。

图1 平面关系

图2 剖面相对关系（单位：mm）

1.2 地质水文

类矩形隧道位于3-3砂质粉土和3-5质粉土夹粉砂层中。既有隧道位于3-5 砂质粉土夹粉砂层、6-1淤泥质黏土和6-2淤泥质黏土。场地上部地下水属潜水，下部第6-1层圆砾层中赋存有承压水，勘探期间测得场地稳定水位埋深为1～2m（属混合水），地下水位年变化幅度1～5m。

2 变形监测

在类矩形盾构隧道近距离上跨既有隧道时，为确保盾构掘进施工的安全和轨道交通区间隧道结构的安全，在既有隧道内及地表布设变形监测点。

2.1 监测方案

既有隧道监测断面布设在1 号线下行线、1 号线出场线、4 号线出场线，采用自动化监测，断面布设范围见表1，断面间距见图1，在盾构穿越投影区域每2.5环布设一个，其他区域每5 环布设一个。地表监测断面每20 环布设一个，断面布设8 个点，间距分别是隧道中心轴线外侧2.5、5.5、8.5、13.5、19.5m。盾构轴线监测沿隧道方向在左、右行线按5环（6m）间距布设一组监测点，分别于区间盾构左、右线轴线上方及盾构中心线上方布设。

表1 自动化监测范围

2.2 监测分析

2.2.1 非上跨段地表沉降分析

图3（a）所示为DBC5断面隧道上方3个测点的竖向位移历时曲线，图3（b）为DBC25断面隧道上方3个测点的竖向位移历时曲线，横坐标为时间，纵坐标为断面累计沉降值。6 条曲线整体可分为快速沉降、沉降平稳2 个阶段。盾构到达DBC5 断面前，测点平均下沉0.62mm，占最终沉降的5.5%。盾构通过DBC5时，测点平均下沉0.63mm，占最终沉降的5.5%。盾尾通过DBC5 后，测点平均下沉9.94mm，占最终沉降的89%。最终沉降稳定在-13.68mm。DBC25 断面快速沉降阶段出现急剧的隆起是由二次注浆量过大引起的。DBC25-1及DBC25-2测点发生较大地表沉降，现场采取二次注浆进行控制，但是注浆压力过大导致地面隆起。DBC5断面平稳沉降阶段中由于二次注浆使得地表沉降减小。断面最大沉降发生在右线中心线上方，沉降速度约为3.44mm/d。工程所处地层为富水砂层，盾构掘进对砂层地质的沉降反应很快［12］。因此类矩形盾构在富水砂层中掘进时要根据监测数据及时采取二次注浆并调整注浆压力，防止地表产生较大隆起和沉降。

图3 地表沉降历时曲线

图4所示为土压和地表沉降关系。由图可知，土压和地表沉降呈正相关。土压力较小时，掌子面前方土体会向刀盘内涌进，导致前方土体损失引起地表沉降。土压力较大时，盾构刀盘会挤压掌子面前方土体引起隆起。类矩形盾构在富水砂层中掘进时土压力应控制在1.2～1.3bar。

图4 土压和地表沉降关系

2.2.2 上跨段地表沉降分析

图5 所示为DBC220 断面和DBC200 断面隧道上方3 个测点的竖向位移历时曲线，6 条曲线整体可分为急剧隆起、快速沉降、平稳沉降3个阶段。盾构到达DBC220 断面前，测点平均上浮24.04mm。盾构通过DBC220 时，测点平均下沉76.78mm，占最终沉降的81.8%。盾尾通过DBC220后，测点平均下沉17.14mm，占最终沉降的18.2%。最终沉降分别稳定在-100、-75mm 和-33mm。DBC200 断面在盾构到达前出现的剧烈沉降，认为是由盾构机开仓清障施工引起的。相较于非上跨地表沉降历时曲线，上跨段盾构到达前产生的隆起更为剧烈，最大隆起为53.1mm，远大于非上跨段的隆起量。上跨段盾构通过时地表沉降变化较大，地表最大沉降速度为42mm/d，相较于非上跨段提升了约12倍，脱离盾尾后地表沉降趋于稳定。断面最大沉降也由右线中心线上方转为左线中心线上方。可见，盾构通过断面时产生的沉降量最大，在上跨既有线时类矩形对周围土体的扰动增大，加剧了砂层地质的沉降反应。矩形盾构在富水砂层中上跨既有线时要注意控制盾构通过阶段的地表沉降，及时采取措施。此外还需做好地质勘察，防止盾构机停机产生大量沉降。

图5 地表沉降历时曲线

2.2.3 既有线变形分析

图6～图8为既有隧道道床沉降曲线，横坐标为时间，纵坐标为道床竖向位移，正值为隆起，负值为沉降，图中阴影区域为上穿投影区。由图可知，1号线出线段和4 号线出线段道床竖向位移分布呈中间大、两侧小的趋势，最大隆起位于类矩形盾构隧道中心线的正下方，与单圆盾构近距离上穿既有线的规律［13］基本一致。但是，不同于单圆盾构上穿既有线，在类矩形盾构与既有线交叉穿越范围外两侧40环内，既有线道床下沉，且掘进方向左侧隧道沉降大于右侧，这是由于同步注浆导致的。盾构通过后，隧道两侧土体受同步注浆影响，发生明显的沉降，产生的附加应力作用于既有隧道，使得既有隧道产生沉降。隧道左侧注浆较大，产生了更大的附加应力，使得左侧隧道道床沉降大于右侧。类矩形盾构上跨施工对1号线下行线道床沉降的影响范围为交叉区域及其右侧，交叉区域952～959环道床下沉是由既有隧道列车通过产生的震动引起的。

图6 1号线下行线道床沉降曲线

图7 1号线出段线道床沉降曲线

图8 4号线出段线道床沉降曲线

图9～图11 为既有隧道道床差异曲线，横坐标为时间，纵坐标为道床差异沉降，图中阴影区域为上穿投影区。由图可知，1 号线出线段和4 号线出线段道床差异沉降以交叉点为中心呈中心对称分布，与盾构近距离下穿既有隧道的规律［14］相吻合，相较于普通圆形盾构，类矩形盾构的道床差异沉降曲线波动较大。由于4号线出线段113～120环左侧为类矩形盾构接收井，隧道受其影响使得113～128 环出现较大的道床差异沉降。1号线下行线道床差异沉降值主要在-0.59～0.08mm范围内，总体差异沉降较小是因为盾构停机前的累计值被忽略。盾构停机清障时，刀盘位于上穿投影区中点，复推时道床差异沉降重新累计，故1号线下行线道床差异沉降值较小。第944环和第974环差异沉降较大是由既有隧道列车通过产生的震动引起的。

图9 1号线下行线道床差异沉降曲线

图10 1号线出段线道床差异沉降曲线

图11 4号线出段线道床差异沉降曲线

图12～图14为既有隧道道床净空收敛曲线，横坐标为时间，纵坐标为净空收敛位移，正值为水平扩径，负值为水平缩径，图中阴影区域为上穿投影区。由图可知，类矩形盾构上穿引起的各既有隧道最大净空收敛发生在类矩形盾构隧道中心线的正下方，既有隧道净空收敛分布呈V型曲线，主要影响范围是盾构交叉范围，与圆形盾构近距离下穿既有隧道［15］的规律相同。但是，圆形盾构下穿既有隧道所得曲线以正值为主，而类矩形上跨所得曲线多为负值，这是由于工况不同导致的。隧道下穿时，盾构掘进造成既有线下方土体损失，使得既有线上部土压相对变大，隧道水平直径变大。类矩形盾构上穿时，盾构掘进造成既有线上方土体损失，使得既有线两侧土压相对变大，隧道水平直径变小。相较于普通圆形盾构，类矩形盾构隧道净空收敛曲线波动较大。