盾构隧道平行转叠线施工地表沉降特征及控制技术*

安建永,雷海波,王若辉,张静涛,丁 灏,任思澔,于 科,杨晓东,管晓明

(1.中国建筑第二工程局有限公司,北京 100160; 2.青岛理工大学土木工程学院,山东 青岛 266555; 3.中建八局第四建设有限公司,山东 青岛 266101)

0 引言

在城市修建地铁隧道时,受地下空间资源、设施限制及线路展线影响,双线平行隧道线路受到限制,在规划设计中不得不将2条平行线路逐渐过渡成上下并行的叠线隧道。由于叠线隧道施工时相互影响,上行隧道施工时必然会造成地层和地面的二次沉降,隧道施工风险成倍增加,可能导致周围建(构)筑物、市政管线等发生较大沉降,造成不可估量的损失。因此,研究叠线隧道施工时引起的地层沉降特征显得十分重要。

目前,叠线盾构隧道施工引起地表沉降特征主要通过理论解析、数值模拟和现场实测数据分析等方法展开。魏纲等[1]、朱卫平等[2]、Fang等[3]研究了叠线盾构隧道掘进引起的地面变形估算的Mindlin公式、Peck修正公式;娄平等[4]、肖潇等[5]采用数值模拟研究了叠线隧道掘进过程中地表的变形特征以及土体沉降规律;沈俊[6]、唐晓武等[7]、廖少明等[8]分别考虑不同开挖次序、克泥效填充、盾构顶推力、注浆压力、渗流、开挖位置关系等因素对地表土层的变化规律;张治国等[9]采用数值模拟和监测相结合方法得出上下交叠穿越软土地铁隧道的变形规律;安红刚等[10-11]基于人工智能神经网络和实测数据建立地表沉降预测模型。综上所述,针对叠线盾构隧道引起的变形特征研究较多,但是对于从平行段过渡到叠线段全过程的地表沉降特征还鲜有研究。

本文以郑州地铁3号线二太区间超小净距叠线盾构隧道为背景,基于现场大量实测数据,得出盾构隧道平行段转到叠线段全过程的地表沉降特征,并提出地表沉降控制措施,为叠线隧道施工提供借鉴。

1 工程概况

郑州市地铁3号线一期工程二太区间,从二七广场站出发,左右线平行隧道净间距为16.2 m,逐渐过渡到净间距为5.4 m上下叠线隧道,净距逐渐缩小至1.8 m,最小净距段长度约98 m,紧邻太康路站南端头,如图1所示。左线隧道顶部埋深18.852～25.375 m;右线隧道埋深11.459～18.853 m。

图1 盾构隧道平行转叠线示意Fig.1 Shield tunnel parallel to overlap construction

叠线隧道穿越地层为富水粉细砂层,且周边环境十分复杂,施工对周边建(构)筑物影响较大。上下行隧道间1.8 m的超小净距,叠线盾构隧道掘进推力分配和姿态控制存在较大困难,极易造成管片破损和错台。更为重要的是,上行隧道盾构掘进时将会造成沉降二次叠加,导致周边建(构)筑物沉降增大,并可能会对下行隧道结构安全造成不利影响。

隧道穿越地层主要为细砂、粉质黏土,上覆地层主要为杂填土、砂质粉土、黏质粉土、粉质黏土、粉砂、细砂等。工程地质剖面如图2所示。

图2 盾构隧道工程地质剖面Fig.2 Engineering geological profile of shield tunnel

该区间使用中铁装备φ6 460 mm土压平衡盾构机盾构掘进。盾构总推力为8 085.35～17 209.54 kN,掘进土压为1.1～2.2 bar;注浆压力为0.25～0.4 MPa,二次注浆压力为0.3～0.4 MPa。

2 平行转叠线施工地表沉降特征

2.1 监测布置

1)盾构始发与接收段的100 m内每6 m设1个测点,每30 m设1个监测断面,每个断面7～9个测点。

2)在盾构标准段每15 m设1个测点,每60 m设1个监测断面,每个断面7～9个测点。

3)在盾构叠线段时每10 m设1个轴线测点,每10 m设1个监测断面。

根据盾构隧道的变化情况,分别划分成平行段、过渡段、叠线段3段。

2.2 平行段隧道地表沉降特征

平行段隧道上方地表选取2个典型监测断面DBC21,DBC41及测点共8个,地表沉降如图3所示。

图3 平行段地表测点沉降Fig.3 Settlement of surface measuring points in parallel section

从图3可以看出:隧道始发是左线隧道先开挖,地表由于受到盾构机推力的影响,产生一定的隆起位移,2个断面的最大隆起值为1.02 mm;随着盾构继续掘进,地表变形由轻微隆起转变为沉降。为了有效控制沉降,根据需要及时采取二次补浆措施,以弥补部分地表沉降,使得左线隧道通过平行段之后,地表最大沉降控制在2.5 mm以内。而右线隧道开挖时,由于隧道二次开挖使得土体受到二次扰动,地表沉降进一步增大,最大沉降达到6.65 mm。通过二次补浆之后,地表略有抬升,沉降最终控制在6 mm以内。

2.3 过渡段隧道地表沉降特征

过渡段隧道上方地表选取4个典型监测断面(DBC181,DBC221,DBC261,DBC281)及测点共16个,地表沉降如图4所示。在盾构隧道过渡段(见图4),左线隧道埋深先增大再减小,右线隧道埋深先减小后增大。从图4可以看出,左线隧道先开挖,由于过渡段埋深比平行段大,盾构机推力造成的地表隆起略有减小,最大隆起值仅为0.54 mm,而最大沉降均控制在3 mm之内。在DBC221-4测点,由于二次补浆压力控制不佳,造成地表隆起增大到1.46 mm,需要引起注意。

图4 过渡段地表测点沉降Fig.4 Settlement of surface measuring points in transition section

当右线盾构隧道掘进时,由于埋深变浅,且左右线隧道相互影响逐渐增大,对地层的二次扰动也会加剧,相比平行段会产生更大的沉降。对于DBC181断面和DBC221断面,盾构刚抵达测点断面时的隆起不明显,随之开始沉降,沉降幅度较平行段有一定的增加,最大沉降值为5.4 mm,二次补浆后地层抬升明显。对于DBC261断面和DBC281断面,由于隧道监测断面处于粉砂层之中,相比黏土层在开挖扰动下变形更剧烈,从而引起地层发生较大沉降,且沉降过程所需时间变短,不利于地表沉降控制。DBC261断面和DBC281断面中,隧道掘进造成的最大沉降值分别达到11.3 mm和13.5 mm,过渡段地表沉降较平行段显著增大,且二次补浆后地表抬升效果不明显。

2.4 叠线段隧道地表沉降特征

叠线段隧道上方地表选取6个典型监测断面DBCZ368,DBC371,DBCZ383,DBCZ407,DBC427,DBC431及测点共12个,地表沉降如图5所示。下行隧道掘进时,由于隧道埋深较大,且拱顶上方存在较厚的粉质黏土层,此时地表沉降控制较好,大部分测点沉降均控制在2～6 mm,能较好地满足变形控制要求。当上行隧道掘进时,地表沉降随之快速增加,短时间内图5a～5d最大沉降值达26.63 mm,迅速超出地表沉降控制标准值。后续及时采用二次补浆措施抬升地层,使得地表沉降有所减小,最终最大沉降值均控制在20 mm以内,基本满足沉降控制要求。

图5 叠线段测点沉降Fig.5 Settlement of surface measuring points in overlapped section

上下叠线段地表沉降过大的原因主要有两方面。

1)在叠线段隧道,由于上下行隧道之间的净距越来越小,由5.4 m逐渐减小到最小净距仅1.8 m,上下叠线隧道的相互影响会更加强烈,对上覆地层引起强烈的二次扰动,造成地表产生较大沉降。

2)上行隧道穿越地层及上覆地层为粉砂层,地层稳定性差,相比黏土地层,受到二次扰动地层更易发生较大变形,导致上线隧道掘进时,地表沉降迅速增大。

对于图5e中DBC427和图5f中DBC431断面,上行隧道掘进引起的最大沉降分别为8.14 mm和6.86 mm,远小于测点图5a～5d的最大沉降。除了上覆地层为黏质粉土外,主要是由于对接收端头的加固有效减小沉降。

2.5 平行段到叠线段沉降变化规律

盾构隧道平行段、过渡段、叠线段地表沉降变化规律如图6所示,可以看出,随着2条隧道从平行变为斜向到最后上下叠线施工,沉降总体变化趋势逐渐增大,且富水砂层叠线段沉降是最大的。具体根据施工可划分为3个阶段。

图6 盾构隧道地表沉降变化规律Fig.6 Variation of ground settlement of shield tunnel

1)从平行段隧道开挖到叠线段隧道开挖过程中,最开始由于2条隧道处于平行位置,左右线开挖对地表的最大沉降影响较小,叠加效应主要体现在地表沉降的横向范围,所以初期地表最大沉降较小。

2)隧道开挖进入过渡段之后,由于地层、埋深变化和下线隧道开挖时的扰动,上线隧道开挖时引起的地表沉降逐渐增大。

3)隧道开挖进入叠线段时,由于2条隧道间距逐渐减小,下线隧道开挖之后对上线隧道开挖的影响逐渐增大,上线地层又变为砂层,导致地表沉降迅速增大,达到26.63 mm,之后采取二次补浆措施才得以控制。

3 沉降控制技术措施

针对盾构隧道平行转叠线施工引起的地表沉降过大,提出以下安全控制技术措施。

1)交叉叠线盾构隧道施工时,先施工下行隧道,再施工上行隧道,这样可以有效减少上下行隧道施工之间的互相干扰,控制地层变形和地面沉降满足要求。

2)针对富水粉细砂层、周边建(构)筑物环境复杂,无法采用常规加固方法,盾构隧道始发采用水平冻结、“板式”冻结壁进行端头加固后,采用短钢套筒技术进行始发,既可以保证端头土体的稳定性,又可以避免始发渗漏水,效果良好。

3)通过在下线隧道对叠线隧道中间所夹土体进行注浆加固,上行隧道施工时,在下线隧道采用滚轮台车进行支撑,确保下行隧道稳定;上下隧道施工过程中,再对中夹土层进行补注浆加固,确保了中夹土层的强度,控制了地层的变形。

4)叠线隧道施工时,盾构掘进采用完全土压平衡模式,匀速、快速掘进,严格控制出土量,确保同步注浆注入量,根据推进速度的快慢调整注浆量,避免地层发生较大沉降;避免大幅度的轴线纠偏动作;增设注浆孔管片,根据地表沉降情况及时进行二次注浆,可以控制地层的稳定;同时加强监测管片位移、隧道位移和地表沉降,根据监测反馈信息及时调整盾构隧道掘进参数。

5)上行隧道接收时,针对接收端场地狭小、周边环境复杂,采取素墙+地面局部注浆+水平注浆+降水井进行端头加固,并采用钢支撑平台进行接收。

4 结语

依托实际工程,针对盾构隧道平行段、过渡段和叠线段掘进施工引起的地表沉降特征进行研究,主要得出如下结论。

1)平行段左线隧道掘进引起地表最大沉降在2.5 mm之内。而右线隧道开挖时,由于2条隧道上方沉降发生一定程度叠加,地表沉降增大到6.65 mm。

2)在过渡段,由于隧道左右线埋深和上覆地层发生变化,右线隧道掘进对地层二次扰动加剧。由于砂层相比黏土层在开挖扰动下变形更剧烈,引起地层发生较大沉降,右线隧道掘进时最大沉降值达到13.5 mm,过渡段地表沉降较平行段显著增大。

3)在叠线段隧道,由于上下行隧道之间的净距减小,上行隧道掘进引起上覆地层强烈的二次扰动,造成地表产生较大沉降,且由于上行隧道穿越地层及上覆地层为粉砂层,地层稳定性差,导致上线隧道掘进时,地表沉降迅速增大,最大值达到26.63 mm。通过采用二次补浆措施实现地表抬升。

4)针对盾构隧道平行转叠线施工引起的地表沉降过大问题,提出安全控制技术措施,包括“先下后上”、冻结、夹层注浆、支撑台车和端头加固等措施,取得良好效果。