盾构连续上跨下穿既有线变形规律及控制技术研究

营 升

(中铁十八局集团有限公司,天津 300222)

0 引言

随着地铁建设的飞速发展,许多城市浅层地下空间利用已接近饱和,如需继续拓展地铁网路,就必须使线路在既有线和既有建筑中间叠落穿插、交叉穿越。由此将带来地层扰动、土体损失甚至破坏既有结构稳定性等严重安全问题。因此,研究既有建(构)筑物在盾构穿越复杂工程时的变形规律,并采取有效的控制措施,对保障施工安全具有重要意义。

目前,众多学者结合相关工程实例对盾构隧道穿越既有结构的施工技术开展研究,并且形成了一些研究成果。如:江华等[1]提出了隧道附近的两道沉降缝范围内是双线盾构掘进的主要影响区域;冯国辉等[2]、罗敬炬[3]、骆瑞萍等[4]、邢慧堂等[5]、李本[6]、黎水昌等[7]、杨志勇等[8]、赵宇鹏等[9]围绕盾构隧道上跨、下穿既有建(构)筑物开展了研究,结果表明地层损失率及隧道直径的增加会引起隧道变形近似线性增大,变形大致以盾构隧道45°及上方区域为主要区域;盾构掘进各参数对变形的影响程度各不相同,并根据情况增设加固措施,其中径向注浆方式的加固能力并不会随着厚度的增加而线性增加。此外,刘志涛等[10]、刘映晶等[11]、何占坤[12]还研究了注浆时间、位置、浆液种类对控制隧道变形的有效性;刘建国等[13]从掘进参数角度,得出新旧隧道之间的净距对管片变形影响最大,对注浆量影响较小的结论;Jin等[14]认为新旧隧道间距越小,沉降越大;Chen等[15]提出穿越工程完成后现有隧道的最终沉降剖面呈现“U”形。

尽管在盾构穿越工程方面已取得了一些研究成果,但针对连续上跨、下穿既有地下结构的工程案例研究仍较为欠缺,并且此类穿越施工条件下既有线的变形规律和有效控制对策更为复杂、缺乏成功案例研究和系统性分析。鉴于此,本文依托北京地铁19号线牛街站—金融街站盾构区间续上跨国铁直径线、下穿长椿街车站的工程实例,采用数值模拟计算,并结合现场工程实测数据,对盾构施工过程中既有结构变形规律和相应施工控制措施展开研究,可为今后类似工程施工提供一定参考。

1 工程概况

北京地铁19号线05标牛街站—金融街站区间盾构长度1 820.383m,采用两台土压平衡式盾构机施工,左右线间距19.2～13.0m,区间覆土厚度14.4～25.4m。盾构隧道外径6 400mm,管片厚度300mm,宽度1 200mm。隧道主要穿越土层为粉土、卵石。区间地下水为潜水层,水位埋深26.9～28.0m。

牛—金区间左、右线盾构隧道先后依次上跨国铁直径线、下穿既有2号线长椿街站,穿越段长约17.7m。既有国铁直径线隧道管片外径为11.6m,内径10.5m,管片厚度为550mm,新建隧道底部与国铁直径线隧道顶部净距5.45m。既有长椿街站为地下岛式车站,车站为明挖单层两柱三跨矩形箱体结构,车站宽17.7m,高7.55m,顶板厚0.9m,底板厚0.8m,侧墙厚0.8m。新建隧道顶部与长椿街车站底板边缘竖向净距3.55m。国铁直径线隧道边缘与长椿街车站边缘横向净距约3.6m。穿越段剖面如图1所示。

图1 新建隧道与既有线位置关系Fig.1 The location relationship between the old and new tunnels

2 盾构穿越既有线施工结构变形控制措施

盾构施工需连续上跨、下穿既有线工程,且盾构与既有线净间距小,除在盾构施工过程中对掘进参数、出渣量、注浆量、监控测量等方面进行严格控制外,还必须增设加固措施,因此提出了“盾构径向注浆+车站底板注浆”的加固方案,具体措施如下。

2.1 新建隧道径向注浆

在新建盾构隧道管片增设径向注浆孔,离盾尾5～10环;盾构区间通过后,从隧道内采取径向注浆的方式加固盾构区周围土体,注浆范围为盾构区间外轮廓线外环厚2.0m,注浆压力≤0.3MPa,严格控制注浆压力及注浆量,保证注浆效果。

2.2 既有长椿街车站下方土体注浆加固

在车站附近增设一座临时施工竖井及横通道,利用已开挖完成的探测横通道进行深孔注浆,加固新建盾构区间左右线结构两侧10m范围内,以及既有长椿街站结构两侧各5m范围内的土体;注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆(砂卵石地层)、超细水泥-水玻璃双液浆(粉细砂地层),注浆压力为0.3MPa,如图2所示。

图2 穿越段土体加固Fig.2 Soil reinforcement in crossing section

3 盾构穿越既有建筑数值模拟分析

3.1 模型建立及参数设置

根据工程资料和施工线路的相对位置,为了避免模型边界效应影响计算结果,取3～5倍开挖洞径作为模型边界,以新建隧道轴线方向为y方向,建立x=78m,y=84m,z=50m的地层模型,如图3所示。地层和既有结构的物理、力学参数分别如表1,2所示,土层采用莫尔-库伦本构模型,既有结构采用各向同性的线弹性本构模型。

表1 土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layer

表2 既有线和新建隧道结构参数Table 2 Structural parameters of existing and new tunnels

图3 数值模型及穿越关系Fig.3 Numerical simulation model and crossing relationship

3.2 未加固时盾构上跨国铁直径线变形分析

在新建19号线隧道上跨国铁直径线的过程中,由于卸荷效应和土体扰动,国铁直径线整体呈现出竖向上浮趋势,如图4所示。

图4 盾构开挖引起国铁直径线竖向位移云图(单位:m)Fig.4 Vertical displacement cloud map of the National Railway Diameter Line caused by shield excavation (unit:m)

竖向变形基本以新建隧道沿轴线方向中心截面作为对称轴呈对称分布,中间变形大,两端变形小,左线上跨完成后国铁直径线的最大上浮量为8.34mm,右线上跨完成后国铁直径线的复合最大上浮量为13.50mm。

左、右线上跨完成后其具体变形时程曲线如图5所示。测点位于国铁直径线模型中部拱底位置,左右线数据单独提取,不叠加。

图5 左右线开挖引起国铁直径线竖向变形时程曲线Fig.5 Time history curve of vertical deformation of the National Railway Diameter Line caused by left and right line excavation

国铁直径线的竖向变形可以分为3个阶段。

1)盾构刀盘到达国铁直径线之前 开挖扰动土体范围有限,对既有隧道影响较小,各测点竖向变形表现为较小隆起,均在1.5mm范围内。

2)盾构刀盘到达国铁直径线隧道边缘至盾尾脱出国铁直径线阶段 新旧隧道间距较小,盾构施工对夹层土体扰动较大,既有隧道变形速率加快,变形大幅度增加,其中左线上跨时最大隆起量为3.28mm,右线上跨时最大隆起量为3.09mm。

3)盾尾脱出国铁直径线至盾构远离直径线 此阶段盾构不断远离国铁直径线,开挖扰动逐渐减小,既有隧道竖向位移逐渐趋于稳定,左线开挖完成后,既有隧道最终隆起量为3.73mm,右线开挖完后既有隧道最终隆起量为3.50mm。

在上跨国铁直径线过程中,变形主要集中在第2阶段,第1,3阶段的变形量占比较少。左线上跨时,第2阶段变形量约占总变形量的49.87%,第1,3阶段变形量占比约为38.07%和12.06%;右线上跨时,第2阶段变形量占总变形量约50.00%,第1,3阶段变形量分别占比约为37.71%和12.29%。

3.3 未加固时盾构下穿长椿街车站变形分析

在未做加固措施的情况下,盾构穿越工程将引起车站整体不均匀沉降(见图6),主要表现为向盾构掘进反方向倾斜,沉降变形中间大、两端小,并以新建隧道轴线为对称轴分布。

图6 盾构开挖引起长椿街车站竖向位移云图(单位:m)Fig.6 Vertical displacement cloud map of Changchun Street Station caused by shield excavation(unit:m)

提取车站上布置的结构竖向变形测点SJC102～SJC106(下行线侧墙测点)、SJC202～SJC206(上行线侧墙测点)数据,绘制变形与掘进进度相关曲线,具体如图7所示。

图7 盾构开挖引起长椿街车站竖向变形时程曲线Fig.7 Time history curve of vertical deformation of Changchun Street Station caused by shield excavation

长椿街车站的竖向变形也可以分为3个阶段。

1)盾构刀盘到达长椿街车站前 开挖扰动土体范围有限,对长椿街车站影响较小,各测点的竖向变形表现为微小沉降,左线到达时沉降量最大为-3.37mm,右线到达时沉降量最大为-4.65mm。

2)刀盘到达长椿街车站下行线至盾尾脱出长椿街车站上行线阶段 夹层土受到较大扰动,车站结构的竖向变形趋势加快,各测点的变形量大幅度增加,其中左线上跨时最大沉降量-11.67mm,右线上跨时最大沉降量为-11.33mm。

3)盾尾脱出长椿街车站至盾构远离车站 开挖扰动对车站的影响逐渐减小,车站的竖向位移趋于稳定,左线开挖稳定后的最终沉降量为-12.52mm,右线开挖稳定后的最终沉降量为-11.87mm。

下穿长椿街车站过程中,盾构引起的车站变形主要集中在第2阶段,另外两阶段的变形较少。左线上跨时,第2阶段的变形量约占总变形量的81.36%,第1阶段和第3阶段变形量分别占比约为13.23%和5.41%;右线上跨时,第2阶段的变形量约占总变形量的75.74%,第1阶段和第3阶段变形量分别占比约为19.39%和3.87%。

3.4 盾构穿越既有建筑变形控制措施模拟计算

在没有加固措施的情况下,盾构施工对土层扰动较大,土中的应力重分布和二次固结现象对既有线影响明显,国铁直径线和长椿街地铁站均产生了严重变形。

因此,再次建立模型,并增设加固措施,加固措施如前所述: ①对长椿街车站底板处的土体进行深孔注浆加固。 ②在新建盾构隧道管片离盾尾5～10环增设径向注浆孔,层厚2m。通过数值模拟探究加固措施的有效性。

加固区力学性质介于混凝土与土体之间,本构模型采用莫尔-库伦模型,车站底板加固仅考虑深孔注浆完成后的效果,对加固区土体进行赋值。加固区的物理力学参数如表3所示,其数值模型如图8所示。

表3 加固区材料参数Table 3 Material parameters of reinforced area

图8 加固措施模拟模型Fig.8 Simulation model of reinforcement measures

新建隧道双线开挖完成后,提取国铁直径线与新建隧道相交处隧道拱底典型测点1,2数据(见图9),新建隧道增设径向注浆加固后,对国铁直径线的竖向变形产生明显抑制:加固后典型测点1,2的变形量为1.57mm和1.45mm。相比未加固时,变形量减小了56.87%和57.85%。验证了加固措施对抑制既有线变形的有效性。

图9 国铁直径线典型测点1,2竖向变形时程曲线Fig.9 Time history curve of vertical deformation of typical measuring points 1 and 2 of the National Railway Diameter Line

在车站下方土体增加深孔注浆和对新建隧道增设管片径向注浆后,长椿街车站的竖向变形同样得到很好的控制,提取典型测点3,4数据(见图10):加固后最大变形量为-3.16mm和-3.00mm,相比未加固时,变形量减小比例达74.74%和 74.72%。再次验证“新建盾构隧道径向注浆+既有车站底板深孔注浆”的加固措施对控制既有线变形的有效性。

图10 长椿街车站典型测点3,4竖向变形时程曲线Fig.10 Time history curve of vertical deformation of typical measuring points 3 and 4 of Changchun Street Station

4 盾构穿越既有建筑的实测数据分析

4.1 监测点布置

为探究更加清晰明确的盾构穿越工程对既有建筑的影响规律,在国铁直径线和长椿街车站典型位置处布置多个监测点,监测既有线主体变形。

国铁直径线监测点在里程K4+780—K4+835每5m布置一个断面,长椿街车站的监测点从新建隧道与既有结构相交处中心位置开始布设,中心位置每隔5m布设1个测点,远离中心位置每隔15m布置1个测点,共计布置28个测点。监测点平面布置如图11所示。

图11 测点布置平面Fig.11 Layout plan of measuring points

4.2 盾构上跨国铁直径线变形实测数据分析

选取盾构开挖影响区内变形明显的测点进行分析,监测结果与工程进度的时程曲线如图12所示。

图12 左右线开挖引起国铁直径线各测点竖向变形时程曲线Fig.12 Time history curve of vertical deformation of measuring points of the National Railway Diameter Line caused by left and right line excavation

在实际上跨过程中,国铁直径线隧道竖向变形可以分为3个阶段。

1)第1阶段为19号线盾构到达前,对应环号为610～628环。此阶段盾构在逐渐靠近直径线隧道,由于土体扰动作用较小,隧道的竖向变形不大。左线开挖时,最大变形为0.46mm,右线开挖时,最大变形为0.29mm。

2)第2阶段为刀盘到达直径线正下方至盾尾脱出,对应环号为628～645环。此阶段的变形增长较快,各测点表现为隆起,这是由于上方土体的卸荷作用导致的。左线开挖时,国铁直径线上新旧隧道轴线相交处的变形最大,为1.58mm(测点SDC-07);右线开挖时,最大变形出现在同一位置,为1.45mm(测点SDC-09)。

3)第3阶段为盾尾脱离直径线至远离,对应环号为645～666环。由于盾构在不断远离直径线,并且增设了径向注浆,各测点的变形都逐渐趋于稳定。

综上,在19号线隧道上跨国铁直径线时,其竖向变形主要集中在第2阶段,选取左右线开挖后最大变形测点进行各阶段变形分析,得到的结果如表4所示。由表4可知,左、右线上跨时,第2阶段变形占比分别为70.73%和73.89%。

表4 上跨过程国铁直径线竖向变形情况Table 4 Vertical deformation of the National Railway Diameter Line in the process of over crossing

4.3 下穿长椿街车站变形分析

选取测点SJC102～SJC106,SJC202～SJC206的变形数据对下穿过程中长椿街车站竖向变形进行分析,绘制其变形时程曲线如图13所示。

图13 左右线开挖引起长椿街车站各测点竖向变形时程Fig.13 Time history curve of vertical deformation of measuring points at Changchun Street Station caused by left and right line excavation

在左右线下穿时,长椿街车站的竖向变形也可以分为3个阶段。

1)第1阶段为19号线盾构到达前,对应环号为620～641环。此阶段盾构缓慢靠近长椿街车站,由于盾构推力作用,测点出现微小隆起。左线开挖时,最大变形为0.32mm;右线开挖时,最大变形为0.22mm。

2)第2阶段为刀盘到达长椿街车站正下方至盾尾脱出,对应环号为641～663环。此阶段的变形增长较快,此时由于车站下方土体存在卸荷效应,导致土体内应力重分布,各测点表现为沉降。左线开挖时,位于左线与直径线隧道交叉处测点SJC203的变形最大,沉降为-3.05mm;右线开挖时,最大变形也出现在两隧道交叉处的测点SJC105,沉降为-3.06mm。

3)第3阶段为盾尾脱离长椿街车站,对应环号为663～680环。由于盾构在不断远离车站,土层的扰动范围有限,各测点的变形都逐渐趋于稳定。

综上,在19号线隧道下穿长椿街车站时,其竖向变形主要集中在第2阶段,选取左右线开挖后最大变形测点进行各阶段变形分析,得到的结果如表5所示。由表5可知,左、右线上跨时,第2阶段变形占比分别为87.05%和83.68%。

表5 下穿过程长椿街车站竖向变形情况Table 5 Vertical deformation of Changchun Street Station when undercrossing

4.4 实测数据与数值模拟结果对比

新建隧道加固前后既有线的最大变形量及现场实测数据如表6所示。结果显示,在此类复杂穿越工程中,盾构在粉细砂、卵石、无水地层中连续上跨下穿既有线工程中,采取“新建隧道径向注浆+既有车站底板深孔注浆”的加固措施,能够使既有建筑变形得到良好的控制。

表6 加固后既有建筑变形情况Table 6 Deformation of existing buildings after reinforcement

在实际工程中,国铁直径线隧道竖向变形平均最大降低了56.3%,长椿街车站的竖向变形平均最大降低了74.85%。

5 结语

本文以北京地铁19号线盾构隧道连续上跨国铁直径线、下穿长椿街车站为工程背景,通过数值模拟与实测数据结合的方法,分析了在穿越施工过程中既有建筑的变形规律及变形控制措施。

1)新建盾构在上跨国铁直径线和下穿长椿街车站的过程中,其变形均可分为3个阶段: ①刀盘到达前; ②刀盘到达至盾尾脱出; ③盾尾脱出至盾构远离。并且变形主要集中在第2阶段,上跨国铁直径线时其3个阶段的竖向变形占比分别约为38%,50%和12%;而下穿长椿街车站时,3个阶段的竖向变形分别为16%,78%和6%。

2)在上跨阶段,直径线隧道竖向变形表现为隆起的趋势,变形集中在新旧隧道轴线相交处,并以新建隧道轴线为对称轴对称分布,中间变形大,两端变形小。在下穿阶段,车站变形表现为不均匀沉降,向盾构掘进的反方向倾斜,同样表现为中间沉降大,两端沉降小的对称分布规律。

3)对于此类工程,“新建隧道径向注浆+既有车站底板注浆”的变形控制措施能够有效抑制既有线变形,上跨既有线隧道,变形平均最大降低了56.83%,下穿既有车站,变形平均最大降低了74.85%。