近距離三線并行盾構(gòu)隧道施工影響分析

近距離三線并行盾構(gòu)隧道施工影響分析

1應(yīng)力監(jiān)測后推及相互影響研究隨著城市化進(jìn)程的加快，尤其是20世紀(jì)90年代以來，地鐵建設(shè)已成為城市公共交通發(fā)展的主流。因?yàn)榈罔F網(wǎng)絡(luò)的逐步形成,當(dāng)使用盾構(gòu)工法新建地下管線或隧道時(shí),新建隧道和原有的地鐵隧道近距離相鄰的概率越來越大,由此引發(fā)了大量施工相互影響的問題。特別是在上海、天津等具有濱海相軟弱土層的城市中,由于存在諸多不確定地質(zhì)因素,如何控制施工變形,以減小對(duì)鄰近已建隧道的影響已經(jīng)成為目前盾構(gòu)法隧道工程中的熱點(diǎn)問題之一。針對(duì)這一問題,曾小清等對(duì)雙線并行盾構(gòu)隧道的相互影響的進(jìn)行了數(shù)值模擬,林志等對(duì)近間距雙線大直徑泥水盾構(gòu)施工相互影響的施工技術(shù)和施工參數(shù)進(jìn)行過一些相關(guān)研究。廖少明等還通過考慮縱向剪切傳遞影響探討了不同地基變形模式下,后推隧道對(duì)已建隧道結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律。但三線并行隧道相互影響并不多見,有許多問題仍有待優(yōu)化、完善和改進(jìn)。如后推盾構(gòu)施工對(duì)周圍土體的二次擾動(dòng)影響、盾構(gòu)在已擾動(dòng)過的兩隧道之間推進(jìn)對(duì)已建隧道的影響等,以便在設(shè)計(jì)和施工時(shí)有據(jù)可依。本文針對(duì)上海地鐵9號(hào)線某區(qū)間三線并行盾構(gòu)隧道工程,主要研究因開挖、地層損失、施工擾動(dòng)等原因?qū)嚯x已建隧道的影響進(jìn)行研究,通過對(duì)現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析,得出盾構(gòu)法施工對(duì)近距離并行隧道的施工影響規(guī)律。2試驗(yàn)研究和土體擾動(dòng)特性分析上海市軌道交通9號(hào)線一期工程西出入段盾構(gòu)隧道(九亭站-七寶站)位于上海市閔行區(qū)滬松公路沿線,線路呈西東走向,全長510.448m;西出入段隧道在已建成的上下行線間平行推進(jìn),上下行線間距為20m,而與西出入段線間距均為10m,管片外壁最小凈距僅為3.8m,小于1倍的隧道。平面圖見圖1所示。采用日本三菱6340mm帶面板式刀盤的鉸接式土壓平衡式(EPB)盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī),盾構(gòu)機(jī)長8.6m,盾構(gòu)外徑為6.34m,盾構(gòu)殼厚7cm。隧道覆土厚13.0~14.0m,地面標(biāo)高4.8~6.2m,盾構(gòu)主要穿越的土層為灰色粘土層,隧道所穿越的主要地層的基本物理力學(xué)指標(biāo)見表1。在如此近距離情況下,盾構(gòu)在被先期推進(jìn)盾構(gòu)已擾動(dòng)過的土層中施工時(shí),已建隧道將承受第二次的變形擾動(dòng),而后建隧道盾構(gòu)施工也必然對(duì)已建隧道產(chǎn)生影響。如何保證近距離并行施工情況下盾構(gòu)的順利推進(jìn)和鄰近已建隧道的安全,是施工中非常關(guān)注的問題。本文選取試驗(yàn)段對(duì)盾構(gòu)施工過程中土體擾動(dòng)特性和對(duì)鄰近已建隧道的影響進(jìn)行了全過程監(jiān)測,主要以切口到達(dá)前、盾構(gòu)通過中和盾尾脫出之后3個(gè)階段,動(dòng)態(tài)分析盾構(gòu)周圍土體變形規(guī)律。土壓力設(shè)定值以地質(zhì)資料為基礎(chǔ),其設(shè)定值為:作用于開挖面的靜止土壓力+α(經(jīng)驗(yàn)值)?，F(xiàn)場調(diào)整根據(jù)盾構(gòu)機(jī)停止時(shí)的土壓、水準(zhǔn)測量、地表面的變化狀態(tài)等的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)綜合進(jìn)行確定。根據(jù)穿越過程中盾構(gòu)機(jī)中心線埋置深度的變化,施工時(shí)土壓力設(shè)定為213kPa~190kPa之間,并隨著隧道埋深的逐漸變淺而減小,α的取值在100~120kPa之間。3結(jié)構(gòu)施工區(qū)土壤干燥特性分析3.1分層沉降監(jiān)測在縱向30m范圍內(nèi)布置3個(gè)監(jiān)測斷面,依次為A-A、B-B、C-C斷面,由于上下行線隧道關(guān)于西出入段軸對(duì)稱,測點(diǎn)均布置在西出入段和下行線隧道之間的一側(cè)。其中A-A橫剖面測點(diǎn)布置如圖2所示。測點(diǎn)說明:FF1/CF1/KA1各字母分別表示分層沉降/測斜/孔壓、F-F/A-A斷面、從中軸線向側(cè)邊依次編號(hào)。深層土體位移監(jiān)測,并行段布置測斜管及分層沉降管各6根,埋深25m,每1m布置1磁環(huán);孔隙水壓力測點(diǎn)2處,孔隙水壓力測點(diǎn)每孔埋置4個(gè)測試點(diǎn),埋置深度7m、13m、18m、23m。深層土體水平位移監(jiān)測采用江蘇金壇志策巖土工程儀器廠DGK-600型活動(dòng)式測斜儀,輪距:0.5m,量程:±15°,分辨率可達(dá):0.01mm/0.5m;深層土體豎向位移采用CJY-80型鋼尺沉降儀,最小讀數(shù):1mm,重復(fù)性誤差:±2mm;孔隙水壓力采用KYJ-37型振弦式孔隙水壓力計(jì),分辨力≤0.05%F·S,綜合誤差:≤1.0%F·S;隧道的位移和沉降根據(jù)國家二等水準(zhǔn)測量規(guī)程進(jìn)行測量,精度為±0.5mm;隧道直徑變化監(jiān)測目前國家沒有相應(yīng)的規(guī)范,按照目前的技術(shù)水平監(jiān)測精度為±2.0mm。3.2深層沉降與地表擾動(dòng)以B-B斷面來分析,FB1測孔離西出入段距離為0.8m,靠近西出入段,斷面隧道中心埋深為13.5m。由圖3可見,在隧道上方土體在盾構(gòu)通過之前,由于盾構(gòu)切口的擠壓作用,表現(xiàn)為輕微隆起,埋深-10m處隆起值為5mm;在盾構(gòu)通過之后,隧道上方土體由于地層損失和固結(jié)作用,表現(xiàn)為沉降,隨時(shí)間的推移,沉降逐漸增大,在地面埋深-4m處,沉降值達(dá)到最大值為-43mm。隧道下方土體,盾構(gòu)通過前后基本沒有變化。測孔上部沉降大下部沉降小,由上至下基本呈線性變化。但是在0~3m處沉降很小,原因是上部0~2m處有一層建筑垃圾組成的厚度為2m雜填土,組成了堅(jiān)硬的一層硬殼層,使上部沉降和深層土體沉降未能同步。FB2測孔離西出入段距離為2.8m,靠近9號(hào)線下行線,其深層土體沉降規(guī)律和FB1相似,但與FB1比較,FB2的沉降較小,最大沉降量為26mm,土體深層沉降的規(guī)律也和地表沉降槽規(guī)律相似,隨離盾構(gòu)中心線距離增大而衰減。根據(jù)上海市單條隧道的施工經(jīng)驗(yàn),地層損失率在0.5%~2%之間,單條隧道產(chǎn)生的地表沉降符合Peck公式:Sx=Vi2π√i×e?x22i2Sx=Vi2πi×e-x22i2(1)iR=(Z2R)0.8iR=(Ζ2R)0.8(2)式中:Sx為距離隧道中心線x處的地表沉降(m);x為距中心線的距離(m);Vi為盾構(gòu)隧道單位長度的地層損失(m3/m);i為沉降槽寬度系數(shù)(m);Z為地面至隧道中心深度(m);R為隧道半徑(m)。根據(jù)地表沉降監(jiān)測資料,試驗(yàn)段地表的最大沉降僅為5.4~8.4mm,根據(jù)Peck公式反算得地層損失率僅為0.26~0.4%,對(duì)于土體重復(fù)擾動(dòng)的三線并行隧道,如此小的地層損失幾乎不可能做到。而由深層沉降監(jiān)測數(shù)據(jù),雜填土以下的軟土層的頂部土層土體沉降最大,達(dá)16~43mm。因此,把硬殼層底部的最大沉降數(shù)值擬認(rèn)為地表沉降,代入Peck公式反算地層損失率,可得在1.46~2.36%之間,見表2所示?？梢娮鳛槿€近距離隧道盾構(gòu)的施工,對(duì)土體的重復(fù)擾動(dòng)較大,地層損失也較大。地表沉降槽監(jiān)測數(shù)據(jù)并不能作為判別地層損失的唯一依據(jù),當(dāng)?shù)乇泶嬖谟矚訒r(shí),應(yīng)輔以深層沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)。3.3土體位移隨距離的變化以C-C斷面來分析,斷面隧道中心埋深為13.4m。由圖4可見垂直于盾構(gòu)推進(jìn)方向,土體表現(xiàn)向外側(cè)位移,在9~17m深度范圍內(nèi)產(chǎn)生位移,即約1~1.5D范圍內(nèi)變形明顯,水平位移曲線呈“<”型,位移峰值在盾構(gòu)的中心線位置,位移最大值為25mm。后期隨土體固結(jié),土體應(yīng)力釋放,位移最終回彈穩(wěn)定在22mm。而CC2測孔位移規(guī)律與CC1測孔相似,但其位移量明顯比CC1測孔小,最大位移量16mm,說明土體位移規(guī)律隨距離增大而衰減。CC1測孔靠近盾構(gòu)機(jī)很近,土體水平位移的范圍可以認(rèn)為是盾構(gòu)施工直接擠土的范圍,即可以說明直接擾動(dòng)土體范圍在1~1.5D盾構(gòu)范圍之內(nèi),詳見圖5所示。而在靠近下行線一側(cè)的土體的位移,主要受擾動(dòng)土體的擠土效應(yīng)影響。土體的側(cè)向位移是造成鄰近隧道橫向位移的主要原因,但由于隧道本身的剛度和擠土的影響,由隧道位移監(jiān)測數(shù)據(jù)可知土和隧道的側(cè)向位移十分不協(xié)調(diào)。3.4火炬樹超孔隙水壓力是反映盾構(gòu)施工時(shí)對(duì)土體擾動(dòng)最靈敏的指標(biāo),以A測孔來進(jìn)行分析,該測孔位于西出入段和9號(hào)線下行線之間,離西出入段距離為1.8m。由圖6、表3可見,隨著盾構(gòu)推進(jìn),盾構(gòu)側(cè)方土體受到擠壓,孔隙水壓力急劇升高,盾尾脫出時(shí)達(dá)到最大值;盾尾脫出后的2d內(nèi),孔隙水壓力出現(xiàn)突跌現(xiàn)象,這是由于隧道周圍土體向臨空面內(nèi)坍塌引起的,隨后由于盾尾注漿的影響,孔隙水壓力有所回升或維持在一定水平;由于盾構(gòu)推進(jìn)過程中,在不同埋深度孔壓的增幅是不同的,基本與隧道的中心線對(duì)稱,在距隧道底部1D處,孔壓的增幅很小,說明在隧道底部深處,盾構(gòu)施工對(duì)深層土體的擾動(dòng)和擠壓作用影響很小。3.5下行線殘余變形回彈由圖7可見,盾構(gòu)推進(jìn)時(shí),由于盾構(gòu)施工時(shí)側(cè)向的擠土作用,兩側(cè)的上下行線受到向側(cè)向擠壓力,已建下行線隧道向外側(cè)位移。而后當(dāng)盾尾脫出后,由于周圍土體向臨空面坍塌和土體的固結(jié)作用,位移出現(xiàn)小部分回彈。下行線852~832環(huán)對(duì)應(yīng)出入段1~25環(huán)位置。下行線向外側(cè)方向位移,一般為5~6mm,最大8mm,最大值出現(xiàn)在盾尾脫出時(shí),一般盾構(gòu)推過后2d后開始回彈,這與超孔隙水壓力的變化同步,在監(jiān)測結(jié)束時(shí)殘余變形2~3mm,已經(jīng)趨向于平緩變化。這樣的變形量還是很小的,不會(huì)對(duì)下行線的結(jié)構(gòu)和運(yùn)營安全產(chǎn)生影響。3.6西通行段推進(jìn)可能引起沉降變形由于原先9號(hào)線的推進(jìn)已經(jīng)對(duì)原始地層有過一次擾動(dòng)和固結(jié)的過程,西出入段的推進(jìn)必將引起鄰近已建隧道的沉降變形。平行段下行線沉降監(jiān)測見圖8,可見隧道沉降在5mm以內(nèi),在盾構(gòu)推進(jìn)后,下行線沉降出現(xiàn)回彈,在監(jiān)測結(jié)束時(shí)殘余變形2~4mm,趨向穩(wěn)定。3.7管片襯砌變形分析已推隧道收斂點(diǎn)的布設(shè),每隔5環(huán)布設(shè)一收斂監(jiān)測點(diǎn),平均布設(shè)在隧道的兩腰上。布設(shè)位置如圖9所示。取2-3,1-4距離作為橫向變形分析;1-2,3-4距離作為縱向變形分析。下行線橫向總體呈現(xiàn)縮短趨勢,收斂變形在-3mm以內(nèi),數(shù)值變化很小,在盾構(gòu)經(jīng)過時(shí)段內(nèi),離西出入段線較近的一側(cè),伸長+2mm以內(nèi),另一側(cè)伸長不足1mm,局部環(huán)存在縮短?？偟膩碚f西出入段隧道的推進(jìn)對(duì)9號(hào)線下行線管片變形的影響很小。如果考慮原建隧道建成后的受力,適當(dāng)?shù)氖軌鹤冃斡幸嬗谒淼拦芷r砌的內(nèi)力重分配。管片變形示意圖見圖9。4考慮盾構(gòu)掘進(jìn)引起的變形盾構(gòu)施工引起的地層損失和隧道周圍受擾動(dòng)或受剪切破壞的重塑土的再固結(jié),是引起鄰近并行隧道位移和沉降的根本原因。(1)盾構(gòu)正常施工時(shí),盾構(gòu)千斤頂?shù)耐屏Ρ仨毚笥谇斑M(jìn)過程中的各種阻力,前方土體的被動(dòng)土壓力以(45°+Φ/2)擴(kuò)散角受到擠壓加載,引起土體向前,向側(cè)向位移和向上隆起;土體受力和位移傳遞到鄰近隧道,產(chǎn)生側(cè)向位移。(2)在盾構(gòu)通過時(shí),盾殼摩擦剪切周圍土體起主導(dǎo)作用,側(cè)向土體應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜,在盾殼周圍形成剪切擾動(dòng)區(qū),綜合擠壓加固,使側(cè)向土體和鄰近并行隧道的位移進(jìn)一步加大。(3)盾尾脫出后,雖然同步注漿可以有效地填充盾尾間隙,但因其側(cè)向土體的擾動(dòng)很大,土體強(qiáng)度較低,土體向盾尾間隙內(nèi)塌落,周圍土體開始回彈,同時(shí)并行隧道也回彈變形。(4)盾構(gòu)通過后,由于盾構(gòu)掘進(jìn)引起土體孔隙水壓的消散,土體發(fā)生固結(jié)變形,受擾動(dòng)土體的固結(jié)變形,使隧道上方土體產(chǎn)生沉降。盾構(gòu)穿越軟流塑地層時(shí),流變變形也會(huì)引起隧道的長期沉降,但對(duì)側(cè)向變形不會(huì)有影響。5盾構(gòu)壓注漿式土體加固施工措施通過現(xiàn)場監(jiān)測和施工總結(jié),在近距離三線并行隧道施工時(shí)應(yīng)采取相應(yīng)的措施,以減小對(duì)相鄰隧道的施工影響:(1)已建隧道周圍土體進(jìn)行二次注漿加固。通過管片預(yù)埋注漿孔對(duì)隧道襯砌背面3m范圍內(nèi)土體注漿加固,改善已經(jīng)受過盾構(gòu)推進(jìn)施工擾動(dòng)的該區(qū)域土體。壓注漿液可采用緩凝型水泥~水玻璃雙液漿。通過加固措施,增加隧道的剛度,可有效抵抗盾構(gòu)施工引起的側(cè)向位移和沉降。(2)合理調(diào)整土倉壓力。土倉壓力是產(chǎn)生盾構(gòu)施工擠土現(xiàn)象的主要原因,合理控制推進(jìn)壓力,建立土壓平衡,使盾構(gòu)施工對(duì)土體的擾動(dòng)降低到最低水平。(3)采用慢速推進(jìn)。推進(jìn)速度為10~20mm/min。減慢推進(jìn)速度,一方面有助于提高土體強(qiáng)度,另一方面還可以降低施工對(duì)周圍環(huán)境的擾動(dòng),可以降低盾構(gòu)掘進(jìn)過程中側(cè)壁摩阻力對(duì)周圍土體的影響。(4)關(guān)鍵階段及時(shí)注漿。盾構(gòu)通過和盾尾脫出時(shí)是地面沉降控制的關(guān)鍵階段,管片脫出盾尾后,在管片與土體之間將產(chǎn)生建筑空隙,若注漿不及時(shí),土體很快就塌落到建筑空隙里去,及時(shí)注漿可以有效減小土體擾動(dòng)。6次重復(fù)擾動(dòng)(1)在地表存在硬殼層的情況下,地表沉降槽監(jiān)測數(shù)據(jù)并不能作為判別地層損失的唯一依據(jù),應(yīng)輔以深層沉降監(jiān)