盾构下穿越施工对已建隧道沉降的影响

/盾构下穿越施工对已建隧道沉降的影响

摘

要:通过三维有限元方法对盾构近距离下穿越已建隧道的数值仿真模拟，得出盾构穿越施工时已建隧道随各进尺开挖的的沉降规律及施工影响特点，并依据实测反馈数据进行了对比分析，为合理确定施工方案和已建施工技术爱惜措施的选择供应牢靠的依据。关键词:盾构;下穿越;三维有限元;沉降;监测

1引言

近年来，我国地铁建设发展快速，地铁网络的逐步形成。当运用盾构工法新建隧道时，受地下空间限制及换乘的须要，不行避开地要穿越已建隧道，会遇到不同线路的隧道空间近距离交叉穿越问题。新建地铁隧道工程必需保证现有既有地铁线路的平安，施工面临极大的技术难度和平安风险。

文献［1］接受通用解析Peck公式解析计算了盾构施工引起的邻近地下管线平面处的土体竖向位移。文献［2］运用边界单元法解析计算了盾构掘进施工过程中对已建建筑的影响。有限元数值模拟盾构施工步骤、管片和土层接触面、开挖过程中地应力释放等具有独特的优势，文献［3～6］分别接受二维、三维有限元方法模拟了盾构隧道穿越施工中的深层土体的位移场及邻近隧道的变形规律，分析了覆土、土体强度、结构刚度等因素对已建隧道变形的影响。文献［7，8］通过实测数据对盾构近距离穿越扰动影响问题进行了定量分析。

针对上海地铁7号线某区间近距离下穿越地铁1号线盾构掘进工程，通过数值模拟，得出盾构法施工对近距离下穿越已建隧道的隆沉规律，为合理确定施工方案和施工技术爱惜措施的选择供应牢靠的依据。并在监测反馈中得到印证，探讨了近距离下穿越施工技术限制要领。

2工程概况

地铁7号线某区间隧道施工中，上、下行线隧道在SDK17+040处穿越运营中的地铁1号线区间隧道。地铁1号线为正在运营的隧道，是上海市修建的第一条地铁隧道，目前日客流量在100万人次以上，本工程隧道施工时必需以百分百的把握确保地铁列车的运行平安。

(1)新建上、下行线隧道和地铁1号线隧道间距离很小，结构净距仅1．5m。

(2)该处为两根隧道先后出洞施工。下行线隧道出洞完成穿越施工后2个月上行线隧道将再次出洞进行穿越施工，上行线盾构掘进使土体再次扰动。

(3)下行线盾构出洞推动15m后和隧道呈98°相交、下穿。由于工作面压力没有通过前100m试推动确定，要保持开挖面稳定难度较大。当下行线进入正常推动阶段后，而上行线再次进行出洞推动，隧道下行线距离常熟路站进洞口最近仅约18m。

(4)地铁1号线隧道所处的土层主要为④淤泥质粘土层，本工程隧道所处的土层主要为⑤1灰色粘土层。该两层土属高压缩性土，地基承载力差，受扰动后沉降大、稳定时间长。

3数值模拟

由于隧道开挖对邻近构筑物的影响具有很强的三维特征，二维有限元法无法模拟三维空间效应。而盾构隧道开挖的三维模拟可考虑的因素较多，包括土体的本构模型、开挖面支护压力、盾构千斤顶推力等，因此相对比二维模拟可以得到较为全面而志向的结果。本文接受三维有限元分析软件模拟地铁M7线盾构隧道下穿越运营中的地铁1号线隧道的施工的力学性态以及对1号线隆沉变形规律。3．1计算模型以及边界条件的确定

计算中假定如下:①假定地表面和各土层均呈匀质水平层状分布;②计算中考虑衬砌管片分块之间的横向连接及各管片环之间的纵向连接对衬砌结构整体刚度的折减作用;③盾构每一推动步长为一环管片宽度1．2m(为缩短计算时间，计算中接受了5～6m/步长);④不考虑盾壳本身和土体的挤压、剪切作用;⑤不考虑受施工扰动影响范围内的土体物理力学参数的变更。

土体材料依据志向弹塑性介质来考虑，选取8结点实体单元来模拟;由于管片材料的刚度较大，一般认为在弹性范围内工作，故选取弹性壳体单元模拟。为了提高计算效率，模型取在单元的网格划分上做了适当简化，远离隧道的土体单元较大，两隧道相互交汇处单元划分较密，计算模型的长×宽×高=57．5m×57．5m×39．75m(D=6．2m，H=13．0m)。分析时接受齐次边界条件，除了上表面为自有面外，其余4个侧面和底部均施加法向约束同时。3．2计算工况设计

为了详细模拟盾构动态掘进过程，整个M7线开挖模拟共分23个工况，上下行线开挖各分20个工况，分别各进行10次进尺开挖。

(1)工况1为初始地应力场的模拟。

(2)工况2为1号线全长开挖并初始地应力场的模拟，得到七号线未开挖前土体和1号线的原始应力场。

(3)工况3至13为下行线开挖进尺，进行衬砌拼装，盾尾同步注浆及开挖面压力的模拟。盾构切口分别方向z坐标分别为－6m、－12m、－17．5m、－22．5m、－27．5m、－32．5m、－37．5m、－42．5m、－48．5m、－57．5m。

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4)工况13至23为上行线进尺开挖，工况同上。3．3模拟结果分析

2进尺时，开挖了12m，盾构虽然在原状土内推动，但是受到隔离桩的屏蔽作用，由图3可以看到M7线隧道y方向的位移被隔离桩限制，y方向变形影响范围大为减小，且变形值减小，隧道四周土体竖向位移在1．11～6．14mm。说明出洞区围护桩加固和隔离对于减小上下行线推动对1号线影响有良好的作用。

3进尺推动17．5m后，盾构穿越隔离桩区后对开挖面前方土体立刻产生影响，由于已经达到1号线下行线的边缘，可以看出1号线下行线下方土体的产生隆起1．2～5．2mm。隧道前方土体明显产生了扰动，扰动范围大体为前方向上向下沿45°－Φ/2，影响范围在前方2D盾构直径范围内。

由图4可，由于土仓压力的影响，在切口到达前逐步隆起，在盾构推动到3进尺17．5m时，即切口到达时达到隆起的最大值1．1mm。在盾尾脱出后，由于开挖荷载的释放，1号线下行线由隆起慢慢转变为沉降，最终沉降为－5．1mm。说明盾构的推动过程对1号线下行线的沉降呈先隆后沉的影响。

3信息化监测

监测是施工的眼睛，是施工效果的干脆反应。监测工作为信息化施工供应真实、刚好、精确的数据，可了解盾构穿越对邻近已运营地铁隧道的扰动程度，并在此基础上，可进一步对现有的盾构施工参数方案进行优化，确保已运营地铁隧道的平安。因此，盾构穿越前，在地铁1号线隧道穿越影响区段内布设电子水平尺自动监测系统，通过连接电缆将监测数据传输到监控室，进行实时、精确的监测。在运行中的1号线隧道内设置自动差异沉降监测点(静力水准仪)进行差异沉降跟踪监测，监测范围为施工轴线两侧各50m左右，测点间距为2m。上下行线隧道安装了25×2×2=100个静力水准(电子平尺)测量传感器，接受计算机联网，在隧道盾构穿越1号线期间内进行实时监测。4计算结果和实测结果的对比

通过监测数据和三维数值模拟仿真结果对比分析，可以验证数值模拟的正确性。并可依据实时监测数据，修正模拟计算的参数，用以预料下一步开挖引起已建隧道隆沉变形的规律，以便刚好实行相应的施工措施，限制已建线隧道的变形。

由图6，三维数值模拟结果的计算结果在盾构通过前基本是吻合，而在盾构通过后存在较大差异，计算沉降比实测沉降大。由于计算软件的局限性，数值模拟无法模拟盾构推动时盾壳的摩阻力，因此在计算时1号线的最大隆起值发生在盾构切口到达时。而实测时最大隆起值出现在盾尾脱出时。

盾构通过后，施工沉降和土体固结沉降将持续数月甚至更长的时间，隧道产生的沉降值较大，因此在盾构通过后必需接受注浆等措施限制长期沉降的发展［9］。因此，在施工方案中，在盾构通过后在7号线隧道内做补压浆处理以削减长期沉降，从而也导致图6中后期计算有沉降，而实测数据反应了注浆的效果。

5盾构施工限制及隧道爱惜5．1出洞口加固

由于盾构在出洞加固区，应力释放，无法保证同步注浆施工所需的围压，土体变形难以限制，倘如在盾构出洞时出现涌水、涌砂的状况，会引起地面沉降及土体流失，简洁造成地铁1号线隧道出现差异沉降、运行隧道移位等状况，将对地铁1号线隧道造成不利影响，严峻时甚至会危及地铁1号线的运行安全。

一般出洞口加固区厚度为3m。为确保穿越和出洞的平安，综合考虑出洞和穿越施工的影响，本工程将出洞口加固体厚度扩大到6m并进行满膛加固，加固方法为φ850@600三轴深层搅拌桩，加固土体无侧限抗压强度0．5～0．8MPa，渗透系数不大于1×10－8c/sm，桩深约27m，出洞加固区和地墙间的空隙接受一排Ф650高压旋喷桩加固处理。

从数值模拟可知围护加固和隔离对于减小上下行线推动对1号线影响有较大的作用。因此在出洞加固体外沿地铁1号线轴线方向，距离地铁1号线3m处设置1500mm厚φ850三轴深层搅拌桩隔断(加固后28天强度qu≥1．2MPa)。

在穿越区地面上地铁1号线两侧梅花状预设七排φ32mm@1200mm长度17．2m垂直注浆管共203根，注浆管水平相离地铁1号线隧道1m。必要时依据监测数据，进行跟踪注浆。

5．1盾构通过后拱顶补强注浆

盾构通过后地铁1号线隧道和在建M7线隧道间的1．5m厚范围内，存在7号线施工期间所注的惰性浆液、还有被多次扰动过的土体，多种成分并存使得这一区域土体稳定性很差，加上上部地铁1号线列车的运行，简洁产生变形导致破坏。已建隧道沉降过大势必会对已运营隧道产生不行逆的不利影响，甚至影响隧道的平安。因此在这一区域注浆时，必需考虑运用快速有效的注浆方法，把土体短期内整合为具有确定强度的整体，作为地铁1号线隧道的持力层以达到效限制长期沉降的目的。

详细做法是在M7线隧道内拱顶范围内压注水泥水玻璃浆液，加固注浆深度1．5m。此外为防止M7线隧道位移，基底注浆和拱顶注浆同时进行。即在隧道上半部进行土体补强注浆的同时，在隧道下半部对称部位进行反压注浆［10］。

6结语

(1)在穿越施工前，利用三维数值仿真数值模拟可以对穿越施工中已建的沉降变形规律进行了预料，为施工方案的确定和已建隧道的爱惜供应了理论依据和决策数据。

(2)出洞口加固接受围护加固和隔离屏障等手段可有效削减盾构出洞及穿越推动对已建隧道的沉降影响。

(3)在盾构通过已建隧道后，可接受注浆等手段对已建隧道的应力释放及长期固结沉降进行有效限制。

参考文献(References)［1］王涛，魏纲，徐目庆．隧道开挖对邻近地下管线的影响预料分析［J］．岩土力学，2006，27(增):483-486．［2］廖少明，余炎，彭芳乐．盾构近距离穿越穿越相邻隧道施工的参数解析［J］．岩土力学，2004，25(增2):223-226．［3］曹伟飚，姚燕明．上海市轨道交通8号线(曲阜路-人民广场)区间隧道盾构穿越2号线影响分析［J］．地下工程和隧道，2005，(3):7-12．［4］于宁，朱合华．盾构施工仿真及相邻影响的数值分析［J］．岩土力学，2004，25(2):292-296．［5］徐前卫，尤春安，李大勇．盾构近距离穿越已建隧道的施工影响分析［J］．岩土力学，2004，25(增):95-98．［6］韦凯，雷震宇，周顺华．盾构隧道下穿地下管线的变形限制因素分析［J］．地下空间和工程学报，2004，4(4):325-330，［7］