盾构下穿既有地铁隧道沉降研究

ｄｏｉ:１０.１３５８２/ｊ.ｃｎｋｉ.１６７４－５８７６.２０１８.０３.００７

矿业工程研究

ＭｉｎｅｒａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＲｅｓｅａｒｃｈ

Ｖｏｌ.３３Ｎｏ.３Ｓｅｐ.２０１８

盾构下穿既有地铁隧道沉降研究

贺雪来ꎬ龙四春∗

(湖南科技大学煤炭资源清洁利用与矿山环境保护湖南省重点实验室ꎬ湖南湘潭４１１２０１ꎻ

湖南科技大学资源环境与安全工程学院ꎬ湖南湘潭４１１２０１)

摘　要:以溁湖区间下穿既有２号线隧道中ＭＪＳ加固为工程背景ꎬ通过现场监测与数值模拟手段对相关数据进行对比分析ꎬ评估ＭＪＳ加固的效果ꎬ结果证明ＭＪＳ加固对控制地面沉降和变形效果明显ꎬ但存在随着弹性模量增大沉降减少效果逐渐降低.同时对比研究了土舱压力对下穿隧道的影响ꎬ发现土舱压力对地表变形有影响ꎬ但有ＭＪＳ桩时ꎬ其影响程度有所降低.

关键词:ＭＪＳꎻ下穿隧道ꎻ现场监测ꎻ数值计算ꎻ沉降ꎻ变形

中图分类号:ＴＵ４３３　　　文献标志码:Ａ　　　文章编号:１６７２－９１０２(２０１８)０３－００３７－０８

ＯｎｔｈｅＳｕｂｓｉｄｅｎｃｅｏｆＳｕｂｗａｙＴｕｎｎｅｌｕｎｄｅｒＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌｉｎｇ

(ＣｏａｌＲｅｓｏｕｒｃｅＣｌｅａｎｉｎｇａｎｄＵｔｉｌｉｚａｔｉｏｎａｎｄＭｉｎｅＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＨｕｎａｎＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙꎬ

ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅꎬＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉａｎｇｔａｎ４１１２０１ꎬＣｈｉｎａ)

ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬＸｉａｎｇｔａｎ４１１２０１ꎬＣｈｉｎａꎻ

ＨｅＸｕｅｌａｉꎬＬｏｎｇＳｉｃｈｕｎ

ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔꎬｔｈｒｏｕｇｈｆｉｅｌｄｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｏｆｒｅｌａｔｅｄｄａｔａꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒｃｏｍｐａｒｅｓａｎｄａｎａｌｙｚｅｓａｓｓｅｓｓｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆＭＪＳｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔꎬＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔＭＪＳｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｈａｓｏｂｖｉｏｕｓｅｆｆｅｃｔｏｎｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｇｒｏｕｎｄｓｕｂｓｉｄｅｎｃｅａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎꎬｂｕｔｔｈｅｅｆｆｅｃｔｉｓｄｅｃｒｅａｓｅｄｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｅｌａｓｔｉｃｓｏｉｌｃａｂｉｎｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｗａｓｆｏｕｎｄꎬｂｕｔｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｄｅｇｒｅｅｏｆＭＪＳｐｉｌｅｗａｓｄｅｃｒｅａｓｅｄ.

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ＭＪＳꎻｄｏｗｎｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｕｎｎｅｌꎻｓｐｏｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎꎻｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔꎻｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ城市轨道交通建设过程中不可避免地会出现地铁隧道上跨、下穿已有隧道涵洞的情况[１].在盾构施工ｍｏｄｕｌｕｓ.Ａｔｔｈｅｓａｍｅｔｉｍｅꎬｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｓｏｉｌｃａｂｉｎｐｒｅｓｓｕｒｅｏｎｔｈｅｔｕｎｎｅｌｗａｓｓｔｕｄｉｅｄａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆ

Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＷｉｔｈＹｉｎｇｈｕｕｎｄｅｒｗｅａｒｉｎｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｌｉｎｅ２ｔｕｎｎｅｌｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｂａｃｋｇｒｏｕｎｄｏｆＭＪＳ

过程中ꎬ由于土体损失、周围孔隙水压变化及衬砌变形等因素的存在ꎬ土体原始应力将重新分布ꎬ原有的土体平衡遭破坏ꎬ导致地层发生不同程度的变形.地层变形过大会引起临近隧道土体应力状态的改变ꎬ使隧道产生变形ꎬ也会在地面产生一定的沉降.这对已运营的地铁隧道来说都是很大的安全隐患ꎬ采取措施削减甚至消除这种隐患是非常有必要的.

设工程中Ｐｅｃｋ公式是运用最为广泛和普遍的地表沉降的预测方法[１]ꎬＰ.Ｂ.Ｐｅｃｋ教授搜集了大量的区间隧道开挖时导致地表沉降的实测沉降数据.１９８１年ꎬＡｔｔｅｗｅｌｌ提出横向沉降槽宽度系数ｉ主要决定临近地表地层强度及隧道埋深和半径[２].１９９６年ꎬ英国学者ＭａｉｒＲ.Ｊ和Ｂｒｅｔｈ.Ｈ分别考虑盾构下穿砂层和粘土层时对地表建筑物影响[３].２００７年ꎬＭｉｎｇ－ＬａｎｇＬｉｎ等研究了地下隧道开挖对地层变形的影响[４].２００８年ꎬ

针对地铁隧道开挖和沉降相关的研究已有一些报道.１９６９年由美国科学家Ｐ.Ｂ.Ｐｅｃｋ提出地铁隧道建

收稿日期:２０１８－０４－１６

基金项目:国家自然科学基金资助项目(４１４７４０１４)ꎻ湖南省教育厅重点资助项目(１５Ａ０６０)

　　∗通信作者ꎬＥ－ｍａｉｌ:ｓｃｌｏｎｇ＠ｈｎｕｓｔ.ｅｄｕ.ｃｎ

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矿业工程研究２０１８年第３３卷

ＰａｕｌＳｉｍｏｎＤｉｍｍｏｃｋ研究盾构开挖建筑刚度效应[５].１９９８年ꎬ日本三井建设对东京文京区地铁１２号线施工区间粘土、细纱地层进行水平、垂直和斜向施工ꎬ安全穿过该地层.２００４年ꎬ徐俊杰利用大型有限元通用软件ＡＮＳＹＳ对施工过程进行了三维有限元动态施工模拟ꎬ结合现场监测结果ꎬ得出地质条件与沉降大小土体单元先期固结压力影响的修正剑桥模型子程序ꎬ为复杂环境下深基坑变形预测提供了技术途径[４ꎬ５].密切相关的结论[３].２００９年ꎬ丁勇春通过前处理软件解决ＦＬＡＣ３Ｄ在前处理建模方面不足ꎬ编写了能够反映２００９年ꎬ谷小朋对水平旋喷桩预支护机理与效果进行研究ꎬ建立水平旋喷成壳力学模型[６].２０１０年ꎬ冯超在以黄土地区的地铁盾构施工工程为背景ꎬ采用ＰＥＣＫ公式、理论预测、现场监测以及ＦＬＡＣ３Ｄ模拟计算研究ꎬ分析发现随黄土粘聚力、内摩擦角提高ꎬ城墙基础沉降及地表沉降均有所减缓[７].２０１６年ꎬ梁建波应用有限元软件ＭＩＤＡＳ－ＧＴＳ建立盾构下穿既有隧道的盾构开挖模型.发现注浆过程中适当提高同步注浆压力可减少既有隧道沉降[８].但是目前考虑ＭＪＳ的下穿以运营隧道的相关施工研究很少.

本文以长沙市溁湾镇站下穿既有２号线作为研究对象ꎬ考虑ＭＪＳ加固、土舱压力和掘进速度等因素ꎬ通

过数值计算和现场监测等方法ꎬ将计算数据与实测数据对比分析ꎬ研究盾构施工中采用ＭＪＳ加固方法以及与之配合的土舱压力和掘进速度的施工方案ꎬ在保证工程安全的前提下ꎬ为施工提出合理可行的建议.

１　工程背景

１.１　工程概况

轨道交通４号线溁湾镇站－湖南师大站区间采用盾构法施工ꎬ区间纵坡为单向坡ꎬ最小坡度０.２％ꎬ最大坡度２.６％ꎬ竖曲线半径分别为３０００ꎬ５０００ｍ.地铁４号线区间左线和右线分别始发３８.７ꎬ２８.７ｍ后下４号线区间与既有２号线区间隧道轮廓最小竖向净距为２.８６３ｍ.图１为盾构下穿既有轨道交通２号线的位置关系与地质剖面图ꎬ图２为模拟区域平面图.

穿既有地铁２号线ꎬ交叉段距离为２７ｍ.既有２号线区间隧道采用盾构法施工ꎬ内径５.４ｍꎬ外径６.０ｍ.

图１　下穿位置关系与地质剖面

图２　模拟区域平面

第３期贺雪来ꎬ等:盾构下穿既有地铁隧道沉降研究

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１.２　监测项目

自动化监测测点布设在在建４号线与既有地铁隧道２号线交汇处ꎬ２号线上(右线)、下(右线)行线穿越范围２５ｍ＋两侧各延伸１２.５ｍꎬ共５０ｍ范围.点位布置:在２号线上行线隧道施工影响区域内布设１１组监测断面每组２个点ꎬ按２号线环号间隔３ｍ布设ꎬ监测频率为４次/ｄꎬ时间分别为５:００ꎬ１１:００ꎬ１７:００ꎬ２３:００ꎬ监测点具体情况如图３所示.地表监测点设在在建隧道正上方ꎬ断面之间相距约１０ｍꎬ每个断面左右两侧各布设７个点ꎬ离中心点两侧的点相距约分别为３ｍ.１.３　ＭＪＳ加固

喷射工法ꎬ已经作为较为成熟的工法而广泛运用

于实际工程中.其采用了独特的多孔管和前端造成装置ꎬ实现了孔内强制排浆和地内压力监测ꎬ并通过调整强制排浆量来控制地内压力ꎬ大幅度减少对环境的影响[９].

既有２号线区间隧道采用盾构法施工ꎬ内径５.４ｍꎬ外径６ｍꎬ４号线区间与既有２号线区间隧道轮廓ＭＪＳ工法(ＭｅｔｒｏＪｅｔＳｙｓｔｅｍ)又称全方位高压

图３　地表监测点及既有隧道监测点

最小竖向净距２.８６ｍ.设计采用“竖井＋ＭＪＳ水平旋喷”方案对既有２号线隧道进行预保护[１０ꎬ１１].每个竖井设置１３根直径为２.０ｍ半圆水平旋喷桩ꎬ每根桩长４２ｍꎬ具体布设见图４.

图４　ＭＪＳ桩加固剖面

２　模型设计与数值模拟

２.１　数值模型

由于ＭＪＳ加固体是半环绕的隧道ꎬ且上下两条隧道是斜交关系.前处理建模软件采用Ｈｙｐｅｒｍｅｓｈ进行ꎬ所得在建隧道与既有隧道之间位置关系具体效果如图５所示.２.２　边界条件和参数选取

本次模型取地表为自由边界ꎬ边界尺寸为６０ｍ×５０ｍ×４５ｍꎬ其他面法向固定.其中节点数为５０６５９个ꎬ单元数为１７６２３７个.隧道土体开挖采用空模型ꎬ土体采用摩尔－库伦模型ꎬ盾构管片采用壳单隧道外径６ｍ.内径５.４ｍ.管片每环幅宽为１.５ｍ.厚度０.３ｍ.在开始建模前需要对模型进行分析ꎬ本次建模主要考虑的土层有４层以及ＭＪＳ条状桩ꎬ具体如图６所示.因为ꎬ本次主要讨论盾构下穿时ꎬ既有隧道及地表沉降的变化.因此为了简化模型ꎬ假设各土层为均匀水平分布ꎻ弹性材料为各向同性的连续弹性材元[１２].ＭＪＳ桩采用弹性模型根据实际情况ꎬ既有２号线隧道埋深１１.９ｍ.在建的４号线隧道埋深约１９ｍꎬ

４０图６所示.

矿业工程研究２０１８年第３３卷

料ꎬ材料塑性服从屈服准则ꎬ盾构掘进过程中盾壳中心轴线与开挖中心线重合.下穿隧道位置情况具体如

　　　　　图５　整体计算模型　　　　　　　　　　　　　　　　图６　盾构施工模拟整体模型

根据工程勘察报告、相关规范手册和论文资料等ꎬ确定土体参数与结构参数ꎬ如下表１和表２所示.

表１　岩土计算参数

岩土名称杂填土粉质粘土圆砾中风化角砾岩

密度/(ｋｇ/ｍ３)

１７５０２０７０１９８０１９００

体积模量/ＭＰａ

２.５０７.６０１９.４０４.４６

剪切模量/ＭＰａ

１.２８７.３０１４.５０２.６８

粘聚力/ｋＰａ

１２.０１６.５＼１８.０

厚度/ｍ２.１３.１２８.７１２.４

表２　结构材料计算参数

结构名称管片ＭＪＳ桩

密度/(ｋｇ/ｍ３)

２５００２５００

弹性模量/ＧＰａ２５.３(Ｃ５０)

０.７

泊松比０.２５０.２０

厚度/ｍ０.３２.０

２.３　计算工况设置

盾构下穿过程中ꎬ扰动区对既有运行２号线隧道影响大ꎬ不加以重视容易发生重大安全事故ꎬ本次不同弹性模量的ＭＪＳ材料施工区域内地层主要为圆砾、中粗砂、粉质粘土、强风化角砾岩、中风化角砾岩、全风化泥岩和中风化泥岩.根据工程实际情况ꎬ结合本次模拟计算目的ꎬＭＪＳ加固的参数拟考虑多种变化ꎬ具体如表３所示.

表３　ＭＪＳ加固的不同参数设定

名称桩体一无桩体

密度/(ｋｇ/ｍ３)

２５００/

弹性模量/ＭＰａ

７００/

泊松比０.２/

厚度/ｍ２/

　　盾构下穿既有地铁２号线工程采用的是土压平衡、微扰动掘进模式.在新、旧隧道交叉区域全断面为圆硕岩层ꎬ稳定性较好ꎬ但新建４号线隧道顶部距离既有２号线隧道地面只有２.８６３ｍꎬ在盾构掘进时应尽量不扰动盾构机上部地层ꎬ因此在盾构穿越前阶段(大约距既有２号线隧道２０环约３０ｍ范围)ꎬ盾构机应开始采用微扰动、土压平衡模式.施工参数选定如表４.在建４号线左线盾构下穿既有２号线隧道施工进度情况如表５.

名称土舱压力油缸推力刀盘扭矩掘进速度出土量

表４　盾构施工参数

施工参数０.３~０.４ＭＰａ１０００~１８００Ｔ１８００ｋＮ/ｍ３１５~２５ｍｍ/ｍｉｎ

７０ｍ３０.４~０.６ＭＰａ

同步注浆压力

第３期贺雪来ꎬ等:盾构下穿既有地铁隧道沉降研究

表５　盾构施工进度

时间

２０１７年４月１１日３时２０１７年４月１２日２时２０１７年４月１１日１４时２０１７年４月１２日１７时

施工进度

刀盘掘进至４号线结构边线(１８环)盾尾掘进至４号线结构边线(２２环)刀盘离开４号线结构边线(２７环)盾尾离开４号线结构边线(３１环)

４１

３　模拟分析

３.１　ＭＪＳ桩基施工加固模拟分析

在盾构下穿过程中ꎬ对地层进行ＭＪＳ桩基施工加固ꎬ在既有隧道与在建隧道之间形成一道隔离幕墙ꎬ起到隔离保护作用[１３].同时ꎬＭＪＳ桩虽然能加固土层ꎬ但桩基施工期间必然对加固区域土体进行扰动ꎬ导致加固区域力学参数急剧减少.因此ꎬ在模拟时ꎬ采取先将加固区土层参数取原土层１/３ꎻ在施工完成ꎬ即水泥土硬化后ꎬ再将加固土层赋原始参数[１４ꎬ１５]ꎬ通过２次平衡计算得到ＭＪＳ桩.本文将讨论不同工况下对既有隧道与地表沉降的影响ꎬ因此选取２组云图作对比分析ꎬ所得模拟对比云图见图７.

图７　模拟加固与未加固最大累计沉降云图

从图７可见ꎬ地表沉降最大的区域分布在地铁施工中轴线上ꎬ但加固工况下ꎬ地表沉降在加固区域沉降明显减少.既有隧道沉降最大的区域分布在下穿中心位置ꎬ但在加固工况下ꎬ既有隧道在加固区域沉降减少且在在建４号线隧道上方沉降也明显减少(未加固最大沉降为１.１７３４Ｅ－０２ｍꎬ而加固最大沉降则为－４.８４５Ｅ－０３ｍ).同时ꎬ比较地表最大沉降以及既有隧道沉降槽最大沉降曲线对比曲线图如图８.

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矿业工程研究２０１８年第３３卷

图８　模拟数据最大沉降值断面沉降量

从图８可以看出地表累计沉降最大值为－２.９９ｍｍ.ꎬ未加固地表累计沉降最大值为－５.０１ｍｍꎬ减少了２.０２ｍｍ.其中既有隧道最大沉降值为－３.５６ｍｍꎬ未加固既有隧道沉降最大值为－５.１２ｍｍꎬ减少了２􀆰５６ｍｍ.减少量较为明显.且地表沉降比既有隧道少ꎬ而既有隧道沉降槽沉降量相差不大.３.２　加固条件下改变土舱压力模拟分析

实际工况中ꎬ改变土舱压力对地表及既有隧道沉降的具有一定的影响.本文考虑在ＭＪＳ桩加固的条件０.３５ＭＰａꎬ在加固工况下模拟掘进.得到既有隧道在整个模拟下穿完成稳定后地表以及既有隧道最大沉降槽曲线如图９所示.

下改变土舱压力对沉降的影响是否有变化.因此ꎬ取５组不同的土舱压力分别是０.１５ꎬ０.２０ꎬ０.２５ꎬ０.３０ꎬ

图９　不同土舱压力下既有隧道沉降

从图９可知ꎬ当土舱压力增大时地表最大沉降与既有隧道沉降槽最大沉降都减小ꎬ其中既有隧道最大沉降为土舱压力０.１５ＭＰａꎬ其沉降值为－４.３１ｍｍ.地表最大沉降值为－３.４９ｍｍ.但从曲线上来看ꎬ减少的量不明显.

３.３　未加固条件下改变土舱压力模拟分析

取２组不同的土舱压力在未加固工况下模拟掘进.进行有限元模拟计算分析既有隧道结构在盾构下穿完成的最大沉降ꎬ得到既有隧道在整个模拟下穿完成稳定后地表竖向沉降位移云图如图１０所示ꎬ变化曲线如图１１所示.

从图１０可见ꎬ增大土舱压力不论地表还是既有隧道沉降都有所减少.从图１１可以看出ꎬ在加固状态下轴线断面沉降槽沉降曲线基本保持直线.未加固状态下ꎬ最大沉降差值位于距离模拟段开挖始发６０ｍ处ꎬ最大沉降差值为１.１４ｍｍꎬ而在加固状态下则只有０.４１ｍｍ.同时可以发现在未加固状态下轴线断面在下穿部位开始略微隆起ꎬ其原因是由于没有桩体加固ꎬ没下穿部位围岩扰动引起土体沉降直接反应在地表ꎬ而下穿部位掘进引起围岩变化部分被既有隧道阻挡ꎬ侧面说明既有隧道具有一定的遮蔽效应.且根据曲线趋势有下降迹象ꎬ脱离下穿部位又开始略微沉降ꎬ更加说明既有隧道的遮蔽作用.

第３期贺雪来ꎬ等:盾构下穿既有地铁隧道沉降研究

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图１０　模拟未加固地表沉降云图

图１２为不同参数下既有隧道沉降槽沉降曲线与实测数据比较线图ꎬ从图１２可以看出ꎬ在加固状态下既有隧道沉降槽沉降曲线之间差距同样不大ꎬ最大沉降值分别为０.１５ＭＰａ土舱压力的－３.２９ｍｍꎬ最大沉０􀆰９３ｍｍ.从图１１和图１２可以看出ꎬ在加固之后土舱压力的影响有所减少.

降差值为０.３ｍｍ.未加固状态下ꎬ最大沉降值分别为０.１５ＭＰａ土舱压力的－６.１７ｍｍ.最大沉降差值为

图１１　不同参数下地表轴线上沉降曲线与实测数据比较

图１２　不同参数下既有隧道沉降槽沉降曲线与实测数据比较

３.４　与监测结果对比分析

本次模拟ＭＪＳ桩弹性模量取７００ＭＰａꎬ土舱压力取０.３０ＭＰａ.并取溁湾镇站地铁隧道稳定后的实时监测的地表监测数据以及既有隧道自动监测数据.下穿时期的监测数据与模拟数据对比ꎬ得到图１３.

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图１３　实测数据与模拟数据对比

４　结论

从图１３可以看出ꎬ地表最大沉降实测值为－３.１５ｍｍꎬ模拟值为－２.９９ｍｍ.隧道沉降槽最大沉降值为－２.８３ｍｍꎬ模拟值为－２.６６ｍｍ.模拟数据曲线基本符合实测数据曲线ꎬ模拟效果较好.

１)模拟数据与实测数据变形曲线趋势较为一致ꎬ模拟数据与实测数据最大值较为吻合ꎬ说明有限元２)采用ＭＪＳ加固方法对于在盾构下穿施工中减小地面沉降和上部隧道变形效果较为显著ꎬ在一定范３)ＭＪＳ加固体的存在对于控制周边变形存在遮蔽效应ꎬ遮蔽效应对隧道竖向变形和地面沉降影响较

模拟结果从宏观上能较真实反映出现场状况.

围内ＭＪＳ施工质量越好则变形控制效果越好.

大ꎬＭＪＳ桩的存在减少了施工参数对地表及既有隧道结构沉降的影响.同时ꎬ在加固状态下ꎬ土舱压力对沉降的影响有所减少.参考文献:

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