陳 俊

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司,上海 200070)

隨著上海軌道交通網(wǎng)絡(luò)快速形成，城市地下空間得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，同時(shí)地下管線、隧道及其它地下建、構(gòu)筑物的日益密集，當(dāng)使用盾構(gòu)工法新建地下隧道時(shí)，盾構(gòu)穿越既有隧道的概率越來(lái)越大，對(duì)盾構(gòu)近距離穿越既有隧道的保護(hù)問(wèn)題已不可避免，因此如何確保在穿越施工過(guò)程中以及穿越后鄰近已建隧道的正常使用成為目前盾構(gòu)工法隧道工程中亟待解決的難題之一。目前，眾多專家學(xué)者對(duì)既有隧道的變形和保護(hù)研究較多[1-8]，但鮮有涉及超大直徑穿越既有隧道的影響分析。本文基于北橫通道超大直徑泥水平衡盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)中的軌道交通7號(hào)線隧道工程，結(jié)合整個(gè)穿越施工過(guò)程的技術(shù)要點(diǎn)與既有地鐵隧道的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析出在超大直徑盾構(gòu)近距離穿越過(guò)程中，既有隧道的變形規(guī)律。

1 工程概況

1.1 總體概況

北橫通道新建工程主線盾構(gòu)在普陀區(qū)新會(huì)路、常德路路口，于里程K7+947—K7+983(第1402環(huán)—第1420環(huán))，先后下穿軌道交通7號(hào)線長(zhǎng)壽路站～昌平路站上、下行區(qū)間隧道，穿越節(jié)點(diǎn)中心距離長(zhǎng)壽路車站南端頭井17.5 m。

北橫通道主線盾構(gòu)采用泥水平衡盾構(gòu)，管片外徑15 m，盾構(gòu)外徑15.56 m，內(nèi)徑13.7 m，環(huán)寬2.0 m，厚度0.65 m。地鐵7號(hào)線隧道管片外徑6.2 m，內(nèi)徑5.5 m，環(huán)寬1.2 m，厚度0.35 m。地鐵隧道底標(biāo)高為-19.8 m，北橫隧道頂標(biāo)高為-26.96 m，兩層隧道的最小凈距為7.16 m北橫通道主線與地鐵7號(hào)線相對(duì)位置關(guān)系(見(jiàn)圖1—2)。

圖1 北橫通道主線與地鐵7號(hào)線平面位置關(guān)系圖

圖2 北橫通道主線與地鐵7號(hào)線剖面位置關(guān)系圖

1.2 地質(zhì)情況

該節(jié)點(diǎn)處地鐵7號(hào)線的覆土厚度為16.3 m，北橫隧道的覆土厚度為29 m。隧道平曲線為直線，豎曲線坡度為2.3%。北橫隧道斷面(盾構(gòu)刀盤(pán)切割的范圍)土層為⑦1草黃—灰色粉砂、⑦2草黃—灰色粉細(xì)砂、⑧1-1灰色粘土，北橫隧道頂部為⑤1灰色粉質(zhì)粘土、⑥暗綠色粉質(zhì)粘土；7號(hào)線地鐵隧道位于⑤1層中，7號(hào)線隧道上方依次為①1填土、②3黃—灰色砂質(zhì)粉土、④灰色淤泥質(zhì)粘土層。

2 施工工況

2.1 項(xiàng)目難點(diǎn)

本次北橫通道超大直徑盾構(gòu)穿越既有地鐵7號(hào)線區(qū)間隧道的工程項(xiàng)目，主要存在以下幾個(gè)難點(diǎn)：

(1)北橫通道盾構(gòu)直徑達(dá)15.56 m，橫截面面積大，與所穿越地鐵隧道的面積比為6.29，風(fēng)險(xiǎn)極高。

(2)北橫通道與軌道交通7號(hào)線隧道豎向最小凈距僅為7.16 m，施工難度大。

(3)穿越中心靠近7號(hào)線車站井接頭及附屬設(shè)施，穿越施工容易對(duì)該處地鐵結(jié)構(gòu)薄弱位置產(chǎn)生新增病害。

2.2 北橫盾構(gòu)穿越7號(hào)線工況

北橫盾構(gòu)采取“連續(xù)快速穿越”的策略，充分利用2天雙休日(每天7環(huán))快速掘進(jìn)通過(guò)，于2019年6月21日10點(diǎn)—6月24日10點(diǎn)30分，成功穿越運(yùn)營(yíng)中的地鐵7號(hào)線，主要推進(jìn)參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)推進(jìn)主要參數(shù)

2.3 地鐵隧道內(nèi)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

為實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)地鐵7號(hào)線隧道/車站在穿越期間的結(jié)構(gòu)變形，在7號(hào)線168 m的隧道/車站內(nèi)，上、下行線各布置70支2.4 m長(zhǎng)電水平尺，構(gòu)成總長(zhǎng)為168 m的監(jiān)測(cè)段，再輔以人工監(jiān)測(cè)對(duì)隧道垂直位移、管徑收斂以及水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。電水平尺自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置(見(jiàn)圖3)。

圖3 電水平尺自動(dòng)化布點(diǎn)圖

3 地鐵隧道變形影響分析

3.1 盾構(gòu)穿越過(guò)程分析

北橫通道盾構(gòu)切口剛到達(dá)軌道交通7號(hào)線隧道正投影區(qū)域之時(shí)，由于盾構(gòu)開(kāi)挖斷面大，受開(kāi)挖面前方應(yīng)力場(chǎng)的影響，7號(hào)線上行線隧道沉降已表現(xiàn)出一定的波動(dòng)(見(jiàn)圖4)。

圖4 1402環(huán)施工期間7號(hào)線上行線隧道沉降變化曲線

當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)第1402環(huán)時(shí)，切口位于第1407環(huán)，開(kāi)始進(jìn)入7號(hào)線上行線正投影區(qū)域；當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)第1411環(huán)時(shí)，切口位于第1416環(huán)，切口進(jìn)入7號(hào)線下行線投影區(qū)域，此時(shí)盾尾位于7號(hào)線上行線投影區(qū)域；當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)第1413環(huán)時(shí)，盾尾離開(kāi)7號(hào)線上行線投影區(qū)域。當(dāng)盾構(gòu)開(kāi)始推進(jìn)1421環(huán)時(shí)，盾尾離開(kāi)7號(hào)線下行線投影區(qū)域。穿越期間上、下行線最大上抬、下沉曲線(見(jiàn)圖5—6)。

圖5 穿越期間7號(hào)線上行線隧道最值沉降曲線

圖6 穿越期間7號(hào)線下行線隧道最值沉降曲線

盾構(gòu)切口進(jìn)入7號(hào)線上行線后，隨著正面泥水壓力的變化，上行線表現(xiàn)為下沉，沉降量隨著盾體的陸續(xù)進(jìn)入而加大(最大-4.49 mm)，此時(shí)下行線隧道隨著盾構(gòu)切口的靠近而逐漸上抬；直至盾體上預(yù)留注漿孔(切口后3環(huán)位置)到達(dá)上行線下方位置且壓注克泥效后，沉降方才穩(wěn)定；待盾尾脫出上行投影，隨著同步注漿的影響，上行線開(kāi)始上抬(最大8.39 mm)。下行線沉降變化趨勢(shì)基本與上行線一致(最大下沉-3.51 mm，最大上抬7.14 mm)。上、下行隧道最大抬升、下沉位置都在穿越投影區(qū)內(nèi)，影響范圍主要在三倍投影區(qū)域內(nèi)。

同時(shí)，將盾構(gòu)推進(jìn)一環(huán)的整個(gè)過(guò)程分為兩個(gè)階段(盾構(gòu)推進(jìn)階段、管片拼裝階段)和三個(gè)節(jié)點(diǎn)(盾構(gòu)開(kāi)始推進(jìn)、開(kāi)始管片拼裝、結(jié)束管片拼裝)，7號(hào)線上、下行線隧道對(duì)應(yīng)穿越關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的沉降變化情況(見(jiàn)圖7)。

圖7 穿越期間關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)7號(hào)線上、下行線隧道沉降曲線

當(dāng)盾構(gòu)切口開(kāi)始進(jìn)入7號(hào)線正投影區(qū)域時(shí)，上行線隧道已開(kāi)始有沉降變化，差異沉降約為1 mm；當(dāng)盾尾脫出7號(hào)線正投影區(qū)域時(shí)，隧道沉降曲線表現(xiàn)為“火山口狀”(圖7，北橫盾構(gòu)1421推進(jìn)數(shù)據(jù)曲線)。在北橫通道盾構(gòu)穿越整個(gè)7號(hào)線隧道的過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)：(1)穿越過(guò)程投影區(qū)域隧道側(cè)沉降變化量較為明顯，車站側(cè)則無(wú)明顯沉降變化；(2)結(jié)合整個(gè)推進(jìn)、拼裝過(guò)程，不同節(jié)點(diǎn)的沉降曲線，隧道在盾構(gòu)推進(jìn)階段上抬，在管片拼裝階段下沉(下沉量的大小與盾尾注漿位置有關(guān))；(3)上、下行隧道在投影區(qū)穿越期間總體呈現(xiàn)先沉后抬的沉降變化；(4)隨著盾尾脫開(kāi)下行隧道投影，距離上行線投影區(qū)域越來(lái)越遠(yuǎn)(離開(kāi)盾構(gòu)同步注漿范圍)，上行線隧道的開(kāi)始管片拼裝和結(jié)束管片拼裝沉降變化量逐漸減小，兩者基本穩(wěn)定。

3.2 推進(jìn)前后測(cè)點(diǎn)歷時(shí)沉降對(duì)比分析

通過(guò)上、下行隧道歷時(shí)沉降曲線分析(見(jiàn)圖8)，可以進(jìn)一步得出穿越過(guò)程中，7號(hào)線隧道主要呈現(xiàn)為在每環(huán)推進(jìn)階段上抬，在拼裝階段下沉。其原因在于盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，千斤頂?shù)耐屏Α⒛嗨蛲鉂B流造成的動(dòng)水壓力以及同步注漿壓力三重作用，形成對(duì)外擠壓；在管片拼裝過(guò)程中，同步注漿隨即停止，泥水系統(tǒng)也停止送、排泥，開(kāi)挖面穩(wěn)定性的維持存在不確定性，同時(shí)千斤頂分區(qū)回縮，部分壓力不可避免地得到釋放，共同導(dǎo)致隧道下沉。

圖8 穿越施工1420、1421、1422環(huán)

遇到較長(zhǎng)時(shí)間盾構(gòu)停推階段(1420及1421環(huán))，也會(huì)出現(xiàn)隧道略微下沉的現(xiàn)象，說(shuō)明管片拼裝階段及非正常停推階段產(chǎn)生了絕大部分的地層損失。

3.3 盾構(gòu)穿越后分析

當(dāng)盾構(gòu)開(kāi)始推進(jìn)第1421環(huán)時(shí)，盾尾已完全離開(kāi)7號(hào)線正投影區(qū)域，盡管如此，通過(guò)觀測(cè)、記錄盾構(gòu)后續(xù)推進(jìn)情況及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在盾構(gòu)推進(jìn)至1425環(huán)之前，對(duì)7號(hào)線下行線隧道依舊存在一定的影響，即盾尾離開(kāi)正投影區(qū)域5環(huán)(10 m)內(nèi)，且表現(xiàn)為隧道上抬，為控制7號(hào)線隧道后期沉降，建議隧道盾構(gòu)公司適當(dāng)提高每環(huán)同步注漿量(由正常量31.5 m3/環(huán)增加至32.7 m3/環(huán))。

至2020年1月13日(穿越后半年)，穿越影響范圍內(nèi)的7號(hào)線上、下行區(qū)間隧道最大累計(jì)變形量為-4.27 mm，小于報(bào)警值(±5 mm)(見(jiàn)圖9)，且結(jié)構(gòu)狀況良好，無(wú)明顯新增病害。

圖9 穿越后半年7號(hào)線下行線隧道沉降曲線

在整個(gè)盾構(gòu)穿越過(guò)程中，7號(hào)線隧道的管徑最大累計(jì)收斂值為6 mm，其變化幅度小于沉降變化，且收斂變化在穿越結(jié)束后很快就得到恢復(fù)，說(shuō)明盾構(gòu)穿越對(duì)7號(hào)線隧道產(chǎn)生的管徑收斂變形是可恢復(fù)的彈性變形。

4 結(jié)論

綜上所述，結(jié)合北橫通道超大直徑泥水平衡盾構(gòu)下穿運(yùn)營(yíng)軌道交通7號(hào)線的施工控制措施和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，研究了盾構(gòu)近距離穿越施工相互影響的變形過(guò)程和規(guī)律，可得到以下結(jié)論：

(1)在盾構(gòu)以近90°平面夾角正常穿越及后期觀測(cè)過(guò)程中，上方既有隧道沉降長(zhǎng)期變化曲線呈現(xiàn)“火山口狀”，主要為先抬后沉的變化規(guī)律，且該變形主要集中于三倍正投影區(qū)域范圍內(nèi)，且投影區(qū)域車站一側(cè)無(wú)明顯沉降變化；

(2)北橫盾構(gòu)上覆的⑥層暗綠色粉質(zhì)粘土以及盾構(gòu)下臥⑧1-1灰色粘土層對(duì)盾構(gòu)穿越施工以及上部的地鐵隧道保護(hù)是有利的；

(3)在正常穿越推進(jìn)過(guò)程中，上方既有隧道在盾構(gòu)推進(jìn)階段會(huì)出現(xiàn)上抬，而在管片拼裝階段則表現(xiàn)為下沉趨勢(shì)；

(4)停推期間盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定性的維持存在不確定性，因而地層損失集中在管片拼裝階段，故減少管片拼裝以及其它非正常推進(jìn)時(shí)間，提高施工效率，可減少地層損失的發(fā)生；

(5)壓注克泥效能夠有效抑制盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)引起的地層變形，對(duì)下穿施工時(shí)既有隧道的沉降變形控制起到了良好的作用；

(6)盾構(gòu)穿越對(duì)上方既有隧道產(chǎn)生的沉降變化大于其收斂變化；

(7)盾尾同步注漿量對(duì)既有隧道沉降變化影響較大，應(yīng)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)調(diào)整參數(shù)。