盾构隧道下穿地下过街通道安全控制案例研究_张旭.pdf

第 18 卷增刊 2地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol.182022 年 12 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringDec.2022盾构隧道下穿地下过街通道安全控制案例研究张旭1,2,3,满忠昂1,许有俊1,2,3,成鹤1,王文千1(1.内蒙古科技大学 土木工程学院,内蒙古 包头,0140101;2.内蒙古自治区建筑结构防灾减灾工程技术研究中心,内蒙古 包头 014010;3.内蒙古自治区土木工程安全与耐久重点实验室,内蒙古 包头 014010)摘要:为解决新建盾构隧道近距离下穿矩形顶管法修建的地下过街通道变形控制的工程难题,以呼和浩特地铁盾构区间隧道下穿“井”字型地下过街通道为依托,通过数值模拟预测地下过街通道变形规律,据此提出安全控制方案,通过现场监测结果验证加固方案的合理性。结果表明:地下过街通道横断面沉降槽呈非对称的“W”形,最大沉降部位出现在左线隧道的正上方,是变形控制的重点区域;地下过街通道错台量最大的部位是先建盾构正上方的管节接缝处,最大错台量为 2.7 mm;在盾构下穿期间,通过合理控制掘进参数和及时二次注浆加固的措施能够满足变形控制的要求。关键词:盾构隧道;矩形顶管法;地下过街通道;变形特征;安全控制中图分类号:TU941文献标识码:A文章编号:1673-0836(2022)增 2-0952-06Case Study on Safety Control of Underground Street Passages During the Excavation of Shield Tunnels beneathZhang Xu1,2,3,Man Zhongang1,Xu Youjun1,2,3,Cheng He1,Wang Wenqian1(1.School of Civil Engineering,Inner Mongolia University of Science and Technology,Baotou,Inner Mongolia 014010,P.R.China;2.Engineering Research Center of Disaster Prevention and Mitigation of Building Structure at Inner Mongolia Autonomous Region,Baotou,Inner Mongolia 014010,P.R.China;3.Inner Mongolia Key Laboratory of Safety and Durability for Civil Engineering,Baotou,Inner Mongolia 014010,P.R.China)Abstract:To solve the problem of controlling the excessive deformation of the existing underground street passages excavated by the rectangular pipe jacking method due to the adjacent shield tunnels construction beneath,based on the shield tunnels constructed beneath a well-type underground street passage in Hohhot Subway,the numerical simulation was firstly performed to investigate the deformation of the existing underground street passages,hereby the appropriate scheme for controlling the structural safety was proposed.Finally,in-site monitoring was applied to verify the reasonability of the construction scheme.The results indicate that the settlement trough of the cross-section settlement trough of underground crossing channel displays an asymmetrical“W”shape.The maximum settlement is located above the left tunnel,which is the most important area for controlling the deformation.The maximum dislocation of the duct piece is located at the passage above the new-built shield tunnel,and the maximum dislocation is about 2.7 mm.During the shield beneath construction,the requirement for controlling deformation can be ensured by adjusting the shield driving parameters and performing secondary grouting in time.Keywords:shield tunnel;rectangular pipe jacking;underground street passage;deformation characteristics;safety control收稿日期:2022-03-26(修改稿)作者简介:张旭(1989),男,辽宁大洼人,博士,讲师,主要从事隧道与地下工程领域的教学与科研工作。E-mail:zxbjtu 通讯作者:满忠昂(1995),男,山东枣庄人,硕士生,主要从事隧道与地下工程领域的研究工作。E-mail:779610902 基金项目:内蒙古科技大学建筑科学研究所开放基金项目(JYSJJ-2021Q05);国家自然科学基金(51868062)0引言近年来,城市修建地下过街通道常采用矩形顶管法,但由于管节之间采用 F 型承插接头,并且未设置螺栓、预应力棒等连接,导致容易受到地基不均匀沉降而引起接头部位出现张开、错台和扭转变形,进而出现管节接缝部位防水失效,严重威胁地下过街通道运营安全1-3。新建地铁盾构隧道不可避免的对地层有所扰动4,尤其是在地下过街通道的下方修建,施工风险较高,其安全控制是建筑工程界亟待解决的难题,据此提出合理的控制方案5。施工引起的地层变形特征及影响规律6-7对近距离下穿工程有最要的意义。因此,有必要对盾构下穿施工引起的既有地下过街通道变形特征和控制方法进行深入研究。目前,已有众多学者对新建隧道穿越既有隧道进行了大量研究,盾构下穿矩形顶管法修建的地下过街通道工程案例较少,主要是针对盾构下穿地铁车站、运营区间隧道、桥梁桩基础等开展较多研究,重点研究既有结构的力学响应和相应的保护措施8-10。有关地下过街通道的研究侧重于 F 型承插接头的力学行为、刚度模型、变形机制等11-13,但是已有研究大多采用单一方法,缺少互相验证的对比,成果还未能大范围推广应用。有关地下过街通道方面的技术标准较少,没有明确的变形控制标准和接头防水失效的确定依据,对于管节错台等控制措施的确定缺乏理论依据。盾构下穿既有地下工程采用的控制措施较多,例如注浆加固、控制掘进参数、土地改良等14-17,但是针对地下过街通道变形控制的研究较少。因此,亟待对盾构下穿矩形顶管法修建的地下过街通道工程进行深入地研究。为此,以呼和浩特地铁盾构区间隧道下穿既有地下过街通道工程为背景,通过数值模拟研究地下过街通道整体变形特征以及 F 型承插接头的错台情况,提出合理的安全控制方案,最后通过现场监测,分析地下过街通道变形控制效果。1工程概况呼和浩特地铁中山路站新华广场站盾构区间隧道起于中山路站,沿锡林郭勒南路敷设,终于新华广场站。本段区间隧道全线敷设于地下,采用盾构法施工。在距离起始端 51.8 m 处近距离下穿1 座地下过街通道,其平面为“井”字型,如图 1 所示。该 通 道 宽 为 6.9 m,高 为 4.2 m,埋 深 为5.4 m,为地下一层箱型结构,4 个换乘厅采用明挖法施工,该通道采用矩形顶管法施工,管节之间采用 F 型承插接头连接。盾构隧道拱顶距离地下过街通道底板约 2.5 m,盾构穿越该段主要地层为细砂和粉质黏土层。地质剖面如图 2 所示。图 1工程平面图Fig.1Plan view of the project图 2地质剖面图(单位:mm)Fig.2Geological profile(unit:mm)2施工前变形预测2.1数值模型建立采用 Midas GTS 建立三维数值模型,模型尺寸为沿 x 轴方向 79 m,y 轴 方 向 101 m,z 轴 方 向30 m,盾构区间隧道与地下过街通道(包括 4 条地下过街通道和 4 座换乘厅)的空间布置与实际工程一致,如 图 3 所 示。该 模 型 网 格 单 元 数 量 为17 659 个,节点数量为 70 475 个。模拟中采用的盾构衬砌外径为 6.2 m,宽度为 1.5 m,厚度为0.45 m。地下过街通道的厚度为 0.45 m。2.2数值参数选取由于现场地质环境较复杂,参照盾构下穿区段的地勘报告,将地层简化为素填土、砂砾和粉质黏土 3 层,均采用 MohrCoulomb 模型,见表 1。地下结构(地下过街通道和盾构隧道)采用弹性模型,3592022 年增刊 2张旭,等:盾构隧道下穿地下过街通道安全控制案例研究图 3数值模型Fig.3Numerical model容重 为 24 kN/m3,弹 性 模 量 为 31 GPa,泊 松 比0.2。表 1地层力学参数Table 1Mechanical parameters of stratum地层名称厚度/m弹性模量/MPa泊松比内摩擦角/()黏聚力/kPa容重/(kNm-3)素填土3.5150.3610819砂砾7.5400.3130020粉质黏土1912.80.351430202.3数值结果分析左线隧道依次通过第一、二条地下过街通道,之后右线隧道反方向掘进,4 次下穿地下过街通道时其结构竖直位移云图如图 4 所示。由于地下过街通道含有 4 个换乘厅并且结构非对称,当盾构区间隧道通过其上方的地下过街通道后,下穿段上方的地下过街通道的沉降规律有所差别。左线隧道通过第一条通道后,该通道的左侧靠近换乘 厅,盾 构 正 上 方 通 道 结 构 沉 降 最 大 值 为15.9 mm,而邻近的换乘厅结构主要以沉降为主。左线隧道通过第二条通道后,由于后续施工扰动,第一条通道结构沉降最大值增加至 16.2 mm。右线隧道掘进至第二条通道正下方时,右线隧道正上方的通道结构沉降量仅为 5.7 mm,随着盾构继续掘进,该值持续增加。右线隧道通过第一条通道后,地下过街通道结构最大沉降值为 16.2 mm。盾构两侧的地下过街通道和换乘厅结构均出现了局部隆起的现象,隆起发生在结构的外侧(远离盾构隧道一侧),最大值为 3.2 mm。第一条通道结构沉降最显著,取该通道的顶板、侧墙和底板结构的竖直位移,绘制该通道横断面沉降槽曲线,如图 5 所示。图 4地下过街通道竖直位移Fig.4Vertical displacements of underground street passage图 5地下过街通道横断面沉降槽Fig.5Cross section settlement trough of underground street passage由图 5 可知,地下过街通道结构顶板、侧墙和底板结构的变形趋势和量值基本一致,最大差距位于两条盾构隧道中心线的部位(图中水平轴位置为零),可认为通道结构近似刚体。通道横断面沉降槽呈非对称的“W”形,最大沉降部位位于左线隧道的正上方,该位置受施工扰动最大,影响最严重。地下过街通道呈现比较复杂的空间变形特性,例如管节的沉降、扭转等,由于 F 型承插接头属于薄弱部位,容易导致地下过街通道管节之间出现明459地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷显的错台变形,如图 6 所示。地下过街通道相邻两个管节错台量如图 7 所示,水平轴为管节接缝的序号。由于两条盾构先后下穿地下过街通道,以一定的夹角倾斜穿越,沿地下过街通道掘进方向管节错台量并非呈现对称形式。对地下过街通道错台影响最大的位置是在先建盾构正上方,最外端管节受施工扰动影响较小,管节错台量较小。两条盾构隧道水平间距较大,地下过街通道中心线处错台量较小。通过计算得到的最大管节错台量为 2.7 mm,小于规范规定的既有结构差异沉降累积值 4 mm。图 6地下过街通道变形Fig.6Deformation of underground street passage图 7相邻管节错台量Fig.7Dislocation of twin adjacent segments3保护方案设计由于盾构下穿可能诱发地下过街通道产生较大的沉降,为避免管节接头破坏及地下水渗漏,提出了型钢加固、二次注浆加固和调整盾构掘进参数的保护方案。其中,盾构内部设置型钢支撑的方案在沉降较大且出现明显的错台和渗漏水时采用。3.1型钢支撑加固地下过街通道内部架设型钢支架进行加固,加固范围为隧道拱顶两侧各 6 m,型钢支架采用 25b型槽钢对焊,使用 10#槽钢焊接斜角支撑,每隔 3 m支撑一组,焊接形成钢结构骨架,保证地下通道结构整体的稳定性。中间留 2 m 的人行通道,在盾构进入通道正下方时临时封闭,待盾构机盾体完全穿越以及测量数据稳定后,开放使用,如图 8 所示。地下过街通道白天人流量较大,型钢支撑安装将严重影响市区行人的出行,因此决定将型钢支撑加固作为一种临时方案,当发现盾构下穿期间沉降量及变化速率较大时,将会采取型钢支撑的方案。3.2二次注浆加固盾构下穿地下过街通道范围内,采用每片 3 个注浆孔的管片,对盾构上半部分进行二次注浆,以提高管片强度和稳定性减少地下过街通道结构的后期沉降。盾构壁后二次注浆采用双液浆,浆液扩散半径 1.52 m,浆液形成有效厚度不小于 2 m 的注浆圈,注浆压力为 0.2 0.6 MPa,注浆压力与注浆量双控,在管片出盾尾 5 环后即可进行。注浆结束后,摘除注浆头,封堵孔。图 8型钢支撑布置(单位:mm)Fig.8Layout of steel support(unit:mm)3.3盾构掘进参数盾构下穿地下过街通道时,保证匀速通过,减少扰动。严格控制出土量,保证同步注浆量,及时进行盾构隧道壁后二次补偿注浆。控制盾构掘进参数,根据监测数据及时调整盾构掘进参数。盾构推进平均速度 25 40 mm/min,峰值不宜超过 50 mm/min;刀盘扭矩控制在 3 500 Nm 以内;总推力控制在 14 000 kN 以内;在注浆量或土压力不能保证的情况下,适当降低推进速度;在穿越地下过街通道时,如果推力和扭矩在可控范围内,可适当提高土仓压力,最高不超过 0.15 MPa。4变形控制效果4.1现场监测方案以第一、二条地下过街通道为例,在通道结构5592022 年增刊 2张旭,等:盾构隧道下穿地下过街通道安全控制案例研究底板每间隔 1.5m 布置 1 个沉降监测点,这两个通道分别布设 34、30 个测点,如图 9 所示。参考类似工程和规范,以监测变量累计值、变化速率作为控制标准。其中,累计沉降值不超过20 mm,变化速率不超过 2 mm/d。图 9测点布置Fig.9Layout of monitoring points4.2控制效果评价盾构穿越第一条通道后该通道横断面沉降槽曲线,如图 10(a)所示。左线盾构通过后,该通道沉降沿左线盾构中心线符合单 Peck 公式18,最大沉降值为 13.9 mm。左线盾构通过地下过街通道后,模拟与实测的沉降槽分布及其量值大小的结果相近。现场调查发现,通道底板并未出现较明显的错台变形,结构内部也未发生渗漏水现象,因此认为盾构下穿期间通过合理控制掘进参数和二次注浆加固的措施能够满足变形控制的要求,所以经过专家论证会讨论,未采用型钢加固方案。右线盾构通过后,该通道结构沉降沿左线与右线盾构中心线符合双 Peck 公式19,最大沉降值为 17.0 mm,如图 10(b)所示。图 5 与图 10(b)中结构沉降槽曲线存在一定的差异,数值模拟对地层环境、管节接头等进行了简化,实际工程中面临更加复杂的环境,盾构机掘进参数的控制受到操作人员影响较大,导致顶推力难以保持恒定数值,此外,现场施工人员多次进行二次注浆,尤其是在第二条盾构通过地下过街通道之后,而这些都无法 在 数 值 模拟中实现,导致两者存在一定的差异。图 10地下过街通道沉降实测数据Fig.10Measured settlements of underground street passage659地 下 空 间 与 工 程 学 报第 18 卷由于目前我国缺少有关矩形顶管法修建的地下过街通道方面的技术标准,且没有明确的地下过街通道变形控制标准,类似工程主要参考其它的地下建筑结构。文章主要参考已有规范中对于错台的要求判断,可能与地下过街通道有些差距,但是通过对地下过街通道结构沉降、错台、渗漏水的调查发现,本工程施工过程中是能够保证既有地下过街通道的安全性。盾构下穿地下过街通道区段变形控制的关键是控制好盾构掘进参数和注浆压力。5结论(1)地下过街通道横断面沉降槽呈非对称的“W”形,最大沉降部位出现在先建隧道的正上方,该位置受到的施工扰动最严重,是变形控制重点区域。(2)地下过街通道错台量最大的部位是先建盾构正上方的管节接缝处,远离盾构的管节错台量相对较小。最大管节错台量为 2.7 mm,满足设计要求。(3)在盾构下穿期间,通过合理控制掘进参数和二次注浆加固等措施能够满足变形控制要求。当地下过街通道变形较大时,建议采用型钢加固方案。参考文献(References)1许有俊,王雅建,冯超,等.矩形顶管施工引起的地面沉降变 形 研 究 J.地 下 空 间 与 工 程 学 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