盾构近距离上穿运营隧道的实测数据分析.pdf

<p>在上海地铁 13号线上穿地铁 4 号线施工期隧道变形实测数据分析的基础上,探讨在施工扰动影响下的隧道变形机理,得出穿越扰动导致隧道隆起变形,隧道隆起变形存在滞后,盾构穿越完成后第 51 天隧道隆起变形趋于收敛等规律.盾构穿越后隧道隆起变形量占隧道累计隆起变形量的 40%65%.二次穿越施工扰动延长了隧道隆起变形的稳定时间,增加了隧道累计隆起变形量.盾构穿越施工的影响范围为 4 倍的施工盾构直径(4D),隧道纵向变形曲线近似成正态分布,反弯点位置在 2D 左右,最大累计隆起变形出现在沿 4 号线隧道方向的投影相交点位置.关键词:穿越施工;土体扰动;运营隧道;隆起变形中图分类号:U 456.3文献标志码:A 文章编号:1008-973X(2010)10-1962-05Monitoring data analysis of disturbing effect caused byshield-driven over operating tunnelZHU-Lei1,2,HANG Hong-wei1(1.Department of Geotechnical Engineering,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.Shanghai Metro Maintenance Center,Shanghai 200070,China)Abstract:The deformation mechanism of existing tunnel was analyzed based on the monitoring data analysisof M13 crossing M4 in shanghai.Results showed that the deformation of tunnel was caused by theconstruction disturbance and was convergent after 51 days.The heave deformation of tunnel afterconstruction accounted for 40%-65%of the cumulative deformation of tunnel.The second crossingconstruction disturbance delayed the convergence time of heave deformation and increased the cumulativeheave deformation of tunnel.The range of disturbing effect was four times of the shield diameter(4D).The longitudinal deformation curve of tunnel was approximately normal function distribution.The distanceof inflection point was 2D.Along the tunnel direction of M4,the maximum of heave deformation was inthe middle of the two crossing point.Key words:crossing construction;soil disturbance;operating tunnel;heave deformation随着地铁工程的飞速发展,各类交叠隧道的大量建设,隧道之间的近距离穿越施工越来越多.近距离穿跨越往往具有施工难度大、控制变形要求高的特点,目前隧道穿越问题已经取得了一些研究成果 1-8,本文通过对上海轨道交通 13 号线上跨越地铁 4 号线现场实测数据的分析,研究上穿越施工扰动对已运营隧道变形的影响.1 工程概况上海市轨道交通 13 号线世博园专用交通联络线工程卢浦大桥站 马当路站区间管片结构采用钢筋砼衬砌圆环,通缝拼装,内径为 5.5 m,外径为6.2 m,环宽为 1.2 m,环厚为 0.35 m.衬砌环全环采用封顶块、2 块标准块、2 块邻接块及 1 块拱底块构成.盾构沿蒙自路推进至瞿溪路处上跨运营地铁4 号 线,呈 十 字 形 相 交,4 号 线 轨 面 标 高 为-19.2 m,13 号线隧道上部覆土厚度约为 8.5 m,平曲线半径约为 2 000 m,纵坡为 4.22,两条隧道的最小垂直净距约为 3 m.穿越过程划分为 4 个区域,如表 1 所示.表 1穿越段区域划分Tab.1Different section of crossing area区域上行线环号下行线环号模拟区162 213162 211影响区214 224212 222穿越区225 241223 239影响区242 252240 250跨越区采用注浆加固,加固范围为管片外 1.5m.穿越前未对已建 4 号线周边土体进行加固.为了控制 13 号线盾构推进过程中因出土引起的 4 号线隧道隆起,采用袋装管片螺栓进行加载,加载范围为上行线第 221 255 环,下行线第 219 243 环,每环加载量为 2.0 3.0 t.13 号线下行线盾构于 2008年 1 月4 日进入影响区212环,2008 年1 月 11 日盾尾脱出 4 号线上行线 242 环,推进 30 环,总计推进为 36 m.、上行线盾构二次穿越于 2008 年 3 月 11日切口到达 224 环,2008 年 3 月 15 日到达 244 环完成穿越,总计推进为 36 m.本区间盾构掘进主要在第 层淤泥质黏土、第1层粉质黏土之中.跨越轨道交通 4 号线位于第层淤泥质黏土中.第、1层土性指标含水量高、空隙比大、强度低、压缩性高、渗透性弱,具有明显的触变、流变特性,在动力作用下土体结构易破坏,使土体强度降低,变形增加,造成土层流动以致开挖面失稳,土层特性如表 2 所示.表 2土层特性表Tab.2Soil properties层序土层名称层底埋深/m层底标高/m层厚/m土层描述淤泥质黏土15.9 17.0-11.59-13.477.0010.00均有分布,流塑,均匀,含云母、有机质和少量贝壳碎屑或团块,夹少量粉土,局部为淤泥质粉质黏土,高压缩性。1粉质黏土 20.2 28.5-17.03-24.914.1012.20均有分布,软塑为主,部分孔层顶为流塑淤泥质粉质黏土,欠均匀,含云母、少量腐殖质,夹薄层粉土或砂,局部为黏土,高 中压缩性。2黏质粉土28.540.0-24.8917.80欠均匀,很湿,稍密 中密,含云母碎屑,夹较多薄层黏性土,局部为粉砂互层状,有时为砂或砂质粉土,中压缩性。3粉质黏土部分未穿部分未穿部分未穿软塑,欠均匀,含云母、少量泥质结核和腐殖质,夹较多粉土或砂,中偏高压缩性。2 监测内容在穿越施工中对 4号线隧道分别进行直径收敛监测(投影相交点位置两侧 12 m 范围)、隧道轴线沉降监测(采用电子水平尺轴线沉降自动监测系统,以 4 号线上、下行线 2 个穿越交叉点为对称中心左、右 50 m,测点间隔为 2 m)和轨面监测(采用电子水平尺轨面高差自动监测系统,4 个交叉点),监测布点如图 1 所示.图 1隧道穿越段测点布置图Fig.1Arrangement plan of measuring points1963第 10期朱蕾,等:盾构近距离上穿运营隧道的实测数据分析3 数据分析图 2 中,sumax为 M4 上行线隆起最大值,sdmax为M4 下行线隆起最大值.如图 2 所示,在盾构上穿施工中影响既有隧道沉降变形的因素很多,盾构机直径、刀盘土压力、刀盘扭矩和转速、盾壳摩擦、盾尾同步注浆量、二次注浆量、注浆压力、盾构推进速度、出土量等在穿越不同阶段时影响权重不断变化.在 13号线下行线上穿 4 号线下行线过程中,刀盘土压力控制为0.15 MPa;同步注浆压力为 0.3 0.5 MPa;同步注浆量为 2.3 m3;每间隔一环二次补浆 1.2m3、1.6 m3;推进速度为 10 12 mm/min.从投影位置分析,在盾构机掘进距 4 号线下行线 1 倍 D(D=6.2 m)至刀盘推至 4 号线下行线过程中,刀盘转动和挤推导致隧道周围土体微扰动,下方隧道微量隆起 0.665 mm;继续推进在盾尾推至 4 号线下行线前,盾壳对土体摩擦和刀盘转动的共同作用造成下方隧道隆起1.017 mm;在刀盘离开 4号线下行线至盾尾离开 4 号线下行线期间,同步注浆和二次补浆参与共同作用,4 号线下行线隧道隆起 1.318 mm.3个阶段隧道瞬时隆起比例为 0.55 0.771.图 213 号线下行线穿越 4 号线Fig.2Downline of M13 tunneling across M4在盾尾脱离 4号线下行线后隧道瞬时隆起趋势增大,表明穿越施工对周围土体扰动造成的隧道瞬时隆起存在滞后性.在穿越 4 号线上行线过程中,其他施工参数不变,推进速度为 7 9 mm/min,刀盘土压力略减小,施工参数调整使 4 号线上行线隧道瞬时隆起有效控制在 0.902 mm.图 3 给出了 4 号线上、下行线隧道在 4 个交叉点和同一线上 2 个交叉点中间位置处隆起变形历程.受施工扰动的影响,下方隧道隆起变形滞后.随着时间推移,隧道隆起变形缓慢增大,13 号线上、下行线先后穿越 51 d 后 4 号线隧道隆起日变形量小于0.05 mm,基本处于收敛状态.图 34 号线上、下行线隧道不同测点的隆起变形历时曲线Fig.3Time-history curves of heave of M4 tunnel13 号线下行线穿越 4 号线下行线,隧道隆起变形分为刀盘距隧道 2D 至盾尾离开隧道 2D、盾尾脱离隧道 2D 后 10 d、盾尾脱离隧道 2D 后 51 d 这 3个阶段,隧道日隆起变化量见表 3.当 13 号线下行线上穿 4 号线时,在 13 号线下行线正下方 4 号线下行线隧道测点 XU29 日隆起量3 阶段的比例分别为 1 0.220.1;在 13 号线上行线正下方4号线下行线隧道测点XU24日隆起量表 3不同阶段的隧道日隆起变化量Tab.3Day change of tunnel s heave at different stage mm d-1穿越工况施工节点XU23XU24XU26XU2913 号线下行线穿越 4 号线下行线隧道穿越施工期0.2080.2040.3320.311完成穿越后 10 d0.0300.0380.0450.067完成穿越后 51 d0.0180.0190.0260.03013 号线上行线穿越 4 号线下行线隧道穿越施工期0.2710.2640.2020.157完成穿越后 51 d0.0450.0420.0370.0211964浙江大学学报(工学版)第 44 卷3阶段的比例分别为 1 0.19 0.09.当 13 号线上行线上穿 4 号线时,在 13 号线上行线正下方 4 号线下行线隧道测点 XU24施工期和长期日隆起量的比例分别为 10.16;在 13 号线下行线正下方 4 号线下行线隧道测点 XU29施工期和长期日隆起量的比例分别为 10.13.二次穿越对下方隧道不同位置产生的扰动影响权重不断发生变化.通过对比 4 号线下行线隧道两交叉点(XU24、XU29)中心测点 XU26 日隆起变化量,发现二次穿越后第 51 天的日隆起量是一次穿越后 51 天的日隆起量的 1.4 倍,隧道隆起变形稳定时间相对延长.原因在于二次穿越时盾构掘进速度增加了 1.0 2.0 mm/min,土压力增加了 1.0 2.0MPa,注浆压力减小了 0.1 0.3 MPa,同时二次补浆量减小了 0.4 m3,推进速度和土压力增加,增大了对周围土体的扰动程度,同时注浆压力和二次补浆量的减小,使盾尾建筑空隙填充效果下降,导致盾尾经过后隧道周围土体应力释放比例增大,进而引起下方隧道隆起变形增大,稳定时间延长.此外受扰动土经过二次扰动后,土体结构再次遭到破坏,延长了土体次固结的时间,这也是造成二次穿越后隧道隆起变形长期增加的原因之一.表 4 给出了盾构穿越施工后期隧道隆起变形与施工期隧道瞬时隆起变形量.可以看出,盾构穿越施工后隧道隆起变化量在隧道长期变形中占较大比例,第一次穿越完成后 4 号线下行线隧道后期隆起变形量占隧道累计隆起变形量的 41%45%;第二次穿越完成后 4 号线下行线隧道后期隆起变形量占隧道累计隆起变形量的 58%65%.表 4不同阶段的隧道隆起变化量Tab.4Change of tunnel s heave at different stage mm穿越工况施工节点XU23XU24XU26XU2913 号线下行线穿越 4 号线下行线穿越施工期1.251.221.991.870完成穿越后第 51 天0.9160.9691.3591.550完成穿越后第 51 天累计隆起2.1642.1923.3533.41613 号线上行线穿越 4 号线下行线穿越施工期1.3501.3201.0100.780完成穿越后第 51 天2.3102.1301.8901.090完成穿越后第 51 天累计隆起3.6683.4492.8981.875 如图 4 所示,13 号线上行线后上穿 4 号线隧道,二次叠加扰动所导致的隧道隆起最大变形位置图 4穿越区内 4 号线隧道隆起变形分布曲线Fig.4 Distribution curves of heave of M4 tunnel inacrossing area偏离了交叉点位置,出现在沿 4 号线隧道纵向两交叉点中间处.同时,在 13 号线下行线正下方的 4 号线隧道隆起变形略大于 13 号线上行线正下方的 4号线隧道隆起变形,原因在于 13 号线下行线隧道穿越对正下方隧道造成的施工扰动影响大于对侧下方隧道的施工扰动影响,前者对周围土体结构的损伤程度也大于后者.当 13 号线上行线二次穿越 4 号线隧道时,二次叠加扰动对 13 号线下行线下方隧道的影响大于 13 号线上行线下方隧道.表明隧道周围土1965第 10期朱蕾,等:盾构近距离上穿运营隧道的实测数据分析体受扰动程度越大,当发生二次扰动时,对隧道长期变形稳定越不利.图 5 给出了在穿越过程中随时间推移,实际隧道纵向变形曲线和正态分布拟合曲线.在 13 号线穿越工程中,二次穿越施工扰动分别导致的 4 号线隧道纵向隆起变形均近似以交叉点为对称中心呈正态分布.s(x)=smaxexp x2/(2i2).图 54 号线上、下行隧道纵向变形分布曲线Fig.5Distribution curves of longitudinal deformation ofM4 tunnel式中:i 为正态分布函数反弯点,本工程中 i=2D;smax为隧道最大隆起变形;s(x)为沿隧道纵向任意点处的隆起变形;x 为沿隧道纵向任意点到最大隆起变形点的距离.穿越施工扰动的影响范围为 x=4D.当 x 4D时,隧道隆起变形量小于 0.5 mm.在 x=2D 附近,存在拟合误差,实际隧道隆起变形略大于拟合值,在该处实际隧道的纵向变形曲线曲率小于正态分布拟合曲线曲率.在穿越工程中可以考虑采用正态分布拟合方法预测隧道纵向变形规律.4 结 论(1)在盾构机掘进距 4 号线下行线 1 倍 D(D=6.2m)至刀盘推至 4 号线下行线、盾尾推至 4 号线下行线、刀盘离开 4 号线下行线至盾尾离开 4 号线下行线 3 个穿越阶段中,刀盘切削和挤土、盾壳摩擦、盾尾注浆和补浆及建筑空隙等施工扰动因素相继造成下方隧道隆起变形,比例为 0.55 0.771.(2)随着时间推移,隧道隆起变形缓慢增大,13号线上、下行线先后穿越第 51 天后 4 号线隧道隆起日变形量均小于 0.05 mm,基本处于收敛状态.(3)二次穿越对下方隧道不同位置产生的扰动影响权重不断发生变化.隧道周围土体受扰动程度越大,当发生二次扰动时,对隧道长期变形稳定越不利.(4)在盾构穿越施工后隧道隆起变化量在隧道长期变形中占有较大比例,第一次穿越完成后 4 号线下行线隧道后期隆起变形量占隧道累计隆起变形量的 41%45%;第二次穿越完成后 4 号线下行线隧道后期隆起变形量占隧道累计隆起变形量的58%65%.(5)二次穿越施工扰动分别导致的 4 号线隧道纵向隆起变形均近似以交叉点为对称中心呈正态分布.穿越施工扰动的影响范围为 x=4D,当x 4D时,隧道隆起变形量小于 0.5 mm.穿越工程中可以考虑采用正态分布拟合方法预测隧道纵向变形规律.(6)本文通过分析 13 号线近距离上穿 4 号线施工的实测数据,得出了二次穿越和穿越过后的运营隧道垂直位移变形规律,对今年类似的近距离穿越施工针对地铁运营隧道的安全保护有一定的借鉴意义.参考文献(References):1 白廷辉,尤旭东,李文勇.盾构超近距离穿越地铁运营隧道的保护技术 J.地下空间,1999,19(4):311-316.BAI Ting-hui,YOU Xu-dong,LI Wen-yong.The pro-tection techniques of the running subway caused by adja-cent shield-driven J.UndergroundSpace,1999,19(4):311-316.2 李强,曾德顺.盾构施工中垂直交叉隧道变形的三维有限元分析 J.岩土力学,2001,22(3):334-338.LI Qiang,ZENG De-shun.3D deformation analysiswith the preliminary new tunnel perpendicularly crossingunder the old one J.Rock and Soil Mechanics,2001,22(3):334-338.(下转第 2004 页)1966浙江大学学报(工学版)第 44 卷cation of control of confined groundwater in deep foun-dation pits J.Chinese Journal of Geotechnical Engi-neering,2008,30(Suppl.):343-348.13 彭易华.武汉地区深基坑施工中地下水的处理 R.武汉:冶金工业部武汉勘察研究院,1996.PENG Yi-hua.Groundwater treatment in deep founda-tion construction of Wuhan R.Wuhan:ExplorationInstitute of Metallurgical Department in Wuhan,1996.14 唐传政,彭晓秋.武汉轨道交通二号线一期车站基坑支护方案探讨 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