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市政工程建 筑 技 术 开 发76 Municipal EngineeringBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月盾构隧道斜交下穿南水北调暗涵影响研究孟庆杰，郭建斌，于浩亮（北京市建设工程安全质量监督总站，北京 101100）摘要 以北京地铁12号线为背景，针对四季青站远大路站区间盾构斜交下穿暗涵及其变形控制问题，数值分析手段展开下穿施工时暗涵及土体变形规律，并结合试验段展开监控量测及数据分析，以探讨基于盾构掘进参数控制的地表变形规律。经研究可知，盾构掌子面前方616 m处暗涵及土体受施工扰动较大，因此需要在两工程交叉处，沿盾构方向20 m范围内强化监控量测，并依据监测结果及时做好变形控制；施工时土舱压力保持在理论计算值的1.171.23倍内土体较为稳定；相比掘进速度，注浆量对地层变形的影响更明显，故施工过程中应做好注浆量控制。关键词 盾构隧道；暗涵；斜交下穿；掘进参数 中图分类号TU 9 文献标志码A 文章编号1001-523X（2023）08-0076-04RESEARCH ON THE INFLUENCE OF SHIELD TUNNELING ON BURIED CULVERT OF SOUTH-TO-NORTH WATER DIVERSIONMeng Qing-jie，Guo Jian-bin，Yu Hao-liang AbstractTaking Beijing Subway Line 12 as the background,aiming at the problem of shield oblique underpass culvert and its deformation control between Sijiqing Station and Yuanda Road Station,numerical analysis method is used to expand the deformation law of culvert and soil during underpass construction,and monitoring measurement and data analysis are carried out in combination with the test section to explore the ground deformation law based on the control of shield tunneling parameters.After research,it can be concluded that the hidden culvert and soil in front of the shield tunnel face 6-16 meters are greatly disturbed by construction.Therefore,it is necessary to strengthen monitoring and measurement within 20 meters along the direction of the shield tunnel at the intersection of the two projects,and timely carry out deformation control based on the monitoring results;during construction,the soil pressure in the soil silo is maintained within 1.17-1.23 times the theoretical calculation value,and the soil is relatively stable;compared to the excavation speed,the impact of grouting amount on formation deformation is more significant,so grouting amount control should be done well during the construction process.Keywordsshield tunnel;buried culvert;skew under-passing;displacement control1 工程概况北京地铁某线四季青站远大路站区间盾构隧道斜交下穿南水北调西四环暗涵，平面交角约为63，隧道与暗涵的关系如图1（b）所示。12号线四季青站-远大路站区间隧道埋深约为25.7 m，西四环暗涵是南水北调工程北京段末端的控制性工程，埋深约为9.5 m，两工程结构净距为10.5 m。地层自上向下依次是杂填土、细中砂、粉质粘土层、卵石层、卵石层，区间主要穿越卵石层、粉质粘土层。收稿日期：20230224作者简介：孟庆杰（1983），男，内蒙古赤峰人，工程师，主要研究方向为轨道交通建设的安全质量监督。趋势。参考文献1 骆建军,张顶立,王梦恕,等.地铁施工对邻近建筑物安全风险管理J.岩土力学.2007,28(7):14771482.2 王立军,许俊伟.地铁盾构隧道下穿既有桥梁异形板区沉降控制综合技术J.隧道建设.2011,31(2):220227.3 吕高峰,魏庆朝.地铁双线隧道施工对其穿越桥梁安全性分析J.北京交通大学学报(自然科学版).2008,32(4):103107.4 王占生,张顶立.浅埋暗挖隧道近距下穿既有地铁的关键技术J.岩石力学与工程学报.2007(S2):42084214.5 张晓丽,张顶立,王梦恕.既有地铁注浆抬升合理位置的确定J.岩土工程学报,2008,30(5):712717.6 霍军帅,王炳龙,周顺华.地铁盾构隧道下穿城际铁路地基加固方案安全性分析J.中国铁道科学.2011,32(5):7177.7 韩煊,刘赪炜,Rstanding Jamie.隧道下穿既有线的案例分析与沉降分析方法J.土木工程学报.2012,45(1):134141.8 黄腾,张书丰,陶建岳.地铁盾构隧道下穿公路隧道安全监控的研究J.工程勘察,2004(2):6062.9 冯阵图,史鹏飞,蒋曼,等.盾构切桩下穿复合地基对砌体房屋基础沉降影响数值模拟研究J.工程勘察,2021,49(9):713.772 施工过程有限元分析在采用“刚度迁移法”模拟盾构机向前掘进的过程中，假定土舱压力和千斤顶推力均为均布力，分别取200 kPa和300 kPa。同步注浆压力和二次深孔注浆压力为200 kPa和300 kPa。每开挖步钝化3.6 m的土体单元。为减少边界约束效应的影响，整体模型x向取80 m，y向取50 m，z向取72 m。整体计算模型，如图1（a）所示。上表面为自由面，无约束；下表面和4个侧面只有法向约束，其余方向无约束。y=36 m地表检测断面50 m72 m80 m盾构隧道暗涌（a）z-Xy-Xy-Dz-D暗涵二次衬砌拱顶监测断面右线盾构隧道左线盾构隧道东侧暗涵西侧暗涵（b）图1 整体模型示意（a）整体计算模型；（b）隧道与暗涵的位置关系假定土体为均质土层，土体本构模型采用摩尔库仑模型。盾壳、管片、暗涵二次衬砌均采用线弹性模型。盾壳采用板单元，土体和二次衬砌均采用实体单元。模型材料赋值，见表1。表1 材料物理力学参数构件重度/（kN/m3）弹性模量/MPa泊松比粘聚力/kPa内摩擦角/（）杂填土20.56100.423136卵石191000.351440暗涵二次衬砌2534 5000.17管片C502534 5000.17盾壳78.5210 0000.30注浆层251500.30二次深孔注浆251000.303 有限元计算结果分析3.1 地表沉降分析y=36 m处地表监测断面和施工现场DB56监测断面的地表沉降数据进行对比，如图2所示。由图2可知，沉降曲线呈现正态分布，最大沉降出现在两隧道中轴线偏左处，此结论与魏纲的“最大沉降会出现在先行隧道一侧”研究结论一致；数值模拟地表沉降最大值为11.78 mm，实测数据最大值为10.52 mm，由于模拟时对地层和施工步骤进行了简化，模拟值高于实测值且沉降槽更宽，但二者误差控制在10%左右，说明数值模拟结果较准确。-40-30-3-4-5-6-7地表位移/mm监测值模拟值-8-9-10-11-12-13-20-1010距离隧道中轴线的水平距离/m2030400图2 数值模拟与监测数据对比盾构掘进过程中地表y=36 m地表监测断面变形值，如图3所示。即在掌子面还未到达监测断面时就已产生沉降，随着盾构向前掘进地表沉降的最大值逐渐增大，但增加的幅度在减小。即盾构接近和穿越过程中对地表竖向位移造成的影响较大，在盾构驶离过程中产生的影响较小，故在施工中更需要注意盾构掘进时掌子面前方和上方土体沉降。距离双线隧道中轴线距离(m)-40-30-20-2-4-8-10左线盾构临近暗涵地表沉降/mm右线盾构临近暗涵左线盾构穿越暗涵右线盾构穿越暗涵左线盾构远离暗涵右线盾构远离暗涵-12-14-6-100010203040图3 盾构掘进过程中y=36 m地表监测断面变形值3.2 暗涵位移分析3.2.1 竖向位移分析盾构施工下穿既有隧道，使得上部土体卸荷，导致土体产生竖向沉降，从而使既有隧道也产生竖向 市政工程建 筑 技 术 开 发78 Municipal EngineeringBuilding Technology Development第50卷第8期2023年8月沉降。当左线隧道掌子面距离西侧暗涵16 m时开始对暗涵产生扰动，距离暗涵6 m时产生较大扰动，暗涵竖向位移达到1.23 mm，满足第一次掘进下穿不超过变形指标的40%（2 mm）要求；左线隧道通过，右线隧道掌子面距离西侧暗涵16 m时，再一次对西侧暗涵产生影响；右线施工完成后西侧暗涵竖向位移最大值3.81 mm，满足二次下穿暗涵变形不超过控制指标100%（5 mm）要求。因暗涵在掌子面16 m范围内受到扰动，6 m范围内产生较大扰动，因此在此范围内要加强对暗涵的监测。3.2.2 水平位移分析开挖结束后暗涵拱底水平位移沿盾构隧道中轴线分布，暗涵二次衬砌拱顶水平位移，暗涵二次衬砌拱顶水平位移如图4所示。由图4可知，由于盾构隧道的开挖，暗涵两侧向盾构隧道中轴线移动，南水北调暗涵最大横向水平位移小于3 mm，满足第二次掘进不超过变形指标的100%（3 mm）要求。0.40.30.20.10.0-0.1-0.2-0.3-0.4-40-30-20-10010距离隧道中轴线的距离/m暗涵横向水平位移/mm左暗涵右暗涵203040图4 暗涵二次衬砌拱顶水平位移4 现场监测数据分析4.1 地表位移分析为有效分析盾构施工过程中，既有结构沉降及对应地表变形，根据现场施工顺序，将盾构下穿施工划分为6个阶段，即：左线通过前、左线通过时、左线通过、右线通过前、右线通过时、右线通过。DB5621DB5631监测断面随盾构掘进累计历时沉降曲线，如图5所示。由图5可知，左线通过前随着掌子面的邻近地表沉降呈现增加的趋势，以左线盾构轴线上方地表沉降监测点DB5623最为明显，盾构通过前最大沉降值达到7.25 mm，约占左线施工完后最大沉降值的61.8%；随着盾构通过监测断面时各监测点地表沉降增加速率开始增大，最大地表沉降量为11.73 mm，最大地表沉降增量为3.92 mm；随着盾构的驶离，地表沉降开始趋于稳定。0-3-6-9-12-15-18-21-24DB-56-23DB-56-24DB-56-25DB-56-26DB-56-275月3日5月10日5月18日9月10日9月18日9月22日地表沉降/mm图5 DB5621DB5631监测断面随盾构掘进累计历时沉降曲线右线施工时土体变化规律与左线一致但盾构通过时变形，最大值达到了12.18 mm，说明后行隧道施工对地表变形的影响明显大于先行隧道；因此，后行施工中要调整掘进参数和控制注浆压力等措施，控制土体变形。4.2 掘进参数控制与地表沉降分析4.2.1 土舱压力土舱压力与地表关系如图6所示，当盾构土舱压力超过150 kPa时，地表变形保持在隆起状态；当土舱压力突变时，地表变形也随之急剧变化；当土舱压力低于140 kPa时，地表变形速率反而增加，可知土舱压力的大小对前方土体的变形有很大的影响。489492495498501504507510环号190时间2020/04/022020/04/082020/04/092020/04/102020/04/112020/04/122.51801.52.01701.01600.51500.0140130-1.5-1.0-0.5土舱压力/kPa地表变形/mm地表变形土舱压力图6 土舱压力与地表变形关系关系1因此，将土舱压力保持在140150 kPa较为合适，即土舱压力保持在理论计算值的1.171.25倍较为合适。4.2.2 掘进速度本工程左线盾构先行穿越DB5623DB5630监测断面后，盾构掘进速度与地表变形，如图7所示。由图7可知，左线掘进速度相对波动较大，平均 792023年8月期8卷第50第Building Technology DevelopmentMunicipal Engineering505510515520525530535540545推进环号1553150121450140135-1130-2125-3土舱压力/kPa地表变形/mm时间2020/04/132020/04/142020/04/152020/04/162020/04/17地表变形土舱压力图7 土舱压力与地表变形关系2速度为6.91cm/min；右线掘进速度较稳定，平均速度为6.09 cm/min。但右线盾构穿越前后沉降变化速率明显要比左线穿越前后变化快，说明掘进速度对地表沉降变化影响并不明显。10左线推进速度右线推进速度98推进速度/(cm/min)765488 490 492 494 496 498 500 502 504 506推进环号（a）2020/04/132020/04/142020/04/152020/04/162020/10/102020/10/112020/10/122020/10/132020/10/14时间DB-57-030-5-10-15-20-25地表沉降/mmDB-57-04DB-57-06DB-57-07DB-57-08（b）图8 掘进速度与地表变形（a）盾构机掘进速度；（b）DB56地表沉降5 结论以北京地铁12号线四季青站远大路站盾构隧道区间为背景，并结合数值模拟和现场监控量测等手段，对双线盾构隧道斜交下穿既有大型输水暗涵施工影响规律进行研究，得出以下结论。（1）盾构在临近和穿越过程中对地表扰动较大，在掌子面前方6 m、16 m范围内扰动较大。因此，为保证施工安全，需沿盾构施工方向20 m范围强化监控量测，并采取加固措施，有效控制其变形。（2）先行隧道施工完毕后，后行隧道会对既有构筑物造成二次扰动，且第二次扰动程度远大于第一次，因此后行隧道施工时，应及时优化调整土舱压力，以保证土体和构筑物满足变形控制要求。（3）根据土舱压力、掘进速度、注浆量与地表变形间的关系可知，现场土舱压力保持在理论计算土舱压力1.171.23倍时土体较为稳定；注浆量并非影响地表变形的单一因素、掘进速度对地表沉降影响不 明显。参考文献1 R.P.Chen,J.Zhu,W.Liu,etal.Ground movement induced by parallel EPB tunnels in silty soilsJ.Water and Eenrgy International,2011,68(1).2 周小文,濮家骝.砂土中隧洞开挖引起的地面沉降试验研究J.岩土力学,2002(5):559563.3 王启耀,郑永来,凌宇峰,等 近距离双线盾构隧道施工相互影响的监测与分析J.地下空间,2003(3):229233,341.4 魏纲,庞思远.基于有限元模拟的双线平行盾构隧道近距离界定J.市政技术,2014,32(1):7680.5 魏纲,王霄.基于统一解的近距离双线平行盾构地面沉降计算J.现代隧道技术,2017,54(2):8795.市政工程建 筑 技 术 开 发