0 引言
随着城市的快速发展,地下交通隧道或输水隧洞出现交叉的情形逐步增多。有的线路之间隧道结构相距仅有2~5 m,有的甚至在2 m以内。城市隧道埋深一般较小,开挖施工易扰动土层的应力状态,不仅可能影响既有隧道的安全,很多情况下还危及地面建筑、地面交通等的正常运行。因此,如何控制新隧道的近距施工对既有隧道及其周边环境的影响,通常是隧道工程建设中的一个难题。
近年来,净距离2 m以内的隧道近接工程我国已有多个案例。这种近距离的施工位移控制难度大。李兆平等[1]介绍了北京地铁4号线与9号线的隧道交叉工程,最小竖向净距仅为1.39 m,在上隧道盾构穿越期间下方隧道内的型钢支撑体系起到了良好的加固作用,确保了下部暗挖隧道未施作二衬的情况下上方盾构隧道的顺利掘进。
刘树佳等[2]针对上海地铁新建 11 号线先下后上近距离穿越既有4号线的工况(上行线净距1.69 m,下行线净距1.82 m)研究结果表明新旧隧道之间的净距对既有隧道变形的影响最大,土仓压力次之,注浆量影响最小。
来弘鹏等[3]针对西安地铁1号线二期某区间左线盾构小角度斜下穿既有1号线的施工控制参数进行了研究,新、旧隧道净距离为0.99~3.44 m,研究结果表明适当增大注浆范围是控制既有隧道沉降的有效方法。
王立新等[4]采用数值模拟和监测相结合的方法,对黄土地层中盾构近距离下穿既有隧道的施工参数影响进行了研究。黄土一般以非饱和、大孔隙状态存在,有较强的水敏性。研究认为:为保证既有隧道安全运营,应尽量避免竖直净距< 0.2D(D为隧道直径)的双线盾构下穿;当采用0.4D竖直净距下穿时,应将新建隧道拱顶沉降值控制在13 mm以内。
张盛红[5]通过位移收敛法模拟地层损失,分析了广佛环地铁盾构隧道下穿对某已建隧道的影响规律,指出盾构下穿施工对已建隧道的横向和纵向方向的影响范围主要在2D内。
向天兵等[6]针对大型引调水工程穿越或临近城区时浅埋隧洞施工影响控制的难题, 提出了一种包括施工条件分析、 施工方法比选、 设计方案确定、 施工过程反馈和动态设计优化等环节的全过程动态闭环反馈控制方法。 以滇中引水工程输水总干渠过昆明城区浅埋段下穿或邻近侧穿各类敏感建(构)筑物100余座的工况为例, 采用全过程动态闭环馈控方法确保了近接施工影响的整体受控。
崔光耀等[7]针对北京地铁新机场地铁线暗挖区间段上跨既有地铁10号线间距仅0.97 m的工况(68°斜交),根据施工影响分区及工程特点提出了超前管幕和超前管幕+夹土注浆2种加固措施,分析认为超前管幕可使位移减小64.05%;超前管幕+夹土注浆加固可使位移减小70.23%。
综上所述,对极小净距的隧道近接施工已开展了一定的研究,在新隧道施工的扰动影响范围、施工参数的影响以及注浆、超前管慕等措施的应用等方面已有一些认识,但总的来说经验还不是很丰富。
本文所研究的工程是新建的东莞地铁1号线上跨营运中的莞惠城际东城南站,该工程除了新、旧隧道之间净距很小(1.73 m)之外,另有2个对施工控制有重要影响的因素接隧道工程不同的特点:①上跨部位的地基内有历史遗留锚索,对新隧道的盾构推进造成风险,处理不当可能引起盾构机受损和地层大位移;②新隧道位于全-中风化花岗岩层内。为确保盾构施工的安全以及不对既有隧道产生不利影响,开展了施工控制措施研究。
1 工程概况
1.1 新、旧隧道布置
东莞新建地铁1号线上跨已营运的莞惠城际东城南站,新、旧隧道位置关系如图1所示。
平面交角为36°,上跨距离约36 m。新建隧道双线中心间距2.0 m,隧道顶部埋深约10 m,与莞惠城际隧道东城南站隧道顶部最小竖向净距仅1.73 m。采用土压平衡式盾构机,盾构总长95 m,刀盘外径6.98 m,盾构隧道管片衬砌内径6.0 m,外径6.7 m,管片厚度0.35 m,每环宽1.5 m,采用错缝拼装方式。盾构刀盘离既有隧道结构1.59 m。
1.2 地质条件
地质条件如图1(b)所示,地层自上而下依次为素填土(厚2.0 m)、硬塑砂质黏性土(花岗岩残积土,厚约3 m)、全风化花岗岩(厚约8.5 m)、中风化花岗岩(厚约15.5 m)、微风化花岗岩。强风化层较薄,图中未显示。既有莞惠城际隧道位于中风化花岗岩中。新建的地铁1号线隧道上半圆位于全风化花岗岩中,下半圆位于中风化花岗岩中。花岗岩残积土以及全风化花岗岩是华南地区的特殊土类,在含水量变化、振动、周围应力卸荷等扰动下容易发生大的变形甚至坍塌。
1.3 锚索障碍物
莞惠城际铁路东城南站施工期间,曾需要在暗挖段(站台区域)拆除盾构机,当时暗挖段只做了初期支护。考虑到洞体稳定性可能不足,为了加固洞周土体,在暗挖段的左、右线隧道拱顶竖直向上分别布置了二排锚索。锚索为公称直径Φs15.2 mm的预应力钢绞线,其位置如图1(a)所示,左、右线锚索的纵向间距为2.0 m,横向为隧道中心线外扩2.0 m,锚索长度为12~14 m。总计共有12根锚索进入地铁1号线的左线隧道,右线隧道平面避开了锚索,与锚索最小水平距离为3.4 m。
锚索的存在给新建盾构隧道带来2个方面的问题:一是左线盾构推进过程中刀盘可能被锚索卡锁、拖拽,造成盾构机损坏及其连带可能的各种事故,因此要设法切割锚索;二是锚索切断后,上部土体及既有隧道可能受到应力重分布的影响,而产生附加位移。这种在盾构前进路径上存在锚索的问题尚无先例,缺乏处理经验。
2 施工控制措施
为了控制新建隧道盾构施工对既有隧道的影响,通过研究采取了以下措施:①上跨施工前,利用试验段施工,结合数值模拟位移计算,选择合适的盾构掘进参数;②采用“洞内开仓切割法”进行锚索切割处理;③上跨施工前对左、右线上部地层进行注浆加固;④通过施工监测指导施工。
2.1 上跨施工掘进参数选择
选择新东区间(新源路站—东城南站)中地质条件与上跨地段基本一致的一段长45 m的区段作为试验段。选择的盾构掘进参数主要包括:盾构刀盘扭矩、推力、刀盘转速、推进速度、盾尾注浆压力和注浆量等。试验段的施工要求如下:
(1)根据试验段地质条件,结合经验,初选盾构机施工参数。
(2)按照初选的掘进参数施工,同时监测地面沉降。根据开挖工作面地质情况、出渣情况以及地面沉降情况,调整施工参数。
(3)盾构机在运行时调整到最佳姿态,避免较大的纠偏,同时避免盾构上浮、叩头和后退等现象发生。
以右线为例,试验段掘进的参数变化及沉降情况如图2所示。
由图2可以看出,在所选择的施工参数范围内,地表沉降一般都在4 mm以内。但是,也有一小段的地表沉降稍大,在4~7 mm之间。在这段沉降稍大的区间,刀盘转速、扭矩、注浆压力、注浆量等与前、后区间并无显著的变化,但是掘进速度最低(仅6 mm/min),而且掘进速度从约14 mm/min快速降到6 mm/min。分析认为,掘进速度过慢及速度的快速变化容易产生较大的沉降。周海群[8]也曾提出“在盾构施工参数已经设定的前提下, 无论是单环掘进速度还是整体掘进速度, 对地表沉降的影响最终取决于掘进速度变化幅度, 掘进速度变化幅度大, 则沉降大。控制施工掘进速度的变化量可有效控制地表沉降”。因此,为了控制地层沉降,应采用适当的掘进速度并控制掘进速度的变化幅度。
根据试验段的研究结果,拟用于上跨既有隧道的主要施工参数为:刀盘转速约1.2 r/min、总推力14 000~24 000 kN、扭矩1 600~2 000 kN·m、注浆压力3~5 bar、注浆量7~9 m3、掘进速度8~14 mm/min。
2.2 锚索处理
针对原莞惠城际隧道施工留下的锚索,研究过多种处理方案,包括明挖竖井、人工挖孔、开挖基坑等方案,经反复研究,最终提出一种“洞内开仓切割法”。该方法的执行步骤为:①观察盾构推进参数变化、判断是否遇到锚索;②遇到锚索后根据出渣及降压情况判断掌子面是否稳定;③掌子面稳定则进行气体检测与气体置换,随后进到渣土仓进行刀具拆除,为锚索钢绞线切割提供作业面;④锚索切割完成后,恢复刀具,盾构正常推进。推进过程中再遇到锚索则重复上述工作。
表1 遇到的锚索位置Table 1 Positions of encountered anchor cables |
| 锚索编号 | 图纸锚索桩号 | 实际桩号 |
|---|---|---|
| 1# | ZDK20+142.22 | ZDK20+142.62 |
| 2# | ZDK20+143.84 | ZDK20+144.13 |
| 3# | ZDK20+145.46 | ZDK20+145.75 |
| 4# | ZDK20+147.08 | ZDK20+147.20 |
| 5# | ZDK20+148.70 | ZDK20+149.12 |
| 6# | ZDK20+149.54 | ZDK20+149.51 |
| 7# | ZDK20+150.32 | ZDK20+150.56 |
| 8# | ZDK20+151.16 | ZDK20+151.38 |
| 9# | ZDK20+152.78 | ZDK20+152.65 |
| 10# | ZDK20+154.40 | ZDK20+154.53 |
| 11# | ZDK20+156.02 | ZDK20+156.18 |
| 12# | ZDK20+157.64 | ZDK20+157.88 |
表2 5#、6#锚索处理情况Table 2 Treatment of 5# and 6# anchor cables |
| 开仓原因 | 开仓 方式 | 开仓时间 | 开仓位置 | 进仓作 业人数 | 开仓作业 内容 |
|---|---|---|---|---|---|
| 5#锚索,里程ZDK20+148.7;6#锚索,里程ZDK20+149.54。刀盘到达锚索区,出现掘进参数异常,扭矩波动大,掘进速度慢 | 常压 | 2021年 12月20日 10:35至 2021年 12月20日 12:01 | 左线1307 环行程 1 857 mm, 对应刀盘 里程 ZDK20+ 150.112 | 3人 | ①更换单刃滚刀1把;②用砂轮切割机切断2根掌子面锚索(5#、6#) |
实践表明,相比明挖竖井、人工挖孔桩等传统方法,“洞内开仓切割法”费用低、处理时间短。
2.3 地基固结灌浆
在上跨施工之前,对上部覆盖层地基进行了预注浆加固。注浆加固措施有2个作用:①加固隧道上方的软弱地层,为上跨段施工过程中盾构机遇到锚索时提供安全的开仓处理条件,防止开仓处理锚索的过程中出现盾构机开挖面失稳导致地表沉降过大,甚至破坏地表建筑物和地下管线等;②提高上跨段地层整体的稳定性,减少盾构近距离上跨既有隧道的施工过程中对地层的扰动,提高上跨施工的容错率。
对上跨段左、右线新隧道拱顶以上6 m厚度范围内的残积土层和全风化层进行注浆加固,注浆方法为地面袖阀管注浆。加固范围见图1(a),沿隧道长度方向的加固长度为80 m,沿隧道横断面方向的加固宽度为隧道边缘外扩3 m。
2.4 数值模拟
表3 土层物理力学参数Table 3 Physical and mechanical parameters of soil strata |
| 土层名称 | 重度 / (kN·m-3) | 黏聚力 c/ kPa | 内摩擦 角 | 弹性模 量E/ GPa | 泊松 比 |
|---|---|---|---|---|---|
| ①素填土 | 18.20 | 10 | 15 | 0.015 | 0.35 |
| ②硬塑砂质黏性土 | 18.64 | 16 | 26 | 0.022 | 0.33 |
| ③全风化花岗岩 | 19.10 | 30 | 28 | 0.200 | 0.29 |
| ④中风化花岗岩 | 25.40 | 400 | 35 | 20.000 | 0.25 |
| ⑤微风化花岗岩 | 25.97 | 1 200 | 40 | 30.000 | 0.22 |
表4 结构材料参数Table 4 Physical and mechanical parameters of structures |
| 材料名称 | 弹性模量 E/GPa | 重度 / (kN·m-3) | 泊松比 | 厚度或 直径/mm |
|---|---|---|---|---|
| 盾壳 | 212.0 | 76.93 | 0.16 | 40 |
| 管片 | 29.3 | 24.40 | 0.25 | 350 |
| 既有隧道内立柱 | 34.5 | 25.00 | 0.22 | 600 |
模拟现场的施工顺序,左、右线推进过程顺序为:右线盾构隧道先进行开挖,右线隧道推进8个施工步后左线盾构隧道开始推进,此后左线、右线以相同的速度(一环/步)推进,直到开挖完毕。
为模拟左线停机开仓清除锚索的工况,在上跨区域调整左线隧道的土仓压力为原来的30%,以此计算掌子面可能因减压而造成地层的位移。对于锚索切割,由于过于复杂,未进行模拟。
2.5 位移监测
对新建隧道左、右线的全线地表沉降进行了监测。2条隧道轴线地表每10 m各布置一个沉降测点,每50 m布置一个地表沉降监测横断面,每个监测断面布置11个测点,如图6所示。
图7 既有隧道自动化监测断面布置Fig.7 Plane layout of automatic monitoring section of existing tunnel settlements |
图8 既有隧道自动化激光测点布置示意图Fig.8 Layout of automatic laser measuring points in existing tunnels |
3 上跨施工位移控制效果分析
3.1 地表沉降情况
3.2 既有隧道位移情况
同样以断面15-15为代表,新隧道上跨施工完成后,实测既有隧道左、右线的道床与侧壁的位移如图12所示。实测位移比数值计算的位移略小,不同部位的位移值基本在0~-1 mm之内,可见上跨施工的位移控制效果良好。实测的既有隧道位移未见明显上浮,反而有略微的下沉。分析认为这可能是由于既有隧道位于中风化地层中,上浮阻力大,而略微的下沉可能是上跨施工扰动地层(如盾构机震动影响)所致。
4 结论
东莞地铁一号线盾构隧道以1.73 m的极小净距上跨营运隧道,且盾构路径上存在历史遗留锚索需要切割处理,而隧道上覆地层为花岗岩残积土以及全-中风化花岗岩,这三者的组合条件使得本工程的施工位移控制具有罕见的难度。通过采取多项措施,使得上跨施工顺利完成,地表沉降控制在9.2 mm以内,下部既有隧道位移控制在±1 mm以内。考虑到位移监测本身的误差,可以认为上跨施工对超近距离的下卧营运隧道基本未产生影响。本工程的研究与实践取得如下认识:
(1)盾构掘进参数是位移控制的关键。选择地质条件相近的盾构区间段进行试验性施工,结合数值模拟辅助,获得合适的施工掘进参数用于上跨段施工,是一种必要且有效的施工变形控制手段。本工程所采用的盾构掘进参数,可作为围岩为全-中风化花岗岩地质条件下近距离上跨工程的参考。
(2)针对盾构路径上的锚索障碍,提出了一种新型的“洞内开仓切割法”,实践证明这种锚索切割方法是可行的,具有成本低、处理快捷的优点。同时需注意,为了保持掌子面的稳定及人工操作的安全,辅以地基预先固结灌浆是必要的。
(3)当下卧既有隧道位于中风化地层时,上跨隧道的开挖施工不易引起下卧既有隧道的上浮。