三线并行盾构隧道施工影响现场监测研究

三线并行盾构隧道施工影响现场监测研究

韦良文¹　陈越峰²　张庆贺³

（1重庆交通大学土木建筑学院　重庆　400074；2上海市浦东工程建设管理有限公司　上海　201210；3同济大学地下建筑与工程系　上海　200092）

摘　要　针对上海某地铁近距离三线并行盾构区间隧道的施工影响进行现场监测研究。总结归纳盾构施工对周围深层土体水平位移、深层土体沉降、孔隙水压力的基本影响规律。研究结果可为后续类似工程的设计与施工积累经验。

关键词　并行盾构隧道　施工影响　现场监测

1　前　言

随着城市化进程的不断加快，地铁建设已经成为城市公共交通发展的主流。因为地铁网络的逐步形成，当使用盾构工法新建地下管线或隧道时，新建隧道和原有的地铁隧道近距离相邻的概率越来越大，由此引发了大量施工相互影响问题。针对这一问题，曾小清等对双线并行盾构隧道的相互影响进行了数值模拟^［1］；林志等对近间距双线大直径泥水盾构施工相互影响的施工技术和施工参数进行过一些相关研究^［2］；廖少明等通过考虑纵向剪切传递影响探讨了不同地基变形模式下，后推隧道对已建隧道结构的响应规律^［3～4］。但三线并行隧道相互影响并不多见，有许多问题仍有待优化、完善和改进。

2　工程概况

上海市轨道交通9号线某盾构区间隧道全长510．448 m；西出入段隧道在已建成的上下行线间平行推进，上下行线间距为20 m，而与西出入段线间距均为10 m，管片外壁最小净距仅为3．8 m，小于1倍的隧道直径。平面图如图1所示。采用日本三菱6 340 mm带面板式刀盘的铰接式土压平衡式（EPB）盾构，盾构机长8．6 m，盾构外径为6．34 m，盾构壳厚7 cm。隧道覆土厚13．0～14．0 m，地面标高4．8～6．2 m，盾构主要穿越的土层为灰色粘土层，隧道所穿越的主要地层的基本物理力学指标见表1。

图1　地铁9号线西出入段隧道平面图

表1　地基土层基本物理力学指标

3　盾构施工土体扰动特性分析

3．1　测点布置

在纵向30 m范围内布置3个监测断面，依次为A—A，B—B，C—C断面。其中A—A横剖面测点布置如图1所示。测点说明：FF1/CF1/KA1各字母分别表示分层沉降/测斜/孔压、F—F/A—A断面、从中轴线向侧边依次编号。深层土体位移监测，并行段布置测斜管及分层沉降管各6根，埋深25m，每1m布置1磁环；孔隙水压力测点2处，孔隙水压力测点每孔埋置4个测试点，埋置深度7，13，18，23 m。

图2　测点横剖面布置图（A—A断面）

3．2　土体深层沉降监测

以B—B断面来分析，FB1测孔离西出入段距离为0．8 m，靠近西出入段，断面隧道中心埋深为13．5 m。由图3可见，隧道上方土体在盾构通过之前，由于盾构切口的挤压作用，表现为轻微隆起，埋深－10 m处隆起值为5 mm；在盾构通过之后，隧道上方土体由于地层损失和固结作用，表现为沉降，随时间的推移，沉降逐渐增大，在地面埋深－4 m处，沉降值达到最大值为－43 mm。隧道下方土体，盾构通过前后基本没有变化。测孔上部沉降大，下部沉降小，由上至下基本呈线性变化。但是在0～3 m处沉降很小，原因是上部0～2 m处有一层建筑垃圾组成的厚度为2 m杂填土，组成了坚硬的一层硬壳层，使上部沉降和深层土体沉降未能同步。

FB2测孔离西出入段距离为2．8 m，靠近9号线下行线，其深层土体沉降规律和FB1相似，但与FB1比较，FB2的沉降较小，最大沉降量为26 mm，土体深层沉降的规律也和地表沉降槽规律相似，随离盾构中心线距离增大而衰减。

图3　FB1深层沉降特征曲线

根据地表沉降监测资料，试验段地表的最大沉降仅为5．4～8．4 mm，根据Peck公式^［5］反算得地层损失率仅为0．26%～0．4%。而由深层沉降监测数据，杂填土以下软土层的顶部土层土体沉降最大，达16～43 mm。因此，把硬壳层底部的最大沉降数值拟认为地表沉降，代入Peck公式反算地层损失率，可得在1．46%～2．36%，见表2。可见作为三线近距离隧道盾构的施工，对土体的重复扰动较大，地层损失也较大。地表沉降槽监测数据并不能作为判别地层损失的唯一依据，当地表存在硬壳层时，应辅以深层沉降监测数据。

表2　土体深层沉降监测结果与地层损失关系

3．3　土体水平位移监测

图4　CC1-X水平位移特征曲线

图5　盾构施工扰动土体范围示意图

以C—C断面来分析，断面隧道中心埋深为13．4 m。由图4可见垂直于盾构推进方向，土体表现向外侧位移，在9～17 m深度范围内产生位移，即约1～1．5 D范围内变形明显，水平位移曲线呈“＜”形，位移峰值在盾构的中心线位置，位移最大值为25 mm。后期随土体固结，土体应力释放，位移最终回弹稳定在22mm。而CC2测孔位移规律与CC1测孔相似，但其位移量明显比CC1测孔小，最大位移量16 mm，说明土体位移规律随距离增大而衰减。

CC1测孔靠近盾构机很近，土体水平位移的范围可以认为是盾构施工直接挤土的范围，即可以说明直接扰动土体范围在1～1．5 D盾构范围之内，详见图5所示。而在靠近下行线一侧的土体位移，主要受扰动土体的挤土效应影响。土体的侧向位移是造成邻近隧道横向位移的主要原因，但由于隧道本身的刚度和挤土的影响，由隧道位移监测数据可知土和隧道的侧向位移并不十分协调。

3．4　超孔隙水压力监测

超孔隙水压力是反映盾构施工时对土体扰动最灵敏的指标，以A测孔来进行分析，该测孔位于西出入段和9号线下行线之间，离西出入段距离为1．8 m。

图6　A—A断面超孔隙水压力历时曲线

表3　盾构通过时孔压变化

由图6和表3可见，随着盾构推进，盾构侧方土体受到挤压，孔隙水压力急剧升高，盾尾脱出时达到最大值；盾尾脱出后的2天内，孔隙水压力出现突跌现象，这是由于隧道周围土体向临空面内坍塌引起的；随后由于盾尾注浆的影响，孔隙水压力有所回升或维持在一定水平；由于盾构推进过程中，在不同埋深度孔压的增幅是不同的，关于隧道的中心线基本对称，在距隧道底部1 D处，孔压的增幅很小，说明在隧道底部深处，盾构施工对深层土体的扰动和挤压作用影响很小。

4　结　语

盾构施工引起的地层损失和隧道周围受扰动或受剪切破坏的重塑土再固结，是引起邻近并行隧道位移和沉降的根本原因。

①盾构正常施工时，盾构千斤顶的推力必须略大于前进过程中的各种阻力，前方土体以被动土压力以（45°＋φ/2）扩散角受到挤压加载。

②在盾构通过时，盾壳摩擦剪切周围土体起主导作用，在盾壳周围形成剪切扰动区。

③盾尾脱出后，虽然同步注浆可以有效地填充盾尾间隙，但因其侧向土体的扰动很大，土体强度较低，土体向盾尾间隙内塌落，周围土体开始回弹，同时并行隧道也回弹变形。

④三线并行盾构隧道推进，由于土体已经过二次重复扰动，引起的地层损失较大，在1．37%～2．36%。由于对已建隧道进行了注浆加固及隧道本身的刚度，引起已建隧道位移和沉降影响在5 mm之内，收敛变形在±3 mm之内，应变小于0．05%，对已建隧道影响很小。

参考文献

［1］曾小清，张庆贺，曹志远．地铁工程双线盾构平行推进的相互作用［J］．同济大学学报（自然科学版），1997，25（4）：386-389．

［2］林志，朱合华，夏才初．近间距双线大直径泥水盾构施工相互影响研究［J］．岩土力学，2006，27（7）：1181-1186．

［3］廖少明，白廷辉，彭芳乐，徐伟林．盾构隧道纵向沉降模式及其结构响应［J］．地下空间与工程学，2006，2（4）：566-570．

［4］邵华，张子新．盾构近距离穿越施工对已运营隧道的扰动影响分析［J］．岩土力学，2004，11（25）：545-549．

［5］Peck R B．Deep excavations and tunneling in soft ground［C］．Proc 7th in conference on soil and mechanics and foundation engineering．Mexico City，1969：225-290．