CN101215969A - 大直径盾构近距离下穿小直径地铁隧道的变形控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种隧道工程技术领域的大直径深埋盾构隧道下穿小直径隧道的变形控制方法。本发明应用有限元法得到新建隧道地层损失率控制范围以及盾构开挖面支护压力最佳值；通过设置支护压力最佳值来保持盾构开挖面前水土压力的相对平衡，并控制开挖面支护压力波动范围在±10kPa；将新建隧道地层损失率控制在允许范围内；根据以上施工技术措施，在盾构即将到达交叉部位前设定试验推进区域，在该区域内按照上方存在既有地铁隧道的情况进行施工，控制调整各施工参数，以及时调整支护压力、推进速度和注浆量；结合试验推进区域的施工参数最佳值，盾构正式穿越交叉部位。本发明能保证既有隧道安全顺利施工，并尽量减小施工对周围环境的影响。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种隧道工程技术领域的控制方法，具体是一种大直径深埋盾构隧道下穿小直径隧道的变形控制方法。
背景技术
随着城市地下空间开发高潮的来临，采用盾构法修建地下铁道等各种城市隧道在世界各国越来越受到人们的重视。近十年内，盾构工法在我国得到了迅猛发展，业已成功掌握了土压盾构、泥水盾构等技术；仅以上海市为例，2007年底地铁盾构隧道已达200km以上，另有穿越黄浦江底的大断面盾构隧道5条。在上海新的城市规划里，轨道交通总里程达到500km以上；已建、在建和拟建的过黄浦江隧道多达11条以上，另有直径达15.0m超大断面的崇明长江隧道。
轨道交通的日益网络化、规模化，轨道交通和城市隧道同步高速发展，使城市面临着地下空间资源如何有效利用的问题，地下工程的空间交叉已不可避免，城市基础设施的快速发展和周边环境的限制往往使得这类工程界所尽力回避的方案成为优选甚至是唯一可行的方案。然而轨道交通设施对变形控制有着严格要求，地铁隧道本身的空间交叉往往就是设计及施工中的控制点、难点，大直径盾构隧道穿越小直径地铁隧道的空间交叉更是规划、设计及施工的关键点。盾构施工会对周围土体造成扰动，引起地面沉降或隆起，目前多通过控制盾构开挖面稳定、盾尾注浆等措施来控制变形。而盾构近距离穿越已建隧道必然也会引起已建隧道的隆沉，特别是大直径盾构隧道穿越小直径既有隧道更使变形控制难以把握，如何使新建隧道顺利穿越已建隧道并使已建隧道处于安全可控状态一直是个难题。
经对现有技术的文献检索发现，申请号为CN200410015918.X，专利申请的名称为“一种在运营隧道上方进行深大基坑施工的方法及防变形结构”，该技术采用在运营隧道两侧土体中各打设至少一排抗拔桩的方法，在抗拔桩排之间的运营隧道上方进行土体开挖，当土体开挖至露出所述抗拔桩时，在抗拔桩排之间放置或浇筑结构底板，从而有效防止隧道上方由于土体开挖而引起的周围土体的回弹变形及隧道变形。该方法只适用于明挖法施工，且局限于新建构筑物在既有隧道上方，对暗挖法施工特别是新建大直径隧道下穿既有小直径隧道并不适用。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出了一种大直径盾构近距离下穿小直径地铁隧道的变形控制方法。本发明首先通过三维有限元数值分析来模拟给定施工参数条件下的地面与隧道的变形，确定最优参数。然后根据现场实际情况在离既有隧道一定区域内设定试验区域，用确定的最优参数进行试验性施工，如果试验区域内的变形满足要求，则进行正式穿越施工，这样，使其能够保证既有隧道安全顺利施工，并可以尽量减小施工对周围环境的影响。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括如下步骤：
第一步，针对交叉隧道的相对位置、土性条件、隧道埋深及既有隧道变形控制标准应用有限元法计算得到新建隧道地层损失率控制范围以及盾构开挖面支护压力最佳值，具体如下：
①三维有限元模型范围：水平方向应大于(2H+3D+L)米，深度方向应大于(2H+2D)米，其中，H为新建隧道的顶部埋深，D为新建隧道的直径，L为新建左右隧道净间距；高度据工程实际确定，新建盾构隧道置于模型的中间，底面距隧道底为2D。
②计算中边界条件设定如下：隧道内侧采用自由边界，模型两侧约束水平位移，模型底部同时约束竖向与水平位移。
③软土地层的本构关系采用考虑弹塑性应变的修正剑桥模型，砂性土层采用莫尔库伦模型，隧道结构取为弹性体。
④模型中对新建隧道设定不同地层损失率，而后计算地表及既有隧道变形量，绘制出地层损失率与变形量关系曲线图。《上海市运营地铁隧道保护标准》规定：运营地铁结构设施绝对沉降量须小于20mm，日地铁结构沉降量须小于1mm。根据这一变形控制标准确定新建隧道地层损失率的控制范围。
⑤在模型中盾构开挖面设置根据静止土压力计算所得梯形支护压力，而后使得支护压力在静止土压力附近变化，引入支护压力比的概念，即开挖面实际支护压力与按照静止土压力计算所得支护压力之比，得出既有隧道及地表变形与盾构支护压力比的关系曲线，并根据曲线关系得出使得既有隧道变形最小的支护压力值。
第二步，通过设置支护压力最佳值来保持盾构开挖面前水土压力的相对平衡，并严格控制开挖面支护压力波动范围，根据施工需要可以控制在±10kPa。同时在既有地铁隧道内安装自动监测系统，根据监测数据实时调整。
第三步，将新建隧道地层损失率控制在允许范围内，具体施工措施如下：采用同步注浆，并严格控制注浆压力、注浆量及浆液质量保证盾尾地层稳定，根据覆土压力合理设定注浆压力，并根据开挖面支护压力等综合因素及时调整，注浆压力一般控制在0.2～0.4MPa；根据盾尾间隙精确计算注浆量，注浆量一般取为空隙体积的150％～200％，可根据既有地铁隧道的变形监测数据及时调整，注浆过程中应保证浆液不被泥水稀释；穿越过程中应保证盾构低速、稳定推进，推进速度一般控制在10mm/min以内；补压注浆控制土层的后期变形。
第四步，根据以上施工技术措施，在盾构即将到达交叉部位前设定试验推进区域，在该区域内按照上方存在既有地铁隧道的情况进行施工。控制调整各施工参数，以及时调整支护压力、推进速度和注浆量等施工参数的最佳值。
第五步，盾构正式穿越交叉部位，施工过程中，加强既有隧道变形及地表变形监测，特别是与新建隧道相距最近的地铁隧道部位的变形，可通过安装在地铁隧道内的自动监测系统进行沉降观测，并根据监测结果及时调整施工参数，以保证穿越施工安全顺利进行。当地铁隧道沉降过大时，加大盾尾注浆量，地铁隧道产生隆起变形时，应减小注浆压力和注浆量，并保证盾构推进连续进行，且速度不宜过快。盾构穿越后，根据监测数据，对交叉部分从新建隧道内向土体实施微扰动注浆，进一步稳定既有隧道的后期沉降。
为保证以上步骤的顺利实施，在进行有限元分析之前，可以进行如下几方面的工作：现场工程勘测(包括土层分布、土体物理力学指标等)，土层分布可通过静力触探试验确定，土体物理力学指标可通过常规土工试验得到；既有小直径地铁隧道的走向、埋深，新建大直径隧道的空间位置，两隧道的平面交叉位置，交叉角度以及最小间距等信息。
本发明综合考虑了引起地表及既有隧道变形的各因素，适用于淤泥质粘土、粘土、砂性土、粉砂土，解决了原工艺的不足和缺陷。通过合理调整各项施工参数，确保了新建隧道的顺利施工，又保证了既有隧道及周边环境的安全。本发明适用于同类工况，为软土中大直径盾构隧道近距离穿越既有小直径隧道施工提供了一项重要的技术保证。
附图说明
图1大直径盾构近距离下穿既有地铁隧道的平面图
图2大直径盾构近距离下穿既有地铁隧道的断面图
图3三维有限元网格
图4既有地铁隧道最大沉降量与地层损失率关系图
图5盾构开挖面泥水压力比与既有地铁隧道沉降量关系图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例以上海市某越江隧道下穿既有地铁隧道工程为例。
(1)根据交叉隧道的相对位置以及现场实际情况应用有限元法计算新建隧道地层损失率控制范围及盾构开挖面支护压力最佳值。该工程中已建地铁隧道外径6.2m，隧道上、下行线平面净距为4.54m。新建越江隧道与地铁隧道空间相交处平面交角为56°，最小竖向净间距2.68m。越江隧道上下行线净间距12.06m，隧道直径为11.36m，隧道中心埋深为34.68m。附图1为大直径盾构近距离下穿既有地铁隧道的平面图，附图2为大直径盾构近距离下穿既有地铁隧道的断面图。新建隧道顶部埋深H＝29m，隧道直径D＝11.36m，L＝12.06m，三维有限元模型长度取为200m，宽100m，高70m，有限元计算网格如附图3所示。计算中边界条件设定如下：隧道内侧采用自由边界，模型两侧约束水平位移，模型底部同时约束竖向与水平位移。软土地层的本构关系采用考虑弹塑性应变的修正剑桥模型，砂土本构关系采用莫尔库伦模型，隧道结构取为弹性体。
地层损失率控制值确定：模型中，将新建越江隧道地层损失率分别设为不同值，而后计算既有地铁隧道以及地面沉降。结果表明当新建左线越江隧道地层损失率为0.5％、1.0％和1.5％时，既有地铁隧道最大沉降值分别为6.1mm、14.8mm和25.6mm；新建左右线越江隧道地层损失率均为0.5％、1.0％和1.5％时，既有地铁隧道最大沉降值分别为8.3mm、23.7mm和41.2mm。绘制既有地铁隧道最大沉降量与地层损失率关系图，如附图4所示，并根据上海市运营地铁隧道保护标准，即运营地铁结构设施绝对沉降量不超过20mm，可知必须将左右越江隧道的地层损失率都控制在0.85％以内。
泥水压力最佳值计算：本工程采用大直径泥水加压平衡式盾构，有限元计算中，先在盾构开挖面施加按照静止土压力所计算的支护压力值，盾构顶部泥水压力为445.5kPa，底部为610.2kPa。而后使开挖面泥水压力比(即开挖面实际泥水压力与按照静止水土压力计算所得泥水压力之比)逐渐减小，这样既有地铁隧道沉降量会逐渐增大，绘制盾构开挖面泥水压力比与既有地铁隧道沉降量曲线关系，如附图5所示。由曲线关系图得出当泥水压力比为0.9时(即实际泥水压力与静止水土压力之比为0.9时)既有地铁隧道变形值最小，因此盾构顶部泥水压力最佳值为445.5×0.9＝401.0kPa，底部泥水压力最佳值为610.2×0.9＝549.2kPa。
(2)保证开挖面土体稳定，在盾构开挖面设置支护压力最佳值，即开挖面顶部泥水压力设为401.0kPa，底部泥水压力设为549.2kPa，并控制推进速度为5mm/min～10mm/min，泥水压力波动范围控制在±10kPa以内以保持盾构前方土层的稳定性。
(3)试验推进，在盾构推进接近至地铁隧道前设定一400m特定区域进行试验穿越，完全按照上部存在地铁隧道的情况下进行盾构推进，并将新建隧道地层损失率控制在0.85％以内。通过监测数据，探索泥水压力变化、泥水参数变化、盾构纠偏、推进速度、同步注浆浆液注入量、注入时的配比等对土体沉降的影响，从而确定穿越时的施工参数。
(4)在穿越区域，将切口水压波动值控制在10kPa以内；为使地层损失率控制在0.85％以内，采用及时、均匀的单液同步注浆形式，注浆位置为管片上的注浆孔。穿越段每块管片共有4个注浆孔，每环管片共计32个注浆孔。注浆材料主要由熟石灰、砂、粉煤灰、膨润土、水及外加剂组成，注浆后的前期浆液为可流动，后期强度较高，其密度为2.006×103/m3，稠度为9.3cm，3d强度为0.19MPa，14d强度为0.415MPa，28d强度为0.75MPa，46d强度为1.06MPa，并具有较好的耐泥水冲刷稀释的性能。掘进速度控制在5mm/min～10mm/min，并根据既有地铁隧道内和地面监测数据不断调整推进速度。
(5)盾构穿越后，设立专门的监测小组每天24小时密切关注既有地铁隧道的沉降变化，根据地面监测和电子水平尺的数据，对交叉部分从新建隧道内向土体实施微扰动注浆，注浆泵布置在新建隧道内，注浆浆液采用双液浆，以进一步稳定地铁隧道的后期沉降。最终，左线越江隧道穿越既有地铁隧道时的地层损失率为0.61％，根据穿越后连日监测，既有地铁隧道沉降量最大值为7.5mm；右线越江隧道穿越既有地铁隧道时的地层损失率控制为0.69％，穿越后的沉降最大值为13.1mm。新建越江隧道顺利安全地穿越既有地铁隧道，既有地铁隧道的沉降控制非常理想，完全符合控制要求。
Claims (6)
1.一种大直径盾构近距离下穿小直径地铁隧道的变形控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，针对交叉隧道的相对位置、土性条件、隧道埋深及既有隧道变形控制标准应用有限元法计算得到新建隧道地层损失率控制范围以及盾构开挖面支护压力最佳值，具体如下：
①三维有限元模型范围：水平方向应大于2H+3D米，深度方向应大于H+2D米，其中，H为新建隧道的顶部埋深，D为新建隧道的直径，高度据工程实际确定，新建盾构隧道置于模型的中间，底面距隧道底为2D；
②计算中边界条件设定如下：隧道内侧采用自由边界，模型两侧约束水平位移，模型底部同时约束竖向与水平位移；
③软土地层的本构关系采用考虑弹塑性应变的修正剑桥模型，砂性土层采用莫尔库伦模型，隧道结构取为弹性体；
④模型中对新建隧道设定不同地层损失率，而后计算地表及既有隧道变形量，绘制出地层损失率与变形量关系曲线图，确定新建隧道地层损失率的控制范围；
⑤在模型中盾构开挖面设置根据静止土压力计算所得梯形支护压力，而后使得支护压力在静止土压力附件变化，得出既有隧道及地表变形与盾构支护压力的关系曲线，并根据曲线关系得出使得既有隧道变形最小的支护压力值；
第二步，通过设置支护压力最佳值来保持盾构开挖面前水土压力的相对平衡，并控制开挖面支护压力波动范围在±10kPa；
第三步，将新建隧道地层损失率控制在允许范围内，具体为：采用同步注浆，注浆压力控制在0.2MPa～0.4MPa，注浆量取为空隙体积的150％～200％，补压注浆控制土层的后期变形；
第四步，根据以上施工技术措施，在盾构即将到达交叉部位前设定试验推进区域，在该区域内按照上方存在既有地铁隧道的情况进行施工，控制调整各施工参数，以及时调整支护压力、推进速度和注浆量；
第五步，盾构穿越交叉部位。
2.根据权利要求1所述的大直径盾构近距离下穿小直径地铁隧道的变形控制方法，其特征是，所述第一步中，所述确定新建隧道地层损失率的控制范围，是指：运营地铁结构设施绝对沉降量小于20mm，日地铁结构沉降量小于1mm。
3.根据权利要求1所述的大直径盾构近距离下穿小直径地铁隧道的变形控制方法，其特征是，所述第二步中，在既有地铁隧道内安装自动监测系统，根据监测数据实时调整。
4.根据权利要求1所述的大直径盾构近距离下穿小直径地铁隧道的变形控制方法，其特征是，所述第三步中，穿越过程中推进速度控制在10mm/min以内。
5.根据权利要求1所述的大直径盾构近距离下穿小直径地铁隧道的变形控制方法，其特征是，所述第五步中，盾构正式穿越交叉部位施工过程中，加强既有隧道变形及地表变形监测，通过安装在地铁隧道内的自动监测系统进行沉降观测，并根据监测结果及时调整施工参数，当地铁隧道沉降超过控制范围时，加大盾尾注浆量，地铁隧道产生隆起变形时，减小注浆压力和注浆量，并保证盾构推进连续进行。
6.根据权利要求1或5所述的大直径盾构近距离下穿小直径地铁隧道的变形控制方法，其特征是，所述第五步中，盾构穿越后，根据监测数据，对交叉部分从新建隧道内向土体实施微扰动注浆，进一步稳定既有隧道的后期沉降。
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| PB01 | Publication | ||
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Open date: 20080709 |