近距离下穿地下结构盾构掘进参数控制的研究.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１８）增１０１７８０３・隧道／地下工程・近距离下穿地下结构盾构掘进参数控制的研究魏元博（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司北京１０１１００）摘要：近年来随着轨道交通的快速发展，盾构穿越既有建（构）筑物日益普遍。苏州轨道交通３号线横山路站一横塘镇站盾构区间穿越某家居广场，采用设计软件分析不同工况下既有建（构）筑物的沉降、变形，根据分析结果，在施工前对建构（筑）物进行预加固，优化了盾构在穿越某家居广场过程中的掘进参数，确保了在满足家居广场变形控制的情况下盾构顺利穿越，同时又保证了盾构掘进施工质量和管片施工质量，也为今后类似工程提供可参考性依据。关键词：近距离加固盾构掘进参数数值模拟中图分类号：Ｕ２３１＋．３文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－４５３９．２０１８．Ｓ１．０４７ＳｔｕｄｙｏｎＤｒｉｖｉｎｇＰａｒａｍｅｔｅｒＣｏｎｔｒｏｌｏｆＳｈｉｅｌｄＴｕｎｎｅｌｉｎｇＵｎｄｅｒ－ｐａｓｓｉｎｇＵｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅｉｎａＳｈｏｒｔＤｉｓｔａｎｃｅＷｅｉＹｕａｎｂｏ（ＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙ“１６ＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｐＢｅｉｊｉｎｇＭｅｔｒｏＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０１１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｒａｉｌｔｒａｎｓｐｏｒｔｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓ，ｉｔｂｅｃｏｍｅｓｃｏｍｍｏｎｔｈａｔｔｈｅｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｐａｓｓｅｓｕｎｄｅｒｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．ＴａｋｉｎｇｔｈｅｔｕｎｎｅｌｂｅｔｗｅｅｎＨｅｎｇｓｈａｎＲｏａｄＳｔａｔｉｏｎａｎｄＨｅｎｇｔａｎｇＴｏｗｎＳｔａｔｉｏｎｏｆＳｕｚｈｏｕＲａｉｌＴｒａｎｓｉｔＬｉｎｅＮｏ．３ｐａｓｓｉｎｇｔｈｒｏｕｇｈａｆｕｒｎｉｔｕｒｅｓｈｏｐｐｉｎｇｍａｌｌａｓａｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ，ｔｈｅ—ｓｕｂｓｅｔｔｌｅｍｅｎｔａｎｄｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄｕｓｉｎｇｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｏｆｔｗａｒｅ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｅｒｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｂｅｆｏｒｅｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ａｎｄｔｈｅｄｒｉｖｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｗｅｒｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄ．Ｔｈｉｓｅｎａｂｌｅｄｔｈｅｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｔｏｐａｓｓｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙｗｉｔｈｔｈｅｌｉｍｉｔｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｕｒｎｉｔｕｒｅｓｈｏｐｐｉｎｇｍａｌｌ，ａｎｄｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｑｕａｌｉｔｙｏｆｂｏｔｈｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇａｎｄｔｕｎｎｅｌｓｅｇｍｅｎｔＷａｓｓａｔｉｓｆｉｅｄ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｃｏｕｌｄｓｅｒｖｅａｓａｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｓｉｍｉｌａｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｎｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙ—ｗｏｒｄｓ：ｓｈｏｒｔｄｉｓｔａｎｃｅ；ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ；ｓｈｉｅｌｄｔｕｎｎｅｌｉｎｇｐａｒａｍｅｔｅｒ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ１工程概况１．１隧道与家居广场关系苏州市轨道交通３号线为东西向骨干线，全长４５．１８５ｋｍ。其中横山路站一横塘镇站盾构区间左右线均下穿某家居广场，如图１、图２所示。左右线盾构区间中心距离１４～３０ＩＴＩ，盾构区间外径６．２ｉｎ，内径５．５ＩＴＩ，管片厚度０．３５ｉｎ，环宽１．２ｉｎ。盾构隧道顶距家居广场底板最小覆土厚仅４．２５Ｉｎ。盾构机在——收稿日期：２０１８０２０５作者简介：魏元博（１９８５一），男，工程师，主要从事城市轨道交通施工。２７环处（里程ＺＤＫ１５＋６５６．７４９，ＹＤＫｌ５＋６５５．７４１范围）进入家居广场，穿越隧道平面曲线半径Ｒ＝２５００ｒｎ．竖曲线半径Ｒ＝３０００Ｉｎ。左右图１左右线盾构区间结构与家居广场平面位置关系（单位：ｍ）１７８铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８｛增１１万方数据・隧道／地下工程・图２下穿家居广场与盾构区间结构纵剖面家居广场为框架结构，地下车库结构为两层，地上结构为四层。家居广场地下结构底板厚０．５ｍ，抗拔桩为０．３ｍ的预制方桩，底板留有后浇带，如⑤图３所示。．粉质黏土为桩端持力层，桩端应超过盾构隧道底１ｍ以上。１．２穿越家居广场处工程盾构区间隧道主要穿图３家居广场结构柱和抗拔桩平面位置带③⑤越，黏质粉土和。粉质黏土层。本盾构区间场区内地下水由潜水、微承压水及承压水三类组成。其中潜水主要赋存于浅部黏性土层中，实测潜水水位埋深１．４０～３．４０ｍ，高程０．３１～２．４７ｍ；微承压水层主要③⑤为，黏质粉土层和。。黏质粉土层相互连通的含水层构成，水头标高为０．６７ｍ；承压水层主要为靠近两⑦端盾构井附近。黏质粉土层的富水层，整个承压含水层顶板标高一４２．９９一一３８．４０ｉｎ之间，水头标高为一３．５９ｍ，如图４昕示图４左右线盾构区间下穿家居广场处地质剖面铁道建篱技术ＲＡＩＬＷＡＹｃ０～Ｓ丁ＲＵＣ丁『０～丁Ｅ＿ｃ卜ｆ￣０ＬＯＧｙ２盾构穿越前的计算分析２．１模拟计算由于某家居广场基坑围护施工方案为放坡开挖，底板施工后地下水对结构存在水浮力作用。盾构掘进过程中刀盘对土体切割产生扰动，并伴随注浆影响，注浆压力及扰动作用对周围土体产生荷载效应。在模拟计算时，对地上部分结构自重简化成集中力作用于地下结构立柱上。该家居广场的结构底板承受的水压力，应依据施工和长期阶段中地下水位的变化，按静水压力计算。施工期间按１０年内涝最高水位，在覆土未回填或回填未到位时，应根据可能发生的地下水位，并按最不利水位进行检算。２．２计算模型将结构视为平面框架进行分析，结构底板与土相互作用采用面弹簧模拟，抗拔桩采用点弹簧模拟ｆ见．图５～图６）骢Ｌ旦岁惫；图５土层结构整体计算模型图６计算简图２．３模拟参数（推力和注浆压力的大小）（１）恒载结构自重：包括结构底板及柱上部传力荷载６００ｋＮ（ｃ＝２５ｋＮ／ｍ３）。（２）活载水浮力：５０ｋＮ／ｍ２。施工荷载：４ｋＮ／ｍ２。Ｆ土（盾构对结构底板产生的附加荷载）。２．４计算结果及分析【见图７～图１０）结合上述条件分析，可分为两种计算工况比较：工况１为盾构隧道未下穿家居广场前，结构自身受力变形分析；工况２为分析盾构区间下穿家居广场过程中对结构影响作用。（１）工况１可以看出：底板最大隆起量为３３．８～４５ｎｌｔｍ（位—置在线路里程６１５．０００６３０．０００处附近），根据建２０１８（增１）１７９Ｌ．Ｌ舞．．．；．．．＿ｎ：．日ＦＩＩ亩～日＝：：一¨誓妇回一：．｜皇：：＝．：：田一匠一一－－三＿口【一０；｜吕旦万方数据・隧道／地下工程・筑地基基础设计规范要求本广场底板允许变形极限值不超过２０ｍｍ，故盾构穿越位置的结构底板自身不满足抗浮要求。（２）工况２依据盾构实际施工参数，土仓压力０．１２ＭＰａ、推进速度４０～５０ｍｍ／ｍｉｎ、总推力ｌ５００ｔ等，分析盾构施工时地下结构的变形。图７有限元计算简图图８广场底板结构自身抗浮云图图９右线盾构区间下穿广场时隆起量（单位：ｍｍ）图１０左线盾构区间下穿广场时隆起量（单位：ｍｍ）结果分析：盾构右线穿越家居广场结构底板时，对上部结构产生附加荷载３５ｋＮ／ｍ，产生的底板—隆起量达到了２２６０ｍｍ。根据右线盾构下穿底板后的计算结果可以看出，左线位置处的底板隆起量在１～２２ｍｍ之间，当左线再次下穿家居广场时底板最大隆起量为３５ｍｍ左右。综上，左右线下穿地下结构底板时都将产生附加力，而附加力是由盾构机刀盘压力和盾尾注浆压力在土层中的扩散所引起，左线位置处底板较右线隆起量小。因此，应对右线盾构掘进通过地下结构部分进行重点关注，在盾构掘进过程中调节掘进参数和注浆压力及对结构底板进行必要抗浮加固。３施工中的具体措施３．１结构底板注浆加固为保证隧道顺利穿越家居广场，在盾构隧道施工前对家居广场基础进行压密注浆加固，注浆孔采用梅花形布置，加固盾构隧道两边各２Ｉｎ范围，注浆１８０钐｝道建麓技术压力０．１～０．２ＭＰａ。３．２盾构掘进过程中实施的措施（１）盾构穿越家居广场之前，加强对建构筑物的监测，监测点位置要准确，逐环布置，向两侧展开，组织测量人员环环监测，数据反馈后及时调整掘进参数。（２）盾构机通过家居广场段盾构掘进参数控制：重点优化了盾构掘进的土仓压力、总推力和同步注浆等参数，上部土压控制在０．０６～０．０８ＭＰａ，总推力控制在１２００～１３００ｔ，同步注浆压力控制在０．２ＭＰａ之内，同步注浆率控制在不小于２４０％，盾构掘进速度控制在２０～３０ｍｍ／ｍｉｎ，盾构机下穿家居广场的施工过程中应严格控制出土量在３５ｍ３（每环理论出土量３９．０７ｍ３）。（３）盾构掘进过程中应勤量测盾尾间隙，同时确保盾构机姿态良好，避免盾构纠偏量过大，在满足结构变形要求的情况下，使盾构平缓通过。特别在掘进至底板结构后浇带附近时，穿越前和穿越后掘进参数严禁变化过大，避免由于参数波动造成临近两块底板出现差异沉降。（４）盾构通过后，要对影响底板范围隧道管片深孔注浆，目的是增加隧道结构与底板结构的稳定性。“”采用泄压引流方式注浆，注浆时应打开相邻注浆孔（球阀安装完成）注浆头阀门泄压，以水泥换填原状土。出浆Ｅｌ安装压力表，严格控制注浆压力，同事地板及隧道监测同步进行，根据数据反馈调节注浆参数。４盾构下穿过程中效果分析４．１盾构下穿过程中结构底板变形情况（见图１１～图１２）●。一噬占线｛‘Ｌ．√户＾户１ｒｔｌ√＾入●Ｌｏ２掣Ｓ警，。§◇务太受，譬，太矿∥∥∥遘≮、图１１右线盾构下穿隧道中心线上方处底板变形示意（单位：ｍｍ）（下转第２３０页）ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８ｌ增１１万方数据・线路／路基工程・—中的应用［Ｊ］．中国西部科技２０１５，１４（５）：４８４９．［８］徐晓蕾．电测深法在工程物探方面的应用［Ｊ］．科技—风，２０１０（２４）：２８４２８５．［９］张秉来，曹荣泰．四极电测深法在电力工程勘察中的—应用［Ｊ］．西部探矿工程，２０１２（１２）：９２９３．［１０］许领．黄土滑坡典型工程地质问题分析［Ｊ］．岩土工程—学报，２００９，３１（２）：２８７２９３．——”・・｝一・Ｐ＊＋一＋一＋＊＋＋－＋（上接第１８０页）●．左结●．占冀ｄ５’‘＾２３‘弋．ｒ。。弋＾’一、卜●×ＹＶ●●。１守》爹孛ｋ《冬、＆争６、≮氐孛苦护。’护＼‘《铲’毋：’毒《’《’铲铲＋《０’铲‘铲．４图１２左线盾构下穿隧道中心线上方处底板变形示意（单位：ｍｍ）［１１］李晓华．隧道施工扰动下黄土古滑坡复活机制及治理—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１５（５）：９５９８．［１２］许领．泾阳南塬黄土滑坡类型与发育特征［Ｊ］．地球科—学（中国地质大学学报），２０１０，３５（１）：１５５１６０．［１３］谢明魁，赵峰，刘永柄．ＧＤＴ高分辨率地质探测仪在工∥程勘查中的应用［ｃ］中国地球物理学会第十二届学术年会论文集．北京：中国地球物理学会，１９９６：１１３．‘”“”－。｝一＋一＋一＋一＋一＋一＋＋一＋＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋一＋－－＋－一－＋－一＋一＋＋－＋一＋・盾构右线隧道于２０１６年１０月２日通过此地段，左线隧道于２０１７年１月１９日通过此风险源地段。基于设计软件不同工况模拟施工分析的基础上，以监测数据作为保障，此区段隧道顺利施工完成。经实测，地下结构底板变形得到有效控制，最大隆起量为７．４ｍｍ，符合规范要求。４．２隧道穿越家居广场段隧道掘进效果家居广场依据计算分析结果进行加固后，盾构‘通过家居广场过程中严格按照实施力案，盾陶掘进过程中严格按照制定的盾构掘进参数，在穿越过程中平均每天掘进１０环管片共计７ｄ顺利通过家居广场。该家居广场段盾构区间拼装质量良好，无渗漏水现象，成形隧道（见图１３）结构未发生上浮现象，满足规范及设计要求。５结论与探讨图１３盾构隧道下穿家居广场处成形隧道现场（１）盾构穿越建构（筑）物过程前，根据穿越建构（筑）物基础和穿越处地层情况，选择合适的理论分析模型对穿越工况进行分析，依据分析结果采取有效的施工措施对后续顺利穿越很有指导意义。（２）盾构掘进参数依据模拟分析结果进行优化后，实际掘进过程中以监测数据进行动态控制，有效控制了建（构）筑物的变形，确保盾构隧道质量，对今后类似工程施工具有一定的借鉴意义。参考文献［１］潘团结．盾构隧道施工诱发地下建筑物灾变分析［Ｊ］．—铁道建筑技术，２０１７（ｓ１）：２９１２９３．［２］彭坤，陶连金，高玉春，等．盾构隧道下穿桥梁引起桩基变位的数值分析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１２，８—（３）：４８５４８９．［３］苏东，王德胜，幸智军，等．机场线盾构隧道下穿桥梁—接近施工沉降控制［Ｊ］．施工技术，２００８，３７（９）：６７６８．７８．［４］许世伟，杨慧林．盾构隧道施工对临近市政桥梁影响—的数值分析［Ｊ］．铁道标准设计，２００９（１０）：５４５６．［５］郑世兴．盾构法隧道穿越在用桥梁桩基础施工技术—［Ｊ］．地下空间与工程学报，２００９，５（ｓ２）：１６１９１６２３．［６］李幸发．广州地铁广佛线盾构隧道穿越桥梁桩基施工—技术［Ｊ］．隧道建设，２０１３，３３（９）：７９１８００．［７］徐前卫，朱合华，马险峰，等．地铁盾构隧道穿越桥梁下方群桩基础的托换与除桩技术研究［Ｊ］．岩土工程—学报，２０１２，３４（７）：１２１７１２２６．［８］赵立锋．土压平衡盾构到达钢套筒辅助施工接收技术—［Ｊ］．铁道标准设计，２０１３（８）：８９９３．［９］杨林．地铁盾构隧道下穿既有铁路加固方案数值分析—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１７（３）：７８８２．［１０］冯永生．浅埋小净距隧道下穿城市快速路施工技术—［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１７（１Ｉ）：９２９５．［１１］李乾，于海亮．北京地铁小间距浅覆土平行盾构隧道—施工技术［Ｊ］．施工技术，２０１２，４１（１）：７８８３．［１２］张庆贺，王慎堂，严长征，等．盾构隧道穿越水底浅覆土施工技术对策［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００４—（５）：８５７８６１．２３０铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８Ｃ增１ｌ万方数据