敏感性试验在下穿地铁隧道位移控制的应用研究.pdf

———文章编号：１００９４５３９（２０１８）０８００７５０５・隧道／地下工程・敏感性试验在下穿地铁隧道位移控制的应用研究汪正斌（深圳市地铁集团有限公司广东深圳５１８０２６）摘要：在富水软弱地层条件下，大断面隧道采用矿山法下穿既有地铁线施工，施工工法复杂，工序转换多，难以对地铁隧道的位移进行精确计算。通过对地层进行适当的扰动，如地层压力、水位、地层损失等因素变化对土体位移的影响，即土体位移的敏感性试验，找出了产生地铁隧道位移的敏感性因素。通过ＷＳＳ补偿注浆，将地铁隧道位移控制在规定的范围内。达到了预期效果。关键词：复杂地层地铁隧道敏感性试验位移控制中图分类号：Ｕ４５５．４文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９．４５３９．２０１８．０８．０１８ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙＴｅｓｔｆｏｒＤｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌｏｆＭｉｎｉｎｇＴｕｎｎｅｌＣｒｏｓｓｉｎｇＭｅｔｒｏＬｉｎｅＷａｎｇＺｈｅｎｇｂｉｎ（ＳｈｅｎｚｈｅｎＭｅｔｒｏＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，ＳｈｅｎｚｈｅｎＧｕａｎｇｄｏｎｇ５１８０２６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｕｎｄｅｒｔｈｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｏｆｓｏｆｔａｎｄｗａｔｅｒ－ｒｉｃｈｓｔｒａｔａ，ｍｉｎｉｎｇｍｅｔｈｏｄｉｓａｄｏｐｔｅｄｆｏｒｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｌａｒｇｅｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｔｕｎｎｅｌｃｒｏｓｓｉｎｇｍｅｔｒｏｌｉｎｅ．Ｔｈｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄａｎｄｐｒｏｃｅｓｓａｒｅｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ，ａｎｄ’ｉｔＳｄｉｆｆｉｃｕｌｔｔｏｃａｌｃｕｌａｔｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｓｕｂｗａｙｔｕｎｎｅｌａｃｃｕｒａｔｅｌｙ．Ｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｏｆｔｈｅｓｕｂｗａｙｔｕｎｎｅｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｓｆｏｕｎｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｆａｃｔｏｒｓｓｕｃｈａｓｅａｒｔｈｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｗａｔｅｒｌｅｖｅｌａｎｄｆｏｒｍａｔｉｏｎｌｏｓｓｏｎｔｈｅｓｏｉｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ，ｎａｍｅｌｙ，ｔｈｅｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｔｅｓｔｏｆｔｈｅｓｏｉｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ．ＢｙｕｓｉｎｇｔｈｅＷＳＳｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｇｒｏｕｔｉｎｇ．ｔｈｅｍｅｔｒｏｔｕｎｎｅｌｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｉｓｅｏｎｔｒｏＵｅｄｗｉｔｈｉｎｔｈｅｌｉｍｉｔｓａｎｄｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｅｆｆｅｃｔｉｓａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｌｅｘｓｔｒａｔａ；ｍｅｔｒｏｔｕｎｎｅｌ；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｔｅｓｔ；ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌ１前言城市地下工程施工经常遇到下穿地铁或管线等地下建筑物的情况，为保护被穿越建筑物的安全，需严格控制下穿地点及附近的土体位移，从而控制被穿越建筑物的沉降。目前对于土体变形的敏感性分析基本上是以土体的物理参数，如围岩的弹性模量、泊松比、内摩擦角和黏聚力等指标为变量，采用有限元法或其他智能优化算法进行数值模——收稿日期：２０１８０５１８基金项目：原铁道部科技研究开发计划课题（２０１ＩＧｌ３一Ｄ）作者简介：汪正斌（１９７８一），男，工程师，主要从事地铁建设管理工作。…拟分析，找出影响土体变形的敏感性因素。通过数值计算模拟效果的优劣很大程度上取决于所选取的力学参数是否准确。由于围岩本身的构成比其它材料复杂，而且受到地质构造的影响，即使通过室内实验或现场实验确定的岩体力学参数都与实际岩体有较大偏差心Ｊ。对于地质条件复杂、施工工法频繁转换的大断面隧道，通过数值计算找出对地层位移有重要影响的敏感性因素是相当困难的。广深港客运专线深港隧道处于软弱富水地层，采用矿山法下穿运营的深圳地铁１号线。为了找出对地铁隧道土体位移的敏感性因素，通过对地层施加一定的外力，在确保不会有危害性变形的前提下，进铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ∞２０１８）７５万方数据・隧道／地下工程・行适当地扰动，得到对地层位移有重要影响的因素（不限于土体参数），称之为土体位移的敏感性试验。通过约束土体位移，达到控制地铁隧道位移的目的。２工程概况２．１工程基本情况广深港客运专线深港隧道在福田站南端下穿——深圳地铁１号线会展中心购物公园区间隧道和福华路地下商业街。下穿段地面为道路，地下一层为福华路地下商业街，地下二层为深圳地铁１号线区间隧道（矩形框架结构），最下层为深港隧道结构，垂直下穿地铁线路，下穿段全长８２．３ｍ，ＶＩ级围岩。因下穿段内有地下商业街多根桩基侵入深港隧道，因此采用矿山法暗挖施工。隧道开挖高度和宽度分别为１１．８８ｍ和１４．７ｍ，断面面积１４６．６ｍ２。顶部开挖边线距地铁１号线隧道结构底板约３．２ｍ。深港隧道与深圳地铁ｌ号线位置关系如图１所示。＆深港隧道下穿段纵断面ｂ．深港隧道下穿段剖面图１深港隧道下穿段纵断面及剖面（单位：ｍｍ）桩法先施工小导洞，成洞后在洞内施作钻孔灌注桩和桩顶冠梁。冠梁的作用是将隧道拱部的竖向荷载传递至桩底持力层，并承受拱脚的水平推力，完成桩、梁、拱支护体系。然后按ＣＲＤ法进行正洞的开挖、支护和二次衬砌（考虑防水问题采用两层二次衬砌），具体设计如图２所示。图２深港隧道超前预支护和加固设计（单位：ｍｍ）２．４地铁隧道保护标准根据《城市轨道交通结构安全保护技术规范》（ＣＪＪ／Ｔ—２０２２０１３）要求，地铁隧道结构安全控制指标如表１所示。表１‘地铁结构安全控制指标值３１安全控制指标预警值控制值隧道水平位移＜１０ｉＴｌｌｎ＜２０ｍｍ隧道竖向位移＜ｌＯｍｍ＜２０ｍｍ隧道径向收敛＜１０ｍｍ＜２０ｍｍ隧道变形曲率半径＞１５ｏｏｏｍ隧道变形相对曲率＜１／２５００万方数据・隧道／地下工程・应和结构刚度等因素，两者的绝对数值不同。土体位移可以模拟计算，但由此产生的建筑物结构位移只能通过监测取得。３．２地铁结构位移的敏感性试验为了得到隧道施工引起的地铁结构位移情况，在每道工序施工前，先进行工法的工艺性试验，确定施工因素对土体位移（或结构位移）的敏感性。（１）水平旋喷桩施工①钻孔：长度４３ｍ，为满足精度要求，采用水平定向钻进，射水成孔，在排渣过程中会产生水位下降。水位下降１ｍ会增加约１０ｋＰａ的超载，沉降ｌ－２ｍｍ。钻孔试验从南侧工作井距地铁隧道较远的拱脚部位开始。在试钻过程中，排出钻渣造成了监测水位孔的水位下降约１．５ｍ，距工作面较近的地铁隧道竖向最大位移值为一１．６１７Ｌｒｎ。隧道拱顶埋设的土体位移计显示，地铁隧道下方的土体位移为一１．８ｍｍ。土体位移对水位变化有一定程度的敏感性。②高压喷射注浆：试验压力从２０ＭＰａ开始，逐步升至３０ＭＰａ。根据地铁结构位移和压力影响范围动态调整注浆压力，施工完成后地铁隧道最大位移为＋２．２ｍｉｌｌ（隆起）。试验结果表明，孔位距地铁结构越近，注浆压力对地铁结构位移的影响越大。土体位移对高压喷射的注浆压力、压力作用范围和压力作用时间有较高程度的敏感性川。（２）超前注浆采用普通水泥浆，按挤密注浆方式加固围岩，—其压力控制在０．４０．８ＭＰａ，按地铁隧道的位移调整注浆压力，使地铁隧道的竖向位移波动值控制在一２一＋２ｍｉｌｌ之间。试验表明，在注浆量可控、注浆压力不造成土体劈裂的情况下，压密注浆方式对土体位移影响范围有限哺Ｊ。（３）小导洞开挖左右导洞开挖宽度均为４．１ｍ，高度４．２５ｍ。采用间距０．８／１１的型钢钢架，喷射Ｃ２５砼２０ｃｍ厚进行初期支护。从南侧工作井进行试验性开挖，开洞门后，由于存在部分未完全封闭的空白区，造成了一定的土体损失，地铁南侧隧道沉降达２ｍｍ／ｄ，变形速率超过预警值，随即封闭掌子面，进行全断面注浆。从小导洞试掘进的情况看，在富水的花岗岩地层，土体位移对于地层损失高度敏感。（４）小导洞内桩基施工设计采用直径１ｍ、间距１．２ｍ、长度９．５ｍ的钻孔灌注桩。小导洞成洞后，净宽和净高度分别为３．７ｍ和３．８５ｍ，由于导洞内存在地下商业街的桩基侵入，实际净宽不足２１１１，机械作业无法实现，于是开展人工挖孔桩的单孔挖桩试验。采用边挖孔边从孔内抽水的方式进行，第一根挖孔桩终孑Ｌ后，水位观测孔的水位变幅不大，地铁隧道的竖向位移也无太大变化，主要原因是地层抽水量能够及时得到补充，一定范围内水位变化可控。通过多孔挖桩试验证明，地层的抽水量与地下水补给量达到平衡，就能较好地控制土体位移和地铁结构的位移。（５）正洞开挖桩基、桩顶冠梁达到设计强度后，采用ＣＲＤ法进行正洞开挖，先从南侧工作井开展左上侧导洞的开挖试验。开挖释放荷载给地铁隧道造成了一定的竖向和水平位移，速率接近２ｍｍ／ｄ。随后用ＷＳＳ注浆加固围岩，控制了沉降。掌子面开挖距南侧隧道３０ｎｌ（２倍洞径左右）时，开始出现地铁结构的水平位移；开挖至地铁隧道附近时，地铁结构的竖向位移速率逐渐增大，水平位移速率逐渐减小。研究认为隧道开挖后的变形由掌子面前方的先行位移、掌子面的挤出位移和后方位移构成，三者是同时发生的【９Ｊ。掌子面的先行位移占总位移的２０％一３０％，掌子面的挤出位移在未加固地层相当突出，围岩越…差，变形越大ｕ０。。正洞开挖引起的掌子面和上导洞变形情况如图３所示。试验表明，地铁结构的水平位移来自于隧道开挖掌子面的先行位移和挤出位移。在软弱围岩地层中，下穿地铁隧道施工引起的地铁结构水平位移先期发展快于竖向位移，位移的最大值也未出现在开挖隧道的拱部。图３隧道开挖引起的掌子面和上导洞变形情况４控制地铁隧道位移的措施４．１水平高压旋喷桩及超前注浆施工水平旋喷桩采用两台机械从深港隧道两端拱脚铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ２０１８（Ｏａ）７７万方数据・隧道／地下工程・开始，向拱顶方向跳孔施作，拱顶部位喷射压力适当降低。利用钻孔和注浆作业产生的土体正负位移进行相互补偿，再根据地铁结构位移和压力作用距离动态调整注浆压力和压力作用时间。本道工序完成后，地铁隧道的竖向位移为一１．８一＋２．２ｍｍ，深港隧道拱顶处的土体位移计显示，最大竖向位移值为＋２．４ｍｍ。挤密式注浆采用注浆压力和注浆量双控，未造成土体劈裂。因此对土体变形的影响可控，注浆效果经开挖检验，在土层未达到设计要求。４．２小导洞施工在软弱富水地层，土体位移对于地层损失的敏感度很高。加固围岩，提高围岩的强度和弹性模量有助于减少围岩的位移¨２｜，控制地铁结构的位移。研究表明，围岩变形的主要影响参数是弹性模量以及围岩强度。采用ＷＳＳ注浆加固地层不仅可以提高地层的压缩模量、黏聚力和内摩擦角，从而提高围岩强度，有效控制因隧道开挖引起地层附加应力和变形的发展，减小塑性区分布范围¨引，而且ＷＳＳ注浆对地层扰动范围小，有助于降低损坏建筑物的洞剩余６．５ｍ贯通前，地铁隧道的最大竖向位移为一６．７ｍｌｎ，但地铁左线隧道Ｓ０９断面水平位移最大值达到了预警值１０ｍｍ，向南侧移动。其位移监测情况如图４所示。为了控制水平位移的进一步发展，一方面增设中空玻璃纤维锚杆约束掌子面的挤出位移，另一方面采用从掌子面打斜孔，向地铁左线隧道Ｓ０９断面的边墙注浆，减缓水平位移。注浆采用ＷＳＳ注浆方式，当出现南向１ｍｍ／ｄ的水平位—移时，启动注浆程序；位移减缓至００．２ｍｍ／ｄ时，停止注浆。禁止地铁隧道因注浆向相反的方向移动，因为地铁隧道反向移动需克服土体的被动土压力，过大的超载将造成地铁结构破坏。正洞开挖位于地铁隧道下方时，位移速率达到０．５ｍｍ／ｄ，即启动ＷＳＳ补偿注浆程序，有效地控制了土体位移趋势性的运动。由于地质条件软弱不均，或局部存在超孔隙水压力，在进行下穿建筑物施工时的二次扰动，可能导致地层超孔隙水压力消散，最大位移出现的位置与理论曲线（以拱顶为中心的正态分布曲线）不符。万方数据・隧道／地下工程・（３）地下水抽水量与补给量相等的前提下，一定范围内地下水位波动产生的土体位移可控。（４）二次扰动地层带来的地铁隧道最大位移，出现在围岩最软弱，或存在超孔隙水压力的位置。施工扰动导致超孔隙水压力消散，土体位移增加。下穿建筑物引起的土体位移曲线与理论曲线不符，在以后的多次下穿地铁隧道中得到了验证。（５）通过土体位移的敏感性试验，能够找出影响地层变形的敏感性因素，通过有效的补偿措施可以精确地控制地铁结构位移。参考文献［１］黄书岭，冯夏庭，张传庆，等．岩体力学参数的敏感性综合评价分析方法研究［Ｊ］．岩石力学与工程学报，—２００８，２７（Ｓ１）：２６２４２６３０．［２］杨蒙，谭跃虎，李二兵，等．基于敏感性分析的围岩力学参数反演方法研究［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１４，１０—（５）：１０３０１０３８．［３］中华人民共和国住房和城乡建设部．城市轨道交通结构安全保护技术规范：ｃｃＪ／Ｔ—２０２２０１３［Ｓ］．北京：中国建筑工业出版社，２０１３．［４］赵勇，李术才，赵岩，等．超大断面隧道开挖围岩荷载释放过程的模型试验大型研究［Ｊ］．岩石力学与工程—学报，２０１２，３１（ｓ２）：３８２１３８２９．［５］李校峰．大型深基坑开挖对紧连既有地铁隧道及周围—地层的影响研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１７（１２）：７８８２，１０３．［６］钱七虎．钱七虎院士论文选集［Ｍ］．北京：科学出版—社，２００７：１９３２００．［７］孙锋，张顶立，陈铁林，等．土体劈裂注浆过程的细观—模拟研究［Ｊ］．岩土工程学报，２０１０（３）：４７４４８０．［８］王广国，杜明芳，苗兴城．压密注浆机理研究及效果检—验［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２０００（５）：６７０６７３．［９］关宝树．软弱围岩隧道变形及其控制技术［Ｊ］．隧道—建设，２０１１，３１（１）：１１７．［１０］洪开荣，杨朝帅，李建华，等．超前支护对软岩隧道空间变形的影响分析［Ｊ］．地下空间与工程学报，２０１４，—１０（２）：４２９４３３．［１１］赵勇．隧道软弱围岩变形机制与控制技术研究［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１２．［１２］皇民，秦长坤，雷啸天，等．基于ＦＬＡＣ３Ｄ的大断面软弱围岩隧道注浆加固数值分析［Ｊ］．河南科学，２０１８，—３６（１）：９４９９．［１３］岳涛涛．ＷＳＳ注浆加固技术在隧道穿越群桩中的数值—模拟分析及应用［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（６）：３６３９．————————————●———————■————●———————————————‘——●——■——■———■—■——・＋－－＇４＂－－＋－＋＋＋卜＋－卜＋＋－＋－＋一＋－＋－＋－＋＿一－＋一＋一・－卜一卜卜・卜一卜・一卜・卜卜－卜卜・＋一卜卜卜＿一一一－＋－十・。一卜・（上接第７４页）（２）钻爆法施工的隧道中引入悬臂式掘进机，设备配套变化较小，工法转换较为简单，根据围岩的适用性可灵活应用。如果与钻爆法配合使用，经济性更佳，是对钻爆法的一种有效补充。（３）悬臂式掘进机与钻爆法相比，对围岩扰动极小，沉降、收敛变形较小，特别是可准确控制开挖轮廓，减少超欠挖，从而减少混凝土超耗，大大节约成本。（４）ＥＢＺ２００悬臂式掘进机电压采用ｌ１４０Ｖ，与现场电力不匹配，需单独安装变压器；不能直接出渣到车上，需配合装车，具有改进空间¨１。１２１。参考文献［１］肖广智．铁路隧道施工新技术［Ｍ］．北京：人民交通出—版社，２０１６：８２８５．［２］肖广智．特殊地质条件隧道施工技术及实例（一）［Ｍ］．—北京：人民交通出版社，２０１５：１２．铁道建筑技术ＲＡＩＬＷＡＹＣＯＮＳＴＲＵＣＴＩＯＮ丁ＥＣＨ～０ＬＯＧｙ［３］冯晓东．富水砂土复合地层大断面隧道变形控制关键—技术研究［Ｊ］．轨道建筑，２０１５（４）：５３５６．［４］张久宽．敖包梁隧道围岩与支护结构稳定性研究［Ｊ］．—铁道建筑技术，２０１６（４）：４９５２．［５］马立忠．浅埋暗挖法隧道小净距下穿公路隧道施工技—术研究［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１６（４）：５３５７．［６］荆志东．特长隧道地质超前预报方法研究［Ｊ］．铁道勘—察，２００５（３）：４６４８．［７］王梦恕．地下工程浅埋暗挖技术通论［Ｍ］．合肥：安徽—教育出版社，２００４：１１６１１８．［８］中铁一局集团有限公司．铁路隧道工程施工技术指南：经规标准［２００８］１７６号［Ｓ］．北京：中国铁道出版—社，２０１５：５６６５．［９］汪伟．新城子隧道小间距段施工及测试分析［Ｊ］．铁道—建筑技术，２０１７（１２）：８８９１．［１０］武斌．沪昆客专下穿村庄及河流段浅埋隧道机械开挖—施工技术［Ｊ］．铁道建筑技术，２０１７（７）：９７９９．［１１］赵队家，孙志杰．软弱破碎围岩长大隧道变形控制关—键技术［Ｍ］．北京：人民交通出版社，２０１７：１２８１５９．［１２］赵勇，李国良，喻渝，等．黄土隧道工程［Ｍ］．北京：中—国铁道出版社，２０１１：２５９２７６．２０１８掷Ｊ万方数据