董占武
青岛市地铁一号线有限公司 山东省青岛市 266000
摘要：以某地铁区间盾构下穿过街通道为工程实例，采用FLAC3D数值模拟软件，模拟分析盾构下穿前后过街通道沉降变形规律，进而研究确定盾构下穿过街通道沉降变形控制方案。工程实践表明，研究确定的综合采用袖阀管预注浆地层加固、满堂脚手架支顶及盾构掘进参数调整等措施相结合的沉降变形控制技术将过街通道沉降变形量控制在预警值以内，有效的避免了因盾构掘进施工而造成的过街通道沉降变形超限、甚至坍塌，对相类似工程具有较好参考价值。
关键词：土压平衡盾构；过街通道；沉降变形控制；袖阀管预注浆；满堂脚手架支顶；
0引言
随着我国经济的快速发展，地铁建设已成为我国城市现代化建设的标志。盾构法施工技术以其安全可靠、绿色环保的优势在地铁建设中取得突飞猛进的发展。然而，盾构穿越已建市政隧道、既有构筑物不可避免的将会导致其产生一定的沉降变形，甚至破坏。如何减少盾构下穿施工对已建市政隧道及既有构筑物的影响，已成为制约盾构施工技术发展的重要技术难题。本文以某地铁区间盾构下穿过街通道为工程背景，综合运用理论分析及有限元数值模拟软件进行模拟分析盾构下穿引起的过街通道沉降变形规律，进而研究确定采用袖阀管预注浆地层加固、满堂脚手架支顶及盾构掘进参数调整等措施，有限的控制了盾构下穿时过街通道沉降变形量，避免了因盾构穿越施工造成的过街通道沉降变形超限、甚至坍塌破坏，对类似工程具有较好参考价值。
1工程概况
地铁盾构区间设计长度1369.091m，采用复合式土压平衡盾构机掘进施工，隧道内径5.4m，外径6.0m，覆土厚9.0-16.6m，主要穿越地层为：⑦粉质黏土、⑨粗砂～砾砂、⑨[1]粉质黏土、⑫粗砂～砾砂、⑯[9]强风化安山岩、⑰[9]中等风化安山岩、⑱[9]微风化安山岩。采用预制混凝土钢筋管片衬砌。区间下穿虹子河及上跨桥梁，沿路向北下穿地下过街通道。该过街通道为地下1层箱涵结构，主体结构为U型钢筋砼，结构盖板为钢筋砼空心板，过街通道基础与区间结构净距约10.042m。过街通道现状图及其与区间结构位置关系平剖面图见图1-3所示。
图1过街通道现状图
图2过街通道与区间隧道位置关系平面图
图3过街通道与区间隧道位置关系剖面图
2盾构下穿引起过街通道沉降变形机理分析
2.1盾构下穿引起过街通道沉降变形原因分析
（1）盾构下穿过街通道时，掘进土压力过大，造成盾构刀盘挤压盾构前方土体，引起盾构前方土体向上部地面（自由面）移动，从而引起过街通道整体向上隆起、变形超限、甚至破坏。
（2）盾构下穿过街通道时，掘进土压力过小、出土量过多或同步注浆量过少，管片背后空隙填充不饱满，导致隧道上部土体向下部移动，填充管片背后空隙，导致过街通道整体下沉超限、甚至破坏。
图4 盾构下穿引起过街通道沉降变形机理
2.2数值模拟分析
（1）模型的建立
采用数值计算软件FLAC3D根据实际地质条件建立数值模型，模拟分析盾构下穿青岛农业大学过街通道沉降变形特征。模型尺寸为48m×48m×48m，以隧道中心点为坐标原点，地表标高为9.5米。管片采用LINER 结构单元模拟厚度0.3米，隧道断面直径6米。过街通道结构采用壳结构模拟，过街通道尺寸宽12m，高3.2m，以近似垂直相交分布于区间隧道上方，具体模型见图5所示。模型采用摩尔库仑准则，除模型上表面外，前后、左右以及底面进行位移和应力边界约束。各岩层岩体力学参数见表1。
图5 数值模型示意图
表1 数值模拟计算模型的岩体力学参数
（2）数值模拟结果分析
通过对数值模拟结果进行处理后得到隧道开挖后隧道及过街通道围岩位移云图、盾构刀盘前方及后方围岩沉降规律折线图、过街通道顶板沉降规律折线图及过街通道底板沉降规律折线图，如图6-9所示。
图6 隧道开挖后隧道及过街通道围岩位移云图
由位移云图可以看出隧道开挖后隧道及过街通道围岩整体变形分布特征，即隧道开挖后隧道围岩位移量随着围岩距盾构隧道距离的增加而逐渐减小，且隧道上方围岩变形范围要远大于隧道下部围岩；过街通道中线与隧道中线相交处由于应力应变叠加效应，过街通道顶底板变形量最大。
图7 盾构刀盘前方及后方围岩沉降规律折线图
由盾构刀盘前方及后方围岩沉降规律折线图可以看出盾构刀盘前方20米以外围岩变形较小，基本不受盾构掘进影响；盾构刀盘前方20米至盾构刀盘后方10米之间位置围岩沉降变形量急剧增加，受盾构掘进施工影响明显；盾构刀盘后方10米以后位置围岩沉降变形达到最大，基本稳定，属于应力恢复区。
图8 过街通道顶板沉降规律折线图
图9 过街通道底板沉降规律折线图
由过街通道顶底板沉降规律折线图可以看出过街通道顶底板在距离隧道轴线水平距离17米以内沉降变形量较大，且越靠近隧道轴线位置沉降变形量越大，在隧道轴线上方位置沉降变形量达到最大值，可见盾构隧道下穿时盾构掘进施工对过街通道影响较为剧烈范围为隧道轴线两侧17米范围之内，范围之外基本不受盾构掘进施工影响。
3盾构下穿过街通道沉降变形控制技术
3.1过街通道顶板沉降变形控制
根据上述盾构下穿引起过街通道变形破坏机理分析结果，在盾构掘进至距离过街通道40米（盾构掘进施工影响前方20米范围，为进一步保证施工安全，此处取40米）之前，对过街通道顶板采用满堂脚手架进行支顶，脚手架间排距及步距为1.0m，钢管采用φ48×壁厚3.50mm的焊接钢管，钢材强度等级Q235-A；支顶范围为隧道轴线两侧30米（过街通道受隧道施工影响较剧烈范围为隧道轴线两侧17米范围之内，为进一步保证施工安全，此处支顶范围取两侧30米），满堂脚手架支顶具体参数见图10所示。
图10 满堂脚手架支顶参数图
3.2过街通道底板沉降变形控制
对隧道轴线两侧30米范围内的过街通道底板进行预注浆加固，预注浆加固采用间排距1.0m，Φ50mm袖阀管注浆加固，在盾构穿越过街通道前40天进行注浆加固，袖阀管注浆孔布置方式见图11所示。
图11过街通道底板预注浆加固示意图
3.3盾构掘进参数控制
为减少盾构下穿时对过街通道的影响，应保持盾构匀速、快速通过，严禁中途停机；严格控制盾构掘进出土量，防止出现超挖；严格控制同步注浆量，确保管片背后注浆饱满，防止出现背后空洞，引起围岩下沉。最终确定盾构掘进参数如下：掘进速度控制在20mm/min左右，推力控制在1500t以内，扭矩控制在90～120 bar，刀盘转速控制在1.8 R/min，土仓压力控制在0.14～0.16 Mpa，出土量控制在58 m³/环，同步注浆量每环6.5-7m³。
3.4监测点布置
盾构下穿过街通道共布置监测点10组，每组监测点水平间距为10-15m，隧道下穿过街通道位置间距为10m，具体监测点布置情况见图12。
图12 盾构下穿过街通道监测点布置图
4 工程实践效果分析
通过采取底板预注浆加固、顶板进行满堂脚手架支顶及下穿过程中盾构掘进参数控制等措施，盾构区间左线于2017年8月22日顺利下穿过街通道，在盾构下穿前后，过街通道累计沉降最大值控制在5mm以内，远小于预警值20mm，取得了较好的沉降变形控制效果。采取措施后盾构下穿过街通道沉降监测数据见图13所示。
图13 过街通道沉降监测数据曲线图
5结论
1.以地铁盾构区间下穿过街通道为工程实例，对盾构下穿引起过街通道沉降变形机理进行理论分析，得出盾构下穿引起过街通道发生隆沉变形主要原因为：盾构掘进土压力过大挤压上方土体引起围岩向上位移；盾构掘进土压力过小、超挖引起出土量过多、同步注浆不饱满管片背后有空洞等引起上部土体下移，造成沉降超限。
2.通过对盾构穿越过街通道进行数值模拟分析。结果显示：盾构刀盘前方20米至盾构刀盘后方10米之间位置围岩沉降变形量急剧增加，受盾构掘进施工影响明显；盾构掘进施工对过街通道影响较为剧烈范围为隧道轴线两侧17米范围之内，范围之外基本不受盾构掘进施工影响。
3.通过综合采用底板预注浆加固、顶板进行满堂脚手架支顶及下穿过程中盾构掘进参数控制等措施，对过街通道沉降变形进行控制，监测结果显示，最大累计沉降值在5mm以内，远小于预警值20mm，取得了较好的沉降变形控制效果，对类似条件下盾构掘进施工具有一定的指导意义。
参考文献：
［1］郑余朝，蔡佳良，袁竹. 地铁隧道下穿既有铁路近接影响分区和施工控制研究［J］. 现代隧道技术，2016，53（6）：202–207.
［2］张文超，伍肖，程涛等.地铁隧道盾构下穿既有隧道的数值模拟［J］. 路基工程，2017，10（1）： 146–151.
［3］杨志勇，江玉生，颜治国.盾构下穿地铁运营隧道沉降规律分析［J］.西安科技大学学报，2014，34（3）：268–274.
［4］蔡小培，蔡向辉，谭诗宇等.盾构下穿施工对高速铁路轨道结构的影响研究［J］.铁道工程学报，2016，11（7）：11–18.
［5］胡军，杨小平，刘庭金.盾构下穿施工对既有隧道影响的数值模拟分析［J］.铁道建筑，2012，10（3）：50–55.
［6］谢雄耀，王强，刘欢. 富水圆砾地层盾构下穿火车站股道沉降控制技术研究［J］.岩石力学与工程学报，2016，35（2）：3960–3971.
论文作者:董占武
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第32期
论文发表时间:2019/2/13
标签：盾构论文; 过街论文; 通道论文; 隧道论文; 围岩论文; 底板论文; 数值论文; 《建筑模拟》2018年第32期论文;