盾构近距离穿越主干道下大断面隧道措施研究.pdf

文章编号00086-07NO.7(Ser.298)JOURNALOF RAILWAY ENGINEERINGSOCIETY第7 期（总2 9 8）Jul2023程报学道铁2023年7 月盾构近距离穿越主干道下大断面隧道措施研究彭华*彭村李子晨肖骁骐刘小雷倪安辰姜华龙?（1.北京交通大学，北京10 0 0 44；2.中铁十八局集团市政工程有限公司，天津30 0 2 2 2）摘要：研究目的：针对在城市敏感区近距离穿越城市主干道下既有大断面隧道工程中变形控制难的问题，本文以北京地铁19 号线下穿城市主干道下既有1号线隧道为背景，具有近距离穿越、隧道二衬混凝土无配筋，建设年代久远，裂缝病害、地层上硬下软等不利因素，项目穿越采取了洞外小导洞注浆、洞内芳纶布与钢板加固相结合的措施进行控制，同时工程通过分析计算与试验段确定最佳的盾构参数进行穿越，施工前对各项穿越措施进行了数值分析，对穿越方案与参数的确定起到指导作用，施工后根据监测结果对比分析，并验证了控制措施的可行性与数值计算的准确性。研究结论：（1)采用洞外小导洞开挖注浆加固措施能够减小沉降，满足变形控制要求；（2）洞内钢板+芳纶布的结构加固措施能够有效增加既有地铁隧道的刚度，减小结构应力；（3）土仓压力、同步注浆压力最优取值范围为0.0 8 0.10 MPa和0.2 0 0.2 4MPa；（4）数值模拟与现场监测结果对比偏差率不大于15.0%，能够有效预测盾构施工对既有结构的变形影响；（5）本文研究可为类似穿越工程控制措施的设计施工提供技术支撑。关键词：城市主干道；盾构；变形控制；小导洞开挖；地层注浆；钢板加固；芳纶布加固；大断面隧道中图分类号：U213.2文献标识码：AResearch on the Measures of Shield Closely Crossing Large Section Tunnelunder Trunk RoadPENG Hua,PENG Xu,LI Zichen,XIAO Xiaoqi,LIU Xiaolei,NI Anchen,JIANG Hualong”(1.Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China;2.China Railway 18th Bureau Group Municipal EngineeringCo.Ltd,Tianjin 300222,China)Abstract:Research purposes:For the problem of difficult deformation control in the project of crossing the existinglarge section tunnel under the city trunk road in the sensitive urban area,this paper takes the Beijing Metro Line 19tunnel under the existing Line 1 under the city trunk road as the background,with such unfavorable factors like closecrossing,tunnel second lining concrete without reinforcement,long construction age,crack disease,and hard and softstratum.The project crossing adopts the combination of small guide hole grouting outside the hole,and aramid cloth andsteel plate reinforcement inside the tunnel.At the same time,the project determines the best shield parameters forcrossing through analytical calculations and test sections,and numerical analysis of the crossing measures is carried outbefore construction,which plays a guiding role in determining the crossing scheme and parameters.After construction,the feasibility of the control measures and the accuracy of the numerical calculation are verified by comparing and*收稿日期：2 0 2 2-10-2 8基金项目：中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划重点课题（N2020G009）*作者简介：彭华，19 7 1年出生，男，教授。棚彭彭华李子晨等：盾构近距离穿越主干道下大断面隧道措施研究第7 期87analyzing the monitoring results.Research conclusions:(1)The project adopts small guide hole excavation grouting reinforcement measures which canreduce the settlement,and meet the requirements of deformation control.(2)The structural reinforcement measures ofsteel plate+aramid cloth in the tunnel can effectively increase the stiffness of the existing subway tunnel and reduce thestructural stress.(3)The optimal values of soil pressure and synchronous grouting pressure are 0.08 0.10 MPa and0.20 0.24 MPa.(4)The deviation rate between numerical simulation and field monitoring results is not more than15.0%,which can effectively predict the influence of shield construction on the deformation of existing structures.(5)The research results can provide technical support for the design and construction of control measures for similar crossingprojects.Key words:city trunk road;shield;deformation control;small guide hole excavation;strata grouting;steel platereinforcement;aramid cloth reinforcement;large section tunnel随着全国地铁的不断建设，线路必然会出现交叉情况，盾构施工扰动小、地层适用性强，因此得到广泛应用。但隧道穿越施工会对既有结构产生不利影响，尤其是在城市敏感区且结构为大断面形式时,施工难度大，变形控制严格，若控制不当会极大破坏既有结构，严重影响安全性和耐久性。控制既有结构变形是盾构隧道穿越既有地铁工程的关键问题。国内外相关研究如下：何明华 1 采用数值模拟方法得出，对下穿段一定范围内的土体进行注浆加固可有效控制既有结构的变形;LiuBo等 2 建立数值模型分析了穿越施工中不同加固方案对既有线变形的控制效果;刘梓圣等 3 利用数值模拟方法研究了芳纶布对隧道横向变形的加固效果和机理；LiuXuezeng等 4 采用模型试验验证了钢板加固能够提高错缝拼装盾构隧道结构的承载能力，减小结构变形；来弘鹏等 5 研究认为合理设定土仓压力、注浆压力、注浆量等参数能有效控制盾构对既有隧道的变形影响;HuangZhen等 6 在盾构下穿工程中通过调整盾构参数控制了既有隧道的变形。目前，各学者针对穿越工程中洞外注浆加固、洞内结构加固和盾构施工参数优化等方面做了详细研究，但缺乏在不具备常规注浆条件下盾构下穿大断面隧道变形控制方面的系统性研究。本文以北京地铁19 号线盾构隧道下穿城市主干道下既有1号线隧道为工程背景，采用有限元软件对小导洞开挖注浆+洞内结构加固措施进行模拟，重点分析各项穿越措施的变形控制效果，并通过现场监测结果对比分析,验证数值模拟结果的准确性。1工程概况新建北京地铁19 号线牛街站一金融街站盾构区间下穿既有地铁1号线复兴门站一西单站大断面暗挖区间，新建隧道中心线间距13.0 0 19.2 0 m，外径6.40m，内径5.8 0 m，管片环宽1.2 0 m；既有隧道区间分为南线和北线，南线断面11.8 6 m8.37m，初支为350mm厚网格钢支撑+2 0 0 号喷射混凝土，二衬为200号防水混凝土，厚度40 0 mm；北线断面6.6 6 m6.61m，初支为30 0 mm厚网格钢支撑+2 0 0 号喷射混凝土，二衬为2 0 0 号防水混凝土，厚度350 mm，结构无配筋，埋深12.15m；新旧结构净距2.0 55 3.0 9 6 m，如图1所示。非口中闸新建盾构地铁19 号线既有地铁1号线北线复兴门内大街复兴门内大街既有地铁1号线南线(a)平面图杂填土素填土砂质粉土地铁1号线暗挖区间粉质黏土3地铁1号线暗挖区间粉细砂卵石粉细砂?，3.096 m2.055m卵石地铁19 号线盾构区间粉质黏土细中砂：(b)剖面图图1新建隧道与既有隧道平、剖面图新建区间所处地层为卵石层及粉质黏土层，既有线为卵石层以及细粉砂层，无地下水影响。根据北京地铁相关要求，穿越施工期间轨道结构绝对沉降要求不超过3mm。(a）整体模型图2023年7 月程道报学铁882计算模型采用MidasGTSNX进行模拟，模型尺寸沿盾构纵向X方向12 0 m，Y 方向140 m，Z 方向50 m。底部约束全位移，侧面法向约束，顶面为自由面，如图2 所示。土体本构选用D-P准则,对盾构管片弹模按系数0.8进行折减，注浆等代层强度根据工程经验按原土体弹性模量2 倍进行设定。盾构隧道管片模拟为10 0 环，非穿越段每7 环（8.4m）一个施工步，穿越段每2 环(2.4m）一个施工步。S1为应力初始阶段，S2S5为竖井及横通道开挖，S6为夹土层注浆，S7S57为下穿施工阶段。(b）结构位置关系图图2数值计算模型计算参数如表1所示。表1结构参数密度p/弹性模量结构名称厚度/m泊松比(g:cm-3)E/MPa盾构管片（C50)0.352.503.55 1040.2盾壳（钢材)0.077.852.15 1050.3注浆等代层0.302.000.3 1040.2洞内加固钢板0.057.850.85 1050.3初衬0.352.102.35 1040.2三衬0.401.802.1 1050.23变形控制措施首先在不采取加固措施的条件下进行模拟，计算得到双线贯通后最大沉降为7.35mm，沉降槽呈“W”形，变形超出控制值（3mm），无法满足相关运营要求。新建线与既有线交叉处变形最大，对既有隧道拱顶、拱底变形最大处节点的应力进行分析，如图3所示。32102-3注：拱底；-5一一拱顶-6-7-8-40-2002040开挖面与交叉点距离/m图3隧道典型节点应力曲线通过计算可知盾构开挖面距离交叉点30 m外，盾构掘进对既有隧道的扰动较小，节点应力变化不明显；开挖面在（-30 m，-10 m）范围内，盾构进人下穿影响区,应力缓慢增大；开挖面在（-10 m,10m）范围内，应力迅速增大，此时盾构处于既有隧道正下方；随着盾构继续掘进，逐渐脱出下穿影响区，应力趋于稳定。隧道拱底最大拉应力为2.56 MPa，拱顶最大压应力为6.9 2 MPa，拱底拉应力超过了隧道二衬的抗拉强度设计值（1.10 MPa），方案不能满足隧道结构安全要求。故采取相应控制措施：第一，在既有隧道下方施工一小导洞，用于解决地面和新建隧道内无法实施洞外注浆的难题，以导洞两侧为工作面对两隧道间地层进行注浆加固，减小既有隧道沉降；第二，在既有隧道二衬结构表面施作芳纶布+钢板带，提高既有隧道承载性能，减小隧道结构应力；第三，对下穿施工期间的盾构掘进参数进行优化，3.1小导洞注浆加固方案由于穿越段既有地铁上方的城市主干道不具备地层加固条件，采取在既有隧道下方施工一小断面导洞进行地层注浆的加固措施。在交叉路口设置注浆竖井，竖井内开挖横通道密贴既有南线，在横通道内深孔注浆，台阶法开挖，开挖前对初支外2 m范围内全断面注浆，注浆材料为水泥水玻璃双液浆，初支喷射混凝土每完成2 m进尺进行一次注浆回填，注浆管采用DN252.75mm注浆花管，纵向间距1m，环向间距1m,回填注浆压力0.2 MPa。夹土层注浆范围如棚彭彭李子晨等：盾构近距离穿越主干道下大断面隧道措施研究华第7 期89图4所示。1号线南线区间注浆竖井1号线北线区间注浆范围注浆横通道S1新建盾构石线金融街站方向注浆横通道S4牛街站方向新建盾构左线（a）注浆范围平面图地铁1号线暗挖区间夹土层注浆注浆横通道加固31006.0006.4001.9598.5446.4006.00038400(b）注浆范围剖面图图4注浆加固范围平、剖面图（单位：mm）在已开挖完成的注浆横通道两侧壁上打设双排注浆孔，对既有线下方土体进行深孔注浆加固。注浆范围平面尺寸为35.7 5 m38.4m，注浆横通道西侧钻孔深度为14.5 6 4m，东侧钻孔深度为2 0.7 36 m，注浆加固体厚度1.2 m，注浆体底至19 号线盾构区间拱顶以上约0.5 m。将1号线南线前第一段深孔注浆作为注浆试验段，结束后采用取芯法检查效果，土体无侧限抗压强度达到0.6 0.8 MPa即为满足要求。对不同的注浆范围和厚度方案进行优选，沉降曲线如图5 所示。1.00.50-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5注：一外扩1倍洞径，35.7 m38.4m，厚度1.2 m；-3.0外扩1倍洞径，35.7 m38.4m，厚度0.8 m：一外扩1倍洞径，35.7 m38.4m，厚度0.6 m；-3.5外扩0 倍洞径，35.7 m25.6m，厚度1.2 m；外扩2 倍洞径，35.7 m51.2m，厚度1.2 m-4.0工-60-40-20020406080距离下穿中心/m图5隧道结构变形曲线随着注浆范围和注浆厚度分别增大，既有结构沉降减小。结合北京市轨道交通的限值要求，和的注浆方案满足变形要求，并考虑到现场施工，采用（注浆范围35.7 m38.4m，厚度1.2 m）的洞外小导洞注浆方案，绘制方案下S5、S6、S5 7 阶段既有隧道拱底的变形曲线，如图6 所示。1.0注浆区域11-1.0-2.0注：S5;S6;S57-3.011-60-40-20020406080距离下穿中心/m图6隧道结构变形竖井及注浆横通道开挖阶段，既有隧道最大产生0.35mm的沉降，沉降极值位于小导洞下穿处，此阶段变形控制较好；夹土层注浆完成后注浆范围内既有隧道结构受注浆压力影响上浮，最大上浮0.5 4mm，上浮极值位于小导洞下穿点两侧，这是由于注浆范围内的既有结构受注浆压力产生整体上浮，而小导洞下穿完成时，下穿点处既有结构具有一定的初始沉降，因此上浮呈“M”形；下穿完成后，既有隧道沉降槽为“W”，最大沉降2.9 7 mm，沉降极值位于左线盾构下穿点。施工过程中注浆横通道开挖以及夹土层注浆加固对结构变形影响均较小，小导洞注浆加固措施能够明显减小结构沉降。3.2洞内结构加固方案由于既有隧道二衬无配筋，抗变形能力差，且穿越段存在较多裂缝，为保证结构受力安全，对穿越位置二衬主体结构采取芳纶布与钢板相结合的方式加固，芳纶布可防止裂缝进一步发展，钢板能增加结构刚度，保证结构受力安全。南线采用芳纶布与钢板加固，北线采用芳纶布加固。先铺设芳纶布，再施工钢板，环向双层芳纶布与纵向单层芳纶布粘贴顺序采用环向+纵向+环向的布置形式，环、纵向搭接长度不小于0.2 m，芳纶布粘贴至隧道混凝土表面，钢板带在芳纶布外侧采用M12机械螺栓形式固定，如图7 所示。考虑隧道养护维修以及地铁设备安装的要求，洞内加固采用分条包裹的方式，加固长度38.40 m。钢板按环向布置，总长10.7 5 m，分块长度为3.6 0 m，3.60m,3.55m，厚度3mm，宽度0.2 0 m，纵向间距1m;芳纶布与钢板带间隔错开布置，环向双层布置，2023年7 月报程道学铁90（a）洞内加固现场照片环向芳纶布钢板带纵向芳纶布(b)布置剖面图图7南线芳纶布与钢板加固布置图宽度0.2 5 m，间距1m，纵向单层布置，宽度0.2 5 m，间距0.5 0 m。在洞外小导洞注浆加固措施下，南线隧道拱底最大应力为1.2 4MPa，比未加固状态下减小5 1.5%，但仍大于二衬混凝土抗拉强度设计极值1.10 MPa；在洞外加固基础上采取洞内环向钢板加固措施，拱底应力较无加固措施下减小了6 2.1%，最大拉应力值为0.9 7 MPa，小于混凝土抗拉极限值1.10 MPa，说明洞内加固措施有效，各工况应力时程曲线如图8 所示。3.02.5注：未加固；2.0一洞外加固；一洞外+洞内加固1.51.00.50-0.5-1.0-1.5-2.0-40-2002040开挖面与交叉点距离/m图8应力时程对比曲线（单位：mm）3.3盾构掘进参数盾构掘进参数控制是减小穿越施工对既有隧道影响的关键因素。针对本次穿越施工，重点对盾构施工中土仓压力和同步注浆压力对既有结构的变形影响进行分析。根据盾构机在穿越前的盾构数据给出了拟采用的参数范围，土仓压力取值范围为0.0 6 0.10 MPa，同步注浆压力取值范围为0.12 0.2 4MPa。根据土力学理论计算得到开挖面中心位置处土体侧向土压力值约为0.0 7 MPa。设定同步注浆压力为0.20MPa,分析土仓压力分别为0.0 4MPa、0.0 6 M Pa、0.08MPa、0.10 M Pa 时结构变形规律；设定土仓压力为0.0 8 MPa,分析同步注浆压力为0.12 MPa、0.16 M Pa、0.20MPa、0.2 4M Pa 时结构变形规律，如图9 所示。024-6王-0.10MPa;-8-0.08MPa;-0.06MPa;-0.04MPa-10-12-70-60-50-40-30-20-100102030405060:70距离下穿中心点距离/m（a）不同土仓压力下既有隧道结构沉降曲线0-24-8注：-0.24MPa;-100.20MPa;0.16MPa;-0.12 MPa-12-14-70-60-50-40-30-20-1010203040506070距离下穿中心点距离/m(b)不同注浆压力下既有隧道结构沉降曲线图9盾构参数影响分析3.3.1土仓压力随着土仓压力的增大，隧道结构沉降逐渐减小，沉降趋势基本一致。当土仓压力超过0.0 8 MPa后，继续增大土仓压力对隧道沉降的控制效果不明显，故土仓压力取值范围为0.0 8 0.10 MPa。3.3.2同步注浆压力随着同步注浆压力的增大，隧道结构沉降趋势一致，最大沉降值减小，同时沉降变化率降低，注浆压力为0.24MPa时隧道沉降值比0.2 0 MPa时减小0.40 mm，沉降控制效果不明显。综合考虑，建议同步注浆压力取值范围为0.2 0 0.2 4MPa。棚彭彭李子晨等：盾构近距离穿越主干道下大断面隧道措施研究华第7 期914监测数据分析工程穿越过程中对隧道内部和上方地表进行了人工与自动化监测,具体为：远程自动化监测（JLC)在既有南北线各布设一排，既有隧道结构监测（SJC)以及轨道监测（DJC）分3排布设，既有南线2 排，既有北线1排，每排设8 个测点，沿既有隧道纵向测点间距6 m，横向间距10 m。地表沉降测点沿盾构左、右线隧道轴线上方地表布设，测点纵向10 m，横断面间距为5 m。4.1实测分析左线为先行线，根据实测数据，0 40 环时，盾构掌子面在下穿影响范围外，隧道几乎不受影响;41 5 6环时，掌子面从距离隧道外缘1.8 D掘进至脱出南线北侧，此过程中南线沉降速率明显增大,北线沉降暂不明显；6 0 7 0 环时，掌子面进人北线影响范围，北线隧道发生明显沉降；当盾构驶离北线后，隧道的变形速率明显减小，沉降逐渐稳定。由图10 可以看出，左线穿越完成后北线隧道最大沉降2.0 mm，位于左线上方，右线上方测点最大沉降0.3 0.4mm；右线穿越后，北线隧道最大沉降2.1mm，位于右线上方，左线上方测点沉降增量为0.2 mm，可见相邻隧道开挖造成的二次扰动效应对其影响较小，主要原因是左右线之间净距14m且有土层注浆加固。掌子面抵达既有北线0-0.5掌子面抵达既有南线申-1.0掌子面抵达既有掌子面抵达既有北线正下方南线正下方-1.5注：JCL-S-04;盾尾驶出既有北线-2.0-oJCL-N-04;AJCL-S-07;JCL-N-07-2.5盾尾驶出既有南线010 20304050 60 70 8090100环数(a)左线注：掌子面抵达既有北线0-JCL-S-04;OJCL-N-04;-0.5JCL-S-07;JCL-N-07/掌子面抵达-1.0既有南线掌子面抵达既有北线正下方-1.5掌子面抵达既有-2.0南线正下方盾尾驶出既有北线-2.5盾尾驶出既有南线-3.0010 2030405060 70 8090100环数(b)右线图10典型测点沉降时程曲线地表监测结果如图11所示，地表变形呈缓慢变形、急速沉降、逐渐稳定三个阶段。在开挖面距测点约9m时,最大沉降为0.6 mm;开挖面在测点前后-9 14m范围内时,沉降速率加快,最大沉降为4.3 6.6 mm，盾构驶离测点18 m时,部分测点有轻微回弹现象,最大回弹量0.6 mm,这是由于盾尾脱出后同步注浆所致；盾尾通过一段距离后，地层发生固结和变，沉降在一定范围内波动，逐渐稳定。注：DLG-04-48;0-RLG-11-02;-1-SSG-09-03;-YSG-08-03-2-3-4-5-6-7-18-15-12-9-6-3036912 15 18 21 24 27 30开挖面与测点水平距离/m图11地表纵向变形曲线4.2结果对比数值计算与实测数据对比如图12 所示，计算值与实测值变形趋势一致，均呈“W”形，极值处于线路交叉处，最大变形点位于左线盾构下穿既有北线底板处。隧道最大沉降实测值为2.5 2 m，计算值为2.8 9 mm，相差14.6%，均小于标准控制值。综上所述，采取控制措施后，既有隧道沉降极值和趋势与工前预测基本一致，变形控制效果较好。0.50-0.5-1.0-1.5-2.0注：-2.5数值模拟数据；一工程实测数据-3.0-60-40-20020406080距离下穿中心距离/m图12既有隧道结构最大变形值对比图5结论（1)在不具备常规加固措施条件下，采取小断面隧道穿越既有线形成注浆工作面，洞外小导洞注浆加From P.85)上接第8 5 页2023年7 月程报道学铁92固措施后，隧道和轨道结构沉降变形较未加固措施下减小了6 1.1%、6 0.3%，加固措施能够有效减小沉降，保证地铁轨道变形满足限值要求。（2)在二衬无配筋、既有裂缝等不利条件下，采取洞内钢板与芳纶布的结构加固措施能够有效增加既有地铁隧道的刚度，减小结构应力，保证结构受力满足安全要求。(3)既有地铁隧道结构沉降变形随着土仓压力、同步注浆压力的增大而减小，沉降趋势不变，当压力增加到一定范围后，继续增大其控制效果变弱，根据盾构机实际数据范围进行参数优化分析，给出土仓压力、同步注浆压力最优取值范围分别为0.0 8 0.10 MPa、0.20 0.24MPa。（4)通过对工程监测数据分析，采取各项控制措施后,既有隧道沉降变形与趋势与工前预测基本一致，工程实际穿越的沉降效果良好，各项指标均在控制范围内。本项目研究的注浆以及洞内加固方案可为类似穿越工程控制措施的设计施工提供技术支撑。参考文献：1何明华地铁盾构隧道近距离下穿既有铁路隧道安全性分析 J低温建筑技术,2 0 19（8)：111-114.He Minghua.Safety Analysis of Metro 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