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盾构穿越已建隧道的影响分析及应对措施

摘 要: 通过研究盾构法施工对地层的扰动以及隧道的受力变形特征，结合上海地铁盾构穿越隧道的工程实践，探讨了盾构施工对已建隧道变形的控制措施，获得了一定经验。同时指出，注浆工艺和上覆土厚度对隧道变形的影响应引起足够重视。
关键词: 盾构隧道，穿越，变形，措施

      近年来，在地铁网络化建设工程中，盾构穿越已建隧道的现象越来越普遍。研究发现，盾构在穿越已建隧道过程中，后挖隧道施工对先建隧道是一种“卸载”作用。受此影响，先建隧道的衬砌管片将朝后挖隧道方向变形，隧道变形将表现为整环管片错动并产生纵向弯曲。随着附加应力的增加，管片局部将出现碎裂，环纵缝张开、渗漏水增加等现象，对隧道质量甚至结构使用安全都将造成影响。郭晨在采用三维弹塑性数值模拟计算后，认为采用先下后上的施工顺序，后建隧道的施工对地表沉降和已建隧道的二次扰动更小。本文分析了盾构施工对地层扰动以及先建隧道的影响，在借鉴已有的研究成果和实践经验基础上，在隧道交叉施工中提出了针对性措施。

1 盾构施工扰动对地层的影响分析
      盾构掘进将导致围岩介质原始应力的改变，随着应力重新分布土层产生弹性及弹塑性变形，使相应的地层移动。根据盾构施工特点，可以把引起的土体变形主要概况为: 盾构正面土体失稳、扰动土体的固结、充填注浆效果不理想与盾构超挖等因素。
      1) 盾构正面土体失稳。土压平衡盾构利用土仓压力与正面水土压力相平衡，土仓压力设置不合理，将引起开挖面土体失稳，造成地表隆沉。土仓压力设置应以作用于正面的静止水土压力为基础，开挖面稳定还应结合控制出土量和推进速度的措施来维持。
      2) 土体的固结。盾构推进时的挤压以及压浆作用，使周围地层形成超孔隙水压力区。随着超孔隙水压力的消散，地层发生排水固结变形，引起地层位移。经验表明，合适、稳定的推进速度可以减小超孔隙水压力对地层的扰动影响。
      3) 充填注浆。盾构向前推进后，充填注浆不密实，原被盾构壳体支撑的土体产生变形，注浆材料收缩、离析等现象也是地表沉降的一个主要原因。一般情况下，泥浆压入量为“建筑空隙”的130% ～ 180% ，注浆压力控制在 1． 1 倍 ～ 1． 2 倍静止水土压力值，压浆速度和掘进速度应保持同步。
      4) 盾构超挖。盾构推进时，由于偏离轴线需要修正，或小半径曲线段推进都会引起超挖，而使土层扰动范围扩大。超挖的同时，同步充填注浆量没有及时调整，也会助长地表下沉。因此，盾构机姿态的偏差应做到勤纠缓纠，杜绝大量值纠偏。

2 隧道变形影响因素及特征
      修建后的隧道，随着地层中孔隙水压力的消散，周围土体强度增加，隧道会逐渐保持稳定。但在受到周边施工扰动、内部荷载、上覆土荷载变化等因素的影响下，衬砌形状会随着地层应力重新分布而发生改变。柔性衬砌变形呈椭圆状，衬砌对于周围地层的相对刚度会影响衬砌上荷载的分布，相对刚度越大，作用于衬砌上的荷载越大，衬砌变形越小。衬砌的刚度大小主要取决于衬砌的厚度、管片的拼装方式、接头刚度。盾构上方穿越对隧道的影响主要由地层扰动和上覆土卸载引起。
      1) 盾构施工扰动。盾构穿越隧道施工，使已建隧道周围土体应力状态改变，作用于衬砌上的荷载重新分布。盾构推进时的挤土效应，加大拱顶荷载，隧道呈横向变形，顶部纵缝张开外弧面受压。
      2) 上覆土荷载变化。盾构穿越隧道后，隧道上部卸载，地基回弹作用使隧道纵向整体向上弯曲变形。隧道变形大小和范围受土层特性、衬砌刚度、上覆土厚度等因素的影响。

3 工程实例
3． 1 工程简介
      上海某地铁隧道，采用土压平衡式盾构机掘进。正线隧道与辅线隧道相互交叉，交叉角度为45°，两条隧道的间距2． 7 m，上方正线隧道埋深 7． 35 m，涉及②-3-1和④土层; 下方辅线隧道埋深16．34 m，主要涉及 ⑤1-1土层。隧道外径为 6 200 mm，内径为5 500 mm，为每环六块预制管片通缝拼装，纵环向共用 29 根5． 8 级 M30 双头直螺栓连接，管片厚 350 mm，衬砌管片混凝土设计强度为 C55。正线隧道平面半径 350 m，衬砌块宽度采用1 200 mm，辅线隧道平面半径 250 m，衬砌块宽度采用 1 000 mm。
3． 2 影响分析
      盾构穿越区域土体未作任何加固，土层土质软，具有回弹量大、灵敏度高、明显触变及流变等特性，动力作用下土体结构易破坏。隧道叠交区域土体受二次扰动，结合辅线隧道平面曲线半径小、埋深相对较深等工况条件，采用以下应对措施。
3． 3 措施
      1) 先施工辅线隧道，后施工上方隧道，并对已建隧道环纵向螺栓复紧，利用管片的预留注浆孔，采用槽钢将隧道纵向连接，加强隧道纵向刚度。2) 在盾构穿越隧道过程中，对隧道内前后各20 环分阶段加载，控制因上方盾构开挖引起的隧道隆起变形。根据监测数据，逐步卸载。3) 盾构施工前对盾构设备性能、参数标定全面评价。加强施工监测，分析土压力、推进速度、出土量、注浆量和注浆压力等参数和土体扰动的相对关系，及时作出相应调整。盾构穿越过程中连续施工，推进速度控制在 2 cm/min 以内。4) 减少盾构纠编，杜绝大量值纠编。盾构推进轴线偏差控制在± 30 mm 内，纵坡变化小于 0． 2% ，以减小对地层的扰动，并及时调整同步注浆数量。5) 为了稳定隧道上浮趋势以及新建隧道的沉降变形，对盾构穿越区前后各 20 环隧道间的土体，进行分层注浆加固，注浆遵循少量、多次、多点、均衡原则。注浆压力小于0． 3 MPa，单孔注浆量在 20 L / min 以内。
3． 4 实效分析
      1) 盾构穿越后，隧道向上纵向弯曲变形。最大变形量发生在盾构穿越后三天，为 2． 5 mm。之后受纵向约束，变形范围向纵向延伸。维持后期监测至 6 个月，变形恢复至 1． 9 mm 左右，并逐步趋于稳定。2) 盾构在穿越过程中，隧道的收敛变形不明显，垂直向收敛仅 0． 5 mm。最大变形量发生在对隧道间的土体注浆过程中，变形值为 2． 3 mm。在及时调整注浆方案后，变形得到控制。3) 通过对隧道的外观检测，盾构穿越区隧道环纵缝无明显张开及渗漏增加现象。

4 结语
      盾构在穿越新建隧道施工中，通过采取合理的工序安排，局部提高隧道整体刚度，加强动态信息化管理等措施，根据监测数据及时优化施工参数，隧道交叉施工的相互影响能够控制在一定的范围内。对已建隧道的监测数据分析发现，随着地层应力的重新分布，后期隧道纵向变形基本恢复，而收敛变形则无明显变化。由于交叉隧道间距较近，管片壁后注浆对相邻隧道的变形影响已经超过了盾构穿越过程，因此，注浆压力、深度、时间选择等因素应引起足够重视。隧道的纵向上浮变形在受结构约束的同时，与上覆土的厚度、卸载量密切相关，今后在研究此类问题时，应进一步分析。

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