JournalofZhejiangUniversity(EngineeringScience)
工学版)浙 江 大 学 学 报(
Vol.44No.10
Oct.2010
DOI:10.3785/j.issn.1008-973X.2010.10.020
盾构近距离上穿运营隧道的实测数据分析
朱 蕾1,2,黄宏伟1
(1.同济大学地下建筑与工程系,上海200092;2.上海地铁维保中心,上海200070)
摘 要:在上海地铁13号线上穿地铁4号线施工期隧道变形实测数据分析的基础上,探讨在施工扰动影响下的隧道变形机理,得出穿越扰动导致隧道隆起变形,隧道隆起变形存在滞后,盾构穿越完成后第51天隧道隆起变形趋于收敛等规律.盾构穿越后隧道隆起变形量占隧道累计隆起变形量的40%～65%.二次穿越施工扰动延长了隧道隆起变形的稳定时间,增加了隧道累计隆起变形量.盾构穿越施工的影响范围为4倍的施工盾构直径(4D),隧道纵向变形曲线近似成正态分布,反弯点位置在2D左右,最大累计隆起变形出现在沿4号线隧道方向的投影相交点位置.关键词:穿越施工;土体扰动;运营隧道;隆起变形
中图分类号:U456.3 文献标志码:A 文章编号:1008-973X(2010)10-1962-05
Monitoringdataanalysisofdisturbingeffectcausedby
shield-drivenoveroperatingtunnel
ZHU-Lei1,2,HANGHong-wei
1
(1.DepartmentofGeotechnicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;
2.ShanghaiMetroMaintenanceCenter,Shanghai200070,China)
Abstract:ThedeformationmechanismofexistingtunnelwasanalyzedbasedonthemonitoringdataanalysisofM13crossingM4inshanghai.Resultsshowedthatthedeformationoftunnelwascausedbythe
constructiondisturbanceandwasconvergentafter51days.Theheavedeformationoftunnelafterconstructionaccountedfor40%-65%ofthecumulativedeformationoftunnel.Thesecondcrossingconstructiondisturbancedelayedtheconvergencetimeofheavedeformationandincreasedthecumulativeheavedeformationoftunnel.Therangeofdisturbingeffectwasfourtimesoftheshielddiameter(4D).Thelongitudinaldeformationcurveoftunnelwasapproximatelynormalfunctiondistribution.Thedistanceofinflectionpointwas2D.AlongthetunneldirectionofM4,themaximumofheavedeformationwasinthemiddleofthetwocrossingpoint.
Keywords:crossingconstruction;soildisturbance;operatingtunnel;heavedeformation 随着地铁工程的飞速发展,各类交叠隧道的大量建设,隧道之间的近距离穿越施工越来越多.近距离穿跨越往往具有施工难度大、控制变形要求高的特点,目前隧道穿越问题已经取得了一些研究成果
[1-8]
1 工程概况
上海市轨道交通13号线世博园专用交通联络线工程卢浦大桥站～马当路站区间管片结构采用钢筋砼衬砌圆环,通缝拼装,内径为5.5m,外径为6.2m,环宽为1.2m,环厚为0.35m.衬砌环全环采用封顶块、2块标准块、2块邻接块及1块拱底块
,本文通过对上海轨道交通13号线上跨越地
铁4号线现场实测数据的分析,研究上穿越施工扰
动对已运营隧道变形的影响.
收稿日期:2010-08-10.浙江大学学报(工学版)网址:www.journals.zju.edu.cn/eng
作者简介:朱蕾(1975—),女,上海人,博士生,从事地铁监护及咨询.E-mail:zl13916404902@163.com
第10期
朱蕾,等:盾构近距离上穿运营隧道的实测数据分析
1963
构成.盾构沿蒙自路推进至瞿溪路处上跨运营地铁4号线,呈十字形相交,4号线轨面标高为
-19.2m,13号线隧道上部覆土厚度约为8.5m,平曲线半径约为2000m,纵坡为4.22‰,两条隧道的最小垂直净距约为3m.穿越过程划分为4个区域,如表1所示.
表1 穿越段区域划分
Tab.1 Differentsectionofcrossingarea区域模拟区影响区穿越区影响区
上行线环号162～213214～224225～241242～252
下行线环号162～211212～222223～239240～250
隧道隆起,采用袋装管片螺栓进行加载,加载范围为上行线第221～255环,下行线第219～243环,每环加载量为2.0～3.0t.13号线下行线盾构于2008年1月4日进入影响区212环,2008年1月11日盾尾脱出4号线上行线242环,推进30环,总计推进为36m.、上行线盾构二次穿越于2008年3月11日切口到达224环,2008年3月15日到达244环完成穿越,总计推进为36m.
本区间盾构掘进主要在第④层淤泥质黏土、第⑤1层粉质黏土之中.跨越轨道交通4号线位于第④层淤泥质黏土中.第④、⑤1层土性指标含水量高、空隙比大、强度低、压缩性高、渗透性弱,具有明显的触变、流变特性,在动力作用下土体结构易破坏,使土体强度降低,变形增加,造成土层流动以致开挖面失稳,土层特性如表2所示.
跨越区采用注浆加固,加固范围为管片外1.5m.穿越前未对已建4号线周边土体进行加固.为了控制13号线盾构推进过程中因出土引起的4号线
表2 土层特性表Tab.2 Soilproperties
层序土层名称
淤泥质黏土
层底埋深/层底标高/
m15.9～17.0
m-11.59～-13.47-17.03～-24.91-24.89～<-35.59部分未穿
层厚/m7.00～10.004.10～12.200.00～>17.80部分未穿
土层描述
均有分布,流塑,均匀,含云母、有机质和少量贝壳碎屑或团块,夹少量粉土,局部为淤泥质粉质黏土,高压缩性。
均有分布,软塑为主,部分孔层顶为流塑淤泥质粉质黏土,欠均匀,含云母、少量腐殖质,夹薄层粉土或砂,局部为黏土,高～中压缩性。欠均匀,很湿,稍密～中密,含云母碎屑,夹较多薄层黏性土,局部为粉砂互层状,有时为砂或砂质粉土,中压缩性。
软塑,欠均匀,含云母、少量泥质结核和腐殖质,夹较多粉土或砂,中偏高压缩性。
④
⑤1粉质黏土20.2～28.5
⑤2黏质粉土
28.5～>40.0部分未穿
⑤3粉质黏土
2 监测内容
在穿越施工中对4号线隧道分别进行直径收敛监测(投影相交点位置两侧12m范围)、隧道轴线
沉降监测(采用电子水平尺轴线沉降自动监测系统,以4号线上、下行线2个穿越交叉点为对称中心左、右50m,测点间隔为2m)和轨面监测(采用电子水平尺轨面高差自动监测系统,4个交叉点),监测布点如图1所示.
图1 隧道穿越段测点布置图
Fig.1 Arrangementplanofmeasuringpoints
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第44卷 浙 江 大 学 学 报(工学版)
3 数据分析
图2中,sumax为M4上行线隆起最大值,sdmax为M4下行线隆起最大值.如图2所示,在盾构上穿施工中影响既有隧道沉降变形的因素很多,盾构机直径、刀盘土压力、刀盘扭矩和转速、盾壳摩擦、盾尾同步注浆量、二次注浆量、注浆压力、盾构推进速度、出
土量等在穿越不同阶段时影响权重不断变化.在13号线下行线上穿4号线下行线过程中,刀盘土压力控制为0.15MPa;同步注浆压力为0.3～0.5MPa;同步注浆量为2.3m;每间隔一环二次补浆1.2m、1.6m;推进速度为10～12mm/min.从投影位置分析,在盾构机掘进距4号线下行线1倍D(D=6.2m)至刀盘推至4号线下行线过程中,刀盘转动和挤推导致隧道周围土体微扰动,下方隧道微量隆起0.665mm;继续推进在盾尾推至4号线下行线前,盾壳对土体摩擦和刀盘转动的共同作用造成下方隧道隆起1.017mm;在刀盘离开4号线下行线至盾尾离开4号线下行线期间,同步注浆和二次补浆参与共同作用,4号线下行线隧道隆起1.318mm.3个阶段隧道瞬时隆起比例为0.55∶0.77∶1.
在盾尾脱离4号线下行线后隧道瞬时隆起趋势增大,表明穿越施工对周围土体扰动造成的隧道瞬时隆起存在滞后性.在穿越4号线上行线过程中,其他施工参数不变,推进速度为7～9mm/min,刀盘土压力略减小,施工参数调整使4号线上行线隧道瞬时隆起有效控制在0.902mm.
图3给出了4号线上、下行线隧道在4个交叉点和同一线上2个交叉点中间位置处隆起变形历程.受施工扰动的影响,下方隧道隆起变形滞后.随着时间推移,隧道隆起变形缓慢增大,13号线上、下行线先后穿越51d后4号线隧道隆起日变形量小于0.05mm,基本处于收敛状态.
图3 4号线上、下行线隧道不同测点的隆起变形历时曲线
Fig.3 Time-historycurvesofheaveofM4tunnel
3
3
3
13号线下行线穿越4号线下行线,隧道隆起变形分为刀盘距隧道2D至盾尾离开隧道2D、盾尾脱离隧道2D后10d、盾尾脱离隧道2D后51d这3
个阶段,隧道日隆起变化量见表3.
当13号线下行线上穿4号线时,在13号线下行线正下方4号线下行线隧道测点XU29日隆起量3阶段的比例分别为1∶0.22∶0.1;在13号线上行线正下方4号线下行线隧道测点XU24日隆起量
表3 不同阶段的隧道日隆起变化量
Tab.3Daychangeoftunnel'sheaveatdifferentstagemm·d-1
穿越工况
施工节点
XU23
XU24
XU26
XU29
穿越施工期0.2080.204
13号线下行线完成穿越穿越4号线下后10d行线隧道
完成穿越后51d
0.0300.0380.0180.019
0.3320.3110.0450.0670.0260.0300.2020.1570.0370.021
2710.26413号线上行线穿越施工期0.
图2 13号线下行线穿越4号线Fig.2 DownlineofM13tunnelingacrossM4
穿越4号线下完成穿越
后51d行线隧道
0.0450.042
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3阶段的比例分别为1∶0.19∶0.09.当13号线上行线上穿4号线时,在13号线上行线正下方4号线
下行线隧道测点XU24施工期和长期日隆起量的比例分别为1∶0.16;在13号线下行线正下方4号线下行线隧道测点XU29施工期和长期日隆起量的比例分别为1∶0.13.
二次穿越对下方隧道不同位置产生的扰动影响权重不断发生变化.通过对比4号线下行线隧道两交叉点(XU24、XU29)中心测点XU26日隆起变化量,发现二次穿越后第51天的日隆起量是一次穿越后51天的日隆起量的1.4倍,隧道隆起变形稳定时间相对延长.原因在于二次穿越时盾构掘进速度增加了1.0～2.0mm/min,土压力增加了1.0～2.0MPa,注浆压力减小了0.1～0.3MPa,同时二次补浆量减小了0.4m3,推进速度和土压力增加,增大了对周围土体的扰动程度,同时注浆压力和二次补浆量的减小,使盾尾建筑空隙填充效果下降,导致盾尾经过后隧道周围土体应力释放比例增大,进而引起下方隧道隆起变形增大,稳定时间延长.此外受扰动土经过二次扰动后,土体结构再次遭到破坏,延长了土体次固结的时间,这也是造成二次穿越后隧道隆起变形长期增加的原因之一.
表4给出了盾构穿越施工后期隧道隆起变形与施工期隧道瞬时隆起变形量.可以看出,盾构穿越施工后隧道隆起变化量在隧道长期变形中占较大比例,第一次穿越完成后4号线下行线隧道后期隆起变形量占隧道累计隆起变形量的41%～45%;第二次穿越完成后4号线下行线隧道后期隆起变形量占隧道累计隆起变形量的58%～65%.
表4 不同阶段的隧道隆起变化量
Tab.4 Changeoftunnel'sheaveatdifferentstage mm穿越工况
施工节点穿越施工期
13号线下行完成穿越线穿越4号后第51天线下行线
完成穿越后第51天累计隆起
穿越施工期1.350
13号线上行线穿越4号线下行线
完成穿越后第51天完成穿越后第51天累计隆起
3.668
3.449
2.898
1.875
2.310
1.3202.130
1.0101.890
0.7801.090
2.164
2.192
3.353
3.416
XU231.250.916
XU241.220.969
XU261.991.359
XU291.8701.550
如图4所示,13号线上行线后上穿4号线隧道,二次叠加扰动所导致的隧道隆起最大变形位置偏离了交叉点位置,出现在沿4号线隧道纵向两交叉点中间处.同时,在13号线下行线正下方的4号线隧道隆起变形略大于13号线上行线正下方的4号线隧道隆起变形,原因在于13号线下行线隧道穿越对正下方隧道造成的施工扰动影响大于对侧下方隧道的施工扰动影响,前者对周围土体结构的损伤程度也大于后者.当13号线上行线二次穿越4号线隧道时,二次叠加扰动对13号线下行线下方隧道的影响大于13号线上行线下方隧道.表明隧道周围土
图4 穿越区内4号线隧道隆起变形分布曲线Fig.4 DistributioncurvesofheaveofM4tunnelin
acrossingarea
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体受扰动程度越大,当发生二次扰动时,对隧道长期
变形稳定越不利.
图5给出了在穿越过程中随时间推移,实际隧道纵向变形曲线和正态分布拟合曲线.在13号线穿越工程中,二次穿越施工扰动分别导致的4号线隧道纵向隆起变形均近似以交叉点为对称中心呈正态分布.
s(x)=smaxexp[x/(2i)].
式中:i为正态分布函数反弯点,本工程中i=2D;
smax为隧道最大隆起变形;s(x)为沿隧道纵向任意点处的隆起变形;x为沿隧道纵向任意点到最大隆起变形点的距离.
穿越施工扰动的影响范围为x=4D.当x>4D时,隧道隆起变形量小于0.5mm.在x=2D附近,存在拟合误差,实际隧道隆起变形略大于拟合值,在该处实际隧道的纵向变形曲线曲率小于正态分布拟合曲线曲率.在穿越工程中可以考虑采用正态分布拟合方法预测隧道纵向变形规律.
2
2
4 结 论
(1)在盾构机掘进距4号线下行线1倍D(D=6.2m)至刀盘推至4号线下行线、盾尾推至4号线下行线、刀盘离开4号线下行线至盾尾离开4号线
下行线3个穿越阶段中,刀盘切削和挤土、盾壳摩擦、盾尾注浆和补浆及建筑空隙等施工扰动因素相继造成下方隧道隆起变形,比例为0.55∶0.77∶1.(2)随着时间推移,隧道隆起变形缓慢增大,13号线上、下行线先后穿越第51天后4号线隧道隆起日变形量均小于0.05mm,基本处于收敛状态.(3)二次穿越对下方隧道不同位置产生的扰动影响权重不断发生变化.隧道周围土体受扰动程度越大,当发生二次扰动时,对隧道长期变形稳定越不利.
(4)在盾构穿越施工后隧道隆起变化量在隧道长期变形中占有较大比例,第一次穿越完成后4号线下行线隧道后期隆起变形量占隧道累计隆起变形量的41%～45%;第二次穿越完成后4号线下行线隧道后期隆起变形量占隧道累计隆起变形量的58%～65%.
(5)二次穿越施工扰动分别导致的4号线隧道纵向隆起变形均近似以交叉点为对称中心呈正态分布.穿越施工扰动的影响范围为x=4D,当x>4D时,隧道隆起变形量小于0.5mm.穿越工程中可以考虑采用正态分布拟合方法预测隧道纵向变形规律.
(6)本文通过分析13号线近距离上穿4号线施工的实测数据,得出了二次穿越和穿越过后的运营隧道垂直位移变形规律,对今年类似的近距离穿越施工针对地铁运营隧道的安全保护有一定的借鉴意义.
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图5 4号线上、下行隧道纵向变形分布曲线Fig.5 Distributioncurvesoflongitudinaldeformationof
M4tunnel
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(下转第2004页)
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