專利名稱：大直徑盾構(gòu)近距離下穿小直徑地鐵隧道的變形控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種隧道工程技術(shù)領(lǐng)域的控制方法，具體是一種大直徑深埋 盾構(gòu)隧道下穿小直徑隧道的變形控制方法。
技術(shù)背景隨著城市地下空間開發(fā)高潮的來臨，采用盾構(gòu)法修建地下鐵道等各種城市隧 道在世界各國越來越受到人們的重視。近十年內(nèi)，盾構(gòu)工法在我國得到了迅猛發(fā) 展，業(yè)己成功掌握了土壓盾構(gòu)、泥水盾構(gòu)等技術(shù)；僅以上海市為例，2007年底 地鐵盾構(gòu)隧道已達200km以上，另有穿越黃浦江底的大斷面盾構(gòu)隧道5條。在上 海新的城市規(guī)劃里，軌道交通總里程達到500km以上；已建、在建和擬建的過黃 浦江隧道多達11條以上，另有直徑達15. 0m超大斷面的崇明長江隧道。軌道交通的日益網(wǎng)絡(luò)化、規(guī)?；?，軌道交通和城市隧道同步高速發(fā)展，使城 市面臨著地下空間資源如何有效利用的問題，地下工程的空間交叉已不可避免， 城市基礎(chǔ)設(shè)施的快速發(fā)展和周邊環(huán)境的限制往往使得這類工程界所盡力回避的 方案成為優(yōu)選甚至是唯一可行的方案。然而軌道交通設(shè)施對變形控制有著嚴格要 求，地鐵隧道本身的空間交叉往往就是設(shè)計及施工中的控制點、難點，大直徑盾 構(gòu)隧道穿越小直徑地鐵隧道的空間交叉更是規(guī)劃、設(shè)計及施工的關(guān)鍵點。盾構(gòu)施 工會對周圍土體造成擾動，引起地面沉降或隆起，目前多通過控制盾構(gòu)開挖面穩(wěn) 定、盾尾注漿等措施來控制變形。而盾構(gòu)近距離穿越已建隧道必然也會引起已建 隧道的隆沉，特別是大直徑盾構(gòu)隧道穿越小直徑既有隧道更使變形控制難以把 握，如何使新建隧道順利穿越已建隧道并使己建隧道處于安全可控狀態(tài)一直是個 難題。經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，申請?zhí)枮镃N200410015918. X,專利申請的名 稱為"一種在運營隧道上方進行深大基坑施工的方法及防變形結(jié)構(gòu)"，該技術(shù)采 用在運營隧道兩側(cè)土體中各打設(shè)至少一排抗拔樁的方法，在抗拔樁排之間的運營隧道上方進行土體開挖，當土體開挖至露出所述抗拔樁時，在抗拔樁排之間放置 或澆筑結(jié)構(gòu)底板，從而有效防止隧道上方由于土體開挖而引起的周圍土體的回彈 變形及隧道變形。該方法只適用于明挖法施工，且局限于新建構(gòu)筑物在既有隧道 上方，對暗挖法施工特別是新建大直徑隧道下穿既有小直徑隧道并不適用。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足和缺陷，提出了一種大直徑盾構(gòu)近距離下穿小直 徑地鐵隧道的變形控制方法。本發(fā)明首先通過三維有限元數(shù)值分析來模擬給定施 工參數(shù)條件下的地面與隧道的變形，確定最優(yōu)參數(shù)。然后根據(jù)現(xiàn)場實際情況在離 既有隧道一定區(qū)域內(nèi)設(shè)定試驗區(qū)域，用確定的最優(yōu)參數(shù)進行試驗性施工，如果試 驗區(qū)域內(nèi)的變形滿足要求，則進行正式穿越施工，這樣，使其能夠保證既有隧道 安全順利施工，并可以盡量減小施工對周圍環(huán)境的影響。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，包括如下步驟第一步，針對交叉隧道的相對位置、土性條件、隧道埋深及既有隧道變形控 制標準應(yīng)用有限元法計算得到新建隧道地層損失率控制范圍以及盾構(gòu)開挖面支 護壓力最佳值，具體如下① 三維有限元模型范圍水平方向應(yīng)大于(2H+3D+L)米，深度方向應(yīng)大于 (2H+2D)米，其中，H為新建隧道的頂部埋深，D為新建隧道的直徑，L為新建左右隧道凈間距；高度據(jù)工程實際確定，新建盾構(gòu)隧道置于模型的中間，底面距 隧道底為2D。② 計算中邊界條件設(shè)定如下隧道內(nèi)側(cè)采用自由邊界，模型兩側(cè)約束水平位 移，模型底部同時約束豎向與水平位移。③ 軟土地層的本構(gòu)關(guān)系采用考慮彈塑性應(yīng)變的修正劍橋模型，砂性土層采用 莫爾庫倫模型，隧道結(jié)構(gòu)取為彈性體。④ 模型中對新建隧道設(shè)定不同地層損失率，而后計算地表及既有隧道變形 量，繪制出地層損失率與變形量關(guān)系曲線圖?！渡虾Ｊ羞\營地鐵隧道保護標準》 規(guī)定運營地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對沉降量須小于20mm，日地鐵結(jié)構(gòu)沉降量須小于lmra。 根據(jù)這一變形控制標準確定新建隧道地層損失率的控制范圍。⑤ 在模型中盾構(gòu)開挖面設(shè)置根據(jù)靜止土壓力計算所得梯形支護壓力，而后使得支護壓力在靜止土壓力附近變化，引入支護壓力比的概念，即開挖面實際支護 壓力與按照靜止土壓力計算所得支護壓力之比，得出既有隧道及地表變形與盾構(gòu) 支護壓力比的關(guān)系曲線，并根據(jù)曲線關(guān)系得出使得既有隧道變形最小的支護壓力 值。第二步，通過設(shè)置支護壓力最佳值來保持盾構(gòu)開挖面前水土壓力的相對平 衡，并嚴格控制開挖面支護壓力波動范圍，根據(jù)施工需要可以控制在士10kPa。同時在既有地鐵隧道內(nèi)安裝自動監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)實時調(diào)整。第三步，將新建隧道地層損失率控制在允許范圍內(nèi)，具體施工措施如下采 用同步注漿，并嚴格控制注漿壓力、注漿量及漿液質(zhì)量保證盾尾地層穩(wěn)定，根據(jù) 覆土壓力合理設(shè)定注漿壓力，并根據(jù)開挖面支護壓力等綜合因素及時調(diào)整，注漿 壓力一般控制在0.2 0.4MPa;根據(jù)盾尾間隙精確計算注漿量，注漿量一般取為 空隙體積的150% 200%,可根據(jù)既有地鐵隧道的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)及時調(diào)整，注漿 過程中應(yīng)保證漿液不被泥水稀釋；穿越過程中應(yīng)保證盾構(gòu)低速、穩(wěn)定推進，推進 速度一般控制在10mm/min以內(nèi)；補壓注漿控制土層的后期變形。第四步，根據(jù)以上施工技術(shù)措施，在盾構(gòu)即將到達交叉部位前設(shè)定試驗推進 區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)按照上方存在既有地鐵隧道的情況進行施工?？刂普{(diào)整各施工 參數(shù)，以及時調(diào)整支護壓力、推進速度和注漿量等施工參數(shù)的最佳值。第五步，盾構(gòu)正式穿越交叉部位，施工過程中，加強既有隧道變形及地表變 形監(jiān)測，特別是與新建隧道相距最近的地鐵隧道部位的變形，可通過安裝在地鐵 隧道內(nèi)的自動監(jiān)測系統(tǒng)進行沉降觀測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整施工參數(shù)，以保 證穿越施工安全順利進行。當?shù)罔F隧道沉降過大時，加大盾尾注漿量，地鐵隧道 產(chǎn)生隆起變形時，應(yīng)減小注漿壓力和注漿量，并保證盾構(gòu)推進連續(xù)進行，且速度 不宜過快。盾構(gòu)穿越后，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對交叉部分從新建隧道內(nèi)向土體實施微 擾動注槳，進一步穩(wěn)定既有隧道的后期沉降。為保證以上步驟的順利實施，在進行有限元分析之前，可以進行如下幾方面 的工作現(xiàn)場工程勘測(包括土層分布、土體物理力學(xué)指標等)，土層分布可通 過靜力觸探試驗確定，土體物理力學(xué)指標可通過常規(guī)土工試驗得到；既有小直徑 地鐵隧道的走向、埋深，新建大直徑隧道的空間位置，兩隧道的平面交叉位置，交叉角度以及最小間距等信息。本發(fā)明綜合考慮了引起地表及既有隧道變形的各因素，適用于淤泥質(zhì)粘土、 粘土、砂性土、粉砂土，解決了原工藝的不足和缺陷。通過合理調(diào)整各項施工參 數(shù)，確保了新建隧道的順利施工，又保證了既有隧道及周邊環(huán)境的安全。本發(fā)明 適用于同類工況，為軟土中大直徑盾構(gòu)隧道近距離穿越既有小直徑隧道施工提供 了一項重要的技術(shù)保證。


圖1大直徑盾構(gòu)近距離下穿既有地鐵隧道的平面圖 圖2大直徑盾構(gòu)近距離下穿既有地鐵隧道的斷面圖 圖3三維有限元網(wǎng)格圖4既有地鐵隧道最大沉降量與地層損失率關(guān)系圖 圖5盾構(gòu)開挖面泥水壓力比與既有地鐵隧道沉降量關(guān)系圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于 下述的實施例。實施例以上海市某越江隧道下穿既有地鐵隧道工程為例。 (1)根據(jù)交叉隧道的相對位置以及現(xiàn)場實際情況應(yīng)用有限元法計算新建隧 道地層損失率控制范圍及盾構(gòu)開挖面支護壓力最佳值。該工程中已建地鐵隧道外 徑6.2m，隧道上、下行線平面凈距為4. 54m。新建越江隧道與地鐵隧道空間相交 處平面交角為56° ，最小豎向凈間距2. 68m。越江隧道上下行線凈間距12. 06m， 隧道直徑為11.36m，隧道中心埋深為34. 68m。附圖1為大直徑盾構(gòu)近距離下穿 既有地鐵隧道的平面圖，附圖2為大直徑盾構(gòu)近距離下穿既有地鐵隧道的斷面 圖。新建隧道頂部埋深H=29m，隧道直徑D二11.36m， L=12.06m，三維有限元 模型長度取為200m，寬100m，高70m，有限元計算網(wǎng)格如附圖3所示。計算中 邊界條件設(shè)定如下隧道內(nèi)側(cè)采用自由邊界，模型兩側(cè)約束水平位移，模型底部 同時約束豎向與水平位移。軟土地層的本構(gòu)關(guān)系采用考慮彈塑性應(yīng)變的修正劍橋 模型，砂土本構(gòu)關(guān)系采用莫爾庫倫模型，隧道結(jié)構(gòu)取為彈性體。地層損失率控制值確定模型中，將新建越江隧道地層損失率分別設(shè)為不同 值，而后計算既有地鐵隧道以及地面沉降。結(jié)果表明當新建左線越江隧道地層損 失率為0. 5%、 1. 0%和1. 5%時，既有地鐵隧道最大沉降值分別為6. l咖、14. 8ran 和25.6mm;新建左右線越江隧道地層損失率均為0. 5%、 1.0%和1.5%時，既 有地鐵隧道最大沉降值分別為8. 3鵬、23. 7mra和41. 2mm。繪制既有地鐵隧道最 大沉降量與地層損失率關(guān)系圖，如附圖4所示，并根據(jù)上海市運營地鐵隧道保護 標準，即運營地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對沉降量不超過20mm，可知必須將左右越江隧道 的地層損失率都控制在0. 85%以內(nèi)。泥水壓力最佳值計算本工程采用大直徑泥水加壓平衡式盾構(gòu)，有限元計算 中，先在盾構(gòu)開挖面施加按照靜止土壓力所計算的支護壓力值，盾構(gòu)頂部泥水壓 力為445.5kPa，底部為610.2kPa。而后使開挖面泥水壓力比(即開挖面實際泥 水壓力與按照靜止水土壓力計算所得泥水壓力之比)逐漸減小，這樣既有地鐵隧 道沉降量會逐漸增大，繪制盾構(gòu)開挖面泥水壓力比與既有地鐵隧道沉降量曲線關(guān) 系，如附圖5所示。由曲線關(guān)系圖得出當泥水壓力比為0.9時(即實際泥水壓力 與靜止水土壓力之比為0. 9時)既有地鐵隧道變形值最小，因此盾構(gòu)頂部泥水壓 力最佳值為445. 5X0. 9 = 401. OkPa，底部泥水壓力最佳值為610.2X0.9 = 549.2kPa。(2) 保證開挖面土體穩(wěn)定，在盾構(gòu)開挖面設(shè)置支護壓力最佳值，即開挖面 頂部泥水壓力設(shè)為401.0kPa，底部泥水壓力設(shè)為549.2kPa，并控制推進速度為 5mra/min 10咖/min，泥水壓力波動范圍控制在士 10kPa以內(nèi)以保持盾構(gòu)前方土 層的穩(wěn)定性。(3) 試驗推進，在盾構(gòu)推進接近至地鐵隧道前設(shè)定一 400m特定區(qū)域進行試 驗穿越，完全按照上部存在地鐵隧道的情況下進行盾構(gòu)推進，并將新建隧道地層 損失率控制在0.85%以內(nèi)。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)，探索泥水壓力變化、泥水參數(shù)變化、 盾構(gòu)糾偏、推進速度、同步注漿漿液注入量、注入時的配比等對土體沉降的影響， 從而確定穿越時的施工參數(shù)。(4) 在穿越區(qū)域，將切口水壓波動值控制在10kPa以內(nèi)；為使地層損失率 控制在0.85%以內(nèi)，采用及時、均勻的單液同步注槳形式，注漿位置為管片上的注漿孔。穿越段每塊管片共有4個注漿孔，每環(huán)管片共計32個注漿孔。注漿 材料主要由熟石灰、砂、粉煤灰、膨潤土、水及外加劑組成，注漿后的前期漿液 為可流動，后期強度較高，其密度為2.006X107m3，稠度為9.3cm， 3d強度為 0. 19MPa， 14d強度為0. 415MPa， 28d強度為0. 75MPa， 46d強度為1. 06 MPa,并 具有較好的耐泥水沖刷稀釋的性能。掘進速度控制在5mm/min 10mm/min，并根 據(jù)既有地鐵隧道內(nèi)和地面監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷調(diào)整推進速度。(5)盾構(gòu)穿越后，設(shè)立專門的監(jiān)測小組每天24小時密切關(guān)注既有地鐵隧道 的沉降變化，根據(jù)地面監(jiān)測和電子水平尺的數(shù)據(jù)，對交叉部分從新建隧道內(nèi)向土 體實施微擾動注漿，注漿泵布置在新建隧道內(nèi)，注漿漿液采用雙液漿，以進一步 穩(wěn)定地鐵隧道的后期沉降。最終，左線越江隧道穿越既有地鐵隧道時的地層損失 率為0.61%，根據(jù)穿越后連日監(jiān)測，既有地鐵隧道沉降量最大值為7. 5mni;右線 越江隧道穿越既有地鐵隧道時的地層損失率控制為0.69%,穿越后的沉降最大 值為13. lmm。新建越江隧道順利安全地穿越既有地鐵隧道，既有地鐵隧道的沉 降控制非常理想，完全符合控制要求。
權(quán)利要求
1、一種大直徑盾構(gòu)近距離下穿小直徑地鐵隧道的變形控制方法，其特征在于，包括如下步驟第一步，針對交叉隧道的相對位置、土性條件、隧道埋深及既有隧道變形控制標準應(yīng)用有限元法計算得到新建隧道地層損失率控制范圍以及盾構(gòu)開挖面支護壓力最佳值，具體如下①三維有限元模型范圍水平方向應(yīng)大于2H+3D米，深度方向應(yīng)大于H+2D米，其中，H為新建隧道的頂部埋深，D為新建隧道的直徑，高度據(jù)工程實際確定，新建盾構(gòu)隧道置于模型的中間，底面距隧道底為2D；②計算中邊界條件設(shè)定如下隧道內(nèi)側(cè)采用自由邊界，模型兩側(cè)約束水平位移，模型底部同時約束豎向與水平位移；③軟土地層的本構(gòu)關(guān)系采用考慮彈塑性應(yīng)變的修正劍橋模型，砂性土層采用莫爾庫倫模型，隧道結(jié)構(gòu)取為彈性體；④模型中對新建隧道設(shè)定不同地層損失率，而后計算地表及既有隧道變形量，繪制出地層損失率與變形量關(guān)系曲線圖，確定新建隧道地層損失率的控制范圍；⑤在模型中盾構(gòu)開挖面設(shè)置根據(jù)靜止土壓力計算所得梯形支護壓力，而后使得支護壓力在靜止土壓力附件變化，得出既有隧道及地表變形與盾構(gòu)支護壓力的關(guān)系曲線，并根據(jù)曲線關(guān)系得出使得既有隧道變形最小的支護壓力值；第二步，通過設(shè)置支護壓力最佳值來保持盾構(gòu)開挖面前水土壓力的相對平衡，并控制開挖面支護壓力波動范圍在±10kPa；第三步，將新建隧道地層損失率控制在允許范圍內(nèi)，具體為采用同步注漿，注漿壓力控制在0.2MPa～0.4MPa，注漿量取為空隙體積的150％～200％，補壓注漿控制土層的后期變形；第四步，根據(jù)以上施工技術(shù)措施，在盾構(gòu)即將到達交叉部位前設(shè)定試驗推進區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)按照上方存在既有地鐵隧道的情況進行施工，控制調(diào)整各施工參數(shù)，以及時調(diào)整支護壓力、推進速度和注漿量；第五步，盾構(gòu)穿越交叉部位。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大直徑盾構(gòu)近距離下穿小直徑地鐵隧道的變形控 制方法，其特征是，所述第一步中，所述確定新建隧道地層損失率的控制范圍， 是指運營地鐵結(jié)構(gòu)設(shè)施絕對沉降量小于20mra，日地鐵結(jié)構(gòu)沉降量小于lmra。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大直徑盾構(gòu)近距離下穿小直徑地鐵隧道的變形控 制方法，其特征是，所述第二步中，在既有地鐵隧道內(nèi)安裝自動監(jiān)測系統(tǒng)，根據(jù) 監(jiān)測數(shù)據(jù)實時調(diào)整。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大直徑盾構(gòu)近距離下穿小直徑地鐵隧道的變形控 制方法，其特征是，所述第三步中，穿越過程中推進速度控制在10mra/min以內(nèi)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的大直徑盾構(gòu)近距離下穿小直徑地鐵隧道的變形控 制方法，其特征是，所述第五步中，盾構(gòu)正式穿越交叉部位施工過程中，加強既 有隧道變形及地表變形監(jiān)測，通過安裝在地鐵隧道內(nèi)的自動監(jiān)測系統(tǒng)進行沉降觀 測，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果及時調(diào)整施工參數(shù)，當?shù)罔F隧道沉降超過控制范圍時，加大 盾尾注漿量，地鐵隧道產(chǎn)生隆起變形時，減小注漿壓力和注漿量，并保證盾構(gòu)推 進連續(xù)進行。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的大直徑盾構(gòu)近距離下穿小直徑地鐵隧道的變 形控制方法，其特征是，所述第五步中，盾構(gòu)穿越后，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，對交叉部 分從新建隧道內(nèi)向土體實施微擾動注漿，進一步穩(wěn)定既有隧道的后期沉降。
全文摘要
本發(fā)明公開一種隧道工程技術(shù)領(lǐng)域的大直徑深埋盾構(gòu)隧道下穿小直徑隧道的變形控制方法。本發(fā)明應(yīng)用有限元法得到新建隧道地層損失率控制范圍以及盾構(gòu)開挖面支護壓力最佳值；通過設(shè)置支護壓力最佳值來保持盾構(gòu)開挖面前水土壓力的相對平衡，并控制開挖面支護壓力波動范圍在±10kPa；將新建隧道地層損失率控制在允許范圍內(nèi)；根據(jù)以上施工技術(shù)措施，在盾構(gòu)即將到達交叉部位前設(shè)定試驗推進區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)按照上方存在既有地鐵隧道的情況進行施工，控制調(diào)整各施工參數(shù)，以及時調(diào)整支護壓力、推進速度和注漿量；結(jié)合試驗推進區(qū)域的施工參數(shù)最佳值，盾構(gòu)正式穿越交叉部位。本發(fā)明能保證既有隧道安全順利施工，并盡量減小施工對周圍環(huán)境的影響。
文檔編號E21D9/00GK101215969SQ200810032738
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月17日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月17日
發(fā)明者弘 姜, 張金輝, 李庭平, 沈水龍 申請人:上海交通大學(xué)