（岩土工程专业论文）盾构超近距离穿越运营地铁的微扰动施工研究.pdf

摘要 摘要 随着地下空间工程的进一步开发，盾构隧道近距离相互穿越工程越来越多， 施工中如何减小施工扰动，控制施工变形，以确保被穿越隧道的安全及正常运 营，已成为目前盾构隧道工程施工急需解决的问题。 本文结合上海一大直径盾构斜向穿越运营地铁的工程实例，研究了盾构斜 向穿越过程中运营隧道的变形规律；分析了泥水盾构穿越承压水层的特殊地质 条件下，正面压力、注浆量、推进速度等主要施工参数对隧道变形的影响。 论文运用三维m i n d l i n 解，分折了近距离斜向穿越中隧道沉降变化的一般 规律；总结了上方硬土层存在时，地层损失与沉降槽体积的关系。运用有限元 软件对实际工程进行模拟，印证解析计算结果。 论文最后根据所作分析提堪了几点减小施工扰动，控制地铁变形的技术措 施。 关键词：泥水平衡盾构，斜向穿越，砂性承压水层，m i n d l i n 解 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu n d e r g r o u n ds p a c e ，t h e r e 羽cm o r ea n dm o r es h i e l d t u n n e l p r o j e c t sd r i v i n gt h r o u g h e a c ho t h e rc l o s e l y t h e r e f o r e , h o wt or e d u c e d i s t u r b a n c ea n dd e f o r m a t i o nd u r i n gc o n s t r u c t i o n ，w h i c hm a k e ss l o et h eo p e r a t e d t u n n e li ss a f ea n dn o r m a lo p e r a t i n g , i sap r o b l e mu r g e dt ob er e s o l v e di np r e s e n t s h i e l dt u n n e lc o n s t r u c t i o n t h ep a p e ra n a l y z e st h ed i s t o r t i o nl a wo ft h eo p e r a t i n gm e t r ot u n n e ld u r i n gt h e v e r g ep a s s i n go fs h i e l dc o m b i n i n gw i t ho n ee n g i n e e r i n ge x a m p l ei ns h a n g h a i ；a n d a n a l y z e st h ee f f e c to ft h em a i nc o n s t r u c t i o np a r a m e t e rs u c ha st h ef r o n tp r e s s u r e ， g r o u t i n ga m o u n ta n dp r o p u l s i v ev e l o c i t yt ot h et u n n e ld e f o r m a t i o ni nt h es p e c i a l c o n d i t i o no ft h es l u r r ys h i e l dt h r o u g ht h es o i lw i 壤c o n f i n e da q u i f e r t h ep a p e rs t u d i e st h eg e n e r a lr u l eo ft h et u n n e ls e t t l e m e n tv 撕a t i o nd u r i n gt h e v e r g ep a s s i n go fs h i e l di nc l o s ed i s t a n c ew i t ht h et h r e e - d i m e n s i o n a lm i n d l i ns o l u t i o n ； t h ep a p e ra l s os u m m a r i z e st h er e l a t i o no fs t r a t u ml o s sa n dt h ev o l u m eo fs e t t l e rw h e n t h eh a r ds t r a t u me x i s t si nt h eu p w a r ds i d e ；a n di m i t a t e st h ep r a c t i c a le n g i n e e r i n g u s i n gf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ei no r d e rt oc o n f i r mt h ea n a l y t i c a lr e s u l t a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sh a v i n gb e e nc o m p l e t e dt h ep a p e ra tl a s tr a i s e ss o m e t e c h n i c a l m e a s u r e sw h i c hc a nd e c r e a s ec o n s t r u c t i o nd i s t u r b a n c ea n dc o n t r o lt h e d e f o r m a t i o no ft h em e t r o 。 k e yw o r d s ：s l u r r y b a l a n c es h i e l d ，v e r g ep a s s i n g , t h es a n d ys o i lw i t hc o n f i n e da q u i f e r , m i n d l i ns o l u t i o n i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： - 乡i t 已 轰方- j = 加u 8 年3 月谢日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 戋矗毳 砂q 富年弓月列e t 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1序言 随着社会、经济的高速发展，城市化进程的不断加剧，各种地面资源的利 用趋于饱和，城市地下空间资源的开发和利用成为社会可持续发展的重要方向 之一。国内各大城市在改革开放的2 0 年来所进行的大规模建设的成就，已经被 近年来快速增长的交通需求所消化，日益拥挤的交通使地下铁道等其它一些交 通隧道的开发和剩用成为城市发展的必然，也成为衡量一个城市发展水平的重 要标志。加上城市供电、给排水等市政设施的发展需求，隧道工程越来越成为 当前工程界的热点之一。 盾构法隧道施工以其旌工速度快，安全高效，地表变形小，对城市地面环 境干扰小等优点露露成为软土地区地下铁道及冀它城市地下隧道建设的主要工法 之一。在长期的工程实践与科研探索中，己经积累了相当丰富的经验，形成较 为完善的系统的盾构法隧道施工理论。在通常情况下，己经能较好的预测并控 制鹰构推进所造成周围环境影响。 然而，随着城市地下空间的进一步开发，地下管线、隧道及其它地下建、 构筑物的日益密集，当使用盾构工法新建地下管线或隧道时，盾构穿越己建隧 道的概率越来越大，盾构近距离或超近距离穿越已建隧道的保护问题不可避免。 特别是在上海、天津等具有滨海相软弱土层的城市中，由子存在诸多不确定地 质因素，如何确保邻近已建隧道的正常使用成为日前盾构法隧道工程中亟待解 决的难题之一。因而，就盾构近距离穿越己建隧道时施工参数的设置对已建隧 道的影响进行深入两细致的研究，以确保已建地下空闻设施的正常使用和盾构 的顺利掘进，对予我国的地铁建设和城市地下空间开发利用，具有非常重要的 指导作用，并显得非常必要和紧迫，在工程实践中将会创造巨大的社会效益和 经济效益。 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状和存在的问题 1 2 1 已有工程实例 1 地铁二号线人民公园站河南路站区间隧道盾构穿越一号线工程 地铁二号线一期工程区间隧道人民公园站一河南中路站位于上海黄浦区内 人民公园东西端之间，全长8 3 7 4 2 9 m 隧道外径6 2 m ，内径5 5 m ，衬砌每环宽 l m 。由两台从法国引进的上压平衡式盾构机掘进施工，盾构外径6 3 4 m ，长度为 6 5 4 m 。二号线该区间段与地铁一号线人民广场站一新闸路站区间段在人民公园 站附近交叉。上海地铁一号线人民广场站一新闸路站区隧道于1 9 9 2 年4 月至 1 9 9 3 年l o 月掘进施工，采用的盾构和管片型式与二号线相同。地铁二号线人民 公园站一河南中路站上下行线区间隧道盾构分别于1 9 9 8 年5 月和7 月在地铁一 号线运营隧道下方穿过，一、二号线两条隧道相距为l m 左右，走向基本正交。 如图1 1 。 i h 一号 境羲二i 是 人民公园站 。、- i、 - ， ， i i1 皇 、一竺羹、 。 + -、 l 、 l i 中 、 4 - 一一、 i 鼍 | l io l 鼍俄二号缆上f i 量- 桂一辱叠。 人是广糟_ 嘻 + 芒u n 图1 1 地铁一号线与地铁二号线交叉示意图 2 外滩观光隧道盾构穿越地铁二号线 外滩观光隧道东起陆家嘴地区东方明珠电视塔西侧，西至南京东路外滩。 隧道全长6 4 6 7 0 m ，外径为7 7 6 m ，内径6 7 6 m ，每环由6 块钢筋混凝土管片组 成，管片环宽为1 2 m ，于2 0 0 0 年初在地铁二号线上方穿越。外滩观光隧道与地 铁二号线上行线隧道的最小间距仅为1 5 7 m ，与下行线隧道的最小间距仅为 2 第1 章绪论 2 1 8 m ，如图1 2 所示。 图1 2 地铁盾构与行人隧道交叉示意图 l - l t i m 3 日本京都的四条近邻隧道的设计施工 该工程地铁线路部分谴于m i s a s a g i e a s t 枢纽处，k e i h a n 电气铁路公司的 k e i s h i n 线和t o z a i 地铁线共用个站点。车站为地下两层。k e i s h i n 线的列车从 地面下来，与t o z a i 线列车同向共用一个站台。四条独立的隧道因此在这里相遇， 并且在局部呈现为复杂的三维分布。 图1 3 日本京都的m i s a s a g i e a s t 地铁程图解 如图1 3 所示，左侧k e i s h i n 线由地面进入地下，而t o z a i 线则完全位于地 下。隧条隧道在圊方向上集聚到地下站台，所以四条线路的相对位誊旋转了 3 第1 章绪论 约9 0 度。这一部分隧道的整个交叠长度约有5 0 0 m 隧道的断面图如图1 4 所示。 从地质报告上可以看出这一交叠区域的土层包含有2 3 米厚的冲积粘土层和砂 质土，位子洪积砂、砂砾层和粘性土层下面，并夹杂了部分砂质土层。盾构枕 主要穿越了n 值大予3 0 的富含细粒的洪积砂层和砂砾层。 鞠1 4 隧道断蘸圈 4 明珠二期盾构穿越地铁二号线 明珠线二期浦电路一张扬路区间隧道全长1 4 2 2 。7 1 8 米。隧道外径为6 2 m ， 内径为5 5m ，每环由6 块钢筋混凝土管片组成，环宽失1 2 m 。其上、下行线分 别于2 0 0 3 年2 月和7 月在地铁二号线运营隧道下方穿过隧道间最小间距仅为 1 1 m 左右，如图1 5 、图1 6 所示。 图1 。5 明珠二期盾构穿越篡号线平面图 4 辞掣， 电p 辞鹗， 第1 章绪论 麓嵩鼯懿 1 2 。_ 2 相关研究现状 图1 6 张扬路浦电路区间段剖面图 对于近距离施工的工程，国内外学者从理论、室内实验、现场监测都做了 大量的研究。 l 。理论研究 上海隧道工程股份有限公司( 1 9 9 9 ) f l 】在外滩观光隧道和地铁二号线隧道叠 交工程中，通过盾构掘进模拟试验注意到，盾构穿越二号线时，地面出现了不 同程度的隆起，通过分析隧道的“反弹”运动和土层的位移场，推导出隧道“反 弹 及地面“隆起黟公式，并通过坐标变换，将p e c k 公式和反弹及隆起公式进 行叠加，得到了“三龙过江 盾构掘进时交叠隧道地层移动的数学模型和计算 公式。 弱济大学张冬梅皤等剩用弹性力学m i n d l i n 应力解推导褥出盾构正面附加雄 力引起的土体附加应力计算公式，并作了一个算例分析，得出0x 、0y 、0z 、 tz x 、的分布规律。 胡昕 3 1 等利用弹性力学m i n d l i n 应力解推到得出顶管爰面附加推力引起的土 体附加应力计算公式，分析了顶管正面附加推力在相邻水平平行管道上引起的 附加荷载分布规律，研究了净间距、管径、泊松比和埋深对附加荷载分布的影 响。 廖少甓，彭芳乐溺考虑盾构壳体的摩擦体爝，应焉m i n d l i n 弹性解对近距离 穿越进行了模拟，认为盾构壳体是影响周围地层的主要因素。 廖少明【5 】利用边界单元法原理根据弹性理论的小变形假设及弹性边界的变 形协调条件，认为地层中的位移是由盾构推进和弹性边界上作用力同时弓| 起的 5 第1 章绪论 位移场的叠加，研究了弹性边界的存在对位移场的影响。 2 数值研究 l e e a ( 1 9 8 9 ) 6 】用有限元法研究了两个楣邻的新奥法隧道之间的相互影响。其 研究结果表明，相邻隧道之间的影响只有在隧道间距w d 。 3 盾构周边摩阻力的取值 为方便计算，假定盾构与土体摩阻力沿盾构侧面均匀分布： f = a ( y h + p g ) 式中盾构外壳与地层的摩擦系数； 段岛= 4 w z t d 2 l ，盾构自重引起地层的附加应力( k n m 2 ) ； 矽盾构机的重力( 烈) ； p 盾构机童径( m ) ； 五盾构机长度( m ) ； 其余参数意义同上。 毒位移计算 考虑盾构推进时土中的位移场是由盾构侧向剪力和正面压力共同产生的， 土中任意一点的位移u 可以通过下面的积分表达式求得： 拓( 么) 2 羔g ( 么，动( 秽) 络2 量g ( 么，磐) ( 君) 嘏+ i ：g ( a ，君) ( 嚣) 叠s 2 ( 3 2 ) 1 0 第2 章盾擒斜淘超近距离穿越的若干问题研究 式中：s 盾构与土接触的表面积； 墨盾构正面积； 墨盾构侧谣积； 盾构表蕊上作用的均布力； g ( 彳，占) 在b 点作用一水平单位力引起a 点的位移； 位移函数按照m i n d l i n 解选取，半无限弹性体内部作用有水平集中力时，内 部任一点m ( x , y ，z ) 酶m i n d l i n 整向位移弹性解为： (即(ll-p)等+酉1+专+t(3-4,u)x216xg(1+ 警”静 、7 【墨恐碍霹震、霹7 作用在墨面的压力引起的位移计算，取图2 2 坐标系，在圆形面积上取微分， 求得在蕞面上水平荷载作黑下，土体中任意点的变形 o 譬 鬣x ，、2 0 厂 争 且 z 图2 2 正面压力引起位移计算示意图 y w = 晨露掣廿，半一盟掣+ 蔫豢器；触 ( 3 3 ) 其中遐= 痧丽，是；j v 2 2 y v + b a = ，+ y 2 + z 2 + 日2 2 h z 一2 z u + 2 h u b = x 2 + y 2 + z 2 + 日2 + 2 h z + 2 z u + 2 h u 霹甲l 第2 章詹构斜囱超近距离穿越的若干闯题研究 作用在是面的摩擦力引起的位移计算，取图2 3 所示坐标系，在圆形面积上 取微分，求得在迎面上水平荷载作用下，土体中任意点的变形： o 图2 3 周围摩阻力引起位移计算示意图 w = 嚣| ( f f 芈+ 羔兰二羔匮产一熏墨芈+ 。3 4 ， 4 ( x - t ! ( 1 - 一u ) ( 1 恐憋+ z + 缈, , - 2 1 t ) d t d 0 其中鹧= o 一曲2 + 么，足= 4 ( t - x ) 2 + 露 a = ( y r c o s 鳓2 + ( ：一五) 2 b = ( y r e o s d 2 + ( z + j i ) 2 h = h + r s i n ( 0 ) e p 1 6 r t g ( 1 一) 】 对3 3 、3 4 式采用定积分与g a u s s - l e g e n d r e 数值积分相结合的方式积分， 对v 或t 进行定积分，再对材或秒采用五点g a u s s 。l e g e n d r e 求积公式，求积节点 分别为0 9 0 6 1 7 9 8 5 ，0 5 4 8 4 6 9 3 1 ，0 ；求积系数分别为0 2 3 6 9 2 6 8 9 ，0 4 7 8 6 2 8 6 7 ， 1 2 第2 章盾构斜向超近距离穿越的若于闽题研究 2 1 2 隧道变形变化规律 以本论文依托王程为例，分析切口压力和盾构周边摩擦力作用下，周围地 层位移的变化规律。盾构长l1 2 4 5 m ，直径l1 5 8 m ，盾构中心埋深3 3 3 5 m ，m 8 线中心埋深约2 2 m ，两隧道夹角为5 6 。，取土体的泊松比o 3 。计算示意图如图 2 4 所示，d 为隧道在盾构轴线上投影与盾构轴线的交点距切口的距离。 图2 4 斜向穿越隧道变形计算示意网 盾构切西距鹕距离d 影嚷 1 3 第2 章盾构斜向超近距离穿越的若干问题研究 一搠+ d t 4 0 - d = 3 0* 蝴 - p - d t 1 0 - j 口 广 - + 一d i o 一士- - 2 0 ，。曲禹o 一争3 0 一出，- 柏 矿， 1 泛螯k z4 , - 6 0 z # 女+ 誓一t “i b 、 ，趔4 ：一，一 一i ； f 每】_ ir l o i _ j c 譬蚤 t o 巧毒焉3 4 蔷 ，* 一、t 夕西：矿。 、迈艺厂 ?7 ，。 、 f 、 ；庸日； 图2 5 正面压力引起的位移随距离变化 - d - e 0 - * - - d * d 1 0 “d 啪* 螂 - , 1 1 - 扣l o + 鲫 ，- + ，睡 卜扣1 0 一d - - - z o 月呷心 一毒3 0 一 d - 哪 。矿，希 静盘蔓i t nd - - 5 0 = 声 婆髫l !：。疋，2 幺参蓼三x 匕少。， 、： ，。_ ， i 囊内j 图2 6 周边摩阻力引起的位移随距离变化 1 4 卜d = 5 0 - d = 4 0 u 一蕾d = - - 3 0 年一d = 2 0 厂-。 4 - d ；l o + d = o 一扣1 0 一d e - - 2 0 “r 簪 一d ；一3 0 id = - 4 0 一? ：- 蕾- d = 一5 0 ! 孝彳 ，：。纱j 飞心0 。纱 专 z i ， 弩； 、 l 十正嗣压力引起的位移 f 心 。臣 + 月圈摩阻力压力弓i 起的位移 避 j 唾 制 一总位移 每鬈a n4 0 1 0 ? n o ：；衫 f 。广厂翮。， 二二日 。 _ - - 第2 章盾构斜向超近距离穿越熬若干闯题研究 起值达到最大；随着推进继续，测点隆起值减小直至测点沉降到达最大。 2 两隧道夹角影响 高。，甲麓融 厢一 _ 争，声一 厂翮。，兹纩 专：猢 j 、，_ 1 02 0 5 矧m l i + a = 0 h h 删f；。 - e - d ：1 5 + a = 3 0 。 u 。、 埒 * a 瑙。 j ” 一 + d = 6 0 、 ：后 t+ o = 7 5 勺 ： ， 十口= 9 0 。 巨2 9d = 2 0 m 隧道沉降岛夹角关系 广、 二二二磁礤j 一 1 0藩罅s 孓之。 。 纛瓣瓤一 l 7 。xj碡飘丛驯 i 鋈 未 爹溪 黍 父0 蕊 。 饕 、蕊 、 黼鍪蕊心、 慧 图3 。2 3 东西线盛构与m 8 籀对位置示意图 厂：矗；，鬟虬 l 下秭? a- s 警耐刚嚏f x 一话一面一8 4 晶9 2 一l o 、| 嘎。 ； f 一 、_ _ 誓一- l粤 l 西鳢臂杓中心末域庸iq 中心 l + 所生- 大值l ， | 一赢 j 彳 轧一 、一 图3 2 4 西线= 次注浆前后下行线变形 2 0 o 唾 噜 埔 堙 h 摊 堪 喜世薅一 一 一 一 一 第3 章现场实测数撰分析 一飞 测点位置( - ) o 义涮m 嘤叁尹州删9 2 一。 二；二泛二蠢j p 嚯f _ ：；磊。： 中埔、l a l * 一 、 ； 、 臂构中。 畚拄詹，t j q , 心 西鳃 | + 撕史量大值 i； q h = 获释浆缝襄 | f w f、 j 7 图3 2 5 西线二次注浆前后上行线变形 b ) 盾构规圾管片姿态影响。盾构机及管片姿态的变化对m 8 变形有一定影 响。 c ) 同步注浆泵。推进2 7 9 环注浆泵出现过故障，一环推进结束下行线最大 沉降增加3 6 5 m m 。 3 s 列车运营对隧道变形影晌 m 8 线0 7 年1 2 月2 9 日至0 8 年1 月2 1 日正常运营，与施工阶段类似，分 析隧道最大变形量变化规律，考查列车运营对隧道变形的影响。 3 9 2 o o 呜 撸 宝! “ 埔 撸 喜t 蜉一 一 一 一 一 第3 章现场实测数据分析 图3 2 6 隧道最大沉降随时间变化关系 艄柢 图3 2 7 隧道最大隆起随时间变化关系 地铁运营期间，m 8 线最大变形变化如图3 2 6 、图3 2 7 所示。该段时间内， 电子水平尺的采集数据间隔调整为3 0 m i n ，而列车通过电子水平尺区段仅需 l o 1 5 s ，大多数变形数据在列车处于较远位置测得。列车距离监测区段较近位置 数据，反应在图形中为波动较大点。 4 0 第3 章现场实测数据分析 如图3 2 6 ，m 8 线沉降波动较小，隆起变化较显著。 3 6 结论 本章透过对穿越段盾构推进的现场试验，分折了盾构掘进孳| 起的被穿越隧 道变形的发展规律及施工参数对隧道变形的影响，得出以下结论： 1 ) 本隧道与m 8 线5 6 。斜交，盾构切口左侧最先到达m 8 线，沉降最大值 始终偏向左侧，沉降槽不对称；隧道变形总体呈阶梯式下降，盾构停顿或管片 拼装阶段导致的m 8 线沉降占总沉降较大比例； 2 ) 东线盾构穿越m 8 线，二次扰动地层过程中，m 8 线产生的最大沉降 ( 2 9 。7 0 - 2 1 。2 5 m m ) 较西线穿越一次扰动对应的最大沉降( 1 4 5 2 - 1 6 8 4 m m ) 增加了3 0 1 ； 3 ) 在切1 2 1 水压能够保持正面土体稳定的前提下，在本工程地质条件下，调 整切豳水压对m 8 线沉降并不敏感； 啦及时足量的二次於偿注浆可以有效的控制m 8 线流降，改善隧道线型。 4 1 第4 章数值模拟分析 第4 章数值模拟分析 4 。1 计算模型说明 计算软件采用p l a x i s 3 dt u n n e l ，建立了三维有限元模型进行分析。隧道衬砌 使用板单元模拟，隧道衬砌板单元的计算参数取值如表4 1 所示。 表4 1隧道衬砌的计算参数取值 外径等效厚度弹性模量e重度y 类别泊松比“ ( 毽)( 瓣) ( k p a )( k n m 3 ) m 8 线 6 2o 3 53 e 70 22 5 隧道衬砌1 0 5 8o 53 e 7o 22 5 地基土采用h s 模型。h a r d e n i n g - s o i l 模型是一个可以模拟包括软土和硬土 在内的不同类型的土体行为的先进模型( s c h a n z ，1 9 9 8 ) 。在主偏量加载下，土 体的刚度下降，同时产生了不可逆的塑性应变。在一个排水三轴试验的特殊情 况下，观察到轴向两应交与偏差应力之闻的关系可以很好地由双曲线来逼近。 k o n d n e r ( 1 9 6 3 ) 最初阐述了这种关系，后来这静关系用在了薯名的双曲线模型 ( d u n c a n & c h a n g , 1 9 7 0 ) 中。然而，h a r d e n i n g - s o i l 模型目前已经取代了这种 双曲模型。首先，它使用的是塑性理论，而不是弹性理论。其次它考虑了土体 的剪胀性。荐次，它弓| 入了一个屈服帽盏。模型的些基本特征如下：刚度依 据某个幂率的应力相关性( 输入参数m ) ；主偏量加载引起的塑性应变( 输入参 数碍) ；主压缩引起的塑性应变( 输入参数碟) ；弹性卸载重加载( 输入参数 髟，) ；依据m o h r - - c o u l o m b 模型的破坏模式( 输入参数c ，伊，妒) 。 4 2 计算内容与计算工况 为全面分析东弧线隧道先惹穿越弓| 起的m 8 线隧道纵向变形的发展过程，三 维计算模型中建立了西藏路双线隧道与m 8 线隧道。盾尾地层损失取为5 。计 算工况如下： 西线隧道开挖： ( 1 ) 西线隧道盾构开挖面到达m 8 线前方2 0 m ； ( 2 ) 西线隧道盾构开挖面到达m 8 线前方1 0 m ； 4 2 第4 章数值模拟分析 ( 3 ) 西线隧道盾构开挖面到达m 8 线正下方； ( 4 ) 话线隧道盾尾到达m 8 线正下方； ( 5 ) 西线隧道盾尾经过m 8 线l o r e ： ( 6 ) 西线隧道盾尾远离m 8 线。 东线隧道开挖： ( 7 ) 东线隧道盾构开挖藤到达m 8 线前方2 0 r e ： ( 8 ) 东线隧道盾构开挖面到达m 8 线前方l o r e ： ( 9 ) 东线隧道盾构开挖面到达m 8 线正下方； ( 1 0 ) 东线隧道盾尾到达m 8 线正下方； ( 1 1 ) 东线隧道盾尾经过m 8 线1 0 ： ( 1 2 ) 东线隧道盾尾远离m 8 线。 毒。3 计算结果分析 穿越过程中，m 8 线隧道纵向变形的发展规律如下图所示。东西线隧道开挖 引起的m 8 线的纵向沉降曲线在两条隧道的正上方部位出现两个峰值，也是m 8 沉降最大的位置，约2 5 m m 。 横向距离( - ) d l 一联 为西绒醛遒j 露树歼挖面到粥线的距离，纩。o手袁 。耋q 州删撇椭 图4 。1m 8 线纵向沉降腩线变化过程 4 3 谶线盾构推进时m 8 线溅点位移随蓐构位置燮纯 醒赫 东线霜梅推进时黻8 线测点位移隧蜃檎位鐾燮纯 一遭点 ， 一隧两嘶如 一一一一 一 m 可违辨 n 一一一一一 一方由盾擞 一一一一 一一一一一 第4 章数值模拟分析 穿越过程中，处于隧道底部埋深处的土体沉降的平面分布如下图所示。由 图可见，由于隧道纵向刚度的作用，隧道的沉降要小于周边土体的沉降。 图4 2 西线盾构开挖面到达 图4 3 西线盾构盾尾到达 4 5 第4 章数值模拟分析 图4 4 西线隧道完成 图4 5 东线盾构开挖面到达 第4 章数值模拟分析 图4 6 东线盾构盾尾到达 图4 7 东线隧道完成 4 7 第s 搴露掏近鞭裹穿越的施工对策研究 第5 章盾构近距离穿越的施工对策研究 通过实际工程篮测数据以及三维有限元模拟分析，对运营隧道受穿越影响 的规律以及影响运营隧道变形的关键旌王参数有了一定的了解。本章将在前文 的基础上，对盾构穿越期间及穿越后，已建隧道的保护进行研究，主要分盾构 开挖面稳定、同步注浆、盾构机及管片姿态、二次补偿注浆等几个方面。 盾构穿越期阔，总的原则是尽可能减少对地层的扰动，优化并匹配盾构施 工参数，使盾构推进对运营隧道的影响控制在最小的程度。根据以往经验以及 现有理论指导体系，可制定如下施工技术措施： 5 1 保持开挖面土体稳定 盾构掘进期间，开挖面以及盾尾处是地层损失的主要来源。盾构开挖面的 稳定性与推进速度、正两压力、出土量等参数密切相关，各施工参数并不是 相置独立的，丽是相互联系的。盾构推进时，应根据地面沉降监测信息的反馈 以及地面荷载的情况，科学合理地设置土压力值及相宜的推进速度等参数。 盾构掘进速度需与出土速度相适应，前者如小于后者，则土舱会产生空隙， 刀盘前方土体会失去部分支撑，导致土舱压力骤然下跌，正西土体不能维持稳 定，从丽导致地面过大沉降：反之，则刀盘切削下的土体不能及时排出，造成对 开挖面的挤压，使得前方土体朝掘进方向移动。 根据以往经验，对于土压平衡盾构，穿越期间，土舱压力设定值一般为力 盘前方实际水平压力( 静止土压力+ 水压力) 的1 0 5 - 1 1 5 ，掘进速度控制在 l o m m m i n 以内，出土量控制在理论值的9 5 左右。因而，土舱前面土体通常表 现为被动状态，造成前方土体稍稍隆起。这主要是考虑到，盾构推过后，周曝 体会发生固结以及后期的蠕变变形，从而带动运营隧道沉降，该种主压力设 定方式能减少隧道震期的沉降。 对于泥水平衡盾构，结合前述工程实际，发现盾构在刚度大、自立性好的 土层中施工时，很难做到使前方土体稍稍隆起。同样，当泥水压力大于静止水 压或承压承头，泥膜麓够形成的前提下，改变切口水压对周圈变形影响不明显。 5 2 及时同步注浆 随盾构掘进，拼装完的管片脱恕盾尾，由于开挖外径大于管片的钋径，环 4 8 第5 章蓿构近距离穿越的施工对策研究 形空隙形成。为防止周围土体坍塌，造成地层位移，需进行壁后注浆。如果压 浆不及时，或压浆量不足，或压浆压力不适幽，使盾尾后部隧道区域的土体失 去原始的平衡状态，向空隙内塌陷，产生额外地层损失，造成环境破坏。同步 注浆主要施工参数包括注浆压力、注浆量、注浆速率、注浆时间等。 1 同步注浆材料 同步注浆的目的是为了能够及时填充盾尾空隙，防止周围土体的坍塌，同 时因其其有一定的耐久性和强度，可视为管片的“姊衬”以及第一道防水层， 提高管片的耐久饿，增强隧道的防水能力。同步注浆浆液作为盾尾空隙的填充 物，理想状态下，应该要有足够的流动性，避免浆液在管路中堵塞，并在一定 时闯内固化，且早期达到一定的强度，以便及时支撑周围体，凝固盾，在周 围高压水土环境下，不发生材料分解及泌水现象。 目前，较多采用的是单液惰性浆和双液浆。前者由于其具有流动性好，易 于操作，初期填充效果较好，但其强度低，固结时间很长，甚至不凝固，并有 较大的收缩。双液浆凝结，显晕期强度以及长期强度均麓：较大，在地下水作用 下无稀释性，充填性好，注入率高，防水性能良好。但其具体施工时，工艺比 较复杂，容易发生管路堵塞等现象。工程中应根据实际条件灵活选用。 2 。注浆参数选择 幻注浆量 理论上，浆液只要充满建筑空隙即可，建筑空隙体积如下，但是，通常空 隙体积会因为如下因素增加： 1 ) 浆液的失水收缩，导致有效注入量降低；2 ) 浆液的劈裂，导致空隙加大或 者有效注入量减小；3 ) 操作不当或者地层的不均匀，导致的蛇行；4 ) l 挂l 线推进本 身所带来的超挖；5 ) 盾构推进时，外壳所粘结的一层土，导致实际空隙加大。 因此，实际的注浆量需远大予理论空隙体积。合适的注浆量应为理论上的 1 4 0 一l5 0 。 3 注浆压力 如2 3 节所述，注浆压力不宜过大，否则会劈入周围土层，增加空隙，从而 造成更大地层损失，加大周圈地层的沉降。嚣前，同步注浆压力通常控制在董1 1 2 倍的静止土压力。 4 。注浆速度及时间 注浆时间滞藤，起不到管片脱开盾尾蜃控制上郝主体突沉的匿的，只是控 4 9 第5 章蕨构近距离穿越熬施工对策磅究 制了上部体沉降的速度，因此，浆液压入时闻应与管片脱开盾尾同步为宣翻 注浆的速度应该保证注入量与盾构推进产生的空隙相适应。 5 3 严格控制盾构方向，减少纠偏量 盾构推进会带来额外的地层损失，由于受土层地质不均均匀性的影响，人 工搡作上的误差，甚至盾构机械本身的精度等，盾构推进过程中容易出现的偏 转、抬头、翼器头等现象。此终盾构的直露篱形状往往与设计的隧道轴线相冲突， 因而盾构掘进的中心线不可能始终与设计的轴线一致，从而到一定阶段必须进 行纠偏，满足设计上的要求。 盾构姿态的变化包括水平姿态变佬以及竖直姿态变化，箕变化将在盾构四 周产生空洞区和挤压区，会对周围土体产生较大扰动。盘廷辉给出了盾构姿态 引起的地层损失的计算公式。因此，控制好盾构推进的轴线，具有十分重要的 意义。 5 霹其他 1 ) 信息化施工 施工监测是保证盾构掘进、控制地面沉降，确保沿线建( 构) 筑物翻地下设施 正常使用的必要条件。凭借监测数据可对施工中将要出现的问题通过改进各项 推进参数来解决。 所谓信息亿旌工，酃在施工过程中，以质量控制为舀标，通过对大量施王 及监测信息的采集、分解、分类以及处理，提取施工参数中影响施工质量的控 制变量及其对应的信息因子，通过渐进逼近的方法将控制变量进行全过程调整 和优化，指导整个旌工过程，同时依据前步施工监测信息及施工参数的变化规 律，推断下步施工工况及其对策施工影响与控制贯穿予整个施工过程始终，它 是一个动态跟踪的过程 通过在隧道内安置自动监测系统等，对己建隧道的各项控制值进行监控， 并将这些数据及时地反馈给蓐构施工人员，作为判断施工参数设定是否异常的 依据，所采集的数据亦可用来分析隧道变形的规律，为今后的穿越施工工程提 供参考。在实践经验相对较少以及相关的理论体系还未成熟完善的情况下，信 息化施工显得尤为重要。 2 ) 保障机械性能，减少停顿时间 隧道变形大部分发生在盾构停顿期间，因此应该保证枧械性能良好，减少 s o 第5 章盾构近距离穿越的施工对策研究 非正常施工导致的停顿时间。 5 1 筹6 章结论与展望 第6 章结论与展望 6 。1 结论 本文结合工程具体实例，通过对现场实测数据的收集整理，分析了盾构穿 越过程中隧道变形规律及施工参数对其影响。同时本文还探讨了盾构周边摩阻 力及地铁作为弹性边界对地层中位移场的影响；分析了各种工况下、隧道变形 的规律，得到以下凡点结论： 1 1 ) 盾构侧壁摩阻力与盾构正面土压力都是导致地表隆起的重要因素。在盾 构近距离穿越运营地铁时，应特别注意减小盾构摩阻力的影响； 2 ) 盾构上方存在硬土层时，由于土层自身的嚣l 度较大，有一定抵抗变形能 力，沉降槽体积并不等于地层损失量。 3 ) 地层中启劈压力的存在，要求穿越过程中的注浆压力必须控制在定范 围，防止浆液劈裂地层，弓l 起更大变形； 4 盾构斜向穿越运营地铁时，被穿越隧道沉降并不以盾构中心对称分布， 盾构先到达一侧变形较大；隧道变形总体呈阶梯式下降，盾构停顿或管片拼装 阶段导致的m 8 线沉降占总沉降较大比例； 5 ) 后发盾构穿越运营地铁，二次扰动地层过程中，地铁最大沉降较第一次 穿越一对应的最大沉降有很大增加； 6 ) 二次补浆是盾尾脱出盾，改善地铁隧道变形的重要手段，采用先打环箍 后注浆的补浆方式其有很好的效果。 6 2 进一步工作的方向 本文的研究虽然取得了一些初步的结论，但还有许多不足，部分工作还要 深化下去。 1 ) 受计算机硬件等方面限制，建立的数值计算模型与实际工程有一定差异， 分析有待深入； 2 ) 由于缺少孔隙水压力、土体变形等监测数据，今后需要收集实测数据， 从多个角度分析盾构穿越对地铁隧道的影响； 3 ) 盾构上方存在硬土层时，沉降槽体积与地层损失量的关系还需做进一步 5 2 第6 章绩论与展望 研究； 4 ) 施工阶段，列车振动对隧道变形的影响今后还需进一步研究。 致谢 致谢 两年半的研究生生活一晃而过，回首两年多来的学习与生活，感慨良多， 值得感谢的人也很多。 首先向导师廖少明致以深深的谢意与敬意! 论文正是在导师的悉心指导下 才得以完成的。两年多来，导师严谨的治学态度，勤奋的工作精神，渊博的专 业知识，乐观豁达的生活态度都让学生受益匪浅。在廖老师的关怀和教导下， 性格内向、不善交际的我在为人处事方西有了很大进步，衷心感谢您对我的关 怀、指导与帮助! 感谢同一教研室的老师彭芳乐教授、汤永净副教授，你们学识渊博、平易 近入，能得到你们的指导，深感荣幸。 感谢博士师兄孔祥鹏、严长征、刘丰军，李文林、奚程磊师兄，高立群师 姐，青二春、周学领师兄，感谢方宏强、万勇工程师，感谢你们给予的宝贵的 指导与帮助! 感谢同门陈丹锡、李克先，在两年多的时间我们一起学习，共同 进步，谢谢你们的关心与帮助! 感谢师弟变宁强、李志明，论文的完成也包含 着你们的汗水! 还有师弟梁艳文、李金、程子聪，祝你们学业顺利! 感谢0 5 岩土硕士班的盘锦章、王永东、张立伟、张甲峰、赵宁等同学，有 了你们的陪伴，我的研究生生活才过得丰富多彩。 感谢陈育、张娜、朱丽华、高容凯、顾呈义，几位高中老同学能聚在上海 是种缘分，我会永远记得我们一起度过的那些快乐的日子。 感谢市政二公镯杨光辉总工、陈勇经理、蒋洪迸经理、王肖云工程师、周 佳琪、郑涵斌、钟桦傣、陈凯凯等几位校友，感谢你们在工地上提供的各种便 利和帮助，祝你们工作顺利! 最后，我要感谢我的父母和家人，父母的期许和鼓励永远是我前进的动力， 夕0 子不会让你们失望的l 范矗盎 2 0 0 8 年3 月 予同济大学 参考文献 参考文献 1 1 周文波，胡珉隧道叠交施工地层移动的数学模型地下工程与隧道，2 0 0 0 ( 4 ) ：4 6 - 5 0 【2 】张冬梅詹梅推进与褶邻基坑汗挖的楣互影响分析上海：丽济大学，2 0 0 1 。 3 胡昕相邻平行顶管推进引起附加荷载的力学分析岩士力学，2 0 0 1 ，2 2 ( 1 ) ：7 5 - 7 7 4 廖少明，余炎，彭芳乐。盾构近距离穿越榴邻隧道施工的数值解析岩力学2 5 ( s 2 ) 2 2 3 - 2 2 6 5 廖少明，余炎，李文林地中弹性边界对盾构近距离掘进位移场的影响岩石力学与工 程学报2 4 ( 1 9 ) 3 5 3 4 - 3 5 4 0 6 l o c k , e ，a n a l y s i so fn a t m a n ds h i e l dt u n n e l i n gi ns o f tg r o u n d ，d p h i l t h e s i s ，v i r g i n i a p o l y t e c h n i ci n s t i t u t ea n ds t a t eu n i v e r s i 馈19 8 9 。 7 s o l i m a n ，e ，d u d d o c k ，h ，a n da h r c n s ，h 。，t w o - a n dt h r e e 口- d i m e n s i o n a la n a l y s i so fc l o s d y s p a c e dd o u b l e - t u b et u n n e l s ，t u n n e l i n ga n du n d e r g r o u n ds p a c et e c h n o l o g y , 1 9 9 3 ，v 0 1 8 ， n o 。l ：1 3 1 8 8 a d d e n b r o o k e ，t i ，a n d p o r t s ，d m t w i nt u n n e l sc o n s t r u c t i o n g r o u n dm o v e m e n t sa n dl i n i n g b e h a v i o r i n t s y m p o ng e o t o c h n i e a la s p e c t so fu n d e r g r o u n dc o n s t r u c t i o ni ns o f tg r o u n d , c i t yu n i v e r s i t y , l o n d o n ，1 5 1 7 ，a p r i l ，1 9 9 6 9 】陈党团，高波。地铁近距离平行隧道有限数值模拟岩石力学与工程学报，2 0 0 2 ，2 1 ( 9 ) ：1 3 3 0 - 1 3 3 4 1 0 沈培良，张海波，殷宗泽相邻隧道长距离叠交施工的数值模拟话部探矿工程，2 0 0 3 ， ( 1 1 ) ：9 3 - 9 5 。 1 1 张海波，殷宗泽，朱俊高近距离叠交隧道盾构施工对老隧道影响的数值模拟岩石 力学，2 0 0 5 ，2 6 ( 2 ) ：2 8 2 - 2 8 6 。 1 2 白廷辉，尤旭东，李文勇盾构超近距离穿越地铁运营隧道的保护技术地下工程与 隧道，2 0 0 0 ，( 3 ) ；2 - 6 1 3 】p o c k , b ， 豫d 。u ，m o n e s s ，j 。e 。，p a r k e r , h 碱，a n ds c h r