盾构近距离下穿对上覆已建隧道影响的实测研究

1引言
　　随着国内一线城市地下空间的拓展和轨道交通网络的逐渐形成，盾构近距离穿越已建隧道的工程逐年增加，近年来的研究成果集中于实测数据分析、数值模拟和理论研究。上海轨道交通7号线6标下穿地铁2号线工程施工特点和风险点显著:两条隧道垂直间距近;二次穿越使土体再次扰动;穿越期间上方地铁线路不中断运营;具有穿越后直接进洞的复杂工况。本文通过对该穿越施工期间地铁2号线隧道的变形实测数据分析，探讨了施工扰动影响下的运营隧道沉降变形规律。
　　2工程概况
　　地铁7号线隧道施工采用两台Φ6340mm三菱盾构机下、上行线先后从昌平站南端头井始发出洞，向南掘进，先后在静安寺站北端头井进洞。新老隧道衬砌均采用预制钢筋混凝土管片，通缝拼装，内径Φ5500mm，外径Φ6200mm，环宽分别为1200mm和1000mm，环厚350mm。
　　已建的地铁2号线隧道底标高为－11.842m，距离7号线隧道顶部最近1.94m，7号线隧道中心标高为－16.884m～－16.948m，隧道顶板埋深约－16.854m～－16.918m，地表标高+3.07m。在盾构穿越期间，上行线平曲线为直线段、坡度为3‰，下行线平曲线为直线段、坡度为3.1‰。
　　盾构穿越地铁2号线后，即进入6m宽的加固区，随后进洞。分析穿越过程可以分为三个区域:7号线盾构切口至2号线下方前15环进入试验段;切口至2号线下、上行线为穿越区;之后为进洞段。穿越区段施工环号及日期如表1。


　　本工程盾构施工穿越的土层为⑤1－1灰色粘土层，地铁2号线所处土层为④1灰色淤泥质粘土层，为含水量高、孔隙比大、强度低、压缩性高、渗透性弱的软土地层。
　　3监测内容
　　已建隧道的监测采用自动化系统，通过在道床上固定首尾相连的电水平尺链，采集尺中电解质倾斜传感器的电压信号，转化成倾角后计算得出尺链范围的垂直位移(隆起或沉降)，确保在地铁正常运营的工况下遥控测读监测数据以便于及时调整盾构穿越掘进过程的施工参数。
　　以7号线上、下行线盾构隧道与2号线上、下行线相交的两点，沿地铁线路纵向向两侧各45m范围内(共100m)，由2m长电水平尺50支首尾相连构成总长100m监测线(50支×2m/支=100m)。测点编号:上行线为SU0～SU50;下行线为XU0～XU50，7号线下行盾构正上方2号线隧道测点为SU21、SU22、XU21、XU22，7号线上行盾构正上方2号线测点为SU28、SU29、XU28、XU29。布点如图1所示。7号线下(下)行盾构先下穿2号线下行线，之后下穿2号线上行线。


　　4已建隧道变形监测数据分析
　　4.1隆沉分析
　　7号线下、上行线盾构穿越施工阶段，2号线隧道隆沉情况见图2～图5。
　　从图2可以看出，7号线下行线下穿2号线下行线施工期间，随着7号线盾构推进2号线下行线呈隆起趋势，隆起曲线沿监测点布置方向大致呈正态曲线。盾构穿过2号线下行线后，隆起趋势有所回落，随着盾构继续前行，交叉点位置呈沉降趋势。
　　从图3可以看出，7号线下行线下穿2号线上行线施工期间，随着盾构穿越的不断推进2号线隧道不断隆起，隆起曲线沿监测点布置方向大致呈正态曲线。盾构穿过2号线上行线后，隆起曲线呈双波峰且波峰距离较近、峰谷差值较小。
　　从图4可以看出，7号线上行线下穿2号线下行线施工期间，2号线下行线呈隆起趋势，隆起曲线沿监测点布置方向呈双波峰且波峰距离较远、峰谷差值较大。






　　从图5可以看出，7号线上行线下穿2号线上行线施工期间，2号线上行线呈隆起趋势，随着盾构穿越的不断推进2号线隧道不断隆起，与7号线上行线下穿2号线下行线曲线类似，隆起曲线呈双波峰但波谷沉降量较大。


　　4.2隆起曲线波峰位置的偏移
　　从图2可以看出，7号线下行线下穿2号线下行线，切口到达下行线前，隆起最大值出现在XU24号测点(偏离交叉点位置约4m)。随着7号线下行线盾构不断接近2号线下行线投影线，波峰不断向交叉点位置偏移，切口完全进入下行线时(推进至874环)，最大隆起量移到测点XU21(接近交叉点位置)。随着盾构前行，最大隆起值也随之前移，且波峰隆起量逐渐减小，切口完全穿过2号线下行线投影后(推进至880环)，波峰沉降速率增大，曲线呈双波峰趋势，位置为XU18和XU29号测点，原波峰位置渐形成波谷，位置为XU23号测点(偏离交叉点位置约2m)。
　　从图3可以看出，轨道交通7号线下行线下穿2号线上行线隆沉曲线发展规律与第一阶段类似。切口到达上行线前，隆起最大值出现在SU24号测点(偏离交叉点位置约3m)。随着盾构前行，最大隆起位置向交叉点偏移，且呈双波峰曲线。盾构穿过2号线上行线后双波峰位置为SU21(接近交叉点位置)和SU29号测点，波谷位置为SU25号测点。
　　从图4可以看出，轨道交通7号线上行线下穿2号线下行线，隆沉曲线呈双波峰。第一波峰出现在XU13号测点附近(偏离交叉点位置约30m)，随着盾构推进，隆起量逐渐增加，波峰逐渐移动至XU15号测点附近(偏离交叉点位置约26m)。波谷出现在XU23号测点附近(偏离交叉点位置约10m，接近第一阶段穿越完成后隆沉双峰曲线波谷)，随着盾构推进，逐渐隆起。第二波峰出现在交叉位置XU28号测点附近，盾构推进至2号线下行线投影前，隆起量逐渐增加，盾构穿越过2号线下行线后随着盾构前进，隆起量逐渐减小。
　　从图5可以看出，7号线上行线下穿2号线上行线隆沉曲线呈双波峰曲线，且随着盾构推进隆起量增加。第一波峰出现在SU19号测点(偏离交叉点约18m)。波谷出现在SU26号测点(偏离交叉点约5m，接近第二阶段穿越完成后隆沉双峰曲线波谷)。第二波峰出现在SU31号测点(偏离交叉点约5m)。
　　两次穿越均为先穿2号线下行线，后穿2号线上行线。2号线下行线隆沉曲线波峰接近穿越交叉点。2号线上行线隆沉曲线波峰有一定偏移。隆起曲线波峰/双波峰波谷偏离交叉点位置的可能原因:7号线盾构与2号线呈一定角度相交，切口最先到达2号线下方左侧，该部位土体最早受盾构推进的影响，且2号线纵向沉降并不完全等同于盾构正断面横向沉降曲线。
　　隆起曲线呈双波峰的可能原因:
　　(1)盾构推进过程中，推进速度及同步注浆量共同影响，推进速度加快而同步注浆量增加较少。下行线盾构推进过程中890环以前推进速度为4mm/m～7mm/min，同步注浆量为3m3～4m3。890环以后推进速度为10mm/min～15mm/min，同步注浆量为约4.5m3。2号线下行线曲线盾构至885环后开始出现双波峰趋势，上行线曲线盾构至894环后开始出现双波峰趋势。
　　(2)二次穿越距离第一次穿越约50d，时间间隔较短。穿越开始时，第一次穿越造成的2号线隧道隆沉量尚未恢复，即形成第一波峰及波谷。第二波峰的位置接近交叉点，是二次穿越对2号线造成的影响。
　　4.3二次穿越的叠加效应
　　7号线下行线于2008年5月21日完成穿越二号线后，二号线下行线自动监测垂直位移累计最大隆起约为5.91mm，最大沉降约为－1.25mm;二号线上行线自动监测垂直位移累计最大隆起约为5.51mm，最大沉降约为－0.48mm。
　　7号线上行线于2008年7月9日完成穿越二号线后，二号线下行线自动监测垂直位移累计最大隆起约为3.02mm，最大沉降约为－0.96mm;二号线上行线自动监测垂直位移累计最大隆起约为4.02mm，最大沉降约为－1.91mm。
　　如图6，7号线上行线后下穿2号线隧道，二次叠加扰动所导致的隧道沉降变形位置偏离了交叉点位置，出现在沿2号线隧道纵向两交叉点中间处。


　　4.4穿越施工影响范围
　　轨道交通7号线下行线下穿2号线下行线，盾构推进到859环之前，切口距离2号线下行线约19m处，对隧道影响已较大(最大隆起量达到1.4mm);轨道交通7号线上行线下穿2号线下行线，盾构推进到858环之前，切口距离2号线下行线约20m处，最大隆起量达到1.8mm。
　　7号线下行线下穿2号线上行线，盾构推进到876环之前，切口距离2号线上行线约16m处，对隧道影响较小(最大隆起量达到0.5mm);轨道交通7号线上行线下穿2号线上行线，盾构推进到864环(自864环开始有施工记录)之前，切口距离2号线上行线约29m处，对隧道影响已较大(最大隆起量达到1.8mm)。
7号线下穿2号线在盾构纵向推进方向影响范围在3D与5D之间，施工扰动的横向影响范围约为4D。
　　4.5典型工况分析
　　在7号线下行线下穿2号线下行线过程中，同步注浆量3.5m3～4.6m3;推进速度4mm/min～7mm/min。盾构机掘进至刀盘推至2号线下行线过程中，上方隧道隆起4.898mm;继续推进在刀盘离开2号线下行线期间，2号线下行线隧道隆起3.696mm。两阶段隧道垂直位移比例为1.325∶1。
　　在穿越2号线上行线过程中，其他施工参数不变，推进速度为5mm/min～15mm/min。盾构机继续推进在刀盘离开2号线下行线至进入2号线上行线期间，2号线上行线隧道隆起2.410mm;在刀盘离开2号线上行线期间，上方隧道隆起2.416mm。两阶段隧道垂直位移0.998∶1。如图7所示。


　　如图8所示，在7号线上行线下穿2号线下行线过程中，同步注浆量2.9m3～4.2m3;推进速度8mm/min～10mm/min。盾构机掘进距2号线下行线1倍D(D=6.2m)至刀盘推至2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，上方隧道隆起2.950mm;继续推进在刀盘离开2号线下行线期间，由于同步注浆作用，此时2号线下行线隧道隆起2.829mm。两阶段隧道垂直位移比例1.044∶1。
　　在穿越2号线上行线过程中，其他施工参数基本不变，推进速度为9mm/min～10mm/min，同步注浆量2.4m3～4.0m3。盾构机继续推进在刀盘离开2号线下行线至进入2号线上行线期间，2号线上行线隧道隆起2.360mm;在刀盘离开2号线上行线期间，上方隧道隆起3.552mm。由于施工参数调整使两阶段2号线上行隧道垂直位移比例为0.664∶1。


　　图9、图10分别给出了2号线上、下行线隧道在4个交叉点和同一线上两交叉点中间位置处隆起变形历程。受施工扰动的影响，上方隧道沉降变形滞后。随着时间推移，隧道沉降变形缓慢增大，7号线上、下行线先后穿越42d后2号线隧道隆起日变形量小于0.05mm，基本处于收敛状态。


　　7号线下行线穿越2号线上行线，隧道隆起变形分刀盘距隧道2D至盾尾离开隧道2D(穿越期间)、盾尾脱离隧道2D后10d、盾尾脱离隧道2D后42d三个阶段，2号线隧道日变形量见表2，隧道累计变形量见表3。
　　通过对比2号线上行线隧道交叉点(SU21、SU22、SU28、SU29)中心测点SU25日隆起变化量，发现二次穿越后42d的日变形量是一次穿越后42d的0.04倍，隧道沉降变形稳定时间相对缩短。其主要原因在于二次穿越施工参数微调。同步浆量减小0.5m3，控制了对周围土体的扰动程度。




　　5结论
　　(1)盾构机掘进距2号线1倍D(D=6.2m)至刀盘推至2号线正下方、继续推进在刀盘离开2号线下方两个阶段，在盾构机直径、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、出土量等施工扰动因素综合作用下隧道垂直位移比例:7号线下行线下穿2号线下行线为1.325∶1;7号线下行线下穿2号线上行线为0.998∶1。7号线上行线下穿2号线下行线为1.044∶1;7号线上行线下穿2号线上行线为0.664∶1。


　　(2)轨道交通7号线下行线下穿2号线盾构施工期间，随着7号线盾构推进2号线呈隆起趋势，隆起曲线沿监测点布置方向大致呈正态曲线，盾构穿过2号线后，下行线隆起趋势有所回落，上行线隆起曲线呈双波峰且波峰距离较近、峰谷差值较小;轨道交通7号线上行线下穿2号线施工期间，2号线呈隆起趋势。且呈双波峰，波峰距离较远、峰谷差值较大
　　(3)在盾构纵向推进方向影响范围在3D至5D间，施工扰动2号线隧道的影响范围约为4D，大于4D范围时，隧道变形量小于0.5mm。
　　(4)随着时间推移，隧道隆起逐渐回落，7号线下、上行线穿越42d后2号线隧道日变形量均小于0.05mm，基本处于收敛状态。