广佛城际铁路小净距大直径盾构隧道后行线掘进对先行线管片的影响

刘　　玮，杨安民，傅金阳，阳军生（.广东华隧建设股份有限公司，广东 广州　　5060；.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙　　40075）

广佛城际铁路小净距大直径盾构隧道后行线掘进对先行线管片的影响

刘玮1，杨安民2，傅金阳2，阳军生2
（1.广东华隧建设股份有限公司，广东 广州510620；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙410075）

对广州至佛山城际铁路小净距大直径盾构双线隧道施工过程中管片的变位进行了现场监测与数据分析，探讨了后行线施工引起的先行线管片的变形特性。结果表明:先行线管片附加水平位移与自身变形随后行线盾构掘进都经历了“微量增加、明显增加、突变、回缩直至稳定”4个阶段，离后行线越近位移量越大；浅埋小净距条件下，对后行线施工扰动的敏感程度先行线管片上部区域比下部区域高；后行线盾构刀盘开挖阶段比拼装管片阶段对先行线管片的扰动作用大。

小净距隧道；大直径盾构；先行线；管片；变位；实测分析

盾构法作为一种快速、安全、对外界环境扰动小的施工方法，目前在城市轨道交通建设中已获得广泛应用。采用盾构法施工的隧道多为并行隧道。由于受周边地下建（构）筑物的影响，或者为了满足线路规划设计的要求，有时两条隧道的净距小于规范限制的最小值6 m［1］。小净距条件下，如何控制后行线施工对先行线的影响，确保先行线的安全稳定，是盾构隧道设计施工需重点解决的问题。

国内外学者针对小净距平行盾构隧道施工相互影响问题进行了大量研究，研究手段以理论分析、数值模拟及模型试验为主。Yamaguchi等［2］针对4条平行盾构隧道近距离掘进过程中围岩与隧道的相互作用进行了研究；Koyama［3］在总结日本盾构法隧道技术及现状时，也对小净距隧道施工问题进行了阐述。在国内，晏莉等［4-5］针对浅埋双孔平行隧道平面弹性问题提出了复变函数与交替算法相结合的理论解析方法，获得了隧道开挖后围岩的应力和位移解；张顶峰［6］推导出了浅埋新建盾构隧道施工过程对既有隧道变形影响的解析解，并通过隧道衬砌允许裂缝宽度反演计算出了隧道的极限变形；陶连金等［7］通过数值模拟方法研究了盾构近接工程中新建盾构隧道施工对既有盾构隧道纵向和横向变位、附加弯矩及轴力的影响规律；何川等［8］采用相似模型试验和三维有限元数值分析手段，对新建隧道施工所引起的已建平行隧道纵向变形、纵向附加轴力和弯矩、横向变形、横向附加轴力和弯矩进行了深入研究；张明聚等［9］通过现场监测，研究了小净距平行盾构隧道施工中后行线掘进引起的先行线管片附加应力变化。

本文针对广州至佛山城际铁路陈村2号隧道盾构始发段双线净距小、埋深浅、地层条件复杂的特点，通过对大直径盾构隧道先行线管片变位的现场监测与数据分析，探讨后行线施工所引起的先行线管片变位规律。

1　工程概况

广州至佛山城际铁路陈村2号隧道位于佛山市顺德区陈村镇及广州市番禹区，连接陈村站与广州南站。隧道全长3 969 m，其中盾构段长3 385.5 m［10］。盾构段采用2台土压平衡盾构进行施工，直径为8.84 m。管片外径8.50 m，内径7.70 m，宽1.60 m，由4块标准块，2块连接块和1块封顶块组成，强度等级为C50。右线比左线早约2个月推进，因此，右线为先行线、左线为后行线。

陈村2号隧道盾构始发段位于2.95%的纵坡段上，双线净距仅约3～4 m，最小覆土厚度约5.5 m。地质条件复杂，地下水位很浅，埋深0～2.1 m，所穿越地层从上到下依次为淤泥、粉细砂、全～弱风化泥岩（见图1）。

鉴于盾构始发段存在双线净距小、埋深浅、坡度大、穿越地层为高水位复合软弱地层等不利因素，为保证盾构施工的安全进行，需在盾构掘进前对始发段地层进行加固。加固平面图见图 2，在 DK31+441—DK31+459设置3道厚800 mm素混凝土地下连续墙；对DK31+441—DK31+510段采用水泥土搅拌桩加固，平面加固范围为结构线外3 m，上部加固至拱部以上3 m，下部深入全风化层1 m。实际施工中为避开地表比较密集的建（构）筑物，连续墙用φ800钻孔灌注桩代替，水泥土搅拌桩的布置密度有所减小。

图1　始发段纵剖面

图2　始发段地层加固平面

2　既有线变位监测

2.1测点布置

在右线加固区范围内选取DK31+475，DK31+ 490共2个断面布设管片变位测点，测试分析左线盾构掘进对右线的影响。2个断面的双线净距分别为3.4，3.6 m。每断面布设8个测点，位置见图3。测点的布置方式为先在大号螺栓的侧面粘贴反射片，再将螺栓粘贴于管片内壁对应位置。

图3　右线管片测点布置示意

2.2监测仪器与方法

监测仪器为徕卡TS06全站仪，采用坐标法进行监测，测站点与后视点布置于盾构始发井前的明挖段底板上，两者对应里程分别为DK31+418，DK31+370。

3　监测结果分析

3.1管片附加水平位移

假设左线盾构刀盘未到达监测断面时，刀盘与监测断面的距离为负值；刀盘通过监测断面后，刀盘与监测断面的距离为正值。盾壳长度为10.4 m。2个断面监测结果见图4。监测断面右线管片水平偏移示意如图5。

图4　监测断面右线管片附加水平位移曲线

图5　监测断面右线管片水平偏移示意

分析图4、图5可知：

1）左线盾构推进过程中，监测断面右线管片的附加水平位移表现为“微量增加、明显增加、突变、回缩直至稳定”4个阶段：①当左线刀盘落后监测断面的距离＞10 m时，右线管片的附加水平位移不明显，总体略有增加；②当左线刀盘落后监测断面的距离＜10 m时，管片向右侧的附加水平位移量随左线盾构推进有较为明显的增加；③当左线刀盘到达监测断面时，右线管片的附加水平位移量出现跳跃式的增加，且在左线刀盘穿过至盾尾到达监测断面期间，位移量仍略有增大；④左线盾尾穿过监测断面后，右线管片的附加水平位移在向左侧一定程度回缩之后逐渐稳定。

2）左线盾构通过监测断面的过程中，右线管片的附加水平位移表现为整体向右偏移。靠近左线一侧3个测点（1#，2#，3#）中，拱腰处（2#）的位移量最大，其次为拱腰上部45°方向（3#），拱腰下部45°方向（1#）位移量最小；远离左线一侧的3个测点（4#，5#，6#）的位移量均较同一水平面上另一侧测点小。

2个监测断面右线管片附加水平位移最大时对应的左线刀盘与监测断面距离及各监测点的数值见表1。

表1　右线管片附加水平位移最大值

由表1、图5均可看出，DK31+475断面右线管片的附加水平位移较 DK31+490断面大。这是因为：①和DK31+475断面相比，DK31+490断面双线净距较大、埋深较深、离始发井较远；②尽管两断面均处于始发试掘阶段，但通过一段距离的调整，左线盾构推进到DK31+490断面时施工参数与 DK31+475断面相比已进行了优化，故能更有效地控制盾构掘进对周边土层的扰动。

3.2管片变形

由上节分析可知，右线管片靠近左线一侧3个测点的附加水平位移量均比同一水平面上远离左线一侧的测点大，说明管片自身产生了相对变形。图6为DK31+475断面右线管片拱腰处水平收敛曲线。可见其变化规律与管片附加水平位移变化规律相似，随左线盾构推进经历了变化较小→增加明显→跳跃增加→减小至相对稳定值4个阶段，最终水平收敛值约为2.5 mm。

3.3后行线盾构不同工作状态的影响

盾构推进分为刀盘开挖和拼装管片两种状态，刀盘开挖时，推进系统处于启动状态，在千斤顶传递过来的顶推力作用下，刀盘挤压前方土体；拼装管片时，需要关闭推进系统，刀盘对前方土体的推挤扰动作用减小。故两种工作状态下，盾构前方土体的受力状态不同。为比较后行线盾构不同工作状态对先行线管片的扰动大小，6月25日—6月28日左线刀盘与DK31+ 475监测断面的距离为 -10～10 m时，对靠近左线一侧右线管片上的3个测点（1#，2#，3#）在盾构刀盘开挖与紧后拼装管片两种状态下的附加水平位移进行了监测，结果见图7（为便于比较，每个掘进循环在刀盘开挖与紧后拼装管片两种状态用同一管片环数表示）。

图6　DK31+475断面右线管片拱腰处水平收敛曲线

图7　左线盾构不同工作状态下DK31+475断面右线管片附加水平位移对比

图7验证了盾构两种工作状态下先行线管片受到后行线施工的扰动程度不同。相较于刀盘开挖状态，左线拼装管片时，右线管片3个测点的附加水平位移量均有一定减小，说明左线刀盘开挖期间，在顶推力作用下刀盘前方土体产生了一定的可恢复弹性变形，使得右线管片附加水平位移量增大；左线拼装管片时刀盘不再推挤前方土体，该变形消失，右线管片附加水平位移相应出现一定回缩。左线盾构不同状态下，2#，3#测点附加水平位移变化曲线的梯度均大于1#测点，说明在浅埋小净距条件下对后行线扰动的敏感程度先行线管片上部区域比下部区域高。

4　结论

1）小净距盾构隧道施工过程中，受到后行线盾构掘进影响，先行线管片的附加水平位移经历了微量增加、明显增加、突变、回缩直至稳定4个阶段；先行线管片既产生整体偏移，自身也在发生变形。

2）先行线管片不同位置受后行线盾构掘进的影响不一。靠近后行线一侧的附加水平位移量大于远离后行线一侧；监测部位中，拱腰处的位移量最大，其次是拱腰上部45°处，拱腰下部45°处最小。

3）先行线管片受后行线施工的影响程度与净距大小、隧道埋深有关。净距越小、埋深越浅，先行线管片受影响程度越大。

4）后行线盾构处于开挖状态时，因刀盘对前方土体的推挤作用使得先行线管片产生的附加水平位移量比管片拼装状态时大。

［1］中华人民共和国铁道部.TB 10003—2004铁路隧道设计规范［S］.北京：中国铁道出版社，2004.

［2］YAMAGUCHI I，YAMAZAKII，KIRITANIY.Studyof Ground-tunnel Interactions of Four Shield Tunnels Driven in Close Proximity，in Relation to Design and Construction of Parallel Shield Tunnels［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，1998，13（3）：289-304.

［3］KOYAMA Y.Present Status and Technology of Shield Tunnelling Method in Japan［J］.Tunnelling and Underground Space Technology，2003，18（2）：145-159.

［4］晏莉，阳军生，刘宝琛.浅埋双孔平行隧道开挖围岩应力和位移分析［J］.岩土工程学报，2011，33（3）：413-419.

［5］晏莉.并行隧道施工相互影响分析及应用研究［D］.长沙：中南大学，2008.

［6］张顶峰.越江隧道保护区内新建平行隧道对既有隧道的影响机理及控制技术研究［D］.上海：上海交通大学，2011.

［7］陶连金，孙斌，李晓霖.超近距离双孔并行盾构施工的相互影响分析［J］.岩石力学与工程学报，2009，28（9）：1856-1862.

［8］何川，苏宗贤，曾东洋.盾构隧道施工对已建平行隧道变形和附加内力的影响研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（10）：2063-2069.

［9］张明聚，赵明，王鹏程，等.小净距平行盾构隧道施工先行隧道管片附加应力监测研究［J］.岩土工程学报，2012，34 （11）：2121-2126.

［10］中铁第一勘察设计院集团有限公司.新建铁路广佛环线佛山西站至广州南站段陈村2号隧道施工图［R］.西安：中铁第一勘察设计院集团有限公司，2013.

（责任审编葛全红）

Influence of Later Tunnel Driving on Early Driven Tunnel Segmental Lining in Construction of Guangzhou-Foshan Intercity Railway Using Large Diameter Shield with Small Space Apart

LIU Wei1，YANG Anmin2，FU Jinyang2，YANG Junsheng2
（1.Guangdong Huasui Construction Co.，Ltd.，Guangzhou Guangdong 510620，China；2.School of Civil Engineering，Central South University，Changsha Hunan 410075，China）

T he site monitoring and data analysis for segmental lining deflection of double line shield tunnel construction with small space apart and large diameter in Guangzhou-Foshan intercity railway were conducted and the deformation characteristics of early driven tunnel segmental lining caused by later driving tunnel construction. T he results showed that the additional horizontal displacement and self-deformation of early driven tunnel segmental lining caused by later shield tunnel driving have experienced such four stages as fractionally increasing，markedly increasing，mutation，retraction and stabilization，the displacement is greater in the region close to the later driving tunnel，the upper region of early driven tunnel segmental lining was more sensitive than the lower region to the disturbance caused by the later driving tunnel construction，and the cutter head excavation of the later shield tunnel has a more disturbance effect on early driven tunnel segmental lining than segmental lining assembling.

T unnels with small spaceapart；Largediametershield；Earlydriventunnel；Segmentallining；Deflection；Field measurement analysis

刘玮（1976— ），男，高级工程师，硕士。

U456.3

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2016.07.15

1003-1995（2016）07-0060-04

2015-10-20；

2016-05-05

中国博士后科学基金（2015T80887）；中南大学“创新驱动计划”（2015CXS015）