MJS水平桩加固在盾构下穿既有隧道中应用研究

陈仁朋 张品 刘湛 穆岩松 钟志全

摘 要：以在富水砂层中，长沙地铁4号线近距离下穿上覆2号线运营隧道工程为背景，对Metro Jet System （MJS）水平桩加固在盾构下穿既有隧道中的应用进行研究.通过现场钻孔取芯与室内试验，并在地表和2号线隧道内布置竖向位移监测点、管片应力监测点，研究MJS水平桩的成桩效果，以及盾构掘进时周边地层与上覆隧道的变形响应规律.研究表明：MJS工法桩直径为2 m左右，抗压强度达到3 MPa以上，均满足设计要求；盾构下穿时，上覆隧道沉降呈高斯曲线分布，最大沉降4.33 mm；由于盾构开挖的卸载，相交位置处上覆隧道断面在水平方向被挤压，产生的最大附加应力为1.4 MPa；地表最大沉降为1.1 mm，其中，MJS水平桩加固区域，地表沉降相对较小.总体来看，MJS水平桩加固效果较好，可为类似工程的实施提供借鉴.

关键词：MJS；隧道开挖；掘进参数；地表沉降

中图分类号：TU 443 文献标志码：A

文章编号：1674—2974（2018）07—0103—08

Abstract： Taking a case of Changsha Metro Line 4 excavated beneath closely spaced existing Changsha Metro Line 2 twin tunnels as research background， this paper studies the application of the Metro Jet System （MJS） Horizontal Column Reinforcement in Shield Tunneling. The quality of MJS column and the response of stratum and overlying tunnels are studied during the shield tunneling by carrying out in-situ and laboratory tests， installing the additional stress sensors and vertical displacement monitoring points inside Metro Line 2 and setting up monitoring points on ground surface. The result indicates that the diameter is appropriately 2 m and the compressive strength is higher than 3.0 MPa， which satisfy the designed specifications. When the shield excavates beneath the overlying tunnels， the settlement of the overlying tunnel present Gaussian curve distribution， and the maximum settlement is 4.33 mm. Due to the unloading of the shield excavation，the maximum additional stress is 1.4 MPa and the maximum settlement is 1.1 mm. Surface settlement is relatively small in the MJS horizontal pile reinforcement area. Overall，MJS horizontal pile can effectively reduce the settlement of existing tunnel，and can offer reference for the application of similar engineering.

Key words： metro jet system（MJS）；tunnel excavations；operational parameters；surface settlement

近年來，随着地铁建设加速及运营里程的增加，盾构穿越己建运营隧道的概率越来越大，确保邻近既有运营隧道的结构安全和正常运营成为盾构法隧道工程中必须解决的难题[1].

针对这一问题，目前有部分学者分别从现场实测、模型试验、理论计算和数值模拟等方面进行研究.Kim等[2]和Byun等[3]分别进行了临近隧道开挖对均质土体中已埋管道影响的模型试验研究.模型试验成本较高，试验繁琐，耗时长，无法应用到每个工程中；张治国等[4]首次采用弹性层状半空间地基模型，建立了用连续弹性方法研究这一问题，但只考虑了土体损失的影响；张琼方等[5]利用Mindlin[6]解，将上覆隧道视为Winkler弹性地基梁，推出盾构下穿引起上覆隧道竖向位移的理论解，但公式较为复杂；毕继红等[7]分别用数值模拟的方法分析了盾构开挖对邻近既有隧道的影响，但施工现场状况复杂，数值模拟难以综合考虑各种因素的影响.目前较为普遍的研究方法是通过现场布置监测点，分析盾构下穿对上覆隧道的影响.Fang等[8]分析工程实例发现，盾构近距离下穿上覆已建运营隧道，会致使上覆双圆隧道沉降呈“W”形分布；张琼方等[9]和朱蕾等[10]通过现场实测数据分析盾构下穿的影响，发现隧道交叉区域，上覆隧道隆起值达到16 mm，但未提出控制这一变形的有效措施；李磊等[11]通过现场监测数据结合数值模拟，研究了盾构下穿时注浆压力和掌子面推力对上覆隧道沉降的影响.然而，上述研究多涉及到盾构下穿对上覆已建隧道受力变形规律的影响，而对保护措施及其应用的研究较少.

本文依托长沙地铁4号线盾构下穿2号线运营隧道工程，通过现场钻孔取芯与室内试验研究MJS水平桩的成桩效果，并在地表和2号线隧道内布置竖向位移监测点、隧道内应力监测点，研究在MJS水平桩加固的作用下，盾构下穿对地表变形和上覆已建运营隧道受力变形的影响，其研究成果可为类似工程提供借鉴.

1 工程概况

已建2号线隧道埋深9 m左右，4号线隧道埋深18 m左右，4号线区间隧道与2号线最小竖向净距约2.857 m，如图2所示.场地地层分布大致可分为4层：第1层为杂填土，厚度约1 m；第2层为细砂，厚度为8.4 m；第3层为圆砾，厚度约7.3 m；第4层为中粗砂，地下水位在地表下3 m左右.通过室内实验获得圆砾和中粗砂的级配曲线，其不均匀系数分别为13.75、17.5，级配良好.MJS水平桩施工和4号线盾构掘进位置主要位于④4中粗砂层，室内级配实验的结果表明该砂土粒径大于0.25 mm的颗粒含量占全重的55%，粒径大于0.5 mm的颗粒含量占全重的23%，相应土层具体物理力学性质指标见表1.

4号线掘进采用土压平衡盾构机，主机长12.5 m，刀盘开口率为37%，最大开挖直径为6.29 m.隧道结构采用预制钢筋混凝土管片，综合考虑各种因素，采用错缝拼装方式[12]，管片外径6 m，内径5.4 m，幅宽1.5 m，管片之间采用高强度螺栓连接，断面贴有遇水膨胀橡胶条用于防水.盾构机掘进过程中，通过计算机对掘进参数进行实时监控记录.为减小盾构下穿对上覆已建地铁运营隧道的影响，对该隧道采取的保护措施如下：

1）4号线左右线路上各设置一个长8 m，宽6 m的竖井（如图1所示），左线竖井距2号线最短距离5.9 m.竖井内设有一道冠梁，三道腰梁，采用袖阀管注浆方法在竖井底部施工4 m厚水泥浆加固体和2 m厚双液浆加固体.

2）在竖井内施工MJS施工平台，施工平台为500 mm厚C25素混凝土加固层.

3）在4号线左右隧道拱顶上方各施工两排共计13根MJS桩，设计桩径2 m，桩长42 m，桩间搭接厚度400 mm，桩剖面呈半圆形，图3为4号左线拱顶施工的MJS桩示意图.水平桩采用跳桩法施工，具体的施工顺序是：12、6、13、11、9、10、8、7、5、3、1、2、4.其中，7号和5号桩、3号和1号桩、2号和4号桩皆为两根桩同时施工.13根MJS桩在隧道开挖区上方及周边形成相互搭接的具有高强度的水平旋喷固结体拱棚，拱棚长42 m，最大截面高度为3.6 m.MJS桩施工的主要技术参数如表2所示.

2 MJS加固效果研究

2.1 现场取样

为检验MJS水平桩施工的有效性，13根MJS桩施工完后，在加固区进行现场竖向钻孔取样.图4中线1～4为2号线隧道轮廓外扩1 m线，共布置10个取样孔，1号、3号、6号、9号钻孔分别位于4号线轴线与各条外扩1 m线相交位置，其他6个钻孔位于4号线轮廓线与各条外扩1 m线相交位置，具体布置位置如图4所示.为研究MJS成桩效果和加固体性能，在12号和6号MJS桩施工完成，凝期达到30 d后，在图4所示的A、B取样孔钻孔取样，分别制取3个试样.试样长径比为1.0，测试尺寸为70 mm × 70 mm的圆柱体试样的抗压强度.

表3为10个取样孔中取芯情况的统计，钻孔深度设定在19 ～ 22 m之间，以保证钻孔深度能到MJS桩加固区域.加固体芯样出现位置在17.4～17.6 m之間，基本在同一地层深度位置，故MJS水平桩施工时的控制较为精准.1号、3号、6号、9号取样孔位于4号左线轴线位置，MJS加固体厚度较隧道边缘位置加固体小，从图3中可以看出芯样长度应为一倍MJS桩径左右，隧道正上方的加固体芯样长度在1.2 ～ 1.6 m之间，满足要求.在隧道边缘位置取的加固体芯样长度在1.6 ～ 2.9 m之间，总体来看，MJS 水平桩成桩效果较好.

利用微机控制压力试验机测得A组试样抗压强度平均值为3.9 MPa，B组为3.53 MPa，如表4所示，满足设计的强度要求.

3 盾构掘进参数分析

3.1 土仓压力

土舱压力是土压平衡盾构施工管理的主要参数，是土压平衡盾构保证开挖面稳定、控制地表变形的关键指标.意大利学者Russo[13]在总结欧洲地铁隧道数值分析结果和现场实测资料的基础上，提出保证掘进工作面稳定的土压力经验公式为

根据公式（1），计算出4号左线盾构下穿时，土仓压力应保持在222 ～ 262 kPa之间，和实测结果较为相似.图5反映盾构机掘进过程中各环拼装时土仓压力的大小，前10环拼装时，主要是适应地层的过程，土仓压力设置较小；16和20环位置处，盾构机破除竖井井壁，混凝土结构稳定性较好，所以土仓压力设置较小；从第21环起，盾构机开始下穿上覆已建运营2号线，盾构机穿越2号线之前（11 ～ 20环），土仓压力平均值为181 kPa，下穿2号左线时，土仓压力平均值为178 kPa，此时上覆隧道发生沉降，为减小上覆隧道进一步沉降，下穿2号右线时调整掘进参数，土仓压力平均值为221 kPa，较左线提高了43 kPa.

3.2 总推力与掘进速度

盾构机掘进过程中，陈仁朋等[14]认为总推力主要由盾构机正面压力和机身与周围土体接触所引起的摩擦力两部分组成，其中，盾构机正面压力由刀盘面板压力和刀盘开口压力两部分组成.图6反映4号左线掘进过程中各管片拼装时总推力和推进速度的变化情况，和土仓压力的情况一致，前10环拼装时，参数设置较小；16和20环位置处，盾构机破除竖井井壁，混凝土井壁坚硬，所以推力设置增大，推进速度同时有所降低；盾构机穿越2号线之前（11 ～20环），推力和推进速度的平均值分别为13 450 kN和30 mm/min，下穿2号左线时，二者的平均值分别为13 560 kN和41 mm/min，下穿2号右线时，由于土仓压力的提高，推力平均值变为14 930 kN，较左线提高1 370 kN，推进速度平均值保持不变.

4 隧道内应力监测

2号线管片拼装形式采用“3+2+1”型错缝拼装，在图1中2号线监测断面处，管片内侧表面安装振弦式表面应变计监测隧道内侧受力变形状况，其中应变计测的是管片的环向应变，具体安装位置如图7所示（括号内表示左线布置的传感器编号）.

典型应变传感器布置位置处的附加应力变化情况如图8所示，其中管片附加应力为在实测管片应变的基础上乘以管片混凝土（C50）模量34.5 GPa得到，隧道内侧受拉为正，受压为负.图8表明盾构机在下穿2号线之前，各传感器位置处附加应力基本不变，下穿期间各处产生附加应力；下穿左线时，左右隧道传感器附加应力陡增，左右线隧道附加应力最大分别达到1 MPa和0.2 MPa，由于掘进位置离右线有一段距离，故右线传感器附加应力相对较小；盾构机掘进参数调整后，下穿右线时，左右隧道各位置处传感器产生的附加应力较小，最大分别为0.4 MPa和0.2 MPa；穿越后，各传感器数值基本保持不变.

图9反映盾构下穿结束后，2号右线监测断面的最终附加应力分布图.由于盾构开挖2号线下方土体，在2号线隧道竖直方向发生卸载，隧道两侧的土压力基本保持不变，相当于三轴实验中的被动挤伸过程，同时由于两条线路的斜交，致使隧道最终的附加应力状况如图10所示.

5 沉降监测分析

为研究盾构下穿施工对上覆已建运营隧道和地表变形的影响，对两条线路交叉区域的地表和上覆隧道的竖向位移进行监测.在2号线右线上方ZDK27+312.6断面布置地表竖向位移监测点，通过水准仪监测地表沉降.同时在2号左右线隧道道床位置每隔5 m布置竖向位移监测点，采用液压式静力水准仪进行实时监测，监测点详细布置位置如图10所示.规定竖向位移沉降为负，隆起为正.

5.1 运营隧道沉降分析

图11为上覆已建运营隧道典型竖向位移监测点在盾构掘进过程中的沉降曲线，在穿越上覆已建隧道之前，Z24-1监测点隆起1.5 mm，其余监测点

表现为轻微沉降；盾构机在下穿2号左线过程中，2号左线沉降较快发展，调整掘进参数后，穿越2号右线下方时，相对左线2号右线沉降发展较为平缓，在盾尾注浆区沉降开始较快发展；盾头距监测断面隧道50 m之外后，上覆隧道沉降趋于稳定.

隧道掘进过程中土体的沉降槽形态一般可以用高斯曲线拟合，即Peck公式[15]：

上覆已建运营隧道脱离盾构机的影响范围后，为描述上覆隧道的沉降形态，结合实测数值和式（4）计算的理论值，绘制了如图12所示的沉降槽曲线.由图12可知，2号右线的实测值和通过公式（4）计算得到的理论值所描绘的沉降槽形态吻合度高，最大沉降发生在隧道中心线位置，达到2.56 mm；离轴线越远沉降越小，距隧道中心线20 m左右，上覆隧道沉降基本为0.2号左线的左侧位置由于铺有临时道路（见图1），在车辆荷载的作用下，沉降有所偏大，距4号左线左侧10 m位置处，2号左线隧道沉降最大，达到4.33 mm，致使2号左线实测值和通过计算的理论值所描绘的沉降槽形态有所差别，具体计算参数如表5所示.结合下穿2号左线时的掘进参数和上覆隧道的响应，穿越2号右线时，土仓压力和总推力皆有所提高，致使2号右线隧道的沉降值整体小于2号左线隧道.

5.2 地表竖向位移分析

盾构掘进过程中，从盾構机开始破除竖井井壁到盾头离监测断面65 m远期间，YDK312.6断面1 ～ 7号竖向位移监测点的沉降情况如图13所示.在盾头到达监测断面之前，各监测点皆发生隆起，3 ～ 5号监测点最大隆起值达到1.5 mm左右；盾头到达监测断面后，各监测点开始沉降；盾尾到达监测断面时，地表各监测点沉降发生陡变，1 ～ 7号监测点分别沉降0.37 mm、1.32 mm、1.25 mm、1.52 mm、1.51 mm、0.71 mm和0.18 mm，距离隧道中心线越近沉降越大；盾头距监测断面20 m后，各监测点沉降基本稳定.

盾构机远离监测断面Y312.6后，监测断面的沉降形态如图14所示.整体来看，地表位移值较小，最大为1.1 mm，小于上覆2号线施工时引起的地表最大沉降（7 mm左右），远小于我国规定的地铁隧道允许的地表沉降值30 mm，同时也远小于同类工程引起的地表沉降[9-11]，表明MJS水平桩加固的有效性.地表和上覆已建隧的沉降槽形态有所不同，MJS加固区地表的沉降明显小于未加固区，这是由于在盾构机到达监测断面之前，MJS加固区地表的隆起值较大，进而使最终产生的沉降值较小.

6 结 论

盾构近距离下穿上覆已建运营隧道会致使隧道的受力变形发生改变，同时也会影响地表的竖向位移.基于长沙地铁4号线近距离下穿上覆已运营2号线，通过现场布置竖向位移和应力监测点，研究在MJS水平桩加固条件下，盾构掘进时周边地层与上覆隧道的变形响应规律，结论如下：

1）在中粗砂地层中，MJS工法桩施工桩身完整性较好，单轴抗压强度达到3.5 MPa以上.

2）盾构下穿上覆隧道之前，上覆隧道附加应力基本未发生改变，下穿时隧道在竖直方向卸载，致使在水平方向受到挤压，最大附加应力为1.4 MPa.

3）盾构下穿过程中，上覆左线隧道最大沉降4.33 mm；右线隧道最大沉降2.56 mm，沉降槽形态符合高斯曲线；刀盘距离上覆隧道25 m后，隧道沉降基本稳定.地表最大沉降1.1 mm，MJS加固区地表沉降仅有0.3 mm，远小于同类工程引起的地表沉降值.

4）MJS水平桩加固隧道之间土层，能有效降低盾构掘进过程中对地表和上覆隧道的影响，可为类似工程提供借鉴.

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