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我国以地铁建设为龙头的城市地下空间开发正迅猛发展,地下结构空间分布日益密集,新建地铁线路常以曲线和近接的方式避让既有地下结构物,增加了地铁隧道施工安全风险。依托南京地铁 7 号线区间盾构隧道穿越立交工程,工程中万寿村站~丁家庄站区间线路多段穿越上软下硬复合地层,开挖面上半部分主要为粉质黏土,下半部分存在闪长岩、粉砂岩和泥岩多种情况。线路以R=450m的曲线隧道近接栖霞大道跨经五路高架桥 29#桥墩桩基,桩型为钻孔灌注桩,桩径 1.5m,桩长 27m,与区间最小水平净距1.26m;线路拐向东南后又近接涂家营桥桩基,桩型为钻孔灌注桩,桩径 1.0m,桩长23m,与区间最小水平净距3.6m。复合地层、曲线隧道和近接桥梁桩基是该区间工程的重大风险源。本文综合运用数值仿真和现场监测相结合的研究方法,开展复合地层曲线盾构隧道施工的周边环境效应研究,主要研究成果如下:
(1)统计分析万寿村站~丁家庄站区间盾构隧道的施工掘进参数及周围环境现场监测数据,发现千斤顶总推力、土仓压力及刀盘扭矩等盾构施工参数受地层变化影响显著,地层强度越大,总推力越大,土压力越大,刀盘扭矩越大。盾构机于粉质黏土中掘进时,宜选择总推力10000~12000kN,土压力0.12~0.14MPa,刀盘扭矩1800~2000kN·m;于闪长岩中掘进时,总推力至少为 15000kN ,土压力至少为 0.20MPa ,刀盘扭矩至少为3000kN·m;盾构机于复合地层中掘进时,应根据掌子面洞内土体占比,选择合适的盾构参数;
(2)利用Gap间隙参数法,建立了考虑盾构机尺寸、铰接装置参数和曲线半径等影响因素的盾构隧道地层损失量计算公式,计算典型铰接角和隧道曲线半径下的盾构隧道地层损失量;
(3)建立复合地层曲线盾构隧道三维数值仿真模型,利用现场实测数据验证了数值模型的可靠性。计算分析隧道曲线半径和地层分布对施工环境的影响规律,分析得出曲线隧道施工造成的超挖量对地表沉降影响显著,超挖量越大,沉降量越大,10mm超挖量会导致约2.08mm的沉降增量;隧道于复合地层中掘进时,开挖面软弱土体占比越大,地表沉降越大,土体占比升高10%,地表沉降增大约2.1mm;
(4)建立复合地层曲线盾构隧道近接桥梁桩基三维数值仿真模型,探究隧道曲线半径、隧道与桩的水平净距和地层分布对既有桥梁桩基位移的影响,分析发现隧道曲线半径越小,地层损失越大,桩体横向位移越大。当曲线半径为300m时,桩顶横向位移约14.56mm;桩体自身变形随桩体与隧道的水平净距增大而减小,净距增大1m,桩体横向位移、纵向位移均减小 1.67mm;桩间差异沉降受地层分布影响显著,隧道开挖面软弱土体占比越大,桩间差异沉降越大。单一粉质黏土地层中,因隧道开挖引起的桩间差异沉降达 6.77mm,软弱土体占比 30%的复合地层隧道开挖引起的桩间差异沉降为2.34mm;
(5)计算分析盾构隧道掘进对经五路高架桥与涂家营桥的桩体变形的影响,经五路高架桥桩体最大横向位移12.7mm,最大竖向位移8.4mm,桩间差异沉降4.9mm;涂家营桥桩体最大横向位移6.8mm,最大竖向位移8.3mm,桩间差异沉降5.4mm。经五路高架桥桩和涂家营桥桩的横向位移均超出桥桩横向位移控制值,需采取控制措施保证施工安全。根据数值模拟计算结果,提出重点监测隧道纠偏量,控制壁后注浆量等措施控制桩体变形,保证施工安全。
(1)统计分析万寿村站~丁家庄站区间盾构隧道的施工掘进参数及周围环境现场监测数据,发现千斤顶总推力、土仓压力及刀盘扭矩等盾构施工参数受地层变化影响显著,地层强度越大,总推力越大,土压力越大,刀盘扭矩越大。盾构机于粉质黏土中掘进时,宜选择总推力10000~12000kN,土压力0.12~0.14MPa,刀盘扭矩1800~2000kN·m;于闪长岩中掘进时,总推力至少为 15000kN ,土压力至少为 0.20MPa ,刀盘扭矩至少为3000kN·m;盾构机于复合地层中掘进时,应根据掌子面洞内土体占比,选择合适的盾构参数;
(2)利用Gap间隙参数法,建立了考虑盾构机尺寸、铰接装置参数和曲线半径等影响因素的盾构隧道地层损失量计算公式,计算典型铰接角和隧道曲线半径下的盾构隧道地层损失量;
(3)建立复合地层曲线盾构隧道三维数值仿真模型,利用现场实测数据验证了数值模型的可靠性。计算分析隧道曲线半径和地层分布对施工环境的影响规律,分析得出曲线隧道施工造成的超挖量对地表沉降影响显著,超挖量越大,沉降量越大,10mm超挖量会导致约2.08mm的沉降增量;隧道于复合地层中掘进时,开挖面软弱土体占比越大,地表沉降越大,土体占比升高10%,地表沉降增大约2.1mm;
(4)建立复合地层曲线盾构隧道近接桥梁桩基三维数值仿真模型,探究隧道曲线半径、隧道与桩的水平净距和地层分布对既有桥梁桩基位移的影响,分析发现隧道曲线半径越小,地层损失越大,桩体横向位移越大。当曲线半径为300m时,桩顶横向位移约14.56mm;桩体自身变形随桩体与隧道的水平净距增大而减小,净距增大1m,桩体横向位移、纵向位移均减小 1.67mm;桩间差异沉降受地层分布影响显著,隧道开挖面软弱土体占比越大,桩间差异沉降越大。单一粉质黏土地层中,因隧道开挖引起的桩间差异沉降达 6.77mm,软弱土体占比 30%的复合地层隧道开挖引起的桩间差异沉降为2.34mm;
(5)计算分析盾构隧道掘进对经五路高架桥与涂家营桥的桩体变形的影响,经五路高架桥桩体最大横向位移12.7mm,最大竖向位移8.4mm,桩间差异沉降4.9mm;涂家营桥桩体最大横向位移6.8mm,最大竖向位移8.3mm,桩间差异沉降5.4mm。经五路高架桥桩和涂家营桥桩的横向位移均超出桥桩横向位移控制值,需采取控制措施保证施工安全。根据数值模拟计算结果,提出重点监测隧道纠偏量,控制壁后注浆量等措施控制桩体变形,保证施工安全。