[发明专利]大直径盾构近距离下穿小直径地铁隧道的变形控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种隧道工程技术领域的控制方法，具体是一种大直径深埋盾构隧道下穿小直径隧道的变形控制方法。

背景技术

随着城市地下空间开发高潮的来临，采用盾构法修建地下铁道等各种城市隧道在世界各国越来越受到人们的重视。近十年内，盾构工法在我国得到了迅猛发展，业已成功掌握了土压盾构、泥水盾构等技术；仅以上海市为例，2007年底地铁盾构隧道已达200km以上，另有穿越黄浦江底的大断面盾构隧道5条。在上海新的城市规划里，轨道交通总里程达到500km以上；已建、在建和拟建的过黄浦江隧道多达11条以上，另有直径达15.0m超大断面的崇明长江隧道。

轨道交通的日益网络化、规模化，轨道交通和城市隧道同步高速发展，使城市面临着地下空间资源如何有效利用的问题，地下工程的空间交叉已不可避免，城市基础设施的快速发展和周边环境的限制往往使得这类工程界所尽力回避的方案成为优选甚至是唯一可行的方案。然而轨道交通设施对变形控制有着严格要求，地铁隧道本身的空间交叉往往就是设计及施工中的控制点、难点，大直径盾构隧道穿越小直径地铁隧道的空间交叉更是规划、设计及施工的关键点。盾构施工会对周围土体造成扰动，引起地面沉降或隆起，目前多通过控制盾构开挖面稳定、盾尾注浆等措施来控制变形。而盾构近距离穿越已建隧道必然也会引起已建隧道的隆沉，特别是大直径盾构隧道穿越小直径既有隧道更使变形控制难以把握，如何使新建隧道顺利穿越已建隧道并使已建隧道处于安全可控状态一直是个难题。

经对现有技术的文献检索发现，申请号为CN200410015918.X，专利申请的名称为“一种在运营隧道上方进行深大基坑施工的方法及防变形结构”，该技术采用在运营隧道两侧土体中各打设至少一排抗拔桩的方法，在抗拔桩排之间的运营隧道上方进行土体开挖，当土体开挖至露出所述抗拔桩时，在抗拔桩排之间放置或浇筑结构底板，从而有效防止隧道上方由于土体开挖而引起的周围土体的回弹变形及隧道变形。该方法只适用于明挖法施工，且局限于新建构筑物在既有隧道上方，对暗挖法施工特别是新建大直径隧道下穿既有小直径隧道并不适用。

发明内容

本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出了一种大直径盾构近距离下穿小直径地铁隧道的变形控制方法。本发明首先通过三维有限元数值分析来模拟给定施工参数条件下的地面与隧道的变形，确定最优参数。然后根据现场实际情况在离既有隧道一定区域内设定试验区域，用确定的最优参数进行试验性施工，如果试验区域内的变形满足要求，则进行正式穿越施工，这样，使其能够保证既有隧道安全顺利施工，并可以尽量减小施工对周围环境的影响。

本发明是通过以下技术方案实现的，包括如下步骤：

第一步，针对交叉隧道的相对位置、土性条件、隧道埋深及既有隧道变形控制标准应用有限元法计算得到新建隧道地层损失率控制范围以及盾构开挖面支护压力最佳值，具体如下：

①三维有限元模型范围：水平方向应大于(2H+3D+L)米，深度方向应大于(2H+2D)米，其中，H为新建隧道的顶部埋深，D为新建隧道的直径，L为新建左右隧道净间距；高度据工程实际确定，新建盾构隧道置于模型的中间，底面距隧道底为2D。

②计算中边界条件设定如下：隧道内侧采用自由边界，模型两侧约束水平位移，模型底部同时约束竖向与水平位移。

③软土地层的本构关系采用考虑弹塑性应变的修正剑桥模型，砂性土层采用莫尔库伦模型，隧道结构取为弹性体。

④模型中对新建隧道设定不同地层损失率，而后计算地表及既有隧道变形量，绘制出地层损失率与变形量关系曲线图。《上海市运营地铁隧道保护标准》规定：运营地铁结构设施绝对沉降量须小于20mm，日地铁结构沉降量须小于1mm。根据这一变形控制标准确定新建隧道地层损失率的控制范围。

⑤在模型中盾构开挖面设置根据静止土压力计算所得梯形支护压力，而后使得支护压力在静止土压力附近变化，引入支护压力比的概念，即开挖面实际支护压力与按照静止土压力计算所得支护压力之比，得出既有隧道及地表变形与盾构支护压力比的关系曲线，并根据曲线关系得出使得既有隧道变形最小的支护压力值。

第二步，通过设置支护压力最佳值来保持盾构开挖面前水土压力的相对平衡，并严格控制开挖面支护压力波动范围，根据施工需要可以控制在±10kPa。同时在既有地铁隧道内安装自动监测系统，根据监测数据实时调整。