专利名称：单圆盾构侧面近距离施工保护地下结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种建筑工程技术领域的方法，具体是一种单圆盾构侧面近距离 施工保护地下结构的方法。
背景技术：
伴随着城市建设的加速以及充分利用城市建设空间资源的需要，城市地下 空间进一步开发，地下管线、隧道及其它地下建、构筑物的日益密集，国内城市 轨道交通建设发展越来越迅速。在轨道交通建设中，盾构工法由于其优越性在国 内的应用越来越多。为了使轨道交通尽快形成网络达到预期的规模效应，轨道交 通的建设也在加速。但城市规划建设，特别是通常伴随地铁建设的沿线开发的增 多，工程建设所面临的是越来越复杂的周边环境，穿越障碍物或近距离通过既有 建(构)筑物的情况也越来越多。工程施工时既需要对既有建(构)筑物进行保护， 又要确保工程本身的安全性和进展顺利，因此对不同的情况采用相应的应对技术 十分必要。如何确保在穿越施工过程中以及穿越后邻近己建建(构)筑物的正常使 用，已成为盾构法隧道工程中亟待解决的难题之一。
确定场地土的地质分层和土性参数对保证盾构成功实现近距离穿越至关重 要。1992年，Robertson等(Estimating coefficient of consolidation from piezocone tets， Canadian Geotechnical Journal, 29(4)， 551-557;加拿大国家科学委员会主办 的《加拿大岩土工程学报》，"用孔隙水压式的静力触探测定土层的固结性状与 相关计算公式")通过应用孔隙水压力的分布规律来确定土层分布及土层的固 结性状与相关计算公式(以下简称Robertson方法)。
经对现有的技术文献检索发现，发明人为周文波、顾春华、吴惠明等，申请 号为CN200610116618.X，专利申请的名称为"双圆盾构近距离穿越建筑物或构 筑物的施工方法"，该技术通过采用穿越建筑物或构筑物的前期准备、对建筑物
或构m物预先釆取保护措施、施工监测、设置合理的近距离穿越建筑物或构筑物
时的盾构施工参数、双圆盾构穿越后的二次注浆等步骤，但该技术并不适用实现单圆盾构近距离穿越地下结构，同时该技术的施工监测，并未记载其测点布置方 法，也未明确实时监测和盾构施工的关系。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的不足和缺陷，提出一种单圆盾构侧面近距离施 工保护地下结构的方法。本发明确保了地下结构的正常使用和盾构的顺利掘进， 所采取的技术措施适用于单圆盾构近距离侧面通过各种地下结构的需要，为其提 供了一项重要的技术保证。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤
(1) 采用Robertson方法利用孔隙水压式的静力触探检测地层的贯入阻力与 孔隙水压力随深度的变化曲线(称为贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线)；再 以测得的孔隙水压与贯入阻力之比为横轴，以贯入阻力与初始地层应力之比为纵 轴，作出关系图，将该图划分若干不同土性特征区，每一种特征代表一种土的类 型；将实测的静力触探曲线的数据标于该图以判断场地土层的类型；再根据土的 类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线，确定土层分布的深度和厚度，包 括粘性土层下砂性土的埋深。
(2) 通过地下结构和隧道的设计图纸确定盾构穿越地下结构的总长度Ld
米，区间隧道埋深Hmm Hmax米，地下结构和盾构隧道的相互距离Lmin~Lmax米，
隧道的顶部埋深H米，隧道的直径D米。
(3) 采用三维有限元模型对盾构近距离通过地下结构的整个穿越过程进行
数值模拟。三维有限元模型范围水平方向应大于(2H+3D+Lmin)米，深度方
向应大于(2H+2D)米，长度据工程实际确定，隧道置于模型的中间，底面距隧
道底应大于2D米。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。土体的本构关系采用考虑弹塑性
应变的修正剑桥模型，隧道结构取为弹性体。
通过步骤(3)所述的数值模拟，获得结果为
①给出盾构、土体、地下结构在穿越施工过程中的判断盾构顺利穿越的可 行性。
所述的判断盾构顺利穿越的可行性，其条件当满足地表位移
-30mm~+10mm;地下结构位移累积值-15mm~+15mm，单次最大变化值
6-5mm~+5mm;地下结构塑性区体积V=0的条件时，不需要对特定区域土体和 地下结构采取任何加固措施。
②确定盾构近距离穿越对地下结构产生影响的范围Le米，以及穿越过程中 地下结构需要重点保护的区段长度Li米。
(4) 针对步骤(3)通过数值模拟确定的重点保护穿越区段Li米，制定详 细的监测方案，在穿越施工前，现场进行测点布置和监测，包括
① 隧道和地下结构间土体的位移、孔隙水压力和土压力。
② 临近盾构穿越区段一边地下结构的位移和应力。
③ 隧道横断面方向以及沿着隧道轴线方向的地表沉降和重点穿越区段内的 重要建筑物的沉降。
(5) 结合步骤(3)有限元分析确定的盾构穿越对地下结构的影响范围Le， 将距离重点保护区段L,米前20环作为盾构的试掘进区间。同时在试验段布置若 干监测点，观察试推的效果，主要布置平行于隧道轴线和垂直于隧道轴线地表沉 降监测点，在地下结构上布置相应水平位移监测点。通过在此区间内的试推进，
初步确定后面正式近距离通过地下结构时拟采用的施工参数，主要包括盾构的
推力、推进速度、注浆量、注浆压力。
(6) 在盾构穿越重点保护区Li米段过程中，采用现场监测和施工相紧密结 合的方式，通过实时监测反馈分析进行施工。通过对监测结果的及时分析，判别 前一步施工工艺和施工参数是否符合预期要求，以确定和优化下一步施工参数，
确保工程顺利进行并保护地下结构的安全，安全性判断标准
① 地表沉降-30mm~+10mm
② 土体水平位移累积值-30mm~+30mm，单次最大变化值-15mm~+15mm
③ 土压力250kPa
⑤ 孔隙水压力200kPa
⑥ 地下结构应力-10kN/m2 10kN/m2
⑦ 地下结构位移累积值-15mm~+15mm，单次最大变化值-5mm~+5mm
(7) 盾构顺利完全通过地下结构后，对设置的监测点进行跟踪监测，直至 各项监测数据稳定在步骤(6)所述优化安全施工参数的范围。
本发明综合采取了盾构近距离侧面通过地下结构时的多种保护技术措施，采取科学、合理、可靠的方法确定盾构的施工参数，确保了地下结构的正常使用和 盾构的顺利掘进。发明中所采取的技术措施可适用于单圆盾构近距离侧面通过各 种地下结构的情形，为单圆盾构侧面近距离顺利通过地下结构提供了一项重要的 技术保证。
图1盾构侧面近距离通过地下连续墙平面图 图2盾构侧面近距离通过地下连续墙剖面图 图3地表沉降观测点平面布置图
图4钢筋应力计、测斜管、孔隙水压计、土压计平面布置图 图5测斜管、孔隙水压计、土压计立面布置图 图6钢筋应力计立面布置图
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案 为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
实施例
某地铁区间隧道旁有一待建地下通道，通道地下连续墙施工已经结束，从区 间隧道旁侧面近距离穿过，通道内部主体结构正在施工，完成了部分内衬结构。 通道地下连续墙与端头盾构接受井呈L型相连接，如图l、 2所示，图中显示了 盾构侧面近距离通过地下连续墙平面和盾构侧面近距离通过地下连续墙剖面，盾
构每环管片长度为1.2m，厚0.35m。
本实施例具体实施步骤如下 (1)经详细地质勘探，确定了穿越区各土层的分布、土体物理力学指标。
盾构区间隧道主要通过的土层为第④i层饱和软粘性土 (局部为第⑤,层)。均
属高含水量、高压縮性、低强度、低渗透性的饱和粘性土，具有较高的灵敏度， 明显的触变特性，在动力作用下极易破坏土体结构，使土体强度骤然降低，易造 成开挖面的失稳。(2) 盾构总的穿越长度约Ld=200m，区间隧道埋深为Hmin~Hmax=8.5m 9.1m，地下结构与隧道的距离区间为Lmin~Lmax=3.8m~12.4m，隧道顶部埋深H二 9m，隧道直径D二6.2m。区间隧道和地下连续墙的竖向坡率都为9%左右，因此 在整个侧向穿越过程中，区间隧道与地下连续墙间的竖向相对位置关系变化不 大。附图1为盾构侧面近距离通过地下连续墙平面图，附图2为盾构侧面近距离 通过地下连续墙剖面图。
(3) ①建立三维有限元模型，模型水平方向取60m，深度方向50m，长度 取为200m，隧道下底与模型底面距离为15m。对盾构近距离通过地下结构的整 个穿越过程进行数值模拟。计算表明，通过设置适当的施工参数，地表位移最大 值可控制在-16 mm ~+6mm;地下结构位移的累积最大值可控制在 -10mm~+10mm，单次最大变化值可控制在-3mm~+3mm;且塑性区体积很容易 控制在V:O，因此对土体或地下结构不需采取额外的加固措施，就可实现顺利穿 越。
②对有限元计算结果进行多角度的分析，确定近距离穿越过程中盾构对地 下连续墙产生影响的范围为Le=60m，需要重点保护的穿越区段为离盾构接受井 L产30m的范围。
(4) 对步骤(3)确定的L尸30m重点保护范围，在盾构近距离通过时进行 现场监测，观测现场土体、地下连续墙及内衬结构的应力与变形性状。地表位移 用全站式经纬仪和水准仪观测，临近地下连续墙位移和土体位移用测斜仪观测， 内衬墙的内力变化用钢筋应力计观测，土中压力变化用土压力盒和孔隙水压计观 测。附图3为地表沉降观测点平面布置图，附图4为钢筋应力计、测斜管、孔隙 水压计、土压计平面布置图，附图5为测斜管、孔隙水压计、土压计立面布置图， 附图6为钢筋应力计立面布置图。
(5) 将重点保护区域的前20环作为穿越管线的试掘进区间。初步确定在盾 构侧穿连续墙施工过程中，土仓压力设定在0.16MPa 0.25MPa;注浆压力设定在 0.28MPa 0.3MPa;每个行程(1.2m)注浆量为2.0m3 3.3m3;推进速度应控制在 15mm/min 30mm/min，匀速掘进，24小时连续作业。
(6) 整个推进过程中的监测信息反映盾构对地下连续墙的影响较稳定，只 出现了个别特殊情况。盾构经过第一个孔隙水压计测点位置时发现孔隙水压计的
9读数出现了急剧的大范围的跳动，同时地表沉降监测显示，此处地表开始出现了 隆起，地下连续墙的位移变化达到了4.8mm。孔隙水压计读数异常的情况是由于 盾构此时的推进速度过快，孔隙水压在封闭空间内不断积聚，无法立即消散，导 致压力急剧上升。基于此现象，施工中采取了暂时停推的应对措施，待积聚的孔 隙水压消散后再继续推进。此后的推进过程也改为采用白天推进，晚上停推的措 施，使孔隙水压充分消散，保证了后续推进的顺利进行。对现场的监测数据进行 了分析总结，给出盾构近距离通过地下连续墙的最终施工参数土压力设定值
210kPa，正常推进过程中实际土压力控制在200kPa以下；推进速度20mm/ min;出土量37.88m3;盾构机总推力12750 kN;注浆压力0.56MPa，注浆 量3.0m3。
(7)盾构顺利完全通过地下连续墙进入盾构接受井后，跟踪监测显示，地 表沉降、土体位移、土压力、孔隙水压值变化幅度逐渐减小，最后达到稳定，地 下连续墙内力和变形均无变化，整个穿越过程顺利完成。
本实施例在盾构穿越过程中，地表沉降值在-2. 9mm +2. 6mm范围内变化； 土体水平位移累积值范围-28.9mm +17.5nim，最大变化值为-10. 3mm;最大侧向 土压力变化值为208 kPa;孔隙水压力最大变化值为159 kPa;邻近地下连续墙 水平位移最大累积值为+12.8mm，最大变化值为为+4.8mm;内衬墙钢筋内力在 -0.071^/1112 0.891^/1112范围内变化。由监测结果可看出，通过采取本发明的保 护措施，盾构施工对周围环境影响较小，同时也保证了盾构的顺利掘进。另外， 临近地下结构的位移和内力均处于较低水平，本实施例对临近地下结构起到了很 好的保护作用。
权利要求
1、一种单圆盾构侧面近距离施工保护地下结构的方法，其特征在于，包括以下步骤(1)采用Robertson方法利用孔隙水压式的静力触探检测地层的贯入阻力与孔隙水压力随深度的变化曲线；再以测得的孔隙水压与贯入阻力之比为横轴，以贯入阻力与初始地层应力之比为纵轴，作出关系图，将该图划分若干不同土性特征区，每一种特征代表一种土的类型；将实测的静力触探曲线的数据标于该图以判断场地土层的类型；再根据土的类型对照贯入阻力曲线与孔隙水压力分布曲线，确定土层分布的深度和厚度，包括粘性土层下砂性土的埋深；(2)通过地下结构和隧道的设计图纸确定盾构穿越地下结构的总长度Ld米，区间隧道的埋深Hmin~Hmax米，地下结构和盾构隧道的相互距离Lmin~Lmax米，隧道的顶部埋深H米，隧道的直径D米；(3)采用三维有限元模型对盾构近距离通过地下结构的整个穿越过程进行数值模拟；(4)针对步骤(3)通过数值模拟确定的重点保护穿越区段Li米，制定监测方案，在穿越施工前，现场进行测点布置和监测；(5)结合步骤(3)有限元分析确定的盾构穿越对地下结构的影响范围Le，将距离重点保护区段Li米前20环作为盾构的试掘进区间；同时在试验段布置若干监测点，检测试推的工效，选择施工参数；(6)在盾构穿越重点保护区Li米段过程中，采用现场监测和施工相紧密结合的方式，通过实时监测反馈分析进行施工；(7)盾构顺利完全通过地下结构后，对设置的监测点进行跟踪监测，直至各项监测数据稳定在步骤(6)所述优化安全施工参数的范围。
2、 根据权利要求1所述的单圆盾构侧面近距离施工保护地下结构的方法， 其特征是，步骤(3)所述的数值模拟，采用三维有限元模型范围水平方向应 大于(2H+3D+Lmi )米，深度方向应大于(2H+2D)米，长度据地下结构实际大小， 隧道置于模型的中间，底面距隧道底为大于2D米；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， 土体的本构关系采用考虑弹塑性应变的修正剑桥模型，隧道结构取为弹性体。
3、 根据权利要求2所述的单圆盾构侧面近距离施工保护地下结构的方法， 其特征是，通过步骤(3)所述的数值模拟，获得结果为① 给出盾构、土体、地下结构在穿越施工过程中判断盾构顺利穿越的可行性② 确定盾构近距离穿越对地下结构产生影响的范围L米，以及穿越过程中 地下结构需要重点保护的区段长度L米。
4、 根据权利要求3所述的单圆盾构侧面近距离施工保护地下结构的方法，其特征是，所述的判断盾构顺利穿越的可行性，其条件当满足地表位移--30mm +10mm;地下结构位移累积值-15ranr+15mm，单次最大变化值-5mnT+5nim; 地下结构塑性区体积V=0的条件时，不需要对特定区域土体和地下结构采取任 何加固措施。
5、 根据权利要求l所述的单圆盾构侧面近距离施工保护地下结构的方法，其特征是，步骤(4)所述的监测，包括① 隧道和地下结构间土体的位移、孔隙水压力和土压力；② 临近盾构穿越区段一边地下结构的位移和应力；(D隧道横断面方向以及沿着隧道轴线方向的地表沉降和重点穿越区段内的 重要建筑物的沉降。
6、 根据权利要求l所述的单圆盾构侧面近距离施工保护地下结构的方法， 其特征是，步骤(5)所述的检测试推的工效，是指布置平行于隧道轴线和垂直 于隧 道轴线地表沉降监测点，在地下结构上布置相应水平位移监测点。
7、 根据权利要求l所述的单圆盾构侧面近距离施工保护地下结构的方法， 其特征是，步骤(5)所述的选择施工参数，是指通过试推进，初步确定近距离 通过地下结构时拟采用的施工参数，包括盾构的推力、推进速度、注浆量、注 浆压力。
8、 根据权利要求1所述的单圆盾构侧面近距离施工保护地下结构的方法， 其特征是，步骤(6)所述的实时监测反馈分析，是指判别前一步施工工艺和施 工参数是否符合预期要求，以确定和优化安全施工参数。
9、根据权利要求8所述的单圆盾构侧面近距离施工保护地下结构的方法， 其特征是，所述的确定和优化安全施工参数，包括① 地表沉降-30mnT+10mm;② 土体水平位移累积值-30咖~+30醒，单次最大变化值-15mnT+15mra;③ 土压力250kPa; 孔隙水压力200kPa;⑥ 地下结构应力-10kN/ m2 10 kN/ m2;⑦ 地下结构位移累积值-15mnT+15mm，单次最大变化值-5mnT+5rara。
全文摘要
本发明涉及一种建筑工程技术领域的单圆盾构侧面近距离施工保护地下结构的方法。包括步骤采用Robertson方法；通过地下结构和隧道的设计图纸确定盾构穿越地下结构参数；采用三维有限元模型进行数值模拟；制定监测方案，在穿越施工前，现场进行测点布置和监测；检测试推的工效，选择施工参数；通过实时监测反馈分析进行施工；对设置的监测点进行跟踪监测，直至各项监测数据稳定在步骤(6)所述优化安全施工参数的范围。本发明确保了地下结构的正常使用和盾构的顺利掘进，所采取的技术措施适用于单圆盾构近距离侧面通过各种地下结构的需要，为其提供了一项重要的技术保证。
文档编号E21D9/00GK101608548SQ20091005491
公开日2009年12月23日 申请日期2009年7月16日 优先权日2009年7月16日
发明者阳 孙, 沈水龙, 罗春泳 申请人:上海交通大学