一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法

摘要

本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法公开了步骤1：制定先盾后井施工与监测整体方案；步骤2：建立竖井横通道、盾构隧道以及地层相互作用三维数值模型；步骤3：先盾后井法地层参数的反演分析；步骤4：先盾后井法竖井横通道开挖方案的优化；步骤5：先盾后井法竖井横通道地层加固及支护方案优化；步骤6：先盾后井法既有管片内部临时加固方案优化；步骤7：先盾后井法管片破除方案优化；步骤8：先盾后井法施工影响监测方案的制定；步骤9：先盾后井法宜遵循的施工控制原则；本发明其较为全面地掌握先盾后井的动态化施工信息，为地铁区间隧道及风井施工安全提供一套较为系统的信息化施工控制技术。

说明书

技术领域

本发明属于隧道工程信息化施工技术领域，具体涉及一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法。

背景技术

近年来，城市轨道交通工程发展迅速。由于城市轨道交通往往位于城市建成区，其施工外部条件受到了很大限制，周边环境对城市轨道交通提出了严格的要求，在施工过程中，我们必须要确保道路、房屋、管线等周边建构筑物的安全，同时还要满足地面交通的需求，尽可能少占用道路资源。现阶段，在城市轨道交通工程建设中，一般情况下，区间隧道大多采用暗挖或者盾构工法，对周边环境影响较小，但车站和区间风井一般采用明挖工法，需在做好交通疏解的前提下，方可进行施工。局部地区，可能会受到环境限制，无法进行明挖作业，只能采用暗挖方案，这种情况在现阶段越来越多。

目前，盾构工法是施工地铁工程区间隧道的主要方法，根据区间里程及全线设计方案情况，一般情况下，需在区间设置风井。其施工方法绝大多数为先明挖施工竖井，做好盾构通过预留条件，然后再进行盾构掘进通过，这种做法比较成熟，施工风险较小，但由于正线隧道一般位于道路下方，所以明挖竖井需要长时间占用道路资源，且必须先完成竖井后再盾构通过，对盾构工期(一般为关键节点工期)有一定的制约作用。近年来，为了不限制盾构工期，在一些地方提出“先隧后站”或者“先盾后井”的施工方案，即先做好车站或者竖井的围护结构，预留盾构通过条件，然后再进行盾构通过，最终通过扩挖和明挖形成车站或竖井。在广州、北京这种工法已被多次采用。但这一方法仍然解决不了明挖需要占用道路资源的缺点。为了能够彻底解决占用道路和限制工期的缺点，在某些特殊条件下，需在“先隧后站”或“先盾后井”的基础上，用暗挖工法完成车站和竖井，这给建设者带来了极大的考验，这不仅要确保工程自身安全，还需要确保周边环境安全。暗挖横通道或者竖井自身的风险需要重点考虑外，还需要考虑已成型盾构隧道在暗挖通道或竖井施工中可能产生的各种不利影响，同时需考虑凿除盾构管片和竖井结构与两侧盾构管片的对接问题，且同时要保证地层的稳定性，防治出现坍塌现象。

综上所述，不难看出，受征地拆迁和交通疏解及工程筹划的影响，“先盾后井”施工方法被越来越多被重视。毋容置疑，这种工法与常规工法相比，其工程风险和造价都有明显的增大，其存在的核心技术问题有：1)地层的预加固和支护问题；2)盾构管片的破除问题；3)明挖结构两侧盾构管片保护问题。然而，目前的工程实践和研究中仍存在以下问题：

采取“先盾后井”工法风险较高，在国内仍较少使用，但为了保证盾构施工关键节点工期，同时确保不干扰地面交通和因征地拆迁造成的经济损失和工期拖延问题，“先盾后井”工法仍具有较强的应用前景，该类工法需要结合不同区域的地层条件、环境条件、施工技术和管理水平进行适当调整，有必要提出一套“先盾后井”工法的施工指南，但目前仍缺乏该方面的规范化文件；

“先盾后井”工法，首要考虑的是风井横通道的暗挖法施工掘进技术，掘进方案应结合地层工程地质条件、水文地质条件进行方案的比选，应广泛结合以往的城市地下空间暗挖施工方法经验和数值分析方法，来综合评估不同开挖方法与地层条件的适宜性，关于这方面的工程实践，目前也存在方案设计与理论研究脱节的问题；

“先盾后井”工法，还需要考虑的是风井横通道掘进通过既有盾构管片时，要对盾构管片进行破除，且还需要保护掘进断面以外的相邻盾构管片不受过大的应力集中或变形，并确保地层的稳定性。目前的破除方法较多，但适用性尚待评估，针对临近管片临时支护及地层预支护保护方案，也需要采用数值方法来加以论证和优化，这方面也缺乏系统的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法，解决了现有技术中先盾后井存在的盾构与风井结构施工相互影响及防止地层坍塌的施工技术有待进一步提高问题。

本发明所采用的技术方案是，

一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法，具体包括如下步骤：

步骤1：制定先盾后井施工与监测整体方案；根据工程地质、水文地质勘察资料，结合工程所在区域周边环境特点，精确定位既有盾构隧道管片与竖井横通道在空间上的位置关系，根据城市地铁相应设计规范，提出具体的信息化施工控制方案；

步骤2：建立竖井横通道、盾构隧道以及地层相互作用三维数值模型；根据步骤1中“先盾后井”施工区段的地层条件和地下结构空间位置关系，基于大型有限元程序ANSYS进行建模，并对地层条件、支护体系参数进行相应的等效计算；

步骤3：先盾后井法地层参数的反演分析；以盾构隧道施工期间诱发的实测地表沉降曲线为目标函数，采用步骤2的三维数值模型来计算双线盾构隧道施工诱发的地表沉降曲线，调整地层参数，根据反演后得到的地层参数进行余下步骤宏横通道地下开挖、支护方案优化分析；

步骤4：先盾后井法竖井横通道开挖方案的优化；根据步骤3中确定的地层及盾构参数，开展竖井横通道的分层、分台阶开挖方案的优化分析，提出合理的施工方案；

步骤5：先盾后井法竖井横通道地层加固及支护方案优化；根据步骤4提出的施工方案，开展不同地层加固措施和支护方案的数值方案优化，对比不同支护方案下地表沉降，基于盾构管片的力学响应，提出最优方案；

步骤6：先盾后井法既有管片内部临时加固方案优化；

步骤7：先盾后井法管片破除方案优化；基于盾构管片破除方法不同，会对地下结构中的临近管片及横通道结构变形产生不同的影响，对地表变形也会产生一定的影响，提出合理的管片破除方案；

步骤8：先盾后井法施工影响监测方案的制定；包括有：监测内容、监测点的布设方案、监测结果的分析与评价、监测结果的反馈以及设计方案的变更。

步骤9：先盾后井法宜遵循的施工控制原则；盾构区间隧道的风井横通道暗挖法施工时遵循管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭以及勤量测的基本原则；施工组织计划和施工工序，遵守先排管、后注浆、再开挖、注浆一段、开挖一段、支护一段以及封闭一段的原则进行。

在步骤1中，需要专门针对先盾后井法施工流程及监测系统进行施工组织设计和方案的比选。

在步骤2和步骤3中，均需要基于盾构隧道施工期间获取的地表沉降监测数据，采用Peck曲线进行地表沉降特征参数的评估和基于ANSYS软件的三维建模及地层参数的反演分析。

在步骤4、步骤5以及步骤6中，需要事先根据工程类比法、数值分析方法和原位无损探测技术来确定先盾后井法中，地层加固及支护结构的优化方案，提出具体的地层防塌技术及临时支护措施。

在步骤7中，需要针对既有盾构管片的破除技术进行数值模拟和论证，采用管片破除的核心技术，管片破除的核心技术包括：三横四纵、水钻切割、预留核心土、循环掘进技术。

在步骤8中，需要将步骤1～步骤7所提出的具体施工控制方案进行具体实施，对其实施过程中地层及结构的稳定性进行全面监控，对施工期间及工后期的稳定性态进行评估，最终对先盾后井法的管片破除技术和地层防塌施工控制效果予以论证。

本发明的有益效果是：本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法，提出了一套“先盾后井”法管片破除技术和地层防塌施工和支护技术，系统的解决了城市地铁盾构与风井结构施工相互影响及防止地层坍塌的施工技术问题。

附图说明

图1是本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法的“先盾后井”施工及监测方案流程示意图；

图2是本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法中基于ANSYS程序的三维数值分析模型的构建案例示意图；

图3是本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法中地表沉降曲线反演值与实测值对比曲线示意图；

图4是本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法中分层分台阶留核心土开挖方法模拟示意图；

图5是本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法中分层台阶法施工工艺流程示意图；

图6是本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法中地质雷达(GPR)和面波(SWS)探测线布置示意图；

图7是本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法中盾构管片内砂浆填充+邻近盾构管片内钢架支撑网格图；

图8是本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法中预留核心土法管片破除示意图；

图9是本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法中盾构隧道地表监测点示意图；

图10是本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法中竖井横通道施工地表及地下结构关键部位变形监测布置图；

图11是本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法中“先盾后井”法宜遵循的施工控制原则示意图。

1.台阶间距L；2.留核心土；3.竖井横通道；4.左线盾构隧道；5.右线盾构隧道；6.地层；7.一层台阶；8.二层台阶；9.三层台阶；10.四层台阶；11.竖井横通道初期支护系统；12.竖井横通道二次衬砌；13.盾构管片；14.竖井横通道地层注浆；15.盾构隧道地层注浆；16.环形开挖体；17.核心土；18.锁脚锚管；19.竖井横通道临时仰拱；20.超前管棚和小导管；21.管片内回填砂浆；22.封堵墙；23.钢拱架临时支撑等效体系；24.左轮廓切割线；25.中间切割线1；26.中间切割线2；27.右轮廓切割线；28.拱顶切割线；29.拱肩切割线；30.拱腰切割线；31.A第一次破除范围；32.B第二次破除范围；33.C第三次破除范围；34.D第四次破除范围；35.GPR测线1；36.GPR测线2；37.GPR测线3；38.GPR测线4；39.GPR测线5；40.GPR测线6；41.SWS测线1；42.SWS测线2；43.地表沉降监测点；44.盾构管片收敛位移监测点；45.竖井横通道拱顶沉降监测点；46.竖井横通道边墙收敛位移监测点。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法进行进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法，具体包括如下步骤：

步骤1：“先盾后井”施工与监测整体方案的制定。根据工程地质、水文地质勘察资料，结合工程所在区域周边环境特点，精确定位既有盾构隧道管片与竖井横通道在空间上的位置关系，根据工程经验和城市地铁相应设计规范，提出具体实施方案，针对不同方案要进行优化分析和比选。

步骤2：“竖井横通道-盾构隧道-地层”相互作用三维数值模型的建立。

根据步骤1中“先盾后井”施工区段的地质条件和地下结构空间位置关系，基于大型有限元程序ANSYS进行建模，模型的建立需要满足以下条件：

(1)工况模拟：竖井横通道的分步分层开挖掘进、临时支护施作及拆除，竖井横通道永久衬砌的施作，既有盾构管片13的破除、临时支撑的支护和拆除，地层的加固等各类复杂工况；

(2)边界条件模拟；地层分界，地层真实参数、凸出地下水位线以上和水位线以下地层参数的差异性；

(3)支护体系等效模拟：超前大管棚、小导管注浆、钢拱架、地层注浆效果等的模拟，应结合以往的研究经验，采取等效手段进行合理模拟。

步骤3：“先盾后井”法地层参数的反演分析。

在开展步骤1、2之前，以地质勘查报告为依托，以盾构隧道施工期间诱发的研究区段的实测地表沉降曲线为目标函数，并基于Peck公式获取地层沉降特征参数，采用步骤2所述的数值模拟方法，计算盾构隧道施工诱发的地表沉降曲线，逐步调整地层参数，当实测地表沉降与数值计算结果拟合度达到95％以上时，则认为调整后的地层参数为本工程中的实际地层参数。根据反演分析得到地层参数，进行竖井横通道地下开挖、支护等工况的模拟，为步骤1中的方案优化提供前提。

步骤4：“先盾后井”法竖井横通道开挖方案优化。

为了严格控制地面沉降，减少对地面交通的影响，竖井横通道一般采用分层、分台阶开挖施工，应结合以往工程经验和数值分析来共同确定最优方案，确定原则如下：

(1)确定竖井横通道分层掘进的层数，应按照竖井的设计高度来分层，单层开挖高度应满足最小施工作业面要求，按照至少2～5m进行分层，如：横通道开挖高度为15m，则分层开挖的层数宜为N＝3～7层；

(2)每层施工掘进期间掌子面前后台阶间距1应按照L＝0.6～1.0D(D应为隧道等效洞径)，如：当横通道等效洞径D＝10m，则台阶间距1宜为L＝6～10m；

(3)分层掘进期间，对稳定性较差的地层采取预留核心土的方式进行掘进，核心土预留相对面积比β及长度l对掌子面水平位移、地层沉降及主应力分布存在影响，预留核心土17可有效地减小掌子面前方土层的下沉，增强工作面的稳定性。应尽量使核心土的长度l＝台阶长度0.5～1.0L，并保证一定的宽度和高度，预留核心土的断面面积应保证为开挖面的β＝60～80％。

(4)以4层台阶式开挖为例，具体施工过程模拟如下：先开挖第1层台阶，预留中间留核心土2，并同时施作初期支护，按照该方式继续下一循环，当全部掌子面向前掘进0.6～1.0D时封闭临时横撑仰拱；进行第2层横通道开挖、支护、预留核心土及临时横撑仰拱的封闭施工，当第2层开挖至横通道纵向设计边界时，进行第3层横通道开挖、支护、预留核心土及临时横撑仰拱的封闭施工，当第3层开挖至设计边界时进行第4层的横通道开挖、支护、预留核心土及临时横撑仰拱的封闭施工；最后，由底部至顶部进行二衬施工和临时横撑的拆除工作，最终封闭二衬完成横通道的开挖和支护。

(5)根据(1)～(4)的基本原则和模拟工况，制定不同分层数N、不同台阶长度L、不同预留核心土规模(长度l、相对面积比β)的数值分析方案，并进行不同方案的数值分析，按照《城市轨道交通结构安全保护技术规范》(CJJ/T202-2013)中关于地层与结构的变形控制标准，对地面最大沉降量、竖井洞周位移收敛比、邻近管片变形量进行评价分析，提出最佳优化方案。

步骤5：“先盾后井”法竖井横通道地层加固及支护方案优化。

根据竖井横通道3所处地层特性，开展不同地层加固措施和支护方案的数值方案优化，按照步骤4中的表2～4的控制标准，对比分析不同支护方案下地表沉降，既有盾构管片13的力学响应，提出最优方案。竖井横通道3地层加固及支护方案可按照如下方案进行：

(1)方案1：不加固方案；

(2)方案2：地层仅注浆加固(竖井横通道开挖面以外径向注浆厚度一般按照0.2～0.5D考虑)；

(3)方案3：超前大管棚和小导管；

(4)方案4：地层超前注浆加固，并施作超前大管棚和小导管。

步骤6：“先盾后井”法既有管片内部临时加固方案优化。

为了加固既有盾构管片13，防止横通道施工期间产生过量变形，采用如下方案进行临时加固：

(1)将横通道外侧6～10环范围内的临近盾构管片13内部布置环形钢架支撑，钢支撑之间采取横向钢板焊接，并及时在钢架及既有盾构管片13上布置收敛变形监测点，用于实时监控竖井横通道3掘进期间管片的变形，竖井横通道施工完毕后，切割拆除临时支撑。

(2)在竖井横通道与盾构管片13交叉部位设置厚度为0.3～0.5m的钢筋混凝土隔离墙(隔离墙顶部预留注浆孔)，并在盾构管片13内充填合适型号的水泥砂浆，待洞内水泥砂浆硬化后，才能进行竖井横通道的开挖、管片的破除及内部砂浆的破除。

步骤7：“先盾后井”法管片破除方案。

管盾构片的破除期间，由于破除和支护方式不同，可能会对地下结构中的临近管片及横通道结构变形产生不同程度的影响，建议采用预留核心土法破除管片：先破除横通道开挖轮廓处管片，并及时进行初期支护，随后破碎核心部位余下管片及管片内注浆体，并迅速封闭临时仰拱支撑，以此循环掘进，直至管片破除和初期支护完毕。

步骤8：“先盾后井”法施工影响监测方案的制定。

为了更好的控制盾构和横通道穿过既有盾构管片13施工期间引起的地层变形、邻近管片和竖井横通道结构的过量变形，应采取适时监控技术，监测方案的制定应包含：监测内容、监测点的布设方案、监测结果分析与评价、监测结果的反馈与设计方案的变更。

步骤9：“先盾后井”法宜遵循的施工控制原则。

盾构区间隧道的风井横通道暗挖法施工时严格遵循十八字方针“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的基本原则。施工组织计划和施工工序，必须严格遵守“先排导管、分段注浆、而后掘进、注浆开挖、交替进行、支护封闭”的原则进行。

如图1所示为“先盾后井”施工及监测方案流程图。该过程实施方法具体为：

(1)根据地层条件、周边环境条件、施工控制要求、管理水平等初步制定施工、监测流程图，为后期施工节点的控制提供支撑。

(2)制定盾构施工诱发地表沉降的监测方案及地层参数反演分析方法；

(3)制定竖井横通道与盾构管片13交汇处周围地层预注浆加固方案；

(4)制定地层预注浆效果的原位监测方案及加固效果评估方法；

(5)制定地层超前预支护方案：大管棚和小导管；

(6)制定邻近盾构管片13的临时内支撑方案：钢支撑+封堵墙22+砂浆回填

(7)制定既有盾构管片13的破除方案；

(8)制定竖井横通道暗挖法施工开挖、支护流程和施工工艺；

(9)确定竖井横通道施工期间围岩及支护结构变形监测方案及稳定性评估方法。

如图2所示，为基于ANSYS程序的三维数值分析模型的构建案例。该过程的具体实施方式为：

(1)基于大型有限元程序ANSYS，综合考虑地层条件，包括工程地质和水文地质条件、周边环境条件、地下结构的空间位置关系、支护体系(如，超前管棚、注浆小导管、地层WSS双液注浆、锁脚毛管、拱架临时支撑、临时仰拱、回填注浆体)等，构建三维模型，便于后期其他施工及支护方案的优化分析。

(2)其中，支护体系的模拟应采用等效方法来模拟；

(3)地层注浆后，隧道周围地层属于复合地基，注浆后地层模量可采取《工程地质手册》中复合地基的弹性模量来取值，可按照(1)式计算：

E

上式中，E

上式中，w

(4)超前大管棚和小导管的模拟，可采用刚度等效法将管棚作用效应等效至喷层混凝土中，通过提高喷层混凝土的弹性模量来考虑加固效应，等效模量E的计算公式如下：

E为等效模量：E

如图3所示，为地表沉降曲线反演值与实测值对比曲线。该过程的具体实施方式为：

(1)先期制定盾构隧道施工期间诱发地层移动的监测方案；

(2)当盾构通过前、通过期间和通过之后，分别开展三阶段的地表沉降监测，获取双线盾构隧道施工期间诱发的地表沉降曲线；

(3)采用Peck曲线和最小二乘法原理，针对盾构施工诱发的地表沉降进行分析与评估；

基于Peck教授提出沉降槽的横断面Peck曲线，见图3(a)，相应的公式为(1)式：

其中，s

i＝kH (5)，

其中，k为沉降槽宽度参数。假设某工程隧道轴线埋深为左线H＝21.0m，右线H＝23.1m，两隧道的轴线间距约为15.0m。则对于双线盾构隧道，可根据Peck公式对地表沉降槽曲线进行修正，得到双线地表沉降的Peck曲线：

其中，S

根据原位监测数据，采用公式(6)来拟合地表沉降曲线，获取地表沉降特征参数，并结合表2～4，针对盾构施工诱发的地表沉降进行分析与评估。

(4)构建“先盾后井”施工的三维数值模型，以实测地表沉降为目标函数，对竖井横通道所处地层参数进行数值反演分析，为后面步骤中的方案优化提供初始参数，参照图3(b)。

如图4所示，为分层分台阶留核心土2开挖方法模拟。该过程的具体实施方式为：基于ANSYS程序构建的三维模型，采用ANSYS中内置的APDL(参数化语言)进行编程，可以模拟不同分层数N、不同台阶长度L、不同预留核心土规模(长度l、相对面积比β)，可按照表1的竖井横通道开挖方案优化数值模拟方案，进行模拟，并对针对地面最大沉降量、竖井洞周位移收敛比、邻近管片变形量进行评价分析，评价标准参见见表2～4。

表1竖井横通道开挖方案优化数值模拟方案

表2施工监控量测控制标准表

表3各类建筑物允许倾斜或沉降值表

表4城市轨道交通结构安全控制指标值

如图5所示，为分层台阶法施工工艺流程图。该过程的具体实施方式为：

(1)竖井横通道在开挖施工之前，应先进行：超前管棚和小导管20，开挖环形开挖体16，核心土17，竖井横通道初期支护系统11及锁脚锚管18；

(2)开挖下台阶及核心土17，竖井横通道初期支护系统11、锁脚锚管18及竖井横通道临时仰拱19；

(3)逐层开挖第一台阶7、二台阶8、三台阶9，竖井横通道初期支护系统11、锁脚锚管18及竖井横通道临时仰拱19；

(4)拆除四层台阶10的竖井横通道临时仰拱19，施作四层台阶10的竖井横通道二次衬砌12，以此类推向上逐层施工，直至所有临时支撑和杨工拆除完毕，并进行二衬混凝土的浇筑施工完毕，进行养护；

(5)在此期间，还要配合相应的监测手段，针对地层注浆效果、地表变形、横通道断面收敛变形、既有盾构管片13变形进行实时监测，一旦发现变形接近警戒值，立刻停止施工，进行加强支护系统，直至地层及结构安全后再进行下一步施工。

如图6所示，为地质雷达(GPR)和面波(SWS)探测线布置示意图。该过程的具体实施方式为：

(1)根据步骤1中提出地层超前预注浆方案，对注浆后地层的加固效果进行原位探测，对预注浆效果进行评估。

(2)可采用地质雷达GPR(SIR-3000型，天线中心的频率选择100MHZ)和面波仪(频率为4Hz，型号SWS5测试系统对横通道所在地层的面波波速进行了检测(偏移距和道间距分别为8.0和1.0m)，对注浆加固前后地层的电磁波、弹性波速进行无损探测，以对比分析加固前后地层含水率和弹性波速的变化情况。

(3)地层加固后含水率变化分析。水分对电磁波能量存在较大的削弱吸收能力，因此，岩土介质含水率越高对电磁波的削弱能力越强，波速越慢，相对介电常数则越高。可通过电磁波速与介电常数关系(7)(8)来获取地层加固前后含水率的变化特征：

θ

上式中，v

(4)地层加固后动弹模量变化分析。地层注浆加固前后的弹性波速可采用面波仪SWS5测试系统来获取面波波速V

式中，V

以某工程实际为例，将加固前后的地层平均含水率和动弹模量变化规律，按照上述处理方法，可得到地层注浆加固前后含水率及动弹模量的变化，见表5所示。

表5地层加固前后含水率及动弹模量变化规律

一般情况下，当地层在注浆加固后，平均含水率降低20％～50％，地层的动弹模量提高20％左右，即可视为加固效果满足要求。

(5)开展进行不同地层加固方案和支护方案的优化分析之后，应根据表2～4的评价方法，针对地面最大沉降量、竖井洞周位移收敛比、邻近管片变形量进行评估，提出最佳加固方案。

如图7所示，为盾构管片13内砂浆填充+邻近盾构管片13内钢架支撑网格图。该过程的具体实施方式为：

(1)基于步骤6，开展竖井横通道的临时支撑及加固的数值模拟，钢架支撑的模拟按照刚度等效法将其作用效应等效至衬砌中，通过提高该段盾构管片13的弹性模量来考虑加固效应，等效模量的计算公式见式(3)。假定E

(2)为了限制邻近盾构管片13发生过量位移，需要对管片进行配重，配重方法可采用：钢筋混凝土砌块堆载法、堆土加载法、洞内注浆封堵法等，综合考虑不同方法进行对比分析，其中砂浆充填方法较为常用。砂浆的弹性参数可根据JGJ98-2010《砌筑砂浆配合比设计规程》来计算，计算方法见表6。采用下式换算砂浆的弹性模量E。

上式中，w

表6不同砂浆标号的抗压强度设计值

(3)假定采用如下三种不同类型的砂浆：M2.5、M20、M30，则计算方案采用对应的三个计算方案中砂浆硬化后的参数取值如下：

方案1：M2.5砂浆回填(抗压强度σ＝0.5MPa，弹性模量E＝3.1GPa,泊松比μ＝0.32，容重γ＝2200kg/m

方案2：M20砂浆回填(抗压强度σ＝4.0MPa，弹性模量E＝8.9GPa,泊松比μ＝0.25，容重γ＝2200kg/m

方案3：M30砂浆回填(抗压强度σ＝6.0MPa，弹性模量E＝10.9GPa,泊松比μ＝0.24，容重γ＝2200kg/m

如采取其他型号砂浆方案，可根据式(10)和表6进行砂浆参数的计算。

(4)根据上述3个方案来计算不同砂浆方案下地层及地下结构力学响应，再根据表2～4的评价方法，针对地面最大沉降量、竖井洞周位移收敛比、邻近管片变形量进行评估，提出最佳加固方案。

如图8所示，为预留核心土法管片破除示意图。该过程的具体实施方式为：

(1)根据预留核心土法来计算地层及地下结构力学响应，再根据表2～4的评价方法，针对地面最大沉降量、竖井洞周位移收敛比、邻近管片变形量进行评估，提出合适加固方案。

(2)建议的管片的破除手段：水钻静力切割、无声破除；破除路径：1/4环+三横四纵切割；尽量减少全断面掘进式破除方法，全断面方法施工难以操作，要耗费大量人力、物力、财力；采用分区分块破除，能够节约大量成本。

如图9所示，为盾构隧道地表监测点示意图。该过程具体实施方式为：

(1)对于双线隧道，应沿着隧道轴线正上方的地表布设3～5个监测点，且监测点应保证盾构轴线处地表在与竖井横通道开挖边界相交处地表布置4个监测点，其余盾构轴线正上方地表处监测点应与横通道开挖线距离在5～20m之内，上述监测点用于检测轴线方向上地表沉降量随着盾构掘进期间的纵向沉降规律；

(2)应在横通道所处位置的地表至少布设1～3组横向沉降监测点，监测沉降槽曲线，监测点在横向上的间距应保持在2～3m以内；获取盾构通过前、通过时、通过后一段时间内的地表沉降槽曲线，用以分析地表沉降槽曲线的特征参数，便于地层参数的数值反演分析和后期的竖井横通道的各类施工方案的数值优化分析。

(3)可根据实际工程的规模大小适当调整监测点的布置方式，包括测点的布置位置、间距、组数等。

如图10所示，为竖井横通道施工地表及地下结构关键部位变形监测布置图。该过程的具体实施方式为：

(1)确定横通道施工期间变形监测内容及布设原则包括：横通道地表(DB)沉降监测(见图10a，监测点相邻间距3m)、横通道拱顶(GD)沉降监测(见图10b，相邻点间距5m)、横通道边墙(SL)收敛监测(见图10c，相邻点间距5m)，横通道临近管片(GP)的三维变形监测(见图10d，盾构管片13拱腰处共计布置8组16处三维变形监测点。

(2)确定监测点的监测频次：隧道每掘进一个循环进尺0.5m，针对地表沉降、横通道支护结构与既有盾构管片13洞周收敛进行监测一次，并计算累积变形与表2～4进行对比，一旦接近警戒值，立即停工采取强支护措施，降低施工风险，实现信息化施工管控。待施工结束后，再针对关键部位(地表和既有盾构管片13)连续监测1～2周，如发现有异常应及时采取措施，如未见异常则可竣工验收。

如图11所示，为“先盾后井”法宜遵循的施工控制原则示意图。该过程的具体实施方式为：

(1)管超前：横通道进洞处采用超前大管棚+单层注浆小导管加固地层。建议支护方案：管棚采用Φ127普通钢管，壁厚8mm，长度为30m，环向间距0.4m，拱部180°范围环向布设。待一层台阶7开挖至设计长度后进行管棚打设，管棚采用Φ127普通钢管，壁厚8mm，长度为13m，环向间距0.4m，拱部180°范围环向布设，注浆采用水泥浆或WSS双液注浆，现场必须对注浆效果进行检查，并对注浆的薄弱部位，重新补充注浆。正洞开挖之后，为保证开挖工作面的稳定，隧道开挖时须采用超前小导管注浆加固地层。超前小导管采用外径Φ42，钢管壁厚为3.5mm，长度为3.5m，根据格栅布置，间距四榀打设一次，沿隧道纵向搭接长度为1.0m，环纵向间距0.3×2.0m。

(2)严注浆：隧道暗挖施工过程中，改良地层条件非常重要，因此在开挖前在横通道拱部范围搭设大管棚及注浆，在拱部与大管棚间隔设置超前注浆小导管对地层加固，同时在一、二台阶范围、横通道端墙及盾构管片13与横通道接口处进行注浆加固，盾构洞内进行型钢支撑，再进行横通道范围内的盾构隧道封堵墙22施工，进行砂浆回填。

(3)短开挖：缩短每一个开挖循环进尺，每循环进尺控制在设计要求内，每步台阶长度不宜过长，以3m为宜，步间距使开挖和支护时间尽可能短。

(4)强支护：采用超前小导管注浆、挂网及格栅钢架和喷射混凝土等措施进行初期支护。在导洞开挖时，必须采用临时型钢支撑进行支护，以控制围岩的变形。

(5)快封闭：拱墙开挖初期支护后尽早施工初支仰拱,使初支封闭成环,以改善受力条件。

(6)勤量测：量测是对施工过程中围岩及支护结构变化情况进行动态跟踪的主要手段，其信息及时反馈给相关技术部门,如超过报警值时，应及时告知监理及设计单位协商，采取相应措施进行解决

本发明一种先盾后井的管片破除及地层防塌施工方法，其基于原位监测、数值模拟、理论分析、信息化施工等技术，全面掌握“先盾后井”的动态化施工信息，为地铁区间隧道及风井施工安全提供一套较为系统的信息化施工控制技术。