超大直徑土壓平衡盾構近距離下穿人行通道施工控制技術

戴仕敏

（上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院、上海隧道工程股份有限公司，上海市200082）

0 前言

隨著城市中心區(qū)域日益增長的交通需求，以及盾構施工技術的日趨成熟，超大直徑隧道的應用前景越來越廣泛。盾構法由于開挖面支護壓力、建筑空隙、注漿壓力等影響，盾構法施工不可避免地會對周圍地層產(chǎn)生擾動，引起地層變形。目前，國內(nèi)外對軟土地區(qū)盾構施工引起地層變形進行了有價值的研究，但關于盾構近接施工對既有建構筑物的研究相對較少，尤其是超大直徑盾構隧道的近接施工影響問題，國內(nèi)尚未形成系統(tǒng)的研究。而在目前的發(fā)展趨勢下，城市中心區(qū)域超大直徑盾構近接施工的影響問題將會愈加復雜。所以如何確定近距離下穿時的超大直徑盾構施工參數(shù)是亟需解決的問題。

本文結合上海市外灘通道近距離下穿南京東路地下人行通道工程，結合數(shù)值分析和現(xiàn)場監(jiān)測，研究軟土地區(qū)超大直徑土壓平衡盾構隧道近距離下穿既有構筑物施工參數(shù)問題。

1 工程概況

外灘通道是上海市“三縱三橫”交通主干網(wǎng)絡中三縱東線的組成部分，被譽為解決上海市中心交通問題的“心臟搭橋手術”式的工程，如圖1所示。施工盾構采用目前國內(nèi)最大直徑的Ф14 270 mm的土壓平衡盾構機施工。隧道襯砌結構外徑13.95 m，內(nèi)徑12.75 m，厚600 mm。這也是超大直徑土壓平衡盾構機在我國首次使用。

圖1 外灘通道穿越南京東路人行通道平面圖

盾構在里程NXK0+384～NXK0+369處穿越南京東路地下人行通道。人行通道寬9 m，高度4.5 m，埋深2 m。人行通道下部為鋼筋混泥土板樁結構，板樁寬約0.5 m，厚0.25 m，長約11.5 m。隧道與人行通道的位置關系如圖2所示。盾構推進通過南京東路地下通道前，所有板樁將全部移除，通道下方回填素土，采用注漿法作適當加固。

圖2 南京東路地下人行通道與外灘通道位置關系圖

新建隧道盾構穿越的土層主要有：③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④灰色淤泥質(zhì)粘土、⑤1灰色粘土。南京東路地下通道則主要位于①雜填土、②0江灘土、③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土地層中。隧道頂部與人行通道的距離僅2.4 m。穿越段主要土層性質(zhì)見表1所列。

表1 主要土層性質(zhì)參數(shù)表

2 盾構近距離下穿施工參數(shù)設定

盾構推進過程中對周圍環(huán)境有明顯影響的施工參數(shù)主要有土艙壓力、推進速度、注漿壓力及注漿量、出土量等。外灘通道使用的超大直徑土壓平衡采用的是無級變速的螺旋出土機和全自動控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)出土量與推進速度的自動匹配，因此，本文主要針對土艙壓力和注漿參數(shù)的合理設定展開分析。

2.1 盾構土艙壓力設定分析

根據(jù)現(xiàn)有的理論分析和現(xiàn)場監(jiān)測可知，盾構推進過程中土艙壓力的設定值與開挖面前方和上方的水土壓力具有明顯的相關性。本文建立三維數(shù)值模型，對盾構穿越地下通道進行了數(shù)值模擬。隧道結構、地下人行通道以及土體單元均采用實體單元模擬。模型如圖3所示。

圖3 計算模型

一般情況下，盾構正面平衡壓力按照P=K0γh設定。式中：P為平衡壓力（包括地下水）；γ為土體的平均重度（取18.0kN/m3）；h為隧道中心埋深；K0為土的側向靜止平衡壓力系數(shù)。

圖4為盾構切口位于通道正下方時，通道最大變形與土艙壓力設定值之間的關系。從圖4可以看出，地表變形和土艙壓力的設定值基本呈線性關系，土艙壓力按照K0=0.82時，地面變形最小。從實際施工的角度考慮，若需將盾構前方地表變形控制在±5mm以內(nèi)，則土艙壓力的取值范圍為：K0=0.75～0.87。

圖4 土艙壓力設定和通道最大變形關系曲線圖

根據(jù)穿越段前期的推進施工統(tǒng)計，外灘通道工程的土艙壓力設定一般為K0=0.78，計算所得結果略大，這是由于具有一定剛度的人行通道對上部土壓力也具有承擔、分散的作用，所以穿越段土艙壓力的設定也有別于正常推進情況下的設定。

由于外灘通道工程盾構直徑達到14.27m，施工過程時會同時在不同的土層中掘進，因此在考慮土艙壓力設定時必須結合考慮不同土層的工程性質(zhì)。

盾構在穿過南京東路人行地道時，地層分布較為平均，從上到下依次為③灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、④灰色淤泥質(zhì)粘土及⑤1灰色粘土。但由于盾構頂部覆土淺，距離通道僅2.4 m給土艙壓力控制增加了難度，因此應盡可能減少切口土壓的波動。根據(jù)計算結果，土壓力控制在140 kPa（K0=0.85）左右。

2.2 注漿參數(shù)分析

盾構本體同步注漿系統(tǒng)通過6個注漿點 (0°、60°、120°、180°、240°、300°) 對盾尾管片外部建筑空同步實施注漿（見圖5）。

圖5 同步注漿盾尾注漿孔示意圖

注漿量要保證對盾尾間隙的填充率，該隧道每環(huán)理論注漿量為14.18 m3，實際的注漿量為理論建筑空隙的120%～140%，即17～20 m3。

注漿壓力的計算公式為：

P=P1+P2+P3

式中：P1為該注漿點泥水壓力值，bar;P2為注漿管損失壓力，根據(jù)盾構機取2～3 bar;P3為注漿壓力差，一般取1.5 bar。

注漿壓力的設置不僅要充分充填盾構施工產(chǎn)生的地層空隙，同時要避免過大的注漿壓力引起人行通道有害隆起或破壞管片襯砌，防止注漿損壞盾尾密封。因此，在近距離穿越南京東路地下通道的過程中，必須以注漿壓力為主要控制標準。南京東路隧道穿越段主要為軟弱土層，掘進后渣土易坍塌，無形中減小了盾尾空隙，造成漿液流動不暢，要獲得有效充填，則所需注漿壓力較大；同時由于通道距離隧道僅2.4 m，在穿越前進行了清障施工，下部土層相對薄弱，通道變形對盾構推進更為敏感，所以注漿壓力不宜過大，建議施工時對通道嚴密監(jiān)控，實時地對注漿參數(shù)尤其是區(qū)域1進行調(diào)整。

2.3 近距離穿越施工其他建議

盾構推進速度控制在25 mm/min以內(nèi),做到平穩(wěn)、勻速推進，減少對土體的波動。此階段盾構平面為R634的圓曲線，豎向為－0.3%的直線，推進過程中根據(jù)自動測量系統(tǒng)進行均勻糾偏，嚴禁急糾急轉。

由于穿越地下通道時，盾構推進參數(shù)要做適當?shù)恼{(diào)正，因此建議將下穿分為穿越前調(diào)整段、穿越控制段和穿越后控制段。各區(qū)長度的確定則要綜合考慮盾構穿越層土壓力的大小、盾構機推進的影響范圍、盾構機土艙壓力的調(diào)整能力等，以保證施工參數(shù)調(diào)整的充分過渡。

3 現(xiàn)場施工措施分析

3.1 施工控制措施

穿越區(qū)域管片設置剪力銷，內(nèi)弧面設置預埋鋼板，加強管片的縱環(huán)向連接，以便控制管片的縱向平整度、橢圓度和環(huán)縫。在管片拼裝過程中，避免因縮千斤頂造成的盾構機后退、土壓力降低，若土壓力降低量超過控制土壓的15%，須通過注漿管的分管向土艙內(nèi)注入同步注漿漿液。

推進速度為20～25 mm/min，減少對周圍土體的擾動，每環(huán)的推進過程中避免長時間停滯。嚴格控制推進速度，如果推得過快則刀盤開口斷面對地層的擠壓作用相對明顯，地層應力來不及釋放；推得過慢則刀盤的切削對地層擾動作用相對明顯，容易造成超挖。

結合通道的內(nèi)部結構在通道內(nèi)設置實時的監(jiān)測儀器，盾構推進人員根據(jù)通道的變形情況對施工參數(shù)數(shù)進行實時調(diào)整，如圖6所示。

圖6 測點布設圖

3.2 施工監(jiān)測分析（見圖7）

從圖7中可以看出，盾構開始推進，通道相應地發(fā)生隆起，而當盾構完成推進進入拼裝階段或者由于機械故障停止推進時，通道則發(fā)生沉降。這表明正常推進時，超大直徑土壓平衡盾構對通道主要起到擠壓的作用。推進時土艙壓力基本按照K0=0.85控制，在切口到達前通道隆起約5mm。由于盾構長度大于通道寬度，所以主要的隆起則發(fā)生在盾構通過的過程，因此為了控制隧道變形，盾構在372環(huán)推進結束后稍作停頓。

圖7 盾構穿越階段南京東路地下通道變形曲線圖

盾尾脫出后，在375環(huán)、376環(huán)，通道的變形主要受同步注漿影響，這一階段，同步注漿率為120%，距離測點最近的注漿孔注漿壓力為0.54MPa。盾尾脫出約3～4環(huán)后，通道的變形開始不受盾構推進的影響，呈現(xiàn)出下沉的變形趨勢。

盾構穿越過程中，通道的變形主要發(fā)生在通道的中部，通道兩側的變形較小，僅有約1mm的波動變化。盾尾脫出約10環(huán)時，通道中部有發(fā)生約3mm的隆起，這是由于盾構后續(xù)1#車架脫離通道后，作用于隧道的重量減小，使隧道發(fā)生一定的上抬，從而對上部的人行通道造成了一定的影響。之后通道的變形逐漸穩(wěn)定，最終，通道中部比初始狀態(tài)上抬了1mm，兩側比初始狀態(tài)下沉了1mm，整個通道的不均勻變形約2mm。

4 結語

（1）由于具有一定剛度的人行通道對上部土壓力也具有承擔、分散的作用，所以盾構穿越段土艙壓力的設定略大于于正常推進情況下的設定。

（2）超大直徑土壓平衡盾構近距離下穿地下通道時，應以距離通道最近的注漿區(qū)域為主要控制區(qū)域，控制標準應以注漿壓力為主。

（3）盾構推進時對通道主要產(chǎn)生擠壓作用，使隧道發(fā)生了一定的隆起，停止推進時則發(fā)生回落；大部分變形發(fā)生在盾構機機身穿越通道的過程中，為了控制這一階段的變形，應根據(jù)監(jiān)測情況對盾構的推進狀態(tài)做出相應調(diào)整。

（4）施工時各項參數(shù)的設置以及控制措施都對通道的變形起到了良好的控制效果，最終，通道中部比初始狀態(tài)上抬了1mm，兩側比初始狀態(tài)下沉了1mm，整個通道的不均勻變形約2mm。

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