超大直徑盾構上穿越運營隧道監(jiān)護分析

袁 晨

（上海軌道交通維保中心 監(jiān)護工作部，上海 200070）

上海外灘通道工程為地下兩層機動車通道，是上海中心城區(qū)規(guī)劃的3條南北向主干道之一的東線重要組成部分.外灘通道北段工程盾構從天潼路工作井出發(fā)，沿大名路下穿蘇州河后，繼續(xù)沿中山東一路，向福州路工作井推進.該工程采用直徑為14.27m的超大直徑土壓平衡盾構機“外灘通泰號”施工，遭遇了許多世界級難題.其中便包括了穿越運營中的地鐵2號線，這是國內盾構法隧道施工史上第一次超大直徑土壓平衡盾構穿越既有運營隧道.本文綜合國內外其它盾構穿越的研究成果，針對該次穿越分析了超大直徑盾構上穿越施工對既有運營隧道的影響變形規(guī)律及監(jiān)護控制要點.

1 工程概況

外灘通道工程隧道與地鐵2號線平面基本呈十字相交，穿越區(qū)隧道中心線的水平面投影夾角為75°（見下頁圖1），穿越段盾構頂部覆土為7.9m，盾構底部距離地鐵2號線隧道頂部最近僅有1.4m，如下頁圖2所示.

圖1 穿越平面示意圖Fig.1 Plan view of project

圖2 穿越剖面示意圖Fig.2 Sectional view of project

圖3為穿越地質分布圖，圖中可見盾構上穿越的地鐵2號線隧道位于⑤1層灰色黏土和⑤3層灰色粉質黏土，外灘通道盾構位于②0江灘土，④層灰色淤泥質黏土和⑤1層灰色黏土.②0江灘土飽和、松散、局部以淤泥質粉質黏土為主，有時為砂質粉土，中高壓縮性.④層灰色淤泥質黏土流塑，夾薄層粉土，局部為淤泥質粉質黏土，高壓縮性.⑤1層灰色黏土和⑤3層灰色粉質黏土有時可塑，夾薄層粉土，局部較多，有時為黏土，中偏高壓縮性.具體土體物理特性見表1、表2.表2中，a，Es為壓力間隔在0.1～0.2MPa時土的壓力系數和壓縮模量.

圖3 穿越地質分布圖Fig.3 Profile of geological distribution

表1 土層力學性質表1Tab.1 Soil mechanical parameters 1

表2 土層力學性質表2Tab.2 Soil mechanicl parameters 2

隧道襯砌結構外徑13.950m，內徑12.750m，厚600mm，環(huán)寬2m.襯砌圓環(huán)分為9塊，即6塊標準塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊.采用錯縫拼裝通用襯砌結構.

施工盾構采用日本三菱公司設計制造的Ф14.270m的土壓平衡盾構，全長約為95m.其中盾構機本體長13.585m，1號車架長約25m，聯系鋼梁長約34.6m，2號車架長約22m（見圖4）.

圖4 施工盾構結構圖Fig.4 Structural drawing of the tunnel shield machine

該次穿越盾構直徑迄今最大，上穿土體卸載量大，且距離運營中的地鐵2號線隧道非常近.故工程上穿越施工要求的保護技術標準很高：地鐵2號線路保護等級為一級；隧道結構縱向沉降與隆起控制值為±10mm；土層損失率小于1‰.當監(jiān)測值超過總變形控制量的60%時要求報警，并采取應急措施.

2 監(jiān)測措施及施工控制

2.1 監(jiān)測措施

采用自動和人工監(jiān)測系統(tǒng)作為信息化施工的依據.自動化實施實時監(jiān)測，并在穿越后進行長期監(jiān)測跟蹤.自動監(jiān)測主要以盾構穿越地鐵2號線隧道中心線為基準，沿地鐵2號線線路向東、向西50m范圍內安排50支長為2m的電子水平尺.每隔5min測一次數據，沉降監(jiān)測精度可達0.3mm.人工復核點則利用常規(guī)光學測量儀器，每4～6m或更長距離布設一個監(jiān)測點（見圖5）.

圖5 沉降監(jiān)測布點圖Fig.5 Distribution map of metro line 2 monitoring points

2.2 施工參數

盾構穿越期間，總的原則是盡可能減少對地層的擾動，優(yōu)化并匹配盾構施工參數，使盾構推進對運營隧道的影響控制在最小的范圍內，其施工參數主要為土艙內壓力、出土量、推進速度、同步注漿量和注漿壓力等［1］.在盾構穿越地鐵2號線之前，設置穿越試驗段，位于中山東路下，長度為15環(huán).主要就以上幾點施工參數與地面沉降關系進行分析，掌握此段區(qū)域盾構推進土體沉降變化規(guī)律以及摸索土體性質，以便正確設定穿越地鐵2號線的施工參數和采取相應措施減少土體沉降.通過分析，得出以下監(jiān)護控制要點.

2.2.1 穩(wěn)定正面土壓力

盾構掘進過程中，當水平支護應力小于原始側向應力時，開挖面內土體向盾構內移動，引起地層損失而導致盾構上方地面沉降；反之，引起盾構前上方土體的隆起［2］.為此，合理控制切口平衡壓力對減少周邊土體擾動效果明顯.為穩(wěn)定正面土壓力，現場采用了如下措施：

a.設定土壓

理論正面平衡壓力為

式中，k0為土體側向靜止平衡壓力系數，取為0.75；γ為土體的平均重度，取為18kN／m3；h為隧道埋深，m；并得出盾構穿越地鐵2號線階段理論土壓值為0.195～0.193MPa.

在實際操作過程中，盾構隨著推進標高逐步上升，土壓力設定也隨之逐步降低，在管片拼裝時，土壓力損失為10%左右，穿越時主要根據穿越過程中深層沉降點的監(jiān)測數據逐環(huán)進行調整.

b.土體改良

采用在開挖面注入泡沫材料的方式進行土體改良，可確保艙內土砂的柔性和流動性，混合物的移出更容易，從而使盾構前方土體均勻；加大土的坍落度；降低土的滲透系數，有效降低土艙內壓力值的波動，從而減少對土體及地鐵2號線的擾動.

c.出土控制

根據盾構及管片之間的建筑間隙及各土層特性合理控制出土量，大約為開挖斷面的98%～100%.并通過土體稱重系統(tǒng)實測數據，結合土壓力設定值，嚴格控制出土量.

2.2.2 控制推進速度

盾構推進速度對運營隧道的隆沉變形有明顯的影響，因綜合考慮土艙正面土壓力、千斤頂推力及土體性質等因素［3］.要求均勻慢速推進，控制在10～15mm／min內.且盡量保持推進速度穩(wěn)定，確保盾構均衡、勻速地穿越地鐵2號線，以減少對周邊土體的擾動影響.

2.2.3 控制姿態(tài)調整

盾構推進會帶來額外的地層損失，由于受土層地質不均勻性的影響，人工操作上的誤差，甚至盾構機械本身的精度等，盾構掘進的中心線可能會與設計的軸線不一致，從而到一定階段必須對盾構姿態(tài)進行糾偏，滿足設計上的要求.而盾構姿態(tài)的變化將在盾構四周產生空洞區(qū)和擠壓區(qū)，會對周圍土體產生較大擾動［4］.所以，在盾構推進中，要求“分小段、多次、均勻糾偏”，單次糾偏量不超過2mm，單環(huán)糾偏次數不少于10次，杜絕大幅度糾偏，以減少地層損失和對周圍土體的擾動，降低對運營隧道的影響.

2.2.4 控制同步注漿量

同步注漿的目的是為了能夠及時填充盾尾空隙，防止周圍土體的坍塌，同時提高管片的耐久性，增強隧道的防水能力.漿液采用單液可硬性漿液，主要材料為砂、粉煤灰、石灰、膨潤土、外加劑和水，漿液坍落度控制在12左右.

根據分析，盾構上穿地鐵2號線區(qū)域時由于覆土淺，易產生隧道上浮的現象.為了有效控制隧道上浮，在盾構推進進入試驗段時，先進行模擬注漿，通過布設的深沉沉降監(jiān)測點監(jiān)測數據進行分析.

單環(huán)理論注漿量為

式中，D為盾構外徑，m；d為襯砌外徑，m.

根據前期推進地面監(jiān)測情況實際注漿量應為理論注漿量的130%～135%，即18.33～19m3.要求同步注漿流量要與推進速度相匹配，“及時、均勻、足量”，保證盾尾不漏漿.因推進后續(xù)結構施工，二次注漿極為困難，注漿的重點放在同步注漿一次到位.

2.2.5 控制土體卸載

超大直徑盾構穿越施工的一大顯著特點在于其土體卸載量大，本次穿越達到平均285t／m，可能直接導致地鐵2號線隧道上浮.考慮到口字件安放及兩旁邊混凝土的澆搗緊跟盾構施工（見圖6），且在穿越段口字件內放置鋼錠（約100t／m），外加盾構機架自重，這些重量可對隧道產生壓重效應，對防止隧道的上浮起到一定的作用.遂根據整個盾構穿越的4個階段，即盾構機頭主體、1號車架、聯系梁、2號車架分別穿越地鐵2號線作卸載計算，得出：

a.機頭穿越時卸載量約為136t／m；

b.1號車架穿越時的卸載量約為148t／m；

c.聯系梁穿越時卸載量約為170t／m；

d.2號車架穿越時卸載量約為152t／m.

可見最大風險點是在聯系梁位于地鐵2號線隧道上部之時，應盡量縮短這段時間，遏制隧道上浮.在實際施工中，于2號車架之后再次放置鋼錠鐵錠進行堆載，約100t／m，明顯緩解地鐵2號線隧道上浮趨勢.

圖6 圓隧道內部結構剖面圖Fig.6 Profile the internal structure of building tunnel

3 監(jiān)測數據分析

3.1 穿越地鐵2號線下行線隧道監(jiān)測數據分析

對地鐵2號線下行自動沉降監(jiān)測的數據進行時程圖（見圖7）及沉降分布圖（見圖8）分析.

圖7 地鐵2號線下行線隧道豎向位移時程圖Fig.7 Time chart of vertical displacement of metro line 2downlink tunnel

a.盾構本體經過隧道期間，隧道隆起量2.59mm，占累計隆起值27.85%，切口退出后速率明顯增加，達到0.41mm／環(huán).

b.1號車架經過期間，隧道隆起量為2.79mm，此階段隆起幅度相對較大，占累計隆起量約30%，隆起速率達到0.25mm／環(huán).

c.聯系梁經過期間，隧道隆起量為2.41mm，明顯呈現前期速率大，堆載后有所減緩的形態(tài)，隆起速率由0.20mm／環(huán)降至0.07mm／環(huán).

d.2號車架經過期間，隧道變形趨于穩(wěn)定.

圖8 地鐵2號線下行線隧道隆沉分布圖Fig.8 Distribution graph of vertical displacement of metro line 2downlink tunnel

3.2 穿越地鐵2號線上行線隧道監(jiān)測數據分析

對地鐵2號線上行自動沉降監(jiān)測的數據進行時程圖（見圖9）及沉降分布圖（見圖10）分析.

a.盾構本體經過隧道期間，隧道隆起量3.19mm，占累計隆起值33.26%，切口退出后速率明顯增加，達到0.49mm／環(huán).

b.1號車架經過期間，隧道隆起量為3.37mm，此階段隆起幅度相對較大，占累計隆起量約35.14%，隆起速率達到0.28mm／環(huán).

c.聯系梁經過期間，隧道隆起量為2.88mm，明顯呈現前期速率大，堆載后有所減緩的形態(tài)，隆起速率由0.24mm／環(huán)降至0.09mm／環(huán).

d.2號車架經過期間，隧道變形趨于穩(wěn)定.

圖10 地鐵2號線上行線隧道隆沉分布圖Fig.10 Distribution graph of verical displacement of metro line 2uplink tunnel

4 結束語

通過對于超大直徑盾構上穿越既有運營隧道的監(jiān)護技術總結，以及施工過程的監(jiān)測分析，可以了解到相比較普通直徑盾構穿越，超大直徑盾構因其施工時土體卸載量大，跨度較長，對被穿隧道將形成明顯且長時的變形影響和擾動.研究表明：

a.通過隧道隆沉分布圖發(fā)現，該次上穿越工程對被穿越隧道產生的影響為隆起，線性呈草帽狀分布，穿越軸線交點為最大值.

b.通過隧道豎向位移時程圖發(fā)現，在盾構開挖面穿過之后，隆起速率激增，而堆載是非常有效的緩解方法，明顯地降低了隧道上浮的速率，加速了隧道的穩(wěn)定.

c.超大直徑盾構上穿越已運營隧道工程施工各階段引起的隆沉變形與正面土壓力、出土量、土體卸載量等因素關系密切，為保證施工安全，必須通過穩(wěn)定土壓力、土體改良、控制卸載等要點實施有效的監(jiān)護措施.

［1］邵華.盾構近距離穿越對鄰近地鐵隧道的影響及其工程對策研究［D］.上海：同濟大學，2005.

［2］劉建航，侯學淵.盾構法隧道［M］.北京：中國鐵道出社，1991.

［3］葉耀東，據娟，王如路.盾構穿越運營地鐵隧道施工技術探討［J］.施工技術，2005，34（12）：67－68.

［4］邵華，張子新.盾構近距離穿越施工對已運營隧道的擾動影響分析［J］.巖土力學，2004，25（增）：545－549.