盾構機在未經加固的軟土地層中近距離
穿越運營中地鐵隧道施工技術研究簡介
【內容摘要】 本文通過上海地鐵M4線，盾構機在未經加固的軟土地層中，近距離穿越正在運營中的地鐵2#線隧道時，對周圍土體變形狀況、機理以及地層后期沉降的研究，提出了盾構推進對近距離已建隧道影響，進行有效控制的施工方法及能數，為工程施工提供理論基礎。
【關鍵詞】 構法隧道 穿越施工 未經加固的軟土地層 地鐵運營 信息化施工
前 言
上海市軌道交通明珠線二期工程(M4線)，是繼上海地鐵1#、20線后的，本市第3條重大地鐵隧道工程建設項目。將與正在運營的明珠線一期工程(高架輕軌)共同構成環形軌道交通客運線。因此，M4線隧道必須穿越地鐵2＃隧道。
在穿越期間，要確保正在運行的地鐵2＃線隧道安然無恙，難度是非常高的。
因此，必須對盾構機近距離穿越，位于未加固軟土地層運營地鐵隧道的施工技術，進行理論研究。
1 工程概況
我公司建的明珠線二期張楊路—浦電路站區間隧道工程，位于浦東世紀大道、福山路。
隧道外徑為6．2m，內徑5．5m。采用錯縫襯砌，每環襯砌由3塊標準塊(B)，2塊鄰接塊（L），1塊封頂塊(F)組成，管片厚度為0．35m，寬度為1．2m。
隧道總長度為1422．718m，共1187環。采用日本，三菱公司生產的φ6340土壓平衡盾構機，長度8．6m。
盾構穿越地鐵2＃線隧道的區域位于世紀大道下方，且是與濰坊路、福山路的交匯處。
世紀大道是我市新建的現代化道路之一，路面寬闊，共有8—12條機動車道和2條非機動車道，路面寬達50余米，交通高峰時車流量很高。道路兩側建筑物主要有世紀聯華超山及住宅樓等。道路下方地下管線縱橫交錯。
2 工程地質
上海地鐵區間隧道主要穿越灰色淤泥質粘土④層，為飽和、流塑、夾少量薄層粉砂的粘性土，屬高壓縮性土；灰色粘土⑤l層、灰色粉質粘土⑤2層，很濕、軟塑、含水量高、孔隙比大、敏感度高，受擾動后沉降大、穩定時間長，分屬高偏中及中壓縮性土。
本工程穿越區段的地鐵2＃線隧道位于灰色淤泥質粘土④層，下穿的M4線隧道洞身歷經灰色淤泥質粘土④層、灰色粘土⑤l層、灰色粉質粘土2層
3 工程特點與難點
(1)地鐵20線為正在運營的隧道，必須確保地鐵列車的運行安全。盾構穿越施工時的保護標準要求很高。
正在運營地鐵2#線保護等級：一級
線路安全正常運營要求：隧道內兩軌道橫向高差 ≤2mm
軌向偏差和高低差<2mm／l0m (即橫向差異沉降<1．4‰)
結構變形控制要求：隧道結構縱向沉降與隆起 ≤±5mm
隧道結構縱向水平位移 ≤±5mm
隧道收斂值 ＜20mm
監測值超過總變形量1／2時報警，并采取應急措施
(2)地鐵2＃線區間隧道位于灰色淤泥質粘土④層，飽和、流塑、孔隙比大、敏感度高，屬高壓縮性土，受擾動后沉降大、穩定時間長。在穿越前未作任何加固處理。
(3)盾構機從堆鐵2＃線隧道下方斜向穿越；穿越距離長，影響范圍大。
上行線：隧道交疊的投影長度約為96米（137-217環)
下行線：隧道交疊的投影長度約為69米(354—412環)
加上前后5—l0m的影響區，施工影響區域的范圍大。
(4)兩隧道問的距離小，最小為1.045米。
上行線：隧道間投影交叉點的凈距離分別為1．045米和1．375米
下行線：隧道間投影交叉點的凈距離為1．719米和1．542米
據了解日本交疊隧道的間距一般較大些，且隧道所處的土層較好。
(5)盾構曲線穿越施工，增加了對土體的擾動。
本區間上行線隧道在穿越區段的線形為，平曲線R=379．851m，豎曲線R=2995m；下行線隧道在穿越區段的線形為，平曲線R=399．85lm，豎凹曲線R=2995m。
盾構姿態與鄰近隧道的變形
盾構推進時盾構姿態的改變對周圍的影響很大。盾構推進時由于各種不確定因素，盾構軸線產生偏差。盾構在曲線推進、糾偏、抬頭或后叩頭時，實際開挖斷面是橢圓形。盾構軸線與隧道軸線偏角越大，對土體擾動也越大。
盾構姿態變化引起的地層損失
盾構姿態對鄰近隧道的影響，其原因是由于盾構姿態的改變引起了地層損失。因此在研究盾構姿態對鄰近隧道影響的時候，必須先計算出盾構姿態變化引起的地層損失。盾構推進時姿態的改變對周圍土體的影響圖所示。
根據上述計算可知，盾構機在穿越施工時，每推進1環(1200mm)，盾構機頭理論上就必須向右偏轉13．6mm，向上抬頭1．73mm；而同時盾構機尾必須向左偏轉13．6mm，向下磕1.73mm。事實上，盾構機的糾偏，也不是完全按其幾何中心旋轉，實際糾偏量會更大。
(6)盾構掘進時，前倉的土壓力波動
隨著盾構掘進施工技術水平的發展，盾構機的性能也有了很大的提高。土壓平衡式盾構 掘進時，所采用的自動化控制模式，避免了人工操作易產生的誤差，提高了控制的精度，對上海地區的均勻軟土地層尤為適用。
但自動化控制系統的數據反饋修正有時間上的滯后性，實際土壓力的控制必然與理論設 定值存在一定的偏差。施工實踐顯示，實際土壓力波動值達到0．1—0．12 Mpa，雖然這已達到了當前土壓平衡式盾構施工的先進水平，但對于如此近距離穿越地鐵2#線的高精度控制要求，其波動值還是過高。
(7)拼裝管片時，前倉的土壓力波動影響
盾構每掘進1環(1．2m)，必須停下來拼裝管片：此時，盾構機的千斤頂控制模式轉為拼裝狀態，千斤頂液壓系統的額定壓力為6．5Mpa(正常推進時千斤頂液壓系統的額定壓力為32Mpa)。設計的考慮是在拼裝狀態，使用個別千斤頂時，不至于頂壞管片。同時也保證了在拼裝時，盾構機的姿態不發生較大偏移。
實際施工表明，在拼裝管片的過程中，盾構機有微量的后退，前倉土壓力變小：根據統計，拼裝管片前后的土壓力變化值可達0．1 Mpa：因此，在穿越施工時，拼裝時土壓力的波動，必然會引起周圍土體應力(主要是正前方)的波動，從而加劇了對土體的擾動。
(8)上、下行線二次穿越施工的不同點
4 盾構掘進引起地層變形和移位的主要因素
1 地質狀況
盾構選型取決于地質，掘進所造成的地層位移亦與地質有關。隧道沉降槽寬度系數i與土層的內摩擦角及隧道埋深之間有如下關系：
i=Z／(2*πtg(45—Φ／2))
其中Z為隧道的埋深，Φ為土體的內摩擦角，對于成層土Φ為各土層的加權平均值。另有研究指出，地表沉降槽的寬度主要取決于最接近隧道拱頂的土層的特性：位于地下水位下的隧道，地表沉降槽的傾角β主要取決于隧道上方承壓水土層的物理與力學特性。
2 盾構法隧道的施工工藝
盾構掘進過程中對土體的壓力、蛇行糾偏等對地層位移有最重要的影響。注漿材料的特性、注漿量與注漿時間以及所采用的輔助工法(如降水。凍結、加壓)也對地層的位移有很大的影響。
3 隧道埋深
盾構法隧道施工，隧道的埋深必須大于盾構最小覆土厚度的要求。在不同的地質條件下，相同的埋深引起的地層變形和位移是不同的。經典的Peck理論反映了隧道埋深與地層最大沉降量、沉降槽范圍之間的相互關系。進一步研究指出，隧道的埋深與沉降槽之間的關系可由下式來描述：
i／R：k*(H/D)n
式中：R／D為隧道的半徑／直徑，H為隧道的埋深，I為隧道軸線到地表沉降槽的距離，k與n為與地層土力學性質及施工因素有關常數。
大量的研究提出，在含水塑性粘土中，上式中的K=1，而n=0．8，即可簡化為：
i／R=(1-IYl))0．8
4 地面載荷
隧道上部酌載荷與地層位移的關系可用穩定系數來表述：
Ns=(σz－σt)/Cu (1－4)
式中：σz隧道中心埋深處的總壓力，σr為隧道支護壓力，
C,u為土體不排水抗剪強度。
上海地區盾構法隧道的實踐表明，在飽和含水的塑性粘土中，盾構掘進引起的地層沉降， 隨穩定系數的增加而增大。當Ns<2時，地層位移較小。Ns=2-4時，地層的位移將對鄰近 (地下)構筑物產生影響。而Ns=4-6時，盾構掘進將會產生較大的地層位移。
4．1 盾構掘進引起地層位移的機理
盾構掘進所引起的土體變形主要成因有：掘進引起的地層損失、地層原始應力的變化、土體的蠕變、擾動土體的固結、襯砌結構的變形等。因此土體位移場中任意點的位移可表示為：
δ=δ1+δ2+δ3+δ4+δ5
式中：
δ：土體的總位移；
δ1地層損失所造成的位移；
δ2地層應力改變所引起的位移；
δ3土體固結與蠕變形成的位移；
δ4襯砌結構變形所造成的位移；
δ5其他因素引起的位移；
地層損失引起的地層位移
地層損失是指盾構掘進中實際開挖土體的體積和隧道體積(含隧道外圍注漿體體積)之 差。劉建航院士提出：盾構掘進中的施工工藝是造成地層損失的主要因素。
開挖面的土體移動
盾構掘進時，開挖面土體受到的水平應力小于原始應力，開挖面土體則向盾構內移動，引起地層損失從而導致盾構上方地面沉降。反之正面土體則向上、向前移動，引起負地層損失(欠挖)而導致盾構上方土體的隆起。
盾構在曲線掘進糾偏時，實際開挖斷面呈橢圓形，就會造成一定的地層損失。并且盾構軸線與隧道軸線的夾角越大，則對土體的超挖量也越大，所造成的地層損失也越大。
注漿量的控制
同時是否及時注漿，也是造成地層損失的主要原因之一。盾構在粘性土層中推進時，盾尾后隧道外周所形成的空隙會有較大的增加，若不適時的增加注漿量，必然加大地層損失。
施工引起的地層損失主要有：1．正常的地層損失；2．不正常地層損失；3．災害性的地層損失。其中不正常地層損失和災害性地層損失可以通過控制施工質量來減少。
初始應力改變引起的地層位移
開挖隧道其必然結果是導致圍巖介質初始應力的改變，并產生應力重新分布和相應的地層移動。
土體固結與蠕變形成的地層位移
盾構推進時的擠壓作用以及盾尾的壓漿等，使周圍地層形成超空隙水壓力區。超空隙水壓力將在一段時間內消散復原，地層發生撐水固結變形，引起地層位移。同時土體受到擾動 后，其骨架還將發生持續時間很長的壓縮變形，在次土體蠕變過程中產生的地層沉降為次固結沉降。對于空隙比和靈敏度較高的軟塑和流塑性土層，蠕變所產生的次固結沉降往往要持續幾年，占總沉降量的比例有時可高達35％。
襯砌結構變形引起的地層位移
襯砌結構變引起地層位移的機理是，變形必然導致相應的地層損失。襯砌結構變形所引起的地層位移一般占地層總位移的比例較小。但當隧道結構尺寸較大時，所產生的地層損失將不可忽略。
其他因素引起的地層位移
除上述主要因素外，管片的滲漏水將會引起周圍土體空隙水壓力的下降，而導致土體固結產生地層位移；其次注漿材料凝固時收縮，使隧道與周圍土體之間產生間隙，也會產生相應的地層損失。
4．2 地層的后續沉降
地層后續沉降在總沉降量中的比例很高。后續沉降涉及土體的固結、隧道與土體的相互作用等問題，目前尚無可直接運用于工程實踐的理論研究。可運用統計學原理，對盾構掘進過程中地層沉降的規律進行統計研究，是現代巖土工程學重要的方法之一。
4．3 盾構機正常推進時土體的變形狀況
盾構在粘性土層中掘進，正常情況下的土體瞬時變形移動(不包括土體的長期沉降)如圖所示：
1．盾構開挖減小了土層的水平壓力，導致正面土體崩塌。土體向盾構方向移動。崩塌區域的取決于正面土壓力大小；
2．由于盾構機殼與土體摩擦，導致盾構側面的土體被向前擠壓；
3．盾構正面地層的隆沉(正面土體崩塌區域以外)，取決于盾構掘進時土壓力；
4．盾尾處的地層下沉，由于管片脫離盾尾時的建筑空隙的產生，通過同步注漿加以控制；
5．土體變形沿隧道橫斷面方向的擴展，約在盾構下部向上仰角為45度的范圍內。
盾構推進導致的土體水平位移
盾構推進改變了切口處土體的原始水平應力，土體發生隆沉和水平位移；盾殼與土體之間的摩擦亦使土體產生水平位移；推進時的地層損失造成土體卸荷，同樣導致土體發生水平位移。水平位移導致鄰近構筑物承受水平荷載，因此，在盾構穿越鄰近構筑物時，須重視水平位移的影響。
水平位移的影響范圍
盾構推進時，水平位移的影響范圍為切口前方15m—20m。據國內、外的一些資料表明， 盾構推進時前方的擠壓影響范圍為2D—3D(D為盾構的直徑)。
水平位移的后期變化
距盾構較近的點，其水平位移的后期變化較小。而離盾構有一定距離的點，土體水平位移的發展在一定的時間內仍在繼續進行。因為盾構在推進時，由于盾構殼體與土體之間的摩擦力，導致土體沿盾構推進方向位移。而距離盾構推進軸線較遠時，這種水平位移不是瞬時完成，位移在土體中的傳遞需要一定的時間(延時效應)。
5 穿越施工組織與方案
5．1 在已建地鐵2＃線隧道內安置自動監測系統
電子水平尺自動監測系統
盾構穿越前，在地鐵2＃線隧道穿越影響區段內布設電子水平尺自動監測系統，通過連接電纜將監測數據傳輸到監控室，進行實時、精確的監測。
電子水平尺(ELBEAM)是美國SLOPEINDICATOR公司推出的測量物體傾斜(即兩點間 高差)的儀器，將它多個連用，就能監測物體的不均勻沉降。
構造：電水平尺的核心部分是一個電解質傾斜傳感器(見圖)。它是利用電解質來進行水 平偏差(即傾斜角)測量的儀器，它的顯著特點是測角的靈敏度很高，可達1秒(相當于在1米的直尺上由于兩端有10微米高差形成的傾角)，而且有極好的穩定性。
電子水平尺自動監測設備布置范圍：
首次穿越時，2＃線隧道上行線布設長度為60m；下行線長度為72m。第二次穿越時，上行線布設長度為70m；下行線長度為72m。電子水平尺首尾相接地安裝在整體道床上。由于本次電子水平尺布設的長度的影響，實時沉降曲線的精度為0．3mm。
同時道床上單獨橫向布設了3—5支電子水平尺，監測隧道內兩軌道的橫向高差。
自動監控室與施工現場值班室之間的聯系方式：計算機通過局域網每隔5分鐘傳輸一組數據。
隧道變形監測系統
盾構穿越前，地鐵2＃線隧道影響區段內布設了巴賽特收斂監測系統，對隧道的橫斷面(圓度)變形進行實時、精確的監測。
巴賽特收斂監測系統在本次穿越施工中作為輔助監測措施。
隧道內的人工監測
在上述電子水平尺監測范圍內的隧道襯砌及道床上，布設了人工高程監測點，每24h1—2次，用于檢驗和校核電子水平尺布實時沉降數據。
5．2 加密設置地表監測點，增加測量頻率
在穿越地鐵2＃線上方的世紀大道上布設二個沉降觀測斷面，軸線每5米布設一個沉降監測點，同時監測所有地面窨井。
穿越地鐵2＃線時4小時監測一次，穿越初期為2小時一次。如遇變形超過報警值，將進行跟蹤監測。
5．3 合理設置土壓力值，防止超挖和欠挖
盾構推進時，根據電水平尺可數據采集器和地面沉降監測信息的反饋，及時調整土壓，從而科學合理地設置土壓力值及相宜的推進速度等參數，防止超挖和欠挖，以減少對土體的擾動。
5．4 穿越時降低推進速度，嚴格控制盾構方向，減少糾偏，特別是大量值糾偏
盾構推進速度對已建隧道的隆沉變形有明顯的影響。
盾構推進速度與土倉正面土壓力、千斤頂推力、土體性質等因素有關，一般應綜合考慮。
穿越時的推進速度一般為l0mm／min。過慢的推進速度，將增加對土體的擾動。
在穿越地鐵2＃線的推進過程中，每50em測量一次盾構機的姿態偏差，盡可能減少糾偏，特別是要杜絕大量值糾偏，從而保證盾構機平穩地從地鐵2＃線下方穿越。
5．5 穿越期間使用鉸接裝置
穿越區段隧道的平曲線線形為R379．851m。為減小對地層的擾動，穿越地鐵2#線時，使用盾構機的鉸接裝置。鉸接角的開啟度為理論值的60％—80％。
5．6 穿越期間采用惰性漿液注漿及雙液補漿工藝，并確保注漿量
正在運營的上海地鐵2＃線是需重點保護的地下構筑物。由于其保護要求較高，盾構穿越后半年內的累計沉降量小于5mm，因此須重視合理選用注漿工藝。
盾構同步注漿采用惰性漿液，盾構穿越后進行雙液補注。
5．7 對詼區段二隧道間土體進行雙液注漿加固
盾構穿端后，根據設計要求須對二隧道間土體進行注漿加固。
根據二隧道的相對位置，選取不同部位的預留注漿孔注漿，加固注漿深度1．5米。依據2＃線內的電水平監測數據做到信息化施工。
5．8 對地鐵2＃線區間隧道實施長期監測及跟蹤注漿
盾構穿越后，對地鐵2＃線區間隧道實施長期監測，并進行跟蹤注漿；半年內的累計沉降不大于5mm，確保2＃線的正常運營。
5．9 信息化施工
在穿越施工過程中，貫徹信息化施工的原則，制定詳細的信息傳遞網絡。在穿越施工期 間，須以2＃線隧道內部的監測數據為主。
5．10 應急予案
地鐵盾構從已建地鐵2＃線隧道下方穿越，風險高，因此必須制定必要的應急措施，在M4線隧道上方予設注漿管，必要時向隧道上方注漿。
5．11 科研攻關
在第二次穿越期間，我公司聯合上海市同濟大學成立了張楊路—浦電路區間隧道工程穿 越地鐵2＃線科研攻關小組。
測試的目的是分析不同推進參數方案下土體孔隙水壓力變化及消散規律，為以后同類工 程施工積累經驗，目前此項仍在進行。
原文出處：《城建集團第三屆科技大會論文集》
