软土地层超大盾构穿越运营地铁隧道的变形控制技术研究

周 隽（上海隧道工程股份有限公司，上海 200232）



软土地层超大盾构穿越运营地铁隧道的变形控制技术研究

周 隽
（上海隧道工程股份有限公司，上海 200232）

摘 要：研究了上海软土地层14.27m土压平衡盾构近距离上穿运营地铁隧道的上浮控制技术。采用数值分析方法分析了开挖卸载和不同堆载方式下大直径盾构推进对于下方隧道的影响范围和影响程度，提出了盾构施工参数控制结合隧道内堆载的施工变形控制理念。通过在上海外滩通道工程穿越运营地铁2号线的施工实践，验证了该控制方法的可行性，为类似工程提供了可供借鉴的实用方法，也丰富了上海工程性地面沉降的防治实践。

关键词：软土地层；土压平衡盾构；地铁隧道；变形控制；工程建设；地面沉降

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大断面市政地下通道可有效缓解交通拥堵，分流区域过境交通，提升城市功能，在城市路网结构中的地位日趋重要。但受线路规划及地下空间资源等的限制，地下通道不可避免地存在近接穿越既有地下结构的情况，如近接穿越运营地铁、市政管线等。同时，市政地下通道开挖断面大，每延米开挖卸载量远超地铁隧道开挖卸载量，因卸载引起的地层位移将对邻近地下结构产生不利影响，由此引发的环境保护问题是工程施工期关注的重点之一。

有关科技人员对此作了相关研究，如以实测数据分析为主，研究了上部穿越对下方地铁隧道沉降的影响，并将隧道沉降变化分为先期沉降、隧道通过时隆起、穿越后一段时间内的隆起和后期沉降4个阶段［1］；通过3D数值模拟研究了给定地层损失率下新建隧道近距离（最小1.34m）上穿既有地铁隧道的影响，在盾构推进速度、正面土压设定、注浆与补偿注浆等方面提出了施工控制建议［2］；采用离心模型试验研究了新建隧道上穿运营地铁线对周围地层和既有隧道的影响，分析了既有隧道与新建隧道的纵向位移变化规律［3］。此外，也有一些学者采用室内试验等方式研究了新建隧道近接穿越对既有隧道的影响［4～7］。总体来看，目前的研究多集中在新建地铁隧道近距上穿既有地铁隧道的影响与控制，对超大直径土压平衡盾构穿越运营地铁施工控制技术的研究尚不多见。

为此，本文以上海软土地层外滩通道建设中超大直径（14.27m级）盾构近距离穿越运营地铁2号线为背景，针对大断面隧道开挖卸载下既有隧道的保护问题，通过数值模拟分析隧道开挖卸载和不同堆载量对下方隧道位移的影响范围和影响程度，结合工程试验段推进情况，提出盾构施工参数控制结合隧道内堆载的施工变形控制理念。

1 工程概况

上海外滩通道工程自北至南穿越整个外滩地区，全长约3.3km，在国内首次采用单管双层六车道横断面。其中盾构段全长1098m、环宽2m，隧道衬砌结构外径13.95m、内径12.75m、管片厚0.6m，采用Φ14.27m土压平衡盾构施工，系超大直径土压平衡盾构在我国的首次使用。整个盾构隧道段共需要管片557环（包括负环）。每环管片由封顶块、邻接块、标准块三类共9块管片组成，为通用楔形管片，采用错缝拼装。管片纵向和环向均采用螺栓连接，管片环与环之间采用34根M30的纵向螺栓连接，管片块与块之间采用18根M36的环向螺栓连接。

外滩通道在南京东路中山东一路路口上穿运行中的地铁2号线陆家嘴站—南京东路站区间上下行线隧道。穿越段外滩通道覆土厚度仅8.52～8.65m，属于浅覆土施工，与下方2号线隧道最小净距为1.46m。外滩隧道与地铁2号线的相互关系如图1所示。

2 工程地质与水文地质条件

外滩通道盾构段覆土厚度约为8.0～24.0m。根据地质勘查报告，外滩通道盾构在穿越地铁2号线时的地层从上到下依次为：③灰色淤泥质粉质黏土、④灰色淤泥质黏土以及⑤1灰色黏土。从地表往下各个土层的物理力学性质见表1。

工程沿线陆域浅部土层中的地下水类型为潜水。勘探期间测得潜水稳定水位埋深为0.90～2.50m，平均埋深为1.55m。潜水水位主要受大气降水、地表径流等影响呈幅度不等的变化。沿线场地揭示的承压水分布于⑦（⑦1、⑦2）层和⑨层中，⑦层为上海市第一承压含水层，⑨层为上海地区第二承压含水层。根据实测资料，⑦层承压水水位埋深为5.35～10.31m、⑨层承压水水位埋深为13.80m。

图1　外滩通道与地铁2号线位置关系Fig.1 Relationship between the Bund tunnel and Metro line 2

表1　穿越段地层情况及物理力学参数Table 1 The ground soil mechanical parameters

3 数值模拟与分析

3.1 分析模型

为分析盾构推进卸载及后续堆载对下方隧道位移的影响程度和影响范围，分别沿超大直径隧道及地铁隧道纵向建立两个二维数值分析模型，见图2。模型一为沿14.27m盾构隧道纵向方向的模型，重点分析随盾构推进卸载过程中地铁隧道竖向位移的发展过程，从而确定合理的堆载范围；模型二为沿下方运营地铁隧道纵向方向的模型，计算4个工况（开挖卸载、除衬砌外每延米堆载量30t、60t、90t），确定卸载和不同堆载量对下方隧道的纵向影响范围及影响程度。

模型岩土体采用理想弹塑性模型及摩尔—库伦屈服准则，对隧道结构采用线弹性模型。岩土体及结构物理力学参数分别见表1及表2。考虑隧道接缝对衬砌结构纵向刚度的影响，在计算模型中对隧道衬砌结构刚度进行折减［8］。

3.2 计算结果与分析

大直径盾构推进期间先后穿越运营地铁下行线与上行线，随着盾构的推进，下方运营地铁隧道竖向位移的发展见图3。上方隧道开挖面到达下行线上方时，下行线隆起量为2.3mm，之后下行线隧洞隆起速率加快；上方隧道开挖面到达上行线上方时，上行线隆起量为3.9mm。当开挖面穿过上行线及下行线约25m后，隆起速率变缓。

数值计算表明：运营地铁隧道的隆起主要发生在上方盾构开始穿越至穿越后约25m，若通过洞内堆载控制运营地铁隧道上浮，堆载范围为地铁隧道上方对应的区段，堆载物应至少保留至盾构穿越后25m。

图2　有限元数值分析模型Fig.2 Finite element modeling

表2　隧道衬砌结构物理力学参数Table 2 Mechanical parameters of tunnel lining

图3　盾构推进时下方运营地铁隧道竖向位移发展过程Fig.3 Finite element analysis for vertical displacement propagation of the metro line 2 during above shield construction

大直径隧道开挖卸载、洞内每延米堆载30t、60t和90t四个工况下，下方运营地铁隧道沿纵向的竖向位移见图4。由图4可见，大直径隧道的开挖卸载对下方地铁隧道左右各40m范围产生影响，如仅考虑隧道衬砌的自重，开挖卸载导致的地铁隧道最大隆起量约34.5mm。除衬砌自重外，考虑在隧道内每延米堆载30t、60t和90t时，地铁隧道的最大隆起值分别约为：27.0mm、17.8mm和8.1mm。计算表明：为满足地铁隧道最大位移量小于设计允许值，上方大直径隧道除衬砌管片外，可按每延米堆载量约90t设计洞内压载。

图4　上方开挖卸载及不同堆载量时运营地铁隧道沿纵向的竖向位移Fig.4 Longitudinal vertical displacement curves during different re-loading status

4 施工控制措施和实施效果

4.1 推进参数和调整方法

为控制盾构穿越对下方运营地铁的扰动，确定合理的推进参数和调整方法，基于数值模拟的结构，将整个穿越过程分为“推进试验段”、“2号线穿越段”和“穿越后”三个控制范围区域，试验段范围为盾构推进的328～340环，穿越段为341～358环，穿越后为359～368环。

在试验段推进，主要对土压力、推进速度、出土量、注浆量和注浆压力设定与地面沉降关系进行分析，掌握此段区域盾构推进土体沉降变化规律并摸索土层性质，以便正确设定穿越地铁2号线的施工参数和采取相应措施减少土体扰动。根据试验段盾构推进过程中的推进参数、现场监测数据及数值计算结果，确定了以下施工控制措施。

（1）推进卸载后的补充堆载：基于数值计算结果及推进过程中理论卸载量的计算分析，除衬砌外，隧道内部口子件及两旁混凝土共计55t，在口子件内部的空档堆载钢垫块每延米摆放30t，共计85t。

（3）开挖面平衡措施：为改善土舱内土体的流塑性，在盾构机刀盘设置8个注入口加注泡沫来改良土体；同时在土仓中心位置设置了直径为5m的搅拌机，加强对土仓内土体的搅动，增加其流塑性。经过对推进试验段的泡沫添加剂试验，得到以下参数：泡沫溶液浓度为5%，发泡率为25倍，注入率为30%。盾构切口上穿越2号线期间侧向压力系数为0.75～0.8，压力设定为138～143MPa，同时根据2号线实时监测和地表监测情况微调土压力设定值。根据盾构机自带的土体称重系统对试验段每环出土量进行分析对比，并将此数据与土压力设定相结合，防止欠挖或超挖。

（4）其他措施：①通过自动导向系统减小单次纠偏量，实现盾构沿设计轴线方向推进341～358环没有特殊状况不做较大纠偏，防止过大过多纠偏对土体产生较大二次扰动。②浆液采用单液浆，浆液参数：比重＞2.0kg/cm3，常压泌水量＜30ml，坍落度12～14cm，抗剪屈服强度＞300Pa。③采用上下2点、左右各2点，共计6点进行盾尾注浆填充，控制2号线上浮和自身隧道上浮两者的平衡，注浆量总量为理论间隙的120%，分配比例为上下比为0.55:0.45，左右比为1:1；底部点注浆压力略大于计算值，其他点压力设定按照理论深度压力加管阻压力计算。④盾构上穿地铁2号线区域所用管片内弧面纵、环向均布置有预埋钢板，管片拼装完毕用钢板将纵、环向预埋件焊接牢固。同时在管片端面安装剪力销，加强管片环与环之间的连接。增加隧道的整体刚度以减小隧道变形对2号线的影响。

4.2 现场实测结果

在盾构推进过程中，为实时获得下方运营地铁隧道竖向位移变化情况，在穿越段沿地铁2号上、下行线路纵向100m范围内，由2m长电子水平尺50支首尾相连构成总长100m监测线。运营地铁隧道竖向位移随上方盾构推进的发展见图5。由图5可见，在盾构到达下、上行线时，地铁隧道隆起量开始增大，并逐渐发展，至盾尾脱出上行线26m后，地铁隧道隆起速率明显变缓，并逐渐趋于稳定。运营地铁隧道隆起随盾构推进的发展特征与数值计算结果较为吻合。

图5　盾构推进时运营地铁隧道竖向位移发展过程Fig.5 Measure value for vertical displacement propagation of the metro tunnel during above shield construction

为控制下方运营地铁隧道上浮，考虑到隧道内口子件及两旁混凝土自重外，在穿越段补充每延米30t钢垫块压重，共计85t，略小于数值计算结果建议的90t。盾构穿越后2号线上、下行隧道隆起量实测值及每延米90t压重工况下地铁隧道纵向隆起的数值计算值见图6。由图6可见，配置压重后盾构推进对运营地铁隧道竖向位移的影响范围为左右各40m。上、下行线隧道最大隆起量分别为10.8mm和10.6mm，满足设计允许值，略大于数值计算值（8.1mm）。盾构推进对下方隧道的影响范围和影响程度实测结果与数值计算结果吻合良好，也进一步验证了本文提出的盾构施工参数控制结合隧道内堆载的施工变形控制理念。

图6　运营地铁隧道沿纵向竖向位移实测值与计算值对比Fig.6 Vertical displacement comparison between calculated value and measured value for the metro tunnel

5 结论

（1）近距离穿越情况下（1.46m），开挖卸载对下方运营地铁隧道纵向影响范围约为左右各40m（约3倍D）。当盾构切口未到达隧道时，下方隧道隆起量微小；下方隧道隆起量主要在盾构开始穿越至穿越后约25m期间产生。通过堆载压重补偿开挖卸载，可有效控制下方运营地铁隧道的上浮。

（2）基于数值分析和工程试验段推进情况，提出了盾构施工参数控制结合隧道内堆载的施工变形控制理念，包括：实施补充堆载、控制推进速度、开挖面平衡、严格注浆及盾构姿态控制等。

（3）外滩通道14.27m土压平衡盾构穿越运营地铁2号线工程实测结果验证了本文提出的施工变形控制理念。该工程盾构穿越引起的下方上、下行隧道最大隆起值分别为10.8mm和10.6mm，小于设计允许值。

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Deformation control technology for an extra-large EPB shield machine crossing an operational subway tunnel in soft ground

ZHOU Jun
（Shanghai Tunnel Engineering Co.， Ltd.， Shanghai 200232， China）

Abstract:The control technology for a 14.27 m earth pressure balance （EPB） shield machine crossing above an operational subway tunnel is studied.A numerical simulation method is employed to analyze the range of infuence and the degree of shielding with different loads on the operational subway tunnel below.A control for the deformation induced by the shielding that integrates the shielding parameter control with loading in the tunnel is proposed.The Bund Tunnel project that crosses operational Subway Line 2 verifed the feasibility of the control technology.This provides a useful reference for subsequent engineering and assists in developing control practices for land subsidence related to engineering construction projects.

Key words:soft ground； earth pressure balance （EPB） shield； subway tunnel； deformation controlling； engineering construction； land subsidence

中图分类号：P642.2

文献标志码：A

文章编号：2095-1329（2016）02-0057-04

doi:10.3969/j.issn.2095-1329.2016.02.014

收稿日期:2016-05-09

修订日期:2016-06-18

作者简介:周隽（1973-），男，硕士，高级工程师，上海隧道工程股份有限公司上海城建国际工程有限公司总经理，主要从事地下工程与大型隧道建设及其环境地质等研究.

基金项目:上海市重大工程项目:上海外滩地区交通综合改造工程