戴仕敏

（上海交通大學(xué)船舶海洋與建筑工程學(xué)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(gòu)施工技術(shù)的日趨成熟，超大直徑隧道的應(yīng)用前景越來越廣泛。盾構(gòu)法由于開挖面支護(hù)壓力、建筑空隙、注漿壓力等影響，盾構(gòu)法施工不可避免地會(huì)對周圍地層產(chǎn)生擾動(dòng)，引起地層變形。目前，國內(nèi)外對軟土地區(qū)盾構(gòu)施工引起地層變形進(jìn)行了有價(jià)值的研究，但關(guān)于盾構(gòu)近接施工對既有建構(gòu)筑物的研究相對較少，尤其是超大直徑盾構(gòu)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(gòu)近接施工的影響問題將會(huì)愈加復(fù)雜。所以如何確定近距離下穿時(shí)的超大直徑盾構(gòu)施工參數(shù)是亟需解決的問題。

本文結(jié)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(jié)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(gòu)隧道近距離下穿既有構(gòu)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(luò)中三縱東線的組成部分，被譽(yù)為解決上海市中心交通問題的“心臟搭橋手術(shù)”式的工程，如圖1所示。施工盾構(gòu)采用目前國內(nèi)最大直徑的Ф14 270 mm的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)施工。隧道襯砌結(jié)構(gòu)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(gòu)機(jī)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(gòu)在里程N(yùn)XK0+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(jié)構(gòu)，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(guān)系如圖2所示。盾構(gòu)推進(jìn)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(dāng)加固。

圖2 南京東路地下人行通道與外灘通道位置關(guān)系圖

新建隧道盾構(gòu)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(gòu)近距離下穿施工參數(shù)設(shè)定

盾構(gòu)推進(jìn)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(jìn)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(jí)變速的螺旋出土機(jī)和全自動(dòng)控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)出土量與推進(jìn)速度的自動(dòng)匹配，因此，本文主要針對土艙壓力和注漿參數(shù)的合理設(shè)定展開分析。

2.1 盾構(gòu)土艙壓力設(shè)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(gòu)推進(jìn)過程中土艙壓力的設(shè)定值與開挖面前方和上方的水土壓力具有明顯的相關(guān)性。本文建立三維數(shù)值模型，對盾構(gòu)穿越地下通道進(jìn)行了數(shù)值模擬。隧道結(jié)構(gòu)、地下人行通道以及土體單元均采用實(shí)體單元模擬。模型如圖3所示。

圖3 計(jì)算模型

一般情況下，盾構(gòu)正面平衡壓力按照P=K0γh設(shè)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(cè)向靜止平衡壓力系數(shù)。

圖4為盾構(gòu)切口位于通道正下方時(shí)，通道最大變形與土艙壓力設(shè)定值之間的關(guān)系。從圖4可以看出，地表變形和土艙壓力的設(shè)定值基本呈線性關(guān)系，土艙壓力按照K0=0.82時(shí)，地面變形最小。從實(shí)際施工的角度考慮，若需將盾構(gòu)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(shè)定和通道最大變形關(guān)系曲線圖

根據(jù)穿越段前期的推進(jìn)施工統(tǒng)計(jì)，外灘通道工程的土艙壓力設(shè)定一般為K0=0.78，計(jì)算所得結(jié)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(dān)、分散的作用，所以穿越段土艙壓力的設(shè)定也有別于正常推進(jìn)情況下的設(shè)定。

由于外灘通道工程盾構(gòu)直徑達(dá)到14.27m，施工過程時(shí)會(huì)同時(shí)在不同的土層中掘進(jìn)，因此在考慮土艙壓力設(shè)定時(shí)必須結(jié)合考慮不同土層的工程性質(zhì)。

盾構(gòu)在穿過南京東路人行地道時(shí)，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(gòu)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(yīng)盡可能減少切口土壓的波動(dòng)。根據(jù)計(jì)算結(jié)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(gòu)本體同步注漿系統(tǒng)通過6個(gè)注漿點(diǎn) (0°、60°、120°、180°、240°、300°) 對盾尾管片外部建筑空同步實(shí)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(shí)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(jì)算公式為：

P=P1+P2+P3

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

注漿壓力的設(shè)置不僅要充分充填盾構(gòu)施工產(chǎn)生的地層空隙，同時(shí)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(biāo)準(zhǔn)。南京東路隧道穿越段主要為軟弱土層，掘進(jìn)后渣土易坍塌，無形中減小了盾尾空隙，造成漿液流動(dòng)不暢，要獲得有效充填，則所需注漿壓力較大；同時(shí)由于通道距離隧道僅2.4 m，在穿越前進(jìn)行了清障施工，下部土層相對薄弱，通道變形對盾構(gòu)推進(jìn)更為敏感，所以注漿壓力不宜過大，建議施工時(shí)對通道嚴(yán)密監(jiān)控，實(shí)時(shí)地對注漿參數(shù)尤其是區(qū)域1進(jìn)行調(diào)整。

2.3 近距離穿越施工其他建議

盾構(gòu)推進(jìn)速度控制在25 mm/min以內(nèi),做到平穩(wěn)、勻速推進(jìn)，減少對土體的波動(dòng)。此階段盾構(gòu)平面為R634的圓曲線，豎向?yàn)椋?.3%的直線，推進(jìn)過程中根據(jù)自動(dòng)測量系統(tǒng)進(jìn)行均勻糾偏，嚴(yán)禁急糾急轉(zhuǎn)。

由于穿越地下通道時(shí)，盾構(gòu)推進(jìn)參數(shù)要做適當(dāng)?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(gòu)穿越層土壓力的大小、盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的影響范圍、盾構(gòu)機(jī)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(shè)置剪力銷，內(nèi)弧面設(shè)置預(yù)埋鋼板，加強(qiáng)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(gòu)機(jī)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(jìn)速度為20～25 mm/min，減少對周圍土體的擾動(dòng)，每環(huán)的推進(jìn)過程中避免長時(shí)間停滯。嚴(yán)格控制推進(jìn)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(yīng)力來不及釋放；推得過慢則刀盤的切削對地層擾動(dòng)作用相對明顯，容易造成超挖。

結(jié)合通道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)在通道內(nèi)設(shè)置實(shí)時(shí)的監(jiān)測儀器，盾構(gòu)推進(jìn)人員根據(jù)通道的變形情況對施工參數(shù)數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，如圖6所示。

圖6 測點(diǎn)布設(shè)圖

3.2 施工監(jiān)測分析（見圖7）

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

圖7 盾構(gòu)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(diǎn)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(gòu)推進(jìn)的影響，呈現(xiàn)出下沉的變形趨勢。

盾構(gòu)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(cè)的變形較小，僅有約1mm的波動(dòng)變化。盾尾脫出約10環(huán)時(shí)，通道中部有發(fā)生約3mm的隆起，這是由于盾構(gòu)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(cè)比初始狀態(tài)下沉了1mm，整個(gè)通道的不均勻變形約2mm。

4 結(jié)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(dān)、分散的作用，所以盾構(gòu)穿越段土艙壓力的設(shè)定略大于于正常推進(jìn)情況下的設(shè)定。

（2）超大直徑土壓平衡盾構(gòu)近距離下穿地下通道時(shí)，應(yīng)以距離通道最近的注漿區(qū)域?yàn)橹饕刂茀^(qū)域，控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)以注漿壓力為主。

（3）盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)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(jìn)時(shí)則發(fā)生回落；大部分變形發(fā)生在盾構(gòu)機(jī)機(jī)身穿越通道的過程中，為了控制這一階段的變形，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測情況對盾構(gòu)的推進(jìn)狀態(tài)做出相應(yīng)調(diào)整。

（4）施工時(shí)各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)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(cè)比初始狀態(tài)下沉了1mm，整個(gè)通道的不均勻變形約2mm。

[1]陶連金,金亮，等.大直徑盾構(gòu)隧道下穿既有車站誘發(fā)車站結(jié)構(gòu)變形分析[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),Vol.35,No.10:1350－1355.

[2]李圍,何川.盾構(gòu)隧道近接下穿地下大型結(jié)構(gòu)施工影響研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),Vol.28 No.10:1271－1282.

[3]孫玉永,周順華，等.近距離下穿既有隧道的盾構(gòu)施工參數(shù)研究[J].中國鐵道科學(xué),Vol.31 No.1:54－59.

[4]王洪新,傅德明.土壓平衡盾構(gòu)平衡控制理論及試驗(yàn)研究[J].土木工程學(xué)報(bào),2007,40(5):61－68.