袁 晨

（上海軌道交通維保中心 監(jiān)護(hù)工作部，上海 200070）

上海外灘通道工程為地下兩層機(jī)動(dòng)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(gòu)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(jìn).該工程采用直徑為14.27m的超大直徑土壓平衡盾構(gòu)機(jī)“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(yùn)營中的地鐵2號線，這是國內(nèi)盾構(gòu)法隧道施工史上第一次超大直徑土壓平衡盾構(gòu)穿越既有運(yùn)營隧道.本文綜合國內(nèi)外其它盾構(gòu)穿越的研究成果，針對該次穿越分析了超大直徑盾構(gòu)上穿越施工對既有運(yùn)營隧道的影響變形規(guī)律及監(jiān)護(hù)控制要點(diǎn).

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(gòu)頂部覆土為7.9m，盾構(gòu)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(zhì)分布圖，圖中可見盾構(gòu)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(zhì)黏土，外灘通道盾構(gòu)位于②0江灘土，④層灰色淤泥質(zhì)黏土和⑤1層灰色黏土.②0江灘土飽和、松散、局部以淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土為主，有時(shí)為砂質(zhì)粉土，中高壓縮性.④層灰色淤泥質(zhì)黏土流塑，夾薄層粉土，局部為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，高壓縮性.⑤1層灰色黏土和⑤3層灰色粉質(zhì)黏土有時(shí)可塑，夾薄層粉土，局部較多，有時(shí)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(shí)土的壓力系數(shù)和壓縮模量.

圖3 穿越地質(zhì)分布圖Fig.3 Profile of geological distribution

表1 土層力學(xué)性質(zhì)表1Tab.1 Soil mechanical parameters 1

表2 土層力學(xué)性質(zhì)表2Tab.2 Soil mechanicl parameters 2

隧道襯砌結(jié)構(gòu)外徑13.950m，內(nèi)徑12.750m，厚600mm，環(huán)寬2m.襯砌圓環(huán)分為9塊，即6塊標(biāo)準(zhǔn)塊、2塊鄰接塊和1塊封頂塊.采用錯(cuò)縫拼裝通用襯砌結(jié)構(gòu).

施工盾構(gòu)采用日本三菱公司設(shè)計(jì)制造的Ф14.270m的土壓平衡盾構(gòu)，全長約為95m.其中盾構(gòu)機(jī)本體長13.585m，1號車架長約25m，聯(lián)系鋼梁長約34.6m，2號車架長約22m（見圖4）.

圖4 施工盾構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Structural drawing of the tunnel shield machine

該次穿越盾構(gòu)直徑迄今最大，上穿土體卸載量大，且距離運(yùn)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(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)很高：地鐵2號線路保護(hù)等級為一級；隧道結(jié)構(gòu)縱向沉降與隆起控制值為±10mm；土層損失率小于1‰.當(dāng)監(jiān)測值超過總變形控制量的60%時(shí)要求報(bào)警，并采取應(yīng)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(dòng)和人工監(jiān)測系統(tǒng)作為信息化施工的依據(jù).自動(dòng)化實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測，并在穿越后進(jìn)行長期監(jiān)測跟蹤.自動(dòng)監(jiān)測主要以盾構(gòu)穿越地鐵2號線隧道中心線為基準(zhǔn)，沿地鐵2號線線路向東、向西50m范圍內(nèi)安排50支長為2m的電子水平尺.每隔5min測一次數(shù)據(jù)，沉降監(jiān)測精度可達(dá)0.3mm.人工復(fù)核點(diǎn)則利用常規(guī)光學(xué)測量儀器，每4～6m或更長距離布設(shè)一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)（見圖5）.

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

2.2 施工參數(shù)

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

2.2.1 穩(wěn)定正面土壓力

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，當(dāng)水平支護(hù)應(yīng)力小于原始側(cè)向應(yīng)力時(shí)，開挖面內(nèi)土體向盾構(gòu)內(nèi)移動(dòng)，引起地層損失而導(dǎo)致盾構(gòu)上方地面沉降；反之，引起盾構(gòu)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(dòng)效果明顯.為穩(wěn)定正面土壓力，現(xiàn)場采用了如下措施：

a.設(shè)定土壓

理論正面平衡壓力為

式中，k0為土體側(cè)向靜止平衡壓力系數(shù)，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(gòu)穿越地鐵2號線階段理論土壓值為0.195～0.193MPa.

在實(shí)際操作過程中，盾構(gòu)隨著推進(jìn)標(biāo)高逐步上升，土壓力設(shè)定也隨之逐步降低，在管片拼裝時(shí)，土壓力損失為10%左右，穿越時(shí)主要根據(jù)穿越過程中深層沉降點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)逐環(huán)進(jìn)行調(diào)整.

b.土體改良

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

c.出土控制

根據(jù)盾構(gòu)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(shí)測數(shù)據(jù)，結(jié)合土壓力設(shè)定值，嚴(yán)格控制出土量.

2.2.2 控制推進(jìn)速度

盾構(gòu)推進(jìn)速度對運(yùn)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(zhì)等因素［3］.要求均勻慢速推進(jìn)，控制在10～15mm／min內(nèi).且盡量保持推進(jìn)速度穩(wěn)定，確保盾構(gòu)均衡、勻速地穿越地鐵2號線，以減少對周邊土體的擾動(dòng)影響.

2.2.3 控制姿態(tài)調(diào)整

盾構(gòu)推進(jìn)會(huì)帶來額外的地層損失，由于受土層地質(zhì)不均勻性的影響，人工操作上的誤差，甚至盾構(gòu)機(jī)械本身的精度等，盾構(gòu)掘進(jìn)的中心線可能會(huì)與設(shè)計(jì)的軸線不一致，從而到一定階段必須對盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行糾偏，滿足設(shè)計(jì)上的要求.而盾構(gòu)姿態(tài)的變化將在盾構(gòu)四周產(chǎn)生空洞區(qū)和擠壓區(qū)，會(huì)對周圍土體產(chǎn)生較大擾動(dòng)［4］.所以，在盾構(gòu)推進(jìn)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(shù)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(dòng)，降低對運(yùn)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(shí)填充盾尾空隙，防止周圍土體的坍塌，同時(shí)提高管片的耐久性，增強(qiáng)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(jù)分析，盾構(gòu)上穿地鐵2號線區(qū)域時(shí)由于覆土淺，易產(chǎn)生隧道上浮的現(xiàn)象.為了有效控制隧道上浮，在盾構(gòu)推進(jìn)進(jìn)入試驗(yàn)段時(shí)，先進(jìn)行模擬注漿，通過布設(shè)的深沉沉降監(jiān)測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析.

單環(huán)理論注漿量為

式中，D為盾構(gòu)外徑，m；d為襯砌外徑，m.

根據(jù)前期推進(jìn)地面監(jiān)測情況實(shí)際注漿量應(yīng)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(jìn)速度相匹配，“及時(shí)、均勻、足量”，保證盾尾不漏漿.因推進(jìn)后續(xù)結(jié)構(gòu)施工，二次注漿極為困難，注漿的重點(diǎn)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(gòu)穿越施工的一大顯著特點(diǎn)在于其土體卸載量大，本次穿越達(dá)到平均285t／m，可能直接導(dǎo)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(gòu)施工（見圖6），且在穿越段口字件內(nèi)放置鋼錠（約100t／m），外加盾構(gòu)機(jī)架自重，這些重量可對隧道產(chǎn)生壓重效應(yīng)，對防止隧道的上浮起到一定的作用.遂根據(jù)整個(gè)盾構(gòu)穿越的4個(gè)階段，即盾構(gòu)機(jī)頭主體、1號車架、聯(lián)系梁、2號車架分別穿越地鐵2號線作卸載計(jì)算，得出：

a.機(jī)頭穿越時(shí)卸載量約為136t／m；

b.1號車架穿越時(shí)的卸載量約為148t／m；

c.聯(lián)系梁穿越時(shí)卸載量約為170t／m；

d.2號車架穿越時(shí)卸載量約為152t／m.

可見最大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)是在聯(lián)系梁位于地鐵2號線隧道上部之時(shí)，應(yīng)盡量縮短這段時(shí)間，遏制隧道上浮.在實(shí)際施工中，于2號車架之后再次放置鋼錠鐵錠進(jìn)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(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.6 Profile the internal structure of building tunnel

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

3.1 穿越地鐵2號線下行線隧道監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

對地鐵2號線下行自動(dòng)沉降監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)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(shí)程圖Fig.7 Time chart of vertical displacement of metro line 2downlink tunnel

a.盾構(gòu)本體經(jīng)過隧道期間，隧道隆起量2.59mm，占累計(jì)隆起值27.85%，切口退出后速率明顯增加，達(dá)到0.41mm／環(huán).

b.1號車架經(jīng)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(jì)隆起量約30%，隆起速率達(dá)到0.25mm／環(huán).

c.聯(lián)系梁經(jīng)過期間，隧道隆起量為2.41mm，明顯呈現(xiàn)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(jīng)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(shù)據(jù)分析

對地鐵2號線上行自動(dòng)沉降監(jiān)測的數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)程圖（見圖9）及沉降分布圖（見圖10）分析.

a.盾構(gòu)本體經(jīng)過隧道期間，隧道隆起量3.19mm，占累計(jì)隆起值33.26%，切口退出后速率明顯增加，達(dá)到0.49mm／環(huán).

b.1號車架經(jīng)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(jì)隆起量約35.14%，隆起速率達(dá)到0.28mm／環(huán).

c.聯(lián)系梁經(jīng)過期間，隧道隆起量為2.88mm，明顯呈現(xiàn)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(jīng)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(jié)束語

通過對于超大直徑盾構(gòu)上穿越既有運(yùn)營隧道的監(jiān)護(hù)技術(shù)總結(jié)，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(gòu)穿越，超大直徑盾構(gòu)因其施工時(shí)土體卸載量大，跨度較長，對被穿隧道將形成明顯且長時(shí)的變形影響和擾動(dòng).研究表明：

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

b.通過隧道豎向位移時(shí)程圖發(fā)現(xiàn)，在盾構(gòu)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(gòu)上穿越已運(yùn)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(guān)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(diǎn)實(shí)施有效的監(jiān)護(hù)措施.

［1］邵華.盾構(gòu)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(jì)大學(xué)，2005.

［2］劉建航，侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道［M］.北京：中國鐵道出社，1991.

［3］葉耀東，據(jù)娟，王如路.盾構(gòu)穿越運(yùn)營地鐵隧道施工技術(shù)探討［J］.施工技術(shù)，2005，34（12）：67－68.

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