盾構機在未經(jīng)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(nèi)容摘要】 本文通過上海地鐵M4線，盾構機在未經(jīng)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(shù)，為工程施工提供理論基礎。
【關鍵詞】 構法隧道 穿越施工 未經(jīng)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(huán)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(qū)間隧道工程，位于浦東世紀大道、福山路。
隧道外徑為6．2m，內(nèi)徑5．5m。采用錯縫襯砌，每環(huán)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(huán)。采用日本，三菱公司生產(chǎn)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(qū)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(xiàn)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(lián)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(zhì)
上海地鐵區(qū)間隧道主要穿越灰色淤泥質(zhì)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(zhì)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(wěn)定時間長，分屬高偏中及中壓縮性土。
本工程穿越區(qū)段的地鐵2＃線隧道位于灰色淤泥質(zhì)粘土④層，下穿的M4線隧道洞身歷經(jīng)灰色淤泥質(zhì)粘土④層、灰色粘土⑤l層、灰色粉質(zhì)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(nèi)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(jiān)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(qū)間隧道位于灰色淤泥質(zhì)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(wěn)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(huán))
下行線：隧道交疊的投影長度約為69米(354—412環(huán))
加上前后5—l0m的影響區(qū)，施工影響區(qū)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(jù)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(qū)間上行線隧道在穿越區(qū)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(qū)段的線形為，平曲線R=399．85lm，豎凹曲線R=2995m。
盾構姿態(tài)與鄰近隧道的變形
盾構推進時盾構姿態(tài)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(chǎn)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(tài)變化引起的地層損失
盾構姿態(tài)對鄰近隧道的影響，其原因是由于盾構姿態(tài)的改變引起了地層損失。因此在研究盾構姿態(tài)對鄰近隧道影響的時候，必須先計算出盾構姿態(tài)變化引起的地層損失。盾構推進時姿態(tài)的改變對周圍土體的影響圖所示。
根據(jù)上述計算可知，盾構機在穿越施工時，每推進1環(huán)(1200mm)，盾構機頭理論上就必須向右偏轉(zhuǎn)13．6mm，向上抬頭1．73mm；而同時盾構機尾必須向左偏轉(zhuǎn)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(zhuǎn)，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(fā)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(chǎn)生的誤差，提高了控制的精度，對上海地區(qū)的均勻軟土地層尤為適用。
但自動化控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(huán)(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(zhuǎn)為拼裝狀態(tài)，千斤頂液壓系統(tǒng)的額定壓力為6．5Mpa(正常推進時千斤頂液壓系統(tǒng)的額定壓力為32Mpa)。設計的考慮是在拼裝狀態(tài)，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(tài)不發(fā)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(jù)統(tǒng)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(zhì)狀況
盾構選型取決于地質(zhì)，掘進所造成的地層位移亦與地質(zhì)有關。隧道沉降槽寬度系數(shù)i與土層的內(nèi)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(nèi)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?shù)耐翆拥奶匦裕何挥诘叵滤幌碌乃淼溃乇沓两挡鄣膬A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(zhì)條件下，相同的埋深引起的地層變形和位移是不同的。經(jīng)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(zhì)及施工因素有關常數(shù)。
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(wěn)定系數(shù)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(qū)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(wěn)定系數(shù)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(chǎn)生影響。而Ns=4-6時，盾構掘進將會產(chǎn)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(nèi)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(zhì)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(zhì)初始應力的改變，并產(chǎn)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(qū)。超空隙水壓力將在一段時間內(nèi)消散復原，地層發(fā)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(fā)生持續(xù)時間很長的壓縮變形，在次土體蠕變過程中產(chǎn)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(chǎn)生的次固結沉降往往要持續(xù)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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生間隙，也會產(chǎn)生相應的地層損失。
4．2 地層的后續(xù)沉降
地層后續(xù)沉降在總沉降量中的比例很高。后續(xù)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?？蛇\用統(tǒng)計學原理，對盾構掘進過程中地層沉降的規(guī)律進行統(tǒng)計研究，是現(xiàn)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(qū)域的取決于正面土壓力大??；
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(qū)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(chǎn)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(nèi)。
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(fā)生隆沉和水平位移；盾殼與土體之間的摩擦亦使土體產(chǎn)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(fā)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(jù)國內(nèi)、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(fā)展在一定的時間內(nèi)仍在繼續(xù)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(nèi)安置自動監(jiān)測系統(tǒng)
電子水平尺自動監(jiān)測系統(tǒng)
盾構穿越前，在地鐵2＃線隧道穿越影響區(qū)段內(nèi)布設電子水平尺自動監(jiān)測系統(tǒng)，通過連接電纜將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控室，進行實時、精確的監(jiān)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(jiān)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(zhì)傾斜傳感器(見圖)。它是利用電解質(zhì)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(wěn)定性。
電子水平尺自動監(jiān)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(jiān)測隧道內(nèi)兩軌道的橫向高差。
自動監(jiān)控室與施工現(xiàn)場值班室之間的聯(lián)系方式：計算機通過局域網(wǎng)每隔5分鐘傳輸一組數(shù)據(jù)。
隧道變形監(jiān)測系統(tǒng)
盾構穿越前，地鐵2＃線隧道影響區(qū)段內(nèi)布設了巴賽特收斂監(jiān)測系統(tǒng)，對隧道的橫斷面(圓度)變形進行實時、精確的監(jiān)測。
巴賽特收斂監(jiān)測系統(tǒng)在本次穿越施工中作為輔助監(jiān)測措施。
隧道內(nèi)的人工監(jiān)測
在上述電子水平尺監(jiān)測范圍內(nèi)的隧道襯砌及道床上，布設了人工高程監(jiān)測點，每24h1—2次，用于檢驗和校核電子水平尺布實時沉降數(shù)據(jù)。
5．2 加密設置地表監(jiān)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(jiān)測點，同時監(jiān)測所有地面窨井。
穿越地鐵2＃線時4小時監(jiān)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(jiān)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(jù)電水平尺可數(shù)據(jù)采集器和地面沉降監(jiān)測信息的反饋，及時調(diào)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(shù)，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(zhì)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(tài)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(wěn)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(qū)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(nèi)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(qū)段二隧道間土體進行雙液注漿加固
盾構穿端后，根據(jù)設計要求須對二隧道間土體進行注漿加固。
根據(jù)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(jù)2＃線內(nèi)的電水平監(jiān)測數(shù)據(jù)做到信息化施工。
5．8 對地鐵2＃線區(qū)間隧道實施長期監(jiān)測及跟蹤注漿
盾構穿越后，對地鐵2＃線區(qū)間隧道實施長期監(jiān)測，并進行跟蹤注漿；半年內(nèi)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(wǎng)絡。在穿越施工期 間，須以2＃線隧道內(nèi)部的監(jiān)測數(shù)據(jù)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(lián)合上海市同濟大學成立了張楊路—浦電路區(qū)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(shù)方案下土體孔隙水壓力變化及消散規(guī)律，為以后同類工 程施工積累經(jīng)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》
