上海地鐵二號線盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)綜述

上海地鐵二號線盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)綜述A

COMPREHENSIVE

NARRATION

ON

TUNNELLING

CONSTRUCTION

TECHNIQUE

BY

SHIELD

METHOD

EMPLOYED

IN

THE

SHANGHAI

NO.2

METRO

LINE

周文波1

吳惠明2

（1.上海隧道工程股份，上海

200032；2.上海隧道工程股份，上海

200032）摘

要：本文以上海地鐵二號線工程為背景，介紹了盾構(gòu)穿越地面密集建筑物及特殊地下管線等特殊技術(shù)措施，并針對隧道疊交工況提出了地面隆起變形計算公式，給出了隧道疊交穿越時地層移動的數(shù)學模型。關(guān)鍵詞：地鐵

盾構(gòu)

建筑物

隧道

疊交

數(shù)學模型作者簡介：周文波，男，1962年生，上海大學工學碩士，現(xiàn)任上海隧道工程股份副總經(jīng)理；吳惠明，男，1970年生，上海大學工學學士，現(xiàn)任上海隧道工程股份盾構(gòu)工程分公司副主任工程師。Zhou

Wen-bo1&Wu

Hui-ming2（1.Shanghai

tunnel

engineering

Co.,LTD.Shanghai

200032；2.Shanghai

tunnel

engineering

Co.,LTD.Shanghai

200032）1

概述1.1

工程概況上海地鐵二號線工程圓隧道部分西起中山公園站，東止龍東路站，雙線（上、下行）全長24.122km，共設(shè)12座車站。全線橫貫長寧、靜安、黃浦及浦東新區(qū)，除浦東東方路以南大都為農(nóng)田外，其余各段所處的市政環(huán)境為地面交通繁忙、建筑物密集及地下管線錯綜復雜。尤其是浦西段區(qū)間隧道基本在素有“中華第一街”之稱的南京路地下穿越，施工難度很大。地鐵二號線的建成，將與地鐵一號線及正在建設(shè)的明珠一號線構(gòu)成上海地上及地下相結(jié)合的“申”字型高速有軌交通系統(tǒng)。（詳見圖1）圖1

地鐵二號線總平面圖地鐵二號線各區(qū)間隧道均采用盾構(gòu)法施工，其中靜安寺~石門一路區(qū)間段隧道采用上海隧道工程股份設(shè)計、制造的F6340mm加泥式土壓平衡盾構(gòu)；陸家嘴~河南路區(qū)間段隧道采用中法聯(lián)合制造的F6340mm土壓平衡盾構(gòu)；其余各段均采用原地鐵一號線使用過并經(jīng)維修保養(yǎng)的法國FCB公司制造的F6340mm土壓平衡盾構(gòu)。地鐵區(qū)間隧道包括上行線和下行線各一條，隧道襯砌外徑為F6200mm，內(nèi)徑為F5500mm,襯砌為預(yù)制鋼筋混凝土管片，每環(huán)寬度1000mm，每環(huán)由封頂塊(

F

)、鄰接塊(L1及L2)、標準塊(B1及B2)和落底塊(D)6塊管片拼裝而成。除楊高路站~東方路站區(qū)間隧道外，兩相鄰管片的縱向、環(huán)向均采用M30螺栓連接，管片設(shè)計強度等級為C50，抗?jié)B為S8，接縫防水采用水膨脹性橡膠和氯丁橡膠復合而成的彈性密封墊。1.2

工程地質(zhì)地鐵二號線區(qū)間隧道，沿線主要穿越的地層有：?2灰色砂質(zhì)粉土層，易發(fā)生流砂；l灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，飽和、流塑，屬高壓縮性土；m灰色淤泥質(zhì)粘土層，飽和、流塑~軟塑、夾少量薄層粉砂，屬高壓縮性土；n1－1灰色粘土層，很濕、軟塑~可塑、受擾動后沉降大，屬高偏中壓縮性土；n1－2灰色粉質(zhì)粘土層，很濕、軟塑、受擾動后沉降大、局部夾薄層粉砂，屬中壓縮性土。其中陸家嘴路站~河南路站區(qū)間隧道江中段的土層物理力學性能指標詳見表1。表1

陸家嘴路站~河南路站區(qū)間隧道江中段土層物理力學性能指標層號數(shù)值類別含水量W天然孔隙比e壓縮系數(shù)a1-a壓縮模量E1-a滲透系數(shù)無側(cè)限抗壓強度qu十字板剪切強度Su靜三軸內(nèi)聚力Cu靜止側(cè)壓力系數(shù)KvKh%MPa－1MPacm/scm/skPakPakPa?2灰色砂質(zhì)粉土最大37.81.0710.388.822.49E-41.50E-466.0平均34.50.9840.286.93～～50.449.40.44最小30.50.8810.224.996.40E-54.78E-541.6l灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土最大43.31.2120.763.7262.742.60.51平均40.51.1360.633.3143.031.623.00.47最小36.81.0300.542.9728.720.50.42m灰色淤泥質(zhì)粘土最大58.91.5931.413.311.28E-71.86E-772.134.532.00.58平均50.81.4081.072.23～～46.629.330.00.56最小45.11.2330.671.653.00E-74.20E-733.025.926.00.48n1－1灰色粘土最大43.51.2670.754.5380.048.053.0平均38.61.1100.613.3767.042.040.00.54最小340.9880.442.7639.636.031.0n1－2灰色粉質(zhì)粘土最大39.51.1710.746.451.37E-62.90E-697.076.00.56平均33.40.9930.454.53～～80.758.00.54最小28.60.8870.283.273.14E-71.30E-743.940.00.521.3

施工技術(shù)難點地鐵二號線區(qū)間隧道盾構(gòu)施工中需穿越很多的密集型地面建筑物、地面交通干道及特殊地下管線，故對環(huán)境的保護要求相當高，簡述如下：

（1）陸家嘴站~河南路站區(qū)間隧道中，盾構(gòu)與外灘觀光隧道同期施工；

（2）人民公園站~河南路站區(qū)間隧道中，盾構(gòu)穿越營運中的地鐵一號線；

（3）楊高路站~東方路站區(qū)間隧道中，盾構(gòu)穿越上游引水箱涵；

（4）靜安寺站~石門一路站區(qū)間隧道中，盾構(gòu)穿越名城廣場地下室；

（5）陸家嘴路站~河南路站區(qū)間隧道中，盾構(gòu)穿越全斷面粉砂層；

1.4

科研項目開發(fā)及推廣應(yīng)用

（1）隧道疊交施工的相互影響理論及施工工藝研究；（陸家嘴路站~河南路站區(qū)間隧道）

（2）盾構(gòu)法隧道施工專家系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。（楊高路站~東方路站、靜安寺站~江蘇路站、人民公園站~河南路站、陸家嘴站~河南路站等區(qū)間隧道）

針對上述區(qū)間隧道施工中所遇到的有關(guān)技術(shù)難點，采取了相應(yīng)技術(shù)措施，具體如下。2

短期隧道疊交施工技術(shù)2.1

簡況陸家嘴~河南路區(qū)間隧道施工中，在浦西防汛墻底下地鐵二號線與外灘觀光隧道成51°21’斜交，上、下行線隧道頂部與其凈距分別為1.57m及2.18m（詳見圖2），形成三條隧道疊交穿越工況。施工先后順序為地鐵二號線上行線、地鐵二號線下行線、外灘觀光隧道。圖2

地鐵二號線與外灘觀光隧道位置示意圖外灘觀光隧道工程東起東方明珠電視塔西側(cè)的浦東出入口豎井,西至南京路外灘（陳毅塑像北側(cè)）綠化帶內(nèi)的浦西出入口豎井，全長646.70m。隧道外徑F7.48m，內(nèi)徑F6.76m，采用φ7650mm鉸接式土壓平衡盾構(gòu)施工。地鐵二號線隧道與外灘觀光隧道施工時間間隔僅三個月左右，隧道尚處于非穩(wěn)定狀態(tài)。由于土體的不穩(wěn)定，必將產(chǎn)生相互影響，這是盾構(gòu)施工需要研究的新課題。為此，進行室內(nèi)模擬實驗并建立了數(shù)學模型，以指導實際施工。2.2

動態(tài)隧道疊交室內(nèi)實驗及數(shù)據(jù)分析2.2.1

室內(nèi)實驗2.2.1.1

總體設(shè)計實驗?zāi)M裝置根據(jù)實際隧道的尺寸及標高，按1:48比例縮小，地鐵隧道和觀光隧道分別采用f133mm和f159mm的無縫鋼管模擬，土槽尺寸為：

1400mm′1200mm′820mm（長′寬′高）。微型盾構(gòu)掘進器配備兩臺以調(diào)速馬達為動力的減速器。其中一臺驅(qū)動絲杠使盾構(gòu)在土體中推進，另一臺帶動刀盤切削土體。實驗時可調(diào)整推進速度、刀盤轉(zhuǎn)速模擬盾構(gòu)工作狀態(tài)。2.2.1.2沉降監(jiān)測點布置（詳見圖3）圖3

沉降監(jiān)測點布置圖2.2.2

實驗分析2.2.2

1

地面沉降⑴橫向沉降槽圖4

觀光隧道沉降槽變化圖上圖是地鐵二號線上行行線推進完畢，觀光隧道穿越后的實際沉降槽形狀，其沉降槽是前兩條隧道所產(chǎn)生的沉降矢量疊加所致。由于土體本身所具“骨架”效應(yīng)，前二條隧道施工所引起的隆沉會對當前隧道施工起到互補作用，其顯示出沉降槽的不對稱性。⑵縱向沉降槽圖5

觀光隧道掘進時的縱向沉降槽曲線圖和單條隧道相似，隨著盾構(gòu)的掘進，地面沉降的最大變化點不斷向前推移。曲線的形態(tài)也逐漸趨于穩(wěn)定。這說明隧道疊交的掘進所引起的土體擾動，對沉降曲線的形態(tài)和性質(zhì)影響不大。2.2.2

2

土體壓力圖6

觀光隧道穿越疊交點時地鐵二號線上行線隧道壓力變化圖當隧道穿越疊交點時，原來隧道的壓力會顯著降低，然后逐步恢復，但壓力無法達到原先的壓力值。2.3

疊交隧道地層移動的數(shù)學模型2.3.1

派克公式橫向分布的地面沉降公式

（1）式中

為隧道單位長度地層損失量，沉降槽寬度系數(shù)

由克洛夫—斯密特公式確定，其中：

—隧道半徑，

—地面至隧道中心距離2.3.2

隧道“反彈”公式圖7

隧道“反彈”變形

將隧道簡化成彈性介質(zhì)中的半無限長梁。設(shè)隧道原處在穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，故“反彈”運動時只需考慮失去的土重（提升力）、彈性抗力和慣性力的作用。由此建立隧道運動微分方程和定解條件，求得隧道“反彈”公式如下：

（2）上式中，

時取“+”號，

時取“－”號。

—

隧道運動方程的本征值，由現(xiàn)場測試分析取得（1

/s）

（1/m）

—

下方隧道半徑（m）

—隧道上方掘去的土重（kN）

—

土的重度（kN/

m3）

—

疊交段上方隧道被掘去的土的體積（m3）

—

下方隧道的抗彎剛度（kN/

m2）

—

單位體積隧道重量（kN

/m3）

—

隧道橫截面面積（m2）

—

重力加速度（m/s2）

—

土抗力系數(shù)（kN/

m3）

—

時間（天）可見，

隨著

和

的增加而迅速衰減，

?？梢?，

隨著

和

的增加而迅速衰減，

。根據(jù)上述公式和實際情況，算得地鐵二號線下行線（與觀光隧道疊交處）的反彈曲線如圖8，最大值3.8

mm

。

圖8

地鐵二號線下行線（與觀光隧道疊交處）的反彈曲線2.3.3

地面隆起變形公式設(shè)地層為半無限大彈性體，且變形時體積不變。于是，根據(jù)彈性力學基本方程和隧道“反彈”變形公式，可得到如下地面隆起變形公式

（3）

—

隧道“反彈”變形（m）

—

土層泊松比

—

隧道軸線到地面的高度（m）

—

地面上一點到隧道縱向?qū)ΨQ面的距離（m）2.4

整體數(shù)學模型坐標旋轉(zhuǎn)變換公式

（4）坐標平移變換公式

（5）把式4和式5分別代入式1、式2及式3，將得到各盾構(gòu)隧道引起的地面沉降

（

1，2，3）和隆起

（

1，2）。于是，盾構(gòu)疊交隧道地層移動的公式為：

（6）

向上為正，反之為負。

將地層中的某點（

，

，

）或某直線

（

，

，

為直線的方向數(shù)；

，

，

為某已知點的坐標）代入上式可求得該點或該直線上的位移。2.3.4

數(shù)值結(jié)果根據(jù)上述公式可計算地層移動。主要參數(shù)取值如下：土比重

=16.9

KN/m3，土抗力系數(shù)（算術(shù)平均）K=7350

KN/m3，泊松比μ=0.35；混凝土比重ρ=24.5

KN/m3，彈性模量EC=3.5×107

KN/m2；地鐵隧道盾構(gòu)外徑6.34

m，觀光隧道盾構(gòu)外徑7.65

m，內(nèi)外徑之比等于0.87，各隧道軸線到地面的高度

根據(jù)實際情況而變；最終的土體損失率取0.15%；隧道運動方程的本征值（由現(xiàn)場測試分析取得）

1/s。經(jīng)過計算處理得到：由地鐵二號線和觀光隧道引起的地層最大移動為下沉4.4

mm；2.4

主要施工技術(shù)2.4.1

一般施工技術(shù)2.4.1.1

嚴格控制盾構(gòu)正面土壓力

觀光隧道盾構(gòu)開口率為63％（地鐵盾構(gòu)為35％）。因此，在設(shè)定土壓力時接近主動土壓力，并通過地面測量的及時反饋來調(diào)整土壓力。2.4.1.2

嚴格控制盾構(gòu)姿態(tài)合理控制盾構(gòu)在穿越階段掘進時的糾偏量，減少糾偏對土體的擾動，禁止超、欠挖。2.4.2

輔助施工技術(shù)2.4.2.1

地基加固在整個施工過程中，對二號線上下行線底部進行加固，使其能夠承受觀光隧道盾構(gòu)進入時的壓力及盾構(gòu)向下的側(cè)向分力對上下行線的影響，2.4.2.2

盾尾注漿盾構(gòu)穿越過程中及時注漿并加固脫出盾尾4環(huán)后的管片上部，通過注漿使其固結(jié)，從而克服觀光隧道上浮而引起的地鐵隧道上部負載不夠造成的地鐵隧道上浮。當觀光隧道上部有一定的承受力后，利用注漿加固以克服地鐵隧道的上浮情況，使其受擾動的土體得到改良以增加承載力。2.4.2.3

外灘觀光臺、地鐵二號線的沉降監(jiān)測根據(jù)外灘觀光平臺的實際情況，分別布置沉降監(jiān)測點（詳見圖9）。

圖9

外灘觀光平臺沉降監(jiān)測點布置圖盾構(gòu)施工過程中，依據(jù)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時優(yōu)化調(diào)整各類施工參數(shù)，最終將觀光平臺沉降控制在30mm以內(nèi)。（如圖10）

圖10

觀光平臺沉降曲線圖地鐵二號線的沉降量量控制在3mm以內(nèi)。（如圖11）圖11

地鐵二號線沉降曲線圖2.5

科研項目的應(yīng)用效果此區(qū)間隧道施工過程中，結(jié)合實際開發(fā)了“隧道疊交施工的相互影響理論及施工工藝研究”科研項目，

綜合研究了盾構(gòu)掘進施工技術(shù)，同時建立了盾構(gòu)隧道疊交地層移動的數(shù)學模型，加強了施工監(jiān)測，提高了施工質(zhì)量，縮短了施工工期，保護了觀光隧道、防汛墻及地下管線等，取得了顯著的社會、環(huán)境效益。3

動載條件下穿越地鐵一號線施工技術(shù)3.1

簡況人民公園站~河南路站區(qū)間隧道施工中，盾構(gòu)出洞段將需穿越營運中的地鐵一號線區(qū)間隧道。盾構(gòu)出洞后僅12m距離與地鐵一號線隧道呈85°斜交，且一號線隧道底部與二號線隧道頂部間距僅為1

m隧道埋深達17.5m。（詳見下圖12－1、圖12－2）圖12－1

盾構(gòu)穿越地鐵一號線示意圖（剖面）

圖12－2

盾構(gòu)穿越地鐵一號線示意圖（平面）3.1.1

地鐵一號線隧道在二號線車站建造過程中已下沉12mm，其累計沉降量不能超過15mm，為此，盾構(gòu)穿越一號線隧道時沉降必須控制在3mm以內(nèi)；3.1.2

地鐵一號線隧道底部已采用多種方法進行加固，有雙液漿、聚胺脂、旋噴注漿以及分層注漿等，其漿液呈非均勻分布狀，導致盾構(gòu)掘進時對隧道軸線的控制產(chǎn)生不穩(wěn)定的因素；3.1.3

盾構(gòu)出洞后即進入加固區(qū)，并受鄰邊商業(yè)建筑物以及地鐵一號線隧道的影響，增加了施工參數(shù)準確設(shè)定的難度。3.2

主要施工技術(shù)3.2.1

優(yōu)化洞門混凝土吊除方案，縮短作業(yè)時間，減少正面土體的流失量。3.2.2

施工參數(shù)優(yōu)化3.2.2.1

土壓力設(shè)定

p=rhtg2(45°－F/2)

r?土的重度17.5kN/m3

h?管道埋深（至隧道中心，取17.5m）

F?土的內(nèi)摩擦角取7.50

p?1.75×17.5×tg2(450-7.50/2)＝0.236MPa

考慮到盾構(gòu)出洞時，沿軸線縱向6m范圍內(nèi)采用深層攪拌樁已對土體進行了加固（加固強度達到0.7～0.8MPa），因此出洞時的土壓力設(shè)定為0.23

MPa。3.2.2.2

出土量控制

v

=（1/4）pD2×1

（理論計算）

=1/4×3.14×6.342×1＝31.55m3出土量控制在理論值的95％左右,即v=31.55×95％＝30

m3/環(huán)，保證盾構(gòu)切口上方土體能微量隆起，以減小土體的后期沉降量。3.2.2.3

掘進速度控制掘進速度控制在1cm/min。確保盾構(gòu)比較勻速地穿越加固區(qū)，同時保證刀盤對加固土體進行充分切削。3.2.3

加注發(fā)泡劑或水等潤滑劑，減小刀盤所受扭矩，同時降低總推力。3.2.4

加強對地鐵一號線的監(jiān)測，確保及時優(yōu)化調(diào)整掘進施工的參數(shù)，真正做到信息化動態(tài)的施工管理。采用高精度的連通管自動監(jiān)測的方法，對地鐵一號線隧道作加密監(jiān)測。利用連通管對隧道的垂直變形作自動連續(xù)監(jiān)測，每10分鐘提供一組數(shù)據(jù)，并及時反饋到施工人員。另外，為監(jiān)測地鐵一號線隧道的徑向變形，在上、下行線隧道內(nèi)各裝置了一個巴塞特－收斂系統(tǒng)量測環(huán)。每個環(huán)布置10組測點，其具有高分辨率、高精度（0.02mm）等優(yōu)點。3.2.5

合理控制注漿量，控制地鐵一號線隧道以及地面的沉降。盾構(gòu)穿越施工過程中，根據(jù)連通管、巴塞特－收斂系統(tǒng)量測環(huán)監(jiān)控數(shù)據(jù)及時調(diào)整每推15cm同步注漿量。由于同步注漿所采用的單液惰性漿液易產(chǎn)生泌水和離隙，從而引起一號線隧道下沉以及二號線隧道上浮，且管片拼裝時盾構(gòu)后退也會引起一號線隧道下沉。為此，將盾尾脫出時該環(huán)沉降控制在3.5mm左右。在此基礎(chǔ)上，及時監(jiān)控后階段隧道沉降的變化情況，以補注雙液漿加固。4

穿越特殊管線及地下建筑施工技術(shù)4.1

穿越上游引水箱涵

在楊高路站~東方路站區(qū)間隧道施工中，出洞段盾構(gòu)穿越6.2m加固區(qū)后，即需穿越上游引水箱涵，箱涵為上海市自來供水管道。該箱涵距洞門約20m，其位于隧道上方，與隧道基本正交，箱涵底板距盾構(gòu)頂?shù)膬艟嗍?.2m（詳見圖13）。圖13

盾構(gòu)穿越上游引水箱涵示意圖

當盾構(gòu)切口脫離加固域進入原狀土時，掘進時引起的地層變形已開始逐漸影響上游引水箱涵。為保護箱涵的正常運行，在盾構(gòu)到達箱涵前、穿越箱涵時和盾尾脫離箱涵后的整個過程中，必須精心施工，嚴格控制地層變形，運用信息化施工，對盾構(gòu)掘進時的各類施工參數(shù)進行動態(tài)管理.4.1.1

盾構(gòu)到達箱涵前施工階段4.1.1.1

局部暴露箱涵結(jié)構(gòu)，施工跟蹤注漿管，同時布置沉降監(jiān)測點（詳見圖14）圖14

箱涵沉降測點布置圖挖樣洞找出箱涵二側(cè)的上邊線，確定箱涵的正確位置，并找出箱涵相鄰兩段間的變形縫，然后以1:1放坡開挖溝槽（即觀察槽）以暴露變形縫。以箱涵上邊線為基準，向兩側(cè)各布設(shè)2排共4排注漿管。另外，在此兩排注漿管外側(cè)各布置一排斜管。4.1.1.2

摸索出各類施工參數(shù)的最佳設(shè)定值根據(jù)地面上的高精度水準測量、連通管和分層沉降監(jiān)測信息的反饋及時調(diào)整土壓設(shè)定值和出土量，采用均衡施工的制度使盾構(gòu)較勻速地向前掘進以減少對土體的擾動，并在這一段時期的施工中摸索出了掘進速率、出土量、注漿量和地層變形的相互關(guān)系。當盾尾全部脫離加固區(qū)域后，同步注漿趨于正常，根據(jù)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，制定出不同的注漿量。4.1.2

盾構(gòu)穿越箱涵段施工階段

當盾構(gòu)切口到達箱涵前1至2環(huán)時，開始進入穿越箱涵施工階段。分兩個階段控制不同的參數(shù)。4.1.2.1

盾構(gòu)到達箱涵前1~2環(huán)至盾尾全部進入箱涵，此時，以設(shè)定土壓力值和出土量來控制推進；4.1.2.2

自盾尾進入箱涵至全部脫離，此時，既要控制設(shè)定土壓力值和出土量，又要控制同步注漿量及地面跟蹤注漿量。根據(jù)施工的實際結(jié)果，盾構(gòu)在穿越箱涵的整個過程中都保持了較好的姿態(tài)。各類監(jiān)測結(jié)果反映，在此過程中箱涵的沉降量控制在＋8.5mm以下。4.1.3

盾尾脫離箱涵后的施工階段當盾構(gòu)掘進至33環(huán)后，盾尾全部脫離箱涵。4.1.3.1

嚴格控制掘進速度和同步注漿量，使盾尾脫離箱涵時箱涵沒有因為建筑間隙未能得到及時充填而發(fā)生突然下沉。4.1.3.2

嚴格控制箱涵后期沉降量。隨著盾構(gòu)逐漸遠離箱涵，掘進時擾動土體對其影響也越來越小，為了減緩箱涵的后期沉降速率并使其后期沉降量減至最小，在箱涵兩側(cè)第18環(huán)和第35環(huán)除封頂塊以外的管片注漿孔中注入雙液漿使其形成兩道環(huán)箍，對箱涵下部土體向兩側(cè)位移起到了抑制作用。由于35環(huán)距離箱涵比較近，為減少注漿時壓力波動對其產(chǎn)生影響，故在此采用速凝雙液漿，而在35環(huán)處則采用緩凝雙液漿增加其流動性以形成較好的環(huán)箍。4.2

穿越名城廣場地下室

在靜安寺~石門一路區(qū)間段隧道施工中，盾構(gòu)需穿越名城廣場地下室。盾構(gòu)頂距地下室底板僅1.9m。（詳見圖15）圖15

盾構(gòu)穿越名城廣場地下室示意圖施工過程中，主要采用的技術(shù)措施如下：4.2.1

主要施工參數(shù)控制4.2.1.1

土壓力：原則上根據(jù)理論計算值，實際施工中根據(jù)地板沉降情況作及時調(diào)整。4.2.1.2

掘進速度：一般控制在15~20mm/min。采用中低速掘進，可以使土體將盾構(gòu)掘進所產(chǎn)生的應(yīng)力充分釋放，避免產(chǎn)生由于掘進應(yīng)力過大或過于集中，而對地下室地板造成破壞。4.2.1.3

出土量：一般控制在理論出土量的98％。4.2.2

盾構(gòu)姿態(tài)控制

盾構(gòu)在穿越地下室前，根據(jù)地面測試資料，及時調(diào)整了盾構(gòu)姿態(tài)，使其以最佳的姿態(tài)進入地下室。進入后盾構(gòu)保持平穩(wěn)推進，減少糾偏，減少對正面土體的擾動。

平面：控制在±30mm之內(nèi)。

高程：考慮到覆土較淺，盾構(gòu)在穿越時高程控制在-50mm左右。這樣也可以減少由于淺覆土使盾構(gòu)上拋帶來的影響。4.2.3

通訊聯(lián)絡(luò)

盾構(gòu)穿越期間，由專職人員晝夜對地下室監(jiān)測，觀察結(jié)構(gòu)變形情況，并將監(jiān)測信息及時反饋給施工人員，及時調(diào)整與控制盾構(gòu)穿越過程中施工參數(shù)，使盾構(gòu)施工對地下室結(jié)構(gòu)影響降到最低。4.2.4

沉降控制

沉降控制分為兩方面：盾構(gòu)切口前的沉降，由土壓力及掘進速度控制；盾尾后的沉降，由同步注漿及壁后注漿控制。

盾構(gòu)穿越過程中，在同步注漿和壁后注漿之后，利用車庫底板預(yù)留的30根注漿管進行跟蹤注漿。通過跟蹤注漿進一步充填、密實了周圍土體，有效地控制了隧道上浮，同時將地下室底板的最終沉降控制在4mm以內(nèi)。5

盾構(gòu)穿越全斷面粉砂土層5.1

難點陸家嘴路站~河南路站盾構(gòu)進入黃浦江前，先穿越100米的全斷面粉砂土，粉砂土含水量大，極易液化，盾構(gòu)穿越后隧道周圍的土體很不穩(wěn)定，盾尾幾乎直接受水壓力的作用，很容易發(fā)生盾尾漏水、漏砂等情況。5.2

主要技術(shù)措施5.2.1

施工參數(shù)優(yōu)化5.2.1.1

掘進速度在全斷面粉砂土中掘進，大刀盤所受扭矩及推力大大增加，所以盾構(gòu)掘進速度控制在

20mm/min。5.2.1.2

同步注漿量的控制在粉砂土中施工時，由于粉砂土中空隙較大，同步注漿壓注量比一般土層要多，在施工中壓注250％的建筑空隙；成功地把地面變形控制在8mm以內(nèi)。5.2.1.3

盾構(gòu)掘進時軸線糾偏量不得大于0.2%，同時保證盾構(gòu)連續(xù)施工。5.2.2

土體改良粉砂土土體雖然含水量大，但一經(jīng)擠壓，水分流失，粉砂土就變得結(jié)實，土倉進土困難，掘進時大刀盤油壓急劇增大，為改善大刀盤傳動軸承在刀盤轉(zhuǎn)動過程中所受的扭矩，采用在刀盤正面和土倉內(nèi)加注泡沫來降低土體強度，有利于降低大刀盤油壓。5.2.2.1

泡沫加注的壓力控制加泡沫壓力與加泡沫效果有密切關(guān)系，并且與土壓力值相關(guān)。在穿越全斷面粉砂土時，土壓力設(shè)定為0.3MPa,加泡沫壓力小于0.3MPa時，加入泡沫效果不明顯；當加入泡沫壓力在0.35

MPa

～0.4

MPa

時，泡沫量達到理想狀態(tài)。5.2.2.2

加注泡沫量的控制刀盤油壓的高低與加注泡沫量的多少有著密切關(guān)系。泡沫在粉砂土中的注入量與刀盤油壓的變化關(guān)系見圖16，為盾構(gòu)穿越此類土層提供了更有力的理論依據(jù)。圖16

泡沫量與刀盤油壓變化關(guān)系圖經(jīng)實際使用可知，在不加泡沫的情況下刀盤油壓達到18

MPa

;隨著加入泡沫量的增加，刀盤油壓會隨著降低；但泡沫量到達1400～1500l/環(huán)后，刀盤油壓就不再變化。5.3

聚胺脂隔水粉砂土含水量大，透水性好；而粉砂土的位置又處于防汛墻旁，為防止黃浦江江水透過粉砂土進入盾構(gòu)內(nèi)，采取了壓注聚胺脂來切斷江水的通道。當盾構(gòu)一進入全斷面粉砂土，就開始在盾尾后3環(huán)位置通過管片注漿孔壓注聚胺脂形成隔水環(huán)箍，每3環(huán)壓注聚胺脂400kg。這樣，在粉砂土中盾構(gòu)總是被聚胺脂包圍，消除了江水侵入盾構(gòu)的后患。6

“盾構(gòu)法隧道施工專家系統(tǒng)”在盾構(gòu)掘進中的運用6.1

系統(tǒng)簡介盾構(gòu)作為一種先進、可靠、方便的地下施工機具，至今已在眾多工程建設(shè)中得以廣泛使用。盾構(gòu)施工引起的地面沉降、隧道軸線控制及其施工過程中的參數(shù)咨詢始終是一個較為復雜的問題。不僅在于其本身的非線性、時效性、多變量等特點，還在于各種因素之間的相互干擾，所有這些因素都導致了它的不確定性。“盾構(gòu)法隧道施工專家系統(tǒng)”模擬隧道專家的邏輯思維活動，能以一個準專家的水準處理隧道領(lǐng)域的工作問題。系統(tǒng)在歸納總結(jié)國內(nèi)外隧道盾構(gòu)施工的理論研究、工程實踐的基礎(chǔ)上，形成相關(guān)知識源，結(jié)合計算機原理，運用數(shù)據(jù)庫、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及模糊控制理論等研制開發(fā)。6.2

系統(tǒng)運用6.2.1

實時預(yù)測地面沉降系統(tǒng)利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論，根據(jù)已成環(huán)隧道施工時所設(shè)定的各類施工參數(shù)、地面沉降控制效果等有關(guān)信息資料，建立系統(tǒng)模型，實時預(yù)測現(xiàn)階段或下階段盾構(gòu)掘進可能產(chǎn)生的地面沉降量。同時，每隔一段時間系統(tǒng)將根據(jù)最近采集的施工數(shù)據(jù)校正模型。從應(yīng)用效果看，系統(tǒng)預(yù)測值曲線及實測值曲線形態(tài)完全一致。（詳見圖17）圖17

75環(huán)推進結(jié)束后縱向沉降實測/預(yù)測曲線圖（靜安寺~江蘇路區(qū)間隧道）6.2.2

優(yōu)化施工參數(shù)匹配系統(tǒng)針對某一特定工程，運用數(shù)據(jù)庫，建立包括施工控制參數(shù)和地面沉降參數(shù)在內(nèi)的實測數(shù)據(jù)庫，并通過對輸入數(shù)據(jù)的自動校核、濾波、平滑和外推（預(yù)測），對施工參數(shù)進行正交分析，利用已有若干環(huán)數(shù)據(jù)，建立各類施工參數(shù)與地面沉降間的關(guān)系。系統(tǒng)應(yīng)用過程中，可排除各因子之間的相互干擾，根據(jù)當前地面沉降量和沉降速率，在一定的參數(shù)控制范圍內(nèi)尋找各參數(shù)之間的最佳匹配。就土壓力及注漿量二施工參數(shù)，從預(yù)、實測數(shù)據(jù)的差值和曲線圖的吻合情況來看，系統(tǒng)預(yù)測值有較強的準確性、實用性，對盾構(gòu)施工有很好的指導和輔助作用。（詳見圖18、19）圖18

200~250環(huán)土壓力實測/預(yù)測曲線圖（靜安寺~江蘇路區(qū)間隧道）圖19

200~250環(huán)注漿量實測/預(yù)測曲線圖（靜安寺~江蘇路區(qū)間隧道）6.2.3

采用模糊自適應(yīng)方案，提高軸線控制精度隧道軸線控制主要通過模糊控制的方法，使隧道實際軸線與設(shè)計軸線相吻合。隧道施工中盾構(gòu)軸線的控制好壞是評定一條隧道質(zhì)量的主要因素。為此，在系統(tǒng)原有的基礎(chǔ)上完善了軸線控制技術(shù)內(nèi)容：①盾構(gòu)區(qū)域油壓的設(shè)定；②在管片不同部位粘貼不同厚度的楔子；③采用模糊適應(yīng)方案控制隧道軸線精度。施工過程中使用“專家系統(tǒng)”對區(qū)域油壓的預(yù)測數(shù)據(jù)基本指導了實際油壓值的設(shè)定，從隧道軸線控制情況來看（詳見圖20），專家系統(tǒng)所預(yù)測的區(qū)域油壓值對隧道軸線控制效果較為理想，實用性較強。圖20

1~300環(huán)軸線偏差曲線圖（靜安寺~江蘇路區(qū)間隧道）7

國產(chǎn)盾構(gòu)在實際中的運用

在靜安寺~江蘇路區(qū)間段隧道施工中，首次采用國產(chǎn)加壓式土壓平衡盾構(gòu)，該盾構(gòu)由上海隧道工程股份研究、設(shè)計及制造。盾構(gòu)外徑F6340mm，長度為7970mm。

7.1

盾構(gòu)簡介

7.1.1

盾構(gòu)構(gòu)造（詳見圖21）圖21

盾構(gòu)構(gòu)造示意圖7.1.2盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)（表2）表2

盾構(gòu)主要技術(shù)參數(shù)表主機外徑F6340mm長度7970mm重量2.12′105

KN刀盤系統(tǒng)開口率30％螺旋機系統(tǒng)出土量190m3/h轉(zhuǎn)速0.78rpm最大轉(zhuǎn)速15rpm最大扭矩5.1′103KNm最大扭矩45KNm拼裝機系統(tǒng)轉(zhuǎn)速1.44

rpm掘進系統(tǒng)總推力3.3′104KN掘進速度4.5cm/min回轉(zhuǎn)范圍±200°千斤頂長行程1860mm（3臺）起重能力5′104N短行程1200mm（19臺）加泥系統(tǒng)額定流量10m3/h注漿系統(tǒng)一次壓注量7.85′10-3

m3/次最大壓力1.2MPa最大壓力2.5MPa壓注點12點壓注點6點7.2

路段工況

靜安寺~江蘇路區(qū)間段隧道全長1161m，期間穿越華山路、烏魯木齊路、南京西路及鎮(zhèn)寧路。隧道最小平面曲線半徑為R499.851m，最大坡度2％。盾構(gòu)主要穿越的地層為：灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、灰色淤泥質(zhì)粘土、灰色粘土。7.3

盾構(gòu)各系統(tǒng)運用情況7.3.1

液壓系統(tǒng)

盾構(gòu)采用2臺掘進泵，其中一臺流量調(diào)定在掘進速度4.5cm/min（22臺千斤頂），另一臺用于管片拼裝（流量調(diào)定較高），以縮短千斤頂伸縮時間，提高拼裝速度。另外，刀盤扭矩較法國FCB盾構(gòu)大一倍，盾構(gòu)易于切削沿線加固區(qū)。7.3.2

集中潤滑系統(tǒng)

首次采用機械壓注油脂法，有效低檔了外部泥水侵入刀盤密封圈，確保刀盤正常工作。另外，系統(tǒng)采用1＃鋰基脂代替進口油脂（CONET），其效果相當，但降低了成本。7.3.3

盾尾油脂系統(tǒng)

油脂管路布置至管片接縫處，有效阻止了漿液從接縫內(nèi)竄入盾尾，提高了盾尾密封性能。7.3.4

同步注漿系統(tǒng)

同步注漿管路設(shè)計欠合理，彎頭設(shè)置偏多，易形成漿管堵塞。7.3.5

拼裝系統(tǒng)

兩提升、平移導向管平行度不高，且無微調(diào)裝置，導致拼裝過程不平穩(wěn)，易損壞管片。7.4

盾構(gòu)運用總體評述

盾構(gòu)設(shè)計符合施工要求，盾構(gòu)性能良好，操作簡便，平均日掘進速度達到8環(huán)，同時將隧道軸線（平面、高程）有效控制在±50mm以內(nèi)，地面沉降控制在+10mm~-30mm以內(nèi)。8

結(jié)束語通過貫徹科學管理模式（均衡施工等）、開發(fā)科研項目（“盾構(gòu)隧道施工專家系統(tǒng)”

及“盾構(gòu)法隧道施工專家系統(tǒng)”等）、應(yīng)用先進技術(shù)（盾構(gòu)發(fā)泡裝置改良土體等）、堅持理論指導實踐（理論計算及模擬實驗等）、實施現(xiàn)場精心施工（信息化動態(tài)施工管理等）等一系列綜合措施，確保盾構(gòu)順利穿越了上游引水箱涵、、名城廣場地下室、南京路密集建筑群及地下管線等建筑物及地下管線，避免了沉降過大帶來的嚴重后果，進一步完善了盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)，產(chǎn)生了顯著的社會效益和經(jīng)濟效益。同時，有效地將盾構(gòu)日掘進速度提高到8米/天（其中過江段日掘進速度達14米/天）。另外，通過地鐵二號線的盾構(gòu)施工，明顯可以看到：隨著市政建設(shè)的日益發(fā)展，城市地下空間的不斷開發(fā)，今后隧道疊交穿越將成為盾構(gòu)法隧道施工的一大主題，其施工技術(shù)還有待于更深入的探討。參考文獻[1]

周文波、胡珉，隧道疊交地層移動的數(shù)學模型[2]

白廷輝，上海地鐵二號線盾構(gòu)隧道施工若干技術(shù)難題及對策上海地鐵二號線盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)綜述A

COMPREHENSIVE

NARRATION

ON

TUNNELLING

CONSTRUCTION

TECHNIQUE

BY

SHIELD

METHOD

EMPLOYED

IN

THE

SHANGHAI

NO.2

METRO

LINE周文波1

吳惠明2（1.上海隧道工程股份，上海

200032；2.上海隧道工程股份，上海

200032）摘

要：本文以上海地鐵二號線工程為背景，介紹了盾構(gòu)穿越地面密集建筑物及特殊地下管線等特殊技術(shù)措施，并針對隧道疊交工況提出了地面隆起變形計算公式，給出了隧道疊交穿越時地層移動的數(shù)學模型。關(guān)鍵詞：地鐵

盾構(gòu)

建筑物

隧道

疊交

數(shù)學模型作者簡介：周文波，男，1962年生，上海大學工學碩士，現(xiàn)任上海隧道工程股份副總經(jīng)理；吳惠明，男，1970年生，上海大學工學學士，現(xiàn)任上海隧道工程股份盾構(gòu)工程分公司副主任工程師。Zhou

Wen-bo1&Wu

Hui-ming2（1.Shanghai

tunnel

engineering

Co.,LTD.Shanghai

200032；2.Shanghai

tunnel

engineering

Co.,LTD.Shanghai

200032）1

概述1.1

工程概況上海地鐵二號線工程圓隧道部分西起中山公園站，東止龍東路站，雙線（上、下行）全長24.122km，共設(shè)12座車站。全線橫貫長寧、靜安、黃浦及浦東新區(qū)，除浦東東方路以南大都為農(nóng)田外，其余各段所處的市政環(huán)境為地面交通繁忙、建筑物密集及地下管線錯綜復雜。尤其是浦西段區(qū)間隧道基本在素有“中華第一街”之稱的南京路地下穿越，施工難度很大。地鐵二號線的建成，將與地鐵一號線及正在建設(shè)的明珠一號線構(gòu)成上海地上及地下相結(jié)合的“申”字型高速有軌交通系統(tǒng)。（詳見圖1）圖1

地鐵二號線總平面圖地鐵二號線各區(qū)間隧道均采用盾構(gòu)法施工，其中靜安寺~石門一路區(qū)間段隧道采用上海隧道工程股份設(shè)計、制造的F6340mm加泥式土壓平衡盾構(gòu)；陸家嘴~河南路區(qū)間段隧道采用中法聯(lián)合制造的F6340mm土壓平衡盾構(gòu)；其余各段均采用原地鐵一號線使用過并經(jīng)維修保養(yǎng)的法國FCB公司制造的F6340mm土壓平衡盾構(gòu)。地鐵區(qū)間隧道包括上行線和下行線各一條，隧道襯砌外徑為F6200mm，內(nèi)徑為F5500mm,襯砌為預(yù)制鋼筋混凝土管片，每環(huán)寬度1000mm，每環(huán)由封頂塊(

F

)、鄰接塊(L1及L2)、標準塊(B1及B2)和落底塊(D)6塊管片拼裝而成。除楊高路站~東方路站區(qū)間隧道外，兩相鄰管片的縱向、環(huán)向均采用M30螺栓連接，管片設(shè)計強度等級為C50，抗?jié)B為S8，接縫防水采用水膨脹性橡膠和氯丁橡膠復合而成的彈性密封墊。1.2

工程地質(zhì)地鐵二號線區(qū)間隧道，沿線主要穿越的地層有：?2灰色砂質(zhì)粉土層，易發(fā)生流砂；l灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層，飽和、流塑，屬高壓縮性土；m灰色淤泥質(zhì)粘土層，飽和、流塑~軟塑、夾少量薄層粉砂，屬高壓縮性土；n1－1灰色粘土層，很濕、軟塑~可塑、受擾動后沉降大，屬高偏中壓縮性土；n1－2灰色粉質(zhì)粘土層，很濕、軟塑、受擾動后沉降大、局部夾薄層粉砂，屬中壓縮性土。其中陸家嘴路站~河南路站區(qū)間隧道江中段的土層物理力學性能指標詳見表1。表1

陸家嘴路站~河南路站區(qū)間隧道江中段土層物理力學性能指標層號數(shù)值類別含水量W天然孔隙比e壓縮系數(shù)a1-a壓縮模量E1-a滲透系數(shù)無側(cè)限抗壓強度qu十字板剪切強度Su靜三軸內(nèi)聚力Cu靜止側(cè)壓力系數(shù)KvKh%MPa－1MPacm/scm/skPakPakPa?2灰色砂質(zhì)粉土最大37.81.0710.388.822.49E-41.50E-466.0平均34.50.9840.286.93～～50.449.40.44最小30.50.8810.224.996.40E-54.78E-541.6l灰色淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土最大43.31.2120.763.7262.742.60.51平均40.51.1360.633.3143.031.623.00.47最小36.81.0300.542.9728.720.50.42m灰色淤泥質(zhì)粘土最大58.91.5931.413.311.28E-71.86E-772.134.532.00.58平均50.81.4081.072.23～～46.629.330.00.56最小45.11.2330.671.653.00E-74.20E-733.025.926.00.48n1－1灰色粘土最大43.51.2670.754.5380.048.053.0平均38.61.1100.613.3767.042.040.00.54最小340.9880.442.7639.636.031.0n1－2灰色粉質(zhì)粘土最大39.51.1710.746.451.37E-62.90E-697.076.00.56平均33.40.9930.454.53～～80.758.00.54最小28.60.8870.283.273.14E-71.30E-743.940.00.521.3

施工技術(shù)難點地鐵二號線區(qū)間隧道盾構(gòu)施工中需穿越很多的密集型地面建筑物、地面交通干道及特殊地下管線，故對環(huán)境的保護要求相當高，簡述如下：

（1）陸家嘴站~河南路站區(qū)間隧道中，盾構(gòu)與外灘觀光隧道同期施工；

（2）人民公園站~河南路站區(qū)間隧道中，盾構(gòu)穿越營運中的地鐵一號線；

（3）楊高路站~東方路站區(qū)間隧道中，盾構(gòu)穿越上游引水箱涵；

（4）靜安寺站~石門一路站區(qū)間隧道中，盾構(gòu)穿越名城廣場地下室；

（5）陸家嘴路站~河南路站區(qū)間隧道中，盾構(gòu)穿越全斷面粉砂層；

1.4

科研項目開發(fā)及推廣應(yīng)用

（1）隧道疊交施工的相互影響理論及施工工藝研究；（陸家嘴路站~河南路站區(qū)間隧道）

（2）盾構(gòu)法隧道施工專家系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。（楊高路站~東方路站、靜安寺站~江蘇路站、人民公園站~河南路站、陸家嘴站~河南路站等區(qū)間隧道）

針對上述區(qū)間隧道施工中所遇到的有關(guān)技術(shù)難點，采取了相應(yīng)技術(shù)措施，具體如下。2

短期隧道疊交施工技術(shù)2.1

簡況陸家嘴~河南路區(qū)間隧道施工中，在浦西防汛墻底下地鐵二號線與外灘觀光隧道成51°21’斜交，上、下行線隧道頂部與其凈距分別為1.57m及2.18m（詳見圖2），形成三條隧道疊交穿越工況。施工先后順序為地鐵二號線上行線、地鐵二號線下行線、外灘觀光隧道。圖2

地鐵二號線與外灘觀光隧道位置示意圖外灘觀光隧道工程東起東方明珠電視塔西側(cè)的浦東出入口豎井,西至南京路外灘（陳毅塑像北側(cè)）綠化帶內(nèi)的浦西出入口豎井，全長646.70m。隧道外徑F7.48m，內(nèi)徑F6.76m，采用φ7650mm鉸接式土壓平衡盾構(gòu)施工。地鐵二號線隧道與外灘觀光隧道施工時間間隔僅三個月左右，隧道尚處于非穩(wěn)定狀態(tài)。由于土體的不穩(wěn)定，必將產(chǎn)生相互影響，這是盾構(gòu)施工需要研究的新課題。為此，進行室內(nèi)模擬實驗并建立了數(shù)學模型，以指導實際施工。2.2

動態(tài)隧道疊交室內(nèi)實驗及數(shù)據(jù)分析2.2.1

室內(nèi)實驗2.2.1.1

總體設(shè)計實驗?zāi)M裝置根據(jù)實際隧道的尺寸及標高，按1:48比例縮小，地鐵隧道和觀光隧道分別采用f133mm和f159mm的無縫鋼管模擬，土槽尺寸為：

1400mm′1200mm′820mm（長′寬′高）。微型盾構(gòu)掘進器配備兩臺以調(diào)速馬達為動力的減速器。其中一臺驅(qū)動絲杠使盾構(gòu)在土體中推進，另一臺帶動刀盤切削土體。實驗時可調(diào)整推進速度、刀盤轉(zhuǎn)速模擬盾構(gòu)工作狀態(tài)。2.2.1.2沉降監(jiān)測點布置（詳見圖3）圖3

沉降監(jiān)測點布置圖2.2.2

實驗分析2.2.2

1

地面沉降⑴橫向沉降槽圖4

觀光隧道沉降槽變化圖上圖是地鐵二號線上行行線推進完畢，觀光隧道穿越后的實際沉降槽形狀，其沉降槽是前兩條隧道所產(chǎn)生的沉降矢量疊加所致。由于土體本身所具“骨架”效應(yīng)，前二條隧道施工所引起的隆沉會對當前隧道施工起到互補作用，其顯示出沉降槽的不對稱性。⑵縱向沉降槽圖5

觀光隧道掘進時的縱向沉降槽曲線圖和單條隧道相似，隨著盾構(gòu)的掘進，地面沉降的最大變化點不斷向前推移。曲線的形態(tài)也逐漸趨于穩(wěn)定。這說明隧道疊交的掘進所引起的土體擾動，對沉降曲線的形態(tài)和性質(zhì)影響不大。2.2.2

2

土體壓力圖6

觀光隧道穿越疊交點時地鐵二號線上行線隧道壓力變化圖當隧道穿越疊交點時，原來隧道的壓力會顯著降低，然后逐步恢復，但壓力無法達到原先的壓力值。2.3

疊交隧道地層移動的數(shù)學模型2.3.1

派克公式橫向分布的地面沉降公式

（1）式中

為隧道單位長度地層損失量，沉降槽寬度系數(shù)

由克洛夫—斯密特公式確定，其中：

—隧道半徑，

—地面至隧道中心距離2.3.2

隧道“反彈”公式圖7

隧道“反彈”變形

將隧道簡化成彈性介質(zhì)中的半無限長梁。設(shè)隧道原處在穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，故“反彈”運動時只需考慮失去的土重（提升力）、彈性抗力和慣性力的作用。由此建立隧道運動微分方程和定解條件，求得隧道“反彈”公式如下：

（2）上式中，

時取“+”號，

時取“－”號。

—

隧道運動方程的本征值，由現(xiàn)場測試分析取得（1

/s）

（1/m）

—

下方隧道半徑（m）

—隧道上方掘去的土重（kN）

—

土的重度（kN/

m3）

—

疊交段上方隧道被掘去的土的體積（m3）

—

下方隧道的抗彎剛度（kN/

m2）

—

單位體積隧道重量（kN

/m3）

—

隧道橫截面面積（m2）

—

重力加速度（m/s2）

—

土抗力系數(shù)（kN/

m3）

—

時間（天）可見，

隨著

和

的增加而迅速衰減，

。可見，

隨著

和

的增加而迅速衰減，

。根據(jù)上述公式和實際情況，算得地鐵二號線下行線（與觀光隧道疊交處）的反彈曲線如圖8，最大值3.8

mm

。圖8

地鐵二號線下行線（與觀光隧道疊交處）的反彈曲線2.3.3

地面隆起變形公式設(shè)地層為半無限大彈性體，且變形時體積不變。于是，根據(jù)彈性力學基本方程和隧道“反彈”變形公式，可得到如下地面隆起變形公式

（3）

—

隧道“反彈”變形（m）

—

土層泊松比

—

隧道軸線到地面的高度（m）

—

地面上一點到隧道縱向?qū)ΨQ面的距離（m）2.4

整體數(shù)學模型坐標旋轉(zhuǎn)變換公式

（4）坐標平移變換公式

（5）把式4和式5分別代入式1、式2及式3，將得到各盾構(gòu)隧道引起的地面沉降

（

1，2，3）和隆起

（

1，2）。于是，盾構(gòu)疊交隧道地層移動的公式為：

（6）

向上為正，反之為負。

將地層中的某點（

，

，

）或某直線

（

，

，

為直線的方向數(shù)；

，

，

為某已知點的坐標）代入上式可求得該點或該直線上的位移。2.3.4

數(shù)值結(jié)果根據(jù)上述公式可計算地層移動。主要參數(shù)取值如下：土比重

=16.9

KN/m3，土抗力系數(shù)（算術(shù)平均）K=7350

KN/m3，泊松比μ=0.35；混凝土比重ρ=24.5

KN/m3，彈性模量EC=3.5×107

KN/m2；地鐵隧道盾構(gòu)外徑6.34

m，觀光隧道盾構(gòu)外徑7.65

m，內(nèi)外徑之比等于0.87，各隧道軸線到地面的高度

根據(jù)實際情況而變；最終的土體損失率取0.15%；隧道運動方程的本征值（由現(xiàn)場測試分析取得）

1/s。經(jīng)過計算處理得到：由地鐵二號線和觀光隧道引起的地層最大移動為下沉4.4

mm；2.4

主要施工技術(shù)2.4.1

一般施工技術(shù)2.4.1.1

嚴格控制盾構(gòu)正面土壓力

觀光隧道盾構(gòu)開口率為63％（地鐵盾構(gòu)為35％）。因此，在設(shè)定土壓力時接近主動土壓力，并通過地面測量的及時反饋來調(diào)整土壓力。2.4.1.2

嚴格控制盾構(gòu)姿態(tài)合理控制盾構(gòu)在穿越階段掘進時的糾偏量，減少糾偏對土體的擾動，禁止超、欠挖。2.4.2

輔助施工技術(shù)2.4.2.1

地基加固在整個施工過程中，對二號線上下行線底部進行加固，使其能夠承受觀光隧道盾構(gòu)進入時的壓力及盾構(gòu)向下的側(cè)向分力對上下行線的影響，2.4.2.2

盾尾注漿盾構(gòu)穿越過程中及時注漿并加固脫出盾尾4環(huán)后的管片上部，通過注漿使其固結(jié)，從而克服觀光隧道上浮而引起的地鐵隧道上部負載不夠造成的地鐵隧道上浮。當觀光隧道上部有一定的承受力后，利用注漿加固以克服地鐵隧道的上浮情況，使其受擾動的土體得到改良以增加承載力。2.4.2.3

外灘觀光臺、地鐵二號線的沉降監(jiān)測根據(jù)外灘觀光平臺的實際情況，分別布置沉降監(jiān)測點（詳見圖9）。

圖9

外灘觀光平臺沉降監(jiān)測點布置圖盾構(gòu)施工過程中，依據(jù)沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時優(yōu)化調(diào)整各類施工參數(shù)，最終將觀光平臺沉降控制在30mm以內(nèi)。（如圖10）圖10

觀光平臺沉降曲線圖地鐵二號線的沉降量量控制在3mm以內(nèi)。（如圖11）

圖11

地鐵二號線沉降曲線圖2.5

科研項目的應(yīng)用效果此區(qū)間隧道施工過程中，結(jié)合實際開發(fā)了“隧道疊交施工的相互影響理論及施工工藝研究”科研項目，

綜合研究了盾構(gòu)掘進施工技術(shù)，同時建立了盾構(gòu)隧道疊交地層移動的數(shù)學模型，加強了施工監(jiān)測，提高了施工質(zhì)量，縮短了施工工期，保護了觀光隧道、防汛墻及地下管線等，取得了顯著的社會、環(huán)境效益。3

動載條件下穿越地鐵一號線施工技術(shù)3.1

簡況人民公園站~河南路站區(qū)間隧道施工中，盾構(gòu)出洞段將需穿越營運中的地鐵一號線區(qū)間隧道。盾構(gòu)出洞后僅12m距離與地鐵一號線隧道呈85°斜交，且一號線隧道底部與二號線隧道頂部間距僅為1

m隧道埋深達17.5m。（詳見下圖12－1、圖12－2）圖12－1

盾構(gòu)穿越地鐵一號線示意圖（剖面）

圖12－2

盾構(gòu)穿越地鐵一號線示意圖（平面）3.1.1

地鐵一號線隧道在二號線車站建造過程中已下沉12mm，其累計沉降量不能超過15mm，為此，盾構(gòu)穿越一號線隧道時沉降必須控制在3mm以內(nèi)；3.1.2

地鐵一號線隧道底部已采用多種方法進行加固，有雙液漿、聚胺脂、旋噴注漿以及分層注漿等，其漿液呈非均勻分布狀，導致盾構(gòu)掘進時對隧道軸線的控制產(chǎn)生不穩(wěn)定的因素；3.1.3

盾構(gòu)出洞后即進入加固區(qū)，并受鄰邊商業(yè)建筑物以及地鐵一號線隧道的影響，增加了施工參數(shù)準確設(shè)定的難度。3.2

主要施工技術(shù)3.2.1

優(yōu)化洞門混凝土吊除方案，縮短作業(yè)時間，減少正面土體的流失量。3.2.2

施工參數(shù)優(yōu)化3.2.2.1

土壓力設(shè)定

p=rhtg2(45°－F/2)

r?土的重度17.5kN/m3

h?管道埋深（至隧道中心，取17.5m）

F?土的內(nèi)摩擦角取7.50

p?1.75×17.5×tg2(450-7.50/2)＝0.236MPa

考慮到盾構(gòu)出洞時，沿軸線縱向6m范圍內(nèi)采用深層攪拌樁已對土體進行了加固（加固強度達到0.7～0.8MPa），因此出洞時的土壓力設(shè)定為0.23

MPa。3.2.2.2

出土量控制

v

=（1/4）pD2×1

（理論計算）

=1/4×3.14×6.342×1＝31.55m3出土量控制在理論值的95％左右,即v=31.55×95％＝30

m3/環(huán)，保證盾構(gòu)切口上方土體能微量隆起，以減小土體的后期沉降量。3.2.2.3

掘進速度控制掘進速度控制在1cm/min。確保盾構(gòu)比較勻速地穿越加固區(qū)，同時保證刀盤對加固土體進行充分切削。3.2.3

加注發(fā)泡劑或水等潤滑劑，減小刀盤所受扭矩，同時降低總推力。3.2.4

加強對地鐵一號線的監(jiān)測，確保及時優(yōu)化調(diào)整掘進施工的參數(shù)，真正做到信息化動態(tài)的施工管理。采用高精度的連通管自動監(jiān)測的方法，對地鐵一號線隧道作加密監(jiān)測。利用連通管對隧道的垂直變形作自動連續(xù)監(jiān)測，每10分鐘提供一組數(shù)據(jù)，并及時反饋到施工人員。另外，為監(jiān)測地鐵一號線隧道的徑向變形，在上、下行線隧道內(nèi)各裝置了一個巴塞特－收斂系統(tǒng)量測環(huán)。每個環(huán)布置10組測點，其具有高分辨率、高精度（0.02mm）等優(yōu)點。3.2.5

合理控制注漿量，控制地鐵一號線隧道以及地面的沉降。盾構(gòu)穿越施工過程中，根據(jù)連通管、巴塞特－收斂系統(tǒng)量測環(huán)監(jiān)控數(shù)據(jù)及時調(diào)整每推15cm同步注漿量。由于同步注漿所采用的單液惰性漿液易產(chǎn)生泌水和離隙，從而引起一號線隧道下沉以及二號線隧道上浮，且管片拼裝時盾構(gòu)后退也會引起一號線隧道下沉。為此，將盾尾脫出時該環(huán)沉降控制在3.5mm左右。在此基礎(chǔ)上，及時監(jiān)控后階段隧道沉降的變化情況，以補注雙液漿加固。4

穿越特殊管線及地下建筑施工技術(shù)4.1

穿越上游引水箱涵

在楊高路站~東方路站區(qū)間隧道施工中，出洞段盾構(gòu)穿越6.2m加固區(qū)后，即需穿越上游引水箱涵，箱涵為上海市自來供水管道。該箱涵距洞門約20m，其位于隧道上方，與隧道基本正交，箱涵底板距盾構(gòu)頂?shù)膬艟嗍?.2m（詳見圖13）。圖13

盾構(gòu)穿越上游引水箱涵示意圖

當盾構(gòu)切口脫離加固域進入原狀土時，掘進時引起的地層變形已開始逐漸影響上游引水箱涵。為保護箱涵的正常運行，在盾構(gòu)到達箱涵前、穿越箱涵時和盾尾脫離箱涵后的整個過程中，必須精心施工，嚴格控制地層變形，運用信息化施工，對盾構(gòu)掘進時的各類施工參數(shù)進行動態(tài)管理.4.1.1

盾構(gòu)到達箱涵前施工階段4.1.1.1

局部暴露箱涵結(jié)構(gòu)，施工跟蹤注漿管，同時布置沉降監(jiān)測點（詳見圖14）圖14

箱涵沉降測點布置圖挖樣洞找出箱涵二側(cè)的上邊線，確定箱涵的正確位置，并找出箱涵相鄰兩段間的變形縫，然后以1:1放坡開挖溝槽（即觀察槽）以暴露變形縫。以箱涵上邊線為基準，向兩側(cè)各布設(shè)2排共4排注漿管。另外，在此兩排注漿管外側(cè)各布置一排斜管。4.1.1.2

摸索出各類施工參數(shù)的最佳設(shè)定值根據(jù)地面上的高精度水準測量、連通管和分層沉降監(jiān)測信息的反饋及時調(diào)整土壓設(shè)定值和出土量，采用均衡施工的制度使盾構(gòu)較勻速地向前掘進以減少對土體的擾動，并在這一段時期的施工中摸索出了掘進速率、出土量、注漿量和地層變形的相互關(guān)系。當盾尾全部脫離加固區(qū)域后，同步注漿趨于正常，根據(jù)各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，制定出不同的注漿量。4.1.2

盾構(gòu)穿越箱涵段施工階段

當盾構(gòu)切口到達箱涵前1至2環(huán)時，開始進入穿越箱涵施工階段。分兩個階段控制不同的參數(shù)。4.1.2.1

盾構(gòu)到達箱涵前1~2環(huán)至盾尾全部進入箱涵，此時，以設(shè)定土壓力值和出土量來控制推進；4.1.2.2

自盾尾進入箱涵至全部脫離，此時，既要控制設(shè)定土壓力值和出土量，又要控制同步注漿量及地面跟蹤注漿量。根據(jù)施工的實際結(jié)果，盾構(gòu)在穿越箱涵的整個過程中都保持了較好的姿態(tài)。各類監(jiān)測結(jié)果反映，在此過程中箱涵的沉降量控制在＋8.5mm以下。4.1.3

盾尾脫離箱涵后的施工階段當盾構(gòu)掘進至33環(huán)后，盾尾全部脫離箱涵。4.1.3.1

嚴格控制掘進速度和同步注漿量，使盾尾脫離箱涵時箱涵沒有因為建筑間隙未能得到及時充填而發(fā)生突然下沉。4.1.3.2

嚴格控制箱涵后期沉降量。隨著盾構(gòu)逐漸遠離箱涵，掘進時擾動土體對其影響也越來越小，為了減緩箱涵的后期沉降速率并使其后期沉降量減至最小，在箱涵兩側(cè)第18環(huán)和第35環(huán)除封頂塊以外的管片注漿孔中注入雙液漿使其形成兩道環(huán)箍，對箱涵下部土體向兩側(cè)位移起到了抑制作用。由于35環(huán)距離箱涵比較近，為減少注漿時壓力波動對其產(chǎn)生影響，故在此采用速凝雙液漿，而在35環(huán)處則采用緩凝雙液漿增加其流動性以形成較好的環(huán)箍。4.2

穿越名城廣場地下室

在靜安寺~石門一路區(qū)間段隧道施工中，盾構(gòu)需穿越名城廣場地下室。盾構(gòu)頂距地下室底板僅1.9m。（圖15

盾構(gòu)穿越名城廣場地下室示意圖施工過程中，主要采用的技術(shù)措施如下：4.2.1

主要施工參數(shù)控制4.2.1.1

土壓力：原則上根據(jù)理論計算值，實際施工中根據(jù)地板沉降情況作及時調(diào)整。4.2.1.2

掘進速度：一般控制在15~20mm/min。采用中低速掘進，可以使土體將盾構(gòu)掘進所產(chǎn)生的應(yīng)力充分釋放，避免產(chǎn)生由于掘進應(yīng)力過大或過于集中，而對地下室地板造成破壞。4.2.1.3

出土量：一般控制在理論出土量的98％。4.2.2

盾構(gòu)姿態(tài)控制

盾構(gòu)在穿越地下室前，根據(jù)地面測試資料，及時調(diào)整了盾構(gòu)姿態(tài)，使其以最佳的姿態(tài)進入地下室。進入后盾構(gòu)保持平穩(wěn)推進，減少糾偏，減少對正面土體的擾動。

平面：控制在±30mm之內(nèi)。

高程：考慮到覆土較淺，盾構(gòu)在穿越時高程控制在-50mm左右。這樣也可以減少由于淺覆土使盾構(gòu)上拋帶來的影響。4.2.3

通訊聯(lián)絡(luò)

盾構(gòu)穿越期間，由專職人員晝夜對地下室監(jiān)測，觀察結(jié)構(gòu)變形情況，并將監(jiān)測信息及時反饋給施工人員，及時調(diào)整與控制盾構(gòu)穿越過程中施工參數(shù)，使盾構(gòu)施工對地下室結(jié)構(gòu)影響降到最低。4.2.4

沉降控制

沉降控制分為兩方面：盾構(gòu)切口前的沉降，由土壓力及掘進速度控制；盾尾后的沉降，由同步注漿及壁后注漿控制。

盾構(gòu)穿越過程中，在同步注漿和壁后注漿之后，利用車庫底板預(yù)留的30根注漿管進行跟蹤注漿。通過跟蹤注漿進一步充填、密實了周圍土體，有效地控制了隧道上浮，同時將地下室底板的最終沉降控制在4mm以內(nèi)。5

盾構(gòu)穿越全斷面粉砂土層5.1

難點陸家嘴路站~河南路站盾構(gòu)進入黃浦江前，先穿越100米的全斷面粉砂土，粉砂土含水量大，極易液化，盾構(gòu)穿越后隧道周圍的土體很不穩(wěn)定，盾尾幾乎直接受水壓力的作用，很容易發(fā)生盾尾漏水、漏砂等情況。5.2

主要技術(shù)措施5.2.1

施工參數(shù)優(yōu)化5.2.1.1

掘進速度在全斷面粉砂土中掘進，大刀盤所受扭矩及推力大大增加，所以盾構(gòu)掘進速度控制在

20mm/min。5.2.1.2

同步注漿量的控制在粉砂土中施工時，由于粉砂土中空隙較大，同步注漿壓注量比一般土層要多，在施工中壓注250％的建筑空隙；成功地把地面變形控制在8mm以內(nèi)。5.2.1.3

盾構(gòu)掘進時軸線糾偏量不得大于0.2%，同時保證盾構(gòu)連續(xù)施工。5.2.2

土體改良粉砂土土體雖然含水量大，但一經(jīng)擠壓，水分流失，粉砂土就變得結(jié)實，土倉進土困難，掘進時大刀盤油壓急劇增大，為改善大刀盤傳動軸承在刀盤轉(zhuǎn)動過程中所受的扭矩，采用在刀盤正面和土倉內(nèi)加注泡沫來降低土體強度，有利于降低大刀盤油壓。5.2.2.1

泡沫加注的壓力控制加泡沫壓力與加泡沫效果有密切關(guān)系，并且與土壓力值相關(guān)。在穿越全斷面粉砂土時，土壓力設(shè)定為0.3MPa,加泡沫壓力小于0.3MPa時，加入泡沫效果不明顯；當加入泡沫壓力在0.35

MPa

～0.4

MPa

時，泡沫量達到理想狀態(tài)。5.2.2.2

加注泡沫量的控制刀盤油壓的高低與加注泡沫量的多少有著密切關(guān)系。泡沫在粉砂土中的注入量與刀盤油壓的變化關(guān)系見圖16，為盾構(gòu)穿越此類土層提供了更有力的理論依據(jù)。圖16

泡沫量與刀盤油壓變化關(guān)系圖經(jīng)實際使用可知，在不加泡沫的情況下刀盤油壓達到18

MPa

;隨著加入泡沫量的增加，刀盤油壓會隨著降低；但泡沫量到達1400～1500l/環(huán)后，刀盤油壓就不再變化。5.3

聚胺脂隔水粉砂土含水量大，透水性好；而粉砂土的位置又處于防汛墻旁，為防止黃浦江江水透過粉砂土進入盾構(gòu)內(nèi)，采取了壓注聚胺脂來切斷江水的通道。當盾構(gòu)一進入全斷面粉砂土，就開始在盾尾后3環(huán)位置通過管片注漿孔壓注聚胺脂形成隔水環(huán)箍，每3環(huán)壓注聚胺脂400kg。這樣，在粉砂土中盾構(gòu)總是被聚胺脂包圍，消除了江水侵入盾構(gòu)的后患。6

“盾構(gòu)法隧道施工專家系統(tǒng)”在盾構(gòu)掘進中的運用6.1

系統(tǒng)簡介盾構(gòu)作為一種先進、可靠、方便的地下施工機具，至今已在眾多工程建設(shè)中得以廣泛使用。盾構(gòu)施工引起的地面沉降、隧道軸線控制及其施工過程中的參數(shù)咨詢始終是一個較為復