盾構(gòu)機(jī)近距離穿越運營中地鐵隧道施工技術(shù)研究

1、盾構(gòu)機(jī)近距離穿越運營中地鐵隧道施工技術(shù)研究      摘  要：本文通過上海地鐵M 4線，盾構(gòu)機(jī)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號線隧道時，對周圍土體變形狀況、機(jī)理以及地層后期沉降的研究，提出了盾構(gòu)推進(jìn)對近距離已建隧道影響，進(jìn)行有效控制的施工方法及參數(shù)，為工程施工提供理淪基礎(chǔ)。    關(guān)鍵詞：盾構(gòu)法隧道、穿越施工、未經(jīng)加固的軟寸：地層、地鐵運營、信息化施工重       1 前言    上海市軌道交通明珠線

2、二期工程(M 4線)，是繼上海地鐵1號、2號線后的，本市第3條重大地鐵隧道工程建設(shè)項目。將與正在運營的明珠線一期工程(高架輕軌)共同構(gòu)成環(huán)形軌道交通客運線。因此，M 4線隧道必須穿越地鐵2號線隧道。    在穿越期間，要確保正在運行的地鐵2號線隧道安然無恙，難度是非常高的。    因此，必須對盾構(gòu)機(jī)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(shù)，進(jìn)行理論研究。    2  工程概況    我公司承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(jì)大道、福山

3、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(biāo)準(zhǔn)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)的中6340土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，長度8.6m。    盾構(gòu)穿越地鐵2號線隧道的區(qū)域位于世紀(jì)大道下方，且是與濰坊路、福山路的交匯處。世紀(jì)大道是我市新建的現(xiàn)代化道路之一，路面寬闊，共有812條機(jī)動車道和2條非機(jī)動車道，路面寬達(dá)50余米，交通高峰時車流量很高。道路兩側(cè)建筑物主要有

4、世紀(jì)聯(lián)華超市及住宅樓等。道路下方地下管線縱橫交錯。  圖1     3 工程地質(zhì)表1     上海地鐵區(qū)間隧道主要穿越灰色淤泥質(zhì)粘土層，為飽和、流塑、夾少量薄層半砂的粘性土，屬高壓縮性土；灰色粘土1層、灰色粉質(zhì)粘土2層，很濕、軟塑、水量高、孔隙比大、敏感度高，受擾動后沉降大、穩(wěn)定時間長，分屬高偏中及中壓暫性土。    本工程穿越區(qū)段的地鐵2號線隧道位于灰色淤泥質(zhì)粘土層，下穿的M 4線隧譴洞身歷經(jīng)灰色淤泥質(zhì)粘土層、灰色粘土1層、灰色粉質(zhì)粘土2層。  

5、;  4  工程特點與難點 (1) 地鐵2號線為正在運營的隧道，必須確保地鐵列車的運行安全。盾構(gòu)穿越施工時的保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)要求很高。    正在運營地鐵2號線保護(hù)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/10m(即橫向差異沉降<1.4蜘)    結(jié)構(gòu)變形控制要求：隧道結(jié)構(gòu)縱向沉降與隆起±5mm    隧道結(jié)構(gòu)縱向水平位移±5mm

6、60;   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(yīng)急措施    (2) 地鐵2號線區(qū)間隧道位于灰色淤泥質(zhì)粘土層，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(gòu)機(jī)從地鐵2號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(1 37-217環(huán))    下行線：隧道交疊的投影長度約為6

7、9米(354-412環(huán))    加上前后510m的影響區(qū)，施工影響區(qū)域的范圍大。    (4) 兩隧道間的距離小，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(gòu)曲線穿越施工，增加了對土體的擾動

8、。    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(gòu)姿態(tài)與鄰近隧道的變形    盾構(gòu)推進(jìn)時盾構(gòu)姿態(tài)的改變對周圍的影響很大。盾構(gòu)推進(jìn)時由于各種不確定因素，盾構(gòu)軸線產(chǎn)生偏差。盾構(gòu)在曲線推進(jìn)、糾偏、抬頭或后叩頭時，實際開挖斷面是橢圓形。盾構(gòu)軸線與隧道軸線偏角越大，對土體擾動也越大。    盾構(gòu)姿態(tài)變化引起的地層損失盾構(gòu)姿態(tài)對鄰近隧道的影響，其原因

9、是由于盾構(gòu)姿態(tài)的改變引起了地層損失。因此在研究盾構(gòu)姿態(tài)對鄰近隧道影響的時候，必須先計算出盾構(gòu)姿態(tài)變化引起的地層損失。盾構(gòu)推進(jìn)時姿態(tài)的改變對周圍土體的影響圖所示。    平曲線R=379.851m時，    盾構(gòu)理論糾偏轉(zhuǎn)角度：             =2 ×actg(0.6m/379.851m)=0.1810    盾構(gòu)千斤頂每環(huán)理論伸長量：    =58

10、50 (千斤頂分布圓直徑)×tg=1 8.5    盾構(gòu)機(jī)頭(尾)理論糾偏量：       =8625 (盾構(gòu)機(jī)長度)×tg/2=13.6    平曲線R=399.851m時，    盾構(gòu)理論糾偏轉(zhuǎn)角度：             =2 ×actg(0.6m/399.851m)=0.1720 

11、;   盾構(gòu)千斤頂每環(huán)理論伸長量：    =5850 (千斤頂分布圓直徑)×tg=17.6    盾構(gòu)機(jī)頭(尾)理論糾偏量：       =8625 (盾構(gòu)機(jī)長度)×tg/2=12.9    豎凹曲線R=2995m時，    盾構(gòu)理論糾偏轉(zhuǎn)角度：           

12、 =2 ×actg(0.6m/2995m)=0.02296    盾構(gòu)千斤頂每環(huán)理論伸長量：    =5850 (千斤頂分布圓直徑)×tg=2.3    盾構(gòu)機(jī)頭(尾)理論糾偏量：        =8625 (盾構(gòu)機(jī)長度)×tg/2=1.73    根據(jù)上述計算可知，盾構(gòu)機(jī)在穿越施工時，每推進(jìn)1環(huán)(1 200mm)，盾構(gòu)機(jī)頭理論上就必須向右偏轉(zhuǎn)13.6mm，向上抬頭1.73mm

13、；而同時盾構(gòu)機(jī)尾必須向左偏轉(zhuǎn)1 3.6mm，向下磕1.73mm。事實上，盾構(gòu)機(jī)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(gòu)掘進(jìn)時，前倉的土壓力波動    隨著盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)水平的發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)的性能也有了很大的提高。土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)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(shè)定值存在一定的偏差。施工實踐顯示，實際土壓力波動值達(dá)到

14、0.10.12 MPa，雖然這已達(dá)到了當(dāng)前土壓平衡式盾構(gòu)施工的先進(jìn)水平，但對于如此近距離穿越地鐵2號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(gòu)每掘進(jìn)1環(huán)(12m)，必須停下來拼裝管片。此時，盾構(gòu)機(jī)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(jìn)時千斤頂液壓系統(tǒng)的額定壓力為32  MPa)。設(shè)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(gòu)機(jī)的姿態(tài)不發(fā)生較大偏移。    實際施工

15、表明，在拼裝管片的過程中，盾構(gòu)機(jī)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(dá)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(yīng)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表2     5 盾構(gòu)掘進(jìn)引起地層變形和移位的主要因素    1) 地質(zhì)狀況    盾構(gòu)選型取決于地質(zhì)，掘進(jìn)所造成的地層位移亦與地質(zhì)有關(guān)。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

16、之間有如下關(guān)系：     i=Z/(2 ×tg(45/2)    其中Z為隧道的埋深，為土體的內(nèi)摩擦角，對于成層土為各土層的加權(quán)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?。位于地下水位下的隧道，地表沉降槽的傾角主要取決于隧道上方承壓水土層的物理與力學(xué)特性。    2) 盾構(gòu)法隧道的施工工藝    盾構(gòu)掘進(jìn)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(jié)

17、、加壓)也對地層的位移有很大的影響。    3) 隧道埋深    盾構(gòu)法隧道施工，隧道的埋深必須大于盾構(gòu)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(guān)系。進(jìn)一步研究指出，隧道的埋深與沉降槽之間的關(guān)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(xué)性質(zhì)及施

18、工因素有關(guān)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=(H/D)0.8    4) 地面載荷    隧道上部的載荷與地層位移的關(guān)系可用穩(wěn)定系數(shù)來表述：   Ns= (Z一r)/Cu    (1-4)    式中：z 為隧道中心埋深處的總壓力，r 為隧道支護(hù)壓力，Cu 為土體不排水抗剪強(qiáng)度。    上海地區(qū)盾

19、構(gòu)法隧道的實踐表明，在飽和含水的塑性粘土中，盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地層沉降，隨穩(wěn)定系數(shù)的增加而增大。當(dāng)Ns <2時，地層位移較小。Ns=24時，地層的位移將對鄰近(地下)構(gòu)筑物產(chǎn)生影響。而Ns=46時，盾構(gòu)掘進(jìn)將會產(chǎn)生較大的地層位移。    5.1 盾構(gòu)掘進(jìn)引起地層位移的機(jī)理    盾構(gòu)掘進(jìn)所引起的土體變形主要成因有：掘進(jìn)引起的地層損失、地層原始應(yīng)力的變化、土體的蠕變、擾動土體的固結(jié)、襯砌結(jié)構(gòu)的變形等。因此土體位移場中任意點的位移可表示為：    =1+2+3+4+5    式

20、中：    ：土體的總位移；    1地層損失所造成的位移；    2地層應(yīng)力改變所引起的位移；    3土體固結(jié)與蠕變形成的位移；    4襯砌結(jié)構(gòu)變形所造成的位移；    5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(gòu)掘進(jìn)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(gòu)掘進(jìn)中的施工工藝是造成地

21、層損失的主要因素。    開挖面的土體移動    盾構(gòu)掘進(jìn)時，開挖面土體受到的水平應(yīng)力小于原始應(yīng)力，開挖面土體則向盾構(gòu)內(nèi)移動，引起地層損失從而導(dǎo)致盾構(gòu)上方地面沉降。反之正面土體則向上、向前移動，引起負(fù)地層損失(欠挖)而導(dǎo)致盾構(gòu)上方土體的隆起。    盾構(gòu)在曲線掘進(jìn)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(gòu)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

22、造成地層損失的主要原因之一。盾構(gòu)在粘性土層中推進(jìn)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(zāi)害性的地層損失。其中不正常地層損失和災(zāi)害性地層損失可以通過控制施工質(zhì)量來減少。    初始應(yīng)力改變引起的地層位移    開挖隧道其必然結(jié)果是導(dǎo)致圍巖介質(zhì)初始應(yīng)力的改變，并產(chǎn)生應(yīng)力重新分布和相應(yīng)的地層移動。    土體固結(jié)與蠕變形成的地層位移  

23、0; 盾構(gòu)推進(jìn)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(fù)原，地層發(fā)生排水固結(jié)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(jié)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(jié)沉降往往要持續(xù)幾年，  占總沉降量的比例有時可高達(dá)3 5。    襯砌結(jié)構(gòu)變形引起的地層位移    襯砌結(jié)構(gòu)變形引起地層位移的機(jī)理是，變形必然導(dǎo)致相應(yīng)的地層損失。襯砌結(jié)構(gòu)變形所引起的地層位移一般占地層總位移的比例較小。但

24、當(dāng)隧道結(jié)構(gòu)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(dǎo)致土體固結(jié)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(yīng)的地層損失。    5.2 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(jié)、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(xué)原理，對盾構(gòu)掘進(jìn)過程中地層沉降

25、的規(guī)律進(jìn)行統(tǒng)計研究，是現(xiàn)代巖土工程學(xué)重要的方法之一。    5.3 盾構(gòu)機(jī)正常推進(jìn)時土體的變形狀況    盾構(gòu)在粘性土層中掘進(jìn)，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：  圖3     1盾構(gòu)開挖減小了土層的水平壓力，導(dǎo)致正面土體崩塌。土體向盾構(gòu)方向移動。崩塌區(qū)域的取決于正面土壓力大??；    2由于盾構(gòu)機(jī)殼與土體摩擦，導(dǎo)致盾構(gòu)側(cè)面的土體被向前擠壓；    3盾構(gòu)正面地層的隆沉(正面土體崩塌區(qū)域

26、以外)，取決于盾構(gòu)掘進(jìn)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(kuò)展，約在盾構(gòu)下部向上仰角為4 5度的范圍內(nèi)。盾構(gòu)推進(jìn)導(dǎo)致的土體水平位移    盾構(gòu)推進(jìn)改變了切口處土體的原始水平應(yīng)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(jìn)時的地層損失造成土體卸荷，同樣導(dǎo)致土體發(fā)生水平位移。水平位移導(dǎo)致鄰近構(gòu)筑物承受水平荷載，因此，在盾構(gòu)穿越鄰近構(gòu)筑物時，須重視水平位移的影響。 

27、   水平位移的影響范圍    盾構(gòu)推進(jìn)時，水平位移的影響范圍為切口前方1 5m20m。據(jù)國內(nèi)、外的一些資料表明，盾構(gòu)推進(jìn)時前方的擠壓影響范圍為2D3D(D為盾構(gòu)的直徑)。    水平位移的后期變化    距盾構(gòu)較近的點，其水平位移的后期變化較小。而離盾構(gòu)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(jìn)行。因為盾構(gòu)在推進(jìn)時，  由于盾構(gòu)殼體與土體之間的摩擦力，導(dǎo)致土體沿盾構(gòu)推進(jìn)方向位移。而距離盾構(gòu)推進(jìn)軸線較遠(yuǎn)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

28、時間(延時效應(yīng))。    6 穿越施工81織-9方案    6.1 在已建地鐵2號線隧道內(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(gòu)穿越前，在地鐵2號線隧道穿越影響區(qū)段內(nèi)布設(shè)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(jìn)行實時、精確的監(jiān)測。    電子水平尺(EL BEAM)是美國SLOPE INDICATOR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。 

29、0;  構(gòu)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(jìn)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(dá)1s(相當(dāng)于在1m的直尺上由于兩端有1 0m微米高差形成的傾角)，而且有極好的穩(wěn)定性。  圖4     若將一系列電水平尺首尾相接地安裝在道床上，形成上述的所謂“尺鏈”，就可得出“尺鏈”范圍內(nèi)的沉降曲線。其原理見圖。  圖5     電子水平尺自動監(jiān)測設(shè)備布置范圍：    首次穿越時，&

30、#160; 2號線隧道上行線布設(shè)長度為60m：下行線長度為72m。第二次穿越時，上行線布設(shè)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(shè)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(shè)了35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(jī)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(gòu)穿越前，地鐵2號線隧道影響區(qū)段內(nèi)布設(shè)了巴賽特收

31、斂監(jiān)測系統(tǒng)，對隧道的橫斷面(圓度)變形進(jìn)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(shè)了人工高程監(jiān)測點，每24h12次，用于檢驗和校核電子水平尺布實時沉降數(shù)據(jù)。    6.2 加密設(shè)置地表監(jiān)測點，增加測量頻率    在穿越地鐵2號線上方的世紀(jì)大道上布設(shè)2個沉降觀測斷面，軸線每5m布設(shè)一個沉降監(jiān)測點，同時監(jiān)測所有地面窨井。 

32、   穿越地鐵2號線時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(jìn)行跟蹤監(jiān)測。    6.3 合理設(shè)置土壓力值，防止超挖和欠挖    盾構(gòu)推進(jìn)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(xué)合理地設(shè)置土壓力值及相宜的推進(jìn)速度等參數(shù)，防止超挖和欠挖，以減少對土體的擾動。    6.4 穿越時降低推進(jìn)速度，嚴(yán)格控制盾構(gòu)方向，減少糾偏，特別是大量值糾偏    盾構(gòu)推進(jìn)速度對已建隧道的隆沉變形有明顯的影響。    盾構(gòu)推進(jìn)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(guān)，一般應(yīng)綜合考慮。    穿越時的推進(jìn)速度一般為10mm/min。過慢的推進(jìn)速度，將增加對土體的擾動。    在穿越地鐵2號線的推進(jìn)過程中，每50cm測量一次盾構(gòu)機(jī)的