盾构机在未经加固的软土地层中近距离
穿越运营中地铁隧道施工技术研究简介
【内容摘要】 本文通过上海地铁M4线，盾构机在未经加固的软土地层中，近距离穿越正在运营中的地铁2#线隧道时，对周围土体变形状况、机理以及地层后期沉降的研究，提出了盾构推进对近距离已建隧道影响，进行有效控制的施工方法及能数，为工程施工提供理论基础。
【关键词】 构法隧道 穿越施工 未经加固的软土地层 地铁运营 信息化施工
前 言
上海市轨道交通明珠线二期工程(M4线)，是继上海地铁1#、20线后的，本市第3条重大地铁隧道工程建设项目。将与正在运营的明珠线一期工程(高架轻轨)共同构成环形轨道交通客运线。因此，M4线隧道必须穿越地铁2＃隧道。
在穿越期间，要确保正在运行的地铁2＃线隧道安然无恙，难度是非常高的。
因此，必须对盾构机近距离穿越，位于未加固软土地层运营地铁隧道的施工技术，进行理论研究。
1 工程概况
我公司建的明珠线二期张杨路—浦电路站区间隧道工程，位于浦东世纪大道、福山路。
隧道外径为6．2m，内径5．5m。采用错缝衬砌，每环衬砌由3块标准块(B)，2块邻接块（L），1块封顶块(F)组成，管片厚度为0．35m，宽度为1．2m。
隧道总长度为1422．718m，共1187环。采用日本，三菱公司生产的φ6340土压平衡盾构机，长度8．6m。
盾构穿越地铁2＃线隧道的区域位于世纪大道下方，且是与潍坊路、福山路的交汇处。
世纪大道是我市新建的现代化道路之一，路面宽阔，共有8—12条机动车道和2条非机动车道，路面宽达50余米，交通高峰时车流量很高。道路两侧建筑物主要有世纪联华超山及住宅楼等。道路下方地下管线纵横交错。
2 工程地质
上海地铁区间隧道主要穿越灰色淤泥质粘土④层，为饱和、流塑、夹少量薄层粉砂的粘性土，属高压缩性土；灰色粘土⑤l层、灰色粉质粘土⑤2层，很湿、软塑、含水量高、孔隙比大、敏感度高，受扰动后沉降大、稳定时间长，分属高偏中及中压缩性土。
本工程穿越区段的地铁2＃线隧道位于灰色淤泥质粘土④层，下穿的M4线隧道洞身历经灰色淤泥质粘土④层、灰色粘土⑤l层、灰色粉质粘土2层
3 工程特点与难点
(1)地铁20线为正在运营的隧道，必须确保地铁列车的运行安全。盾构穿越施工时的保护标准要求很高。
正在运营地铁2#线保护等级：一级
线路安全正常运营要求：隧道内两轨道横向高差 ≤2mm
轨向偏差和高低差<2mm／l0m (即横向差异沉降<1．4‰)
结构变形控制要求：隧道结构纵向沉降与隆起 ≤±5mm
隧道结构纵向水平位移 ≤±5mm
隧道收敛值 ＜20mm
监测值超过总变形量1／2时报警，并采取应急措施
(2)地铁2＃线区间隧道位于灰色淤泥质粘土④层，饱和、流塑、孔隙比大、敏感度高，属高压缩性土，受扰动后沉降大、稳定时间长。在穿越前未作任何加固处理。
(3)盾构机从堆铁2＃线隧道下方斜向穿越；穿越距离长，影响范围大。
上行线：隧道交叠的投影长度约为96米（137-217环)
下行线：隧道交叠的投影长度约为69米(354—412环)
加上前后5—l0m的影响区，施工影响区域的范围大。
(4)两隧道问的距离小，最小为1.045米。
上行线：隧道间投影交叉点的净距离分别为1．045米和1．375米
下行线：隧道间投影交叉点的净距离为1．719米和1．542米
据了解日本交叠隧道的间距一般较大些，且隧道所处的土层较好。
(5)盾构曲线穿越施工，增加了对土体的扰动。
本区间上行线隧道在穿越区段的线形为，平曲线R=379．851m，竖曲线R=2995m；下行线隧道在穿越区段的线形为，平曲线R=399．85lm，竖凹曲线R=2995m。
盾构姿态与邻近隧道的变形
盾构推进时盾构姿态的改变对周围的影响很大。盾构推进时由于各种不确定因素，盾构轴线产生偏差。盾构在曲线推进、纠偏、抬头或后叩头时，实际开挖断面是椭圆形。盾构轴线与隧道轴线偏角越大，对土体扰动也越大。
盾构姿态变化引起的地层损失
盾构姿态对邻近隧道的影响，其原因是由于盾构姿态的改变引起了地层损失。因此在研究盾构姿态对邻近隧道影响的时候，必须先计算出盾构姿态变化引起的地层损失。盾构推进时姿态的改变对周围土体的影响图所示。
根据上述计算可知，盾构机在穿越施工时，每推进1环(1200mm)，盾构机头理论上就必须向右偏转13．6mm，向上抬头1．73mm；而同时盾构机尾必须向左偏转13．6mm，向下磕1.73mm。事实上，盾构机的纠偏，也不是完全按其几何中心旋转，实际纠偏量会更大。
(6)盾构掘进时，前仓的土压力波动
随着盾构掘进施工技术水平的发展，盾构机的性能也有了很大的提高。土压平衡式盾构 掘进时，所采用的自动化控制模式，避免了人工操作易产生的误差，提高了控制的精度，对上海地区的均匀软土地层尤为适用。
但自动化控制系统的数据反馈修正有时间上的滞后性，实际土压力的控制必然与理论设 定值存在一定的偏差。施工实践显示，实际土压力波动值达到0．1—0．12 Mpa，虽然这已达到了当前土压平衡式盾构施工的先进水平，但对于如此近距离穿越地铁2#线的高精度控制要求，其波动值还是过高。
(7)拼装管片时，前仓的土压力波动影响
盾构每掘进1环(1．2m)，必须停下来拼装管片：此时，盾构机的千斤顶控制模式转为拼装状态，千斤顶液压系统的额定压力为6．5Mpa(正常推进时千斤顶液压系统的额定压力为32Mpa)。设计的考虑是在拼装状态，使用个别千斤顶时，不至于顶坏管片。同时也保证了在拼装时，盾构机的姿态不发生较大偏移。
实际施工表明，在拼装管片的过程中，盾构机有微量的后退，前仓土压力变小：根据统计，拼装管片前后的土压力变化值可达0．1 Mpa：因此，在穿越施工时，拼装时土压力的波动，必然会引起周围土体应力(主要是正前方)的波动，从而加剧了对土体的扰动。
(8)上、下行线二次穿越施工的不同点
4 盾构掘进引起地层变形和移位的主要因素
1 地质状况
盾构选型取决于地质，掘进所造成的地层位移亦与地质有关。隧道沉降槽宽度系数i与土层的内摩擦角及隧道埋深之间有如下关系：
i=Z／(2*πtg(45—Φ／2))
其中Z为隧道的埋深，Φ为土体的内摩擦角，对于成层土Φ为各土层的加权平均值。另有研究指出，地表沉降槽的宽度主要取决于最接近隧道拱顶的土层的特性：位于地下水位下的隧道，地表沉降槽的倾角β主要取决于隧道上方承压水土层的物理与力学特性。
2 盾构法隧道的施工工艺
盾构掘进过程中对土体的压力、蛇行纠偏等对地层位移有最重要的影响。注浆材料的特性、注浆量与注浆时间以及所采用的辅助工法(如降水。冻结、加压)也对地层的位移有很大的影响。
3 隧道埋深
盾构法隧道施工，隧道的埋深必须大于盾构最小覆土厚度的要求。在不同的地质条件下，相同的埋深引起的地层变形和位移是不同的。经典的Peck理论反映了隧道埋深与地层最大沉降量、沉降槽范围之间的相互关系。进一步研究指出，隧道的埋深与沉降槽之间的关系可由下式来描述：
i／R：k*(H/D)n
式中：R／D为隧道的半径／直径，H为隧道的埋深，I为隧道轴线到地表沉降槽的距离，k与n为与地层土力学性质及施工因素有关常数。
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，即可简化为：
i／R=(1-IYl))0．8
4 地面载荷
隧道上部酌载荷与地层位移的关系可用稳定系数来表述：
Ns=(σz－σt)/Cu (1－4)
式中：σz隧道中心埋深处的总压力，σr为隧道支护压力，
C,u为土体不排水抗剪强度。
上海地区盾构法隧道的实践表明，在饱和含水的塑性粘土中，盾构掘进引起的地层沉降， 随稳定系数的增加而增大。当Ns<2时，地层位移较小。Ns=2-4时，地层的位移将对邻近 (地下)构筑物产生影响。而Ns=4-6时，盾构掘进将会产生较大的地层位移。
4．1 盾构掘进引起地层位移的机理
盾构掘进所引起的土体变形主要成因有：掘进引起的地层损失、地层原始应力的变化、土体的蠕变、扰动土体的固结、衬砌结构的变形等。因此土体位移场中任意点的位移可表示为：
δ=δ1+δ2+δ3+δ4+δ5
式中：
δ：土体的总位移；
δ1地层损失所造成的位移；
δ2地层应力改变所引起的位移；
δ3土体固结与蠕变形成的位移；
δ4衬砌结构变形所造成的位移；
δ5其他因素引起的位移；
地层损失引起的地层位移
地层损失是指盾构掘进中实际开挖土体的体积和隧道体积(含隧道外围注浆体体积)之 差。刘建航院士提出：盾构掘进中的施工工艺是造成地层损失的主要因素。
开挖面的土体移动
盾构掘进时，开挖面土体受到的水平应力小于原始应力，开挖面土体则向盾构内移动，引起地层损失从而导致盾构上方地面沉降。反之正面土体则向上、向前移动，引起负地层损失(欠挖)而导致盾构上方土体的隆起。
盾构在曲线掘进纠偏时，实际开挖断面呈椭圆形，就会造成一定的地层损失。并且盾构轴线与隧道轴线的夹角越大，则对土体的超挖量也越大，所造成的地层损失也越大。
注浆量的控制
同时是否及时注浆，也是造成地层损失的主要原因之一。盾构在粘性土层中推进时，盾尾后隧道外周所形成的空隙会有较大的增加，若不适时的增加注浆量，必然加大地层损失。
施工引起的地层损失主要有：1．正常的地层损失；2．不正常地层损失；3．灾害性的地层损失。其中不正常地层损失和灾害性地层损失可以通过控制施工质量来减少。
初始应力改变引起的地层位移
开挖隧道其必然结果是导致围岩介质初始应力的改变，并产生应力重新分布和相应的地层移动。
土体固结与蠕变形成的地层位移
盾构推进时的挤压作用以及盾尾的压浆等，使周围地层形成超空隙水压力区。超空隙水压力将在一段时间内消散复原，地层发生撑水固结变形，引起地层位移。同时土体受到扰动 后，其骨架还将发生持续时间很长的压缩变形，在次土体蠕变过程中产生的地层沉降为次固结沉降。对于空隙比和灵敏度较高的软塑和流塑性土层，蠕变所产生的次固结沉降往往要持续几年，占总沉降量的比例有时可高达35％。
衬砌结构变形引起的地层位移
衬砌结构变引起地层位移的机理是，变形必然导致相应的地层损失。衬砌结构变形所引起的地层位移一般占地层总位移的比例较小。但当隧道结构尺寸较大时，所产生的地层损失将不可忽略。
其他因素引起的地层位移
除上述主要因素外，管片的渗漏水将会引起周围土体空隙水压力的下降，而导致土体固结产生地层位移；其次注浆材料凝固时收缩，使隧道与周围土体之间产生间隙，也会产生相应的地层损失。
4．2 地层的后续沉降
地层后续沉降在总沉降量中的比例很高。后续沉降涉及土体的固结、隧道与土体的相互作用等问题，目前尚无可直接运用于工程实践的理论研究。可运用统计学原理，对盾构掘进过程中地层沉降的规律进行统计研究，是现代岩土工程学重要的方法之一。
4．3 盾构机正常推进时土体的变形状况
盾构在粘性土层中掘进，正常情况下的土体瞬时变形移动(不包括土体的长期沉降)如图所示：
1．盾构开挖减小了土层的水平压力，导致正面土体崩塌。土体向盾构方向移动。崩塌区域的取决于正面土压力大小；
2．由于盾构机壳与土体摩擦，导致盾构侧面的土体被向前挤压；
3．盾构正面地层的隆沉(正面土体崩塌区域以外)，取决于盾构掘进时土压力；
4．盾尾处的地层下沉，由于管片脱离盾尾时的建筑空隙的产生，通过同步注浆加以控制；
5．土体变形沿隧道横断面方向的扩展，约在盾构下部向上仰角为45度的范围内。
盾构推进导致的土体水平位移
盾构推进改变了切口处土体的原始水平应力，土体发生隆沉和水平位移；盾壳与土体之间的摩擦亦使土体产生水平位移；推进时的地层损失造成土体卸荷，同样导致土体发生水平位移。水平位移导致邻近构筑物承受水平荷载，因此，在盾构穿越邻近构筑物时，须重视水平位移的影响。
水平位移的影响范围
盾构推进时，水平位移的影响范围为切口前方15m—20m。据国内、外的一些资料表明， 盾构推进时前方的挤压影响范围为2D—3D(D为盾构的直径)。
水平位移的后期变化
距盾构较近的点，其水平位移的后期变化较小。而离盾构有一定距离的点，土体水平位移的发展在一定的时间内仍在继续进行。因为盾构在推进时，由于盾构壳体与土体之间的摩擦力，导致土体沿盾构推进方向位移。而距离盾构推进轴线较远时，这种水平位移不是瞬时完成，位移在土体中的传递需要一定的时间(延时效应)。
5 穿越施工组织与方案
5．1 在已建地铁2＃线隧道内安置自动监测系统
电子水平尺自动监测系统
盾构穿越前，在地铁2＃线隧道穿越影响区段内布设电子水平尺自动监测系统，通过连接电缆将监测数据传输到监控室，进行实时、精确的监测。
电子水平尺(ELBEAM)是美国SLOPEINDICATOR公司推出的测量物体倾斜(即两点间 高差)的仪器，将它多个连用，就能监测物体的不均匀沉降。
构造：电水平尺的核心部分是一个电解质倾斜传感器(见图)。它是利用电解质来进行水 平偏差(即倾斜角)测量的仪器，它的显著特点是测角的灵敏度很高，可达1秒(相当于在1米的直尺上由于两端有10微米高差形成的倾角)，而且有极好的稳定性。
电子水平尺自动监测设备布置范围：
首次穿越时，2＃线隧道上行线布设长度为60m；下行线长度为72m。第二次穿越时，上行线布设长度为70m；下行线长度为72m。电子水平尺首尾相接地安装在整体道床上。由于本次电子水平尺布设的长度的影响，实时沉降曲线的精度为0．3mm。
同时道床上单独横向布设了3—5支电子水平尺，监测隧道内两轨道的横向高差。
自动监控室与施工现场值班室之间的联系方式：计算机通过局域网每隔5分钟传输一组数据。
隧道变形监测系统
盾构穿越前，地铁2＃线隧道影响区段内布设了巴赛特收敛监测系统，对隧道的横断面(圆度)变形进行实时、精确的监测。
巴赛特收敛监测系统在本次穿越施工中作为辅助监测措施。
隧道内的人工监测
在上述电子水平尺监测范围内的隧道衬砌及道床上，布设了人工高程监测点，每24h1—2次，用于检验和校核电子水平尺布实时沉降数据。
5．2 加密设置地表监测点，增加测量频率
在穿越地铁2＃线上方的世纪大道上布设二个沉降观测断面，轴线每5米布设一个沉降监测点，同时监测所有地面窨井。
穿越地铁2＃线时4小时监测一次，穿越初期为2小时一次。如遇变形超过报警值，将进行跟踪监测。
5．3 合理设置土压力值，防止超挖和欠挖
盾构推进时，根据电水平尺可数据采集器和地面沉降监测信息的反馈，及时调整土压，从而科学合理地设置土压力值及相宜的推进速度等参数，防止超挖和欠挖，以减少对土体的扰动。
5．4 穿越时降低推进速度，严格控制盾构方向，减少纠偏，特别是大量值纠偏
盾构推进速度对已建隧道的隆沉变形有明显的影响。
盾构推进速度与土仓正面土压力、千斤顶推力、土体性质等因素有关，一般应综合考虑。
穿越时的推进速度一般为l0mm／min。过慢的推进速度，将增加对土体的扰动。
在穿越地铁2＃线的推进过程中，每50em测量一次盾构机的姿态偏差，尽可能减少纠偏，特别是要杜绝大量值纠偏，从而保证盾构机平稳地从地铁2＃线下方穿越。
5．5 穿越期间使用铰接装置
穿越区段隧道的平曲线线形为R379．851m。为减小对地层的扰动，穿越地铁2#线时，使用盾构机的铰接装置。铰接角的开启度为理论值的60％—80％。
5．6 穿越期间采用惰性浆液注浆及双液补浆工艺，并确保注浆量
正在运营的上海地铁2＃线是需重点保护的地下构筑物。由于其保护要求较高，盾构穿越后半年内的累计沉降量小于5mm，因此须重视合理选用注浆工艺。
盾构同步注浆采用惰性浆液，盾构穿越后进行双液补注。
5．7 对诙区段二隧道间土体进行双液注浆加固
盾构穿端后，根据设计要求须对二隧道间土体进行注浆加固。
根据二隧道的相对位置，选取不同部位的预留注浆孔注浆，加固注浆深度1．5米。依据2＃线内的电水平监测数据做到信息化施工。
5．8 对地铁2＃线区间隧道实施长期监测及跟踪注浆
盾构穿越后，对地铁2＃线区间隧道实施长期监测，并进行跟踪注浆；半年内的累计沉降不大于5mm，确保2＃线的正常运营。
5．9 信息化施工
在穿越施工过程中，贯彻信息化施工的原则，制定详细的信息传递网络。在穿越施工期 间，须以2＃线隧道内部的监测数据为主。
5．10 应急予案
地铁盾构从已建地铁2＃线隧道下方穿越，风险高，因此必须制定必要的应急措施，在M4线隧道上方予设注浆管，必要时向隧道上方注浆。
5．11 科研攻关
在第二次穿越期间，我公司联合上海市同济大学成立了张杨路—浦电路区间隧道工程穿 越地铁2＃线科研攻关小组。
测试的目的是分析不同推进参数方案下土体孔隙水压力变化及消散规律，为以后同类工 程施工积累经验，目前此项仍在进行。
原文出处：《城建集团第三届科技大会论文集》
