土压平衡盾构上穿运营地铁隧道上浮控制
摘 要:建立了盾构掘进三维计算模型，采用刚度迁移法模拟超大直径土压平衡盾构上穿运营中地铁隧道的影响。结果表明，盾构掘进会引起下方土体发生卸载回弹，从而引起地铁隧道的过量上浮; 通过对盾构施工过程进行分析，提出隧道内“增稳加载”的方法控制下方隧道上浮的施工方法，通过每延米 30 t 的加载，配合适当的施工方法，可将下方隧道的上浮控制在允许范围以内，确保施工的安全进行。
关键词: 超大直径土压平衡盾构; 近接施工; 上穿; 上浮; 加载
1 引 言
目前，地下空间的综合开发利用已成为全世界的发展趋势，因而在建造隧道时必然会出现越来越多的“近接施工”问题，根据隧道与即有构筑物的关系，可分为隧道水平、竖直和倾斜平行，上下正交和斜交等，近接施工产生的主要问题是新建隧道的施工对既有构筑物影响的控制。国外对此类问题已经 开展了大量研究，提出了相应的施工对策［1 ～3］。
我国在修建大量地铁工程时，也遇到了“近接施工”问题。例如广州地铁 2 号线越秀公园站共有 3 条平行隧道，最小间距仅 2． 7 m，深圳地铁罗湖至大剧院区间重叠隧道和天虹—岗厦区间隧道与民房桩基近接距离仅为 0． 31 m 等。我国对该类工程进行了研究，并提出了一些处理措施［4］，但这些处理措施大多是针对直径 6 m 级别的地铁盾构隧道而言，而对于直径达到 14 m 级别的超大直径盾构的穿越影响控制问题，国内外相关的研究还很少。
上海外滩通道在南京东路路口与运营中的轨道交通二号线斜交，与 2 号线顶部的最小距离仅 1． 46 m，属于“超近接施工”问题，而外滩通道工程又是我国首个超大直径土压盾构隧道工程，诸多未知因素加大了盾构掘进施工的控制难度。为此，本文进行了盾构掘进三维数值模拟分析，同时对施工过程的荷载变化进行了分析，提出了在盾构上穿 2 号线施工时控制措施，保证了施工的安全进行。
2 工程概况
外滩通道工程盾构采用日本三菱公司设计制造的Ф14． 27 m 的超大直径土压平衡盾构。盾构段全长 1 098 m，共 549 环。隧道衬砌结构外径13． 95 m，隧道主线最大纵坡为 5． 0% 。
外滩通道工程设计蓝图盾构在里程 NXK0 +430 ～ NXK0 + 408 即 345 环 ～ 355 环将上穿正在运营的地铁二号线，斜交角度 73 度，最小间距仅1． 46 m，如图 1 所示。在穿越区域无法对地铁 2 号进行加固或采取其他保护措施，而 2 号线承担着连接上海浦东浦西交通的重任，每天的客流量超过100 万人次，一旦由于施工不当造成 2 号线停运，后果不堪设想。
3 盾构穿越数值模拟
3． 1 盾构推进三维模型的建立和材料参数
盾构掘进过程数值模拟的关键是刀盘、盾壳和盾尾这三部分与土体间的相互作用关系的模拟，从而对土体产生的应力变化以及沉降与隆起等。盾构推进的过程十分复杂，目前的数值模拟软件上无法做到精确模拟，因此，本文采用刚度迁移法模拟盾构推进，即盾构推进是一步一步地跳跃式前进，因此，这一阶段的一个模拟循环为: ①首先开挖一段长度为一个开挖步长的土体隧道; ②给间隙单元和盾壳单元赋属性; ③给开挖面施加一个法向的压力( 即土舱压力) ，赋予注浆材料属性和注浆压力;④进行模型的力学平衡计算; ⑤进入下一步开挖。
盾构推进过程中材料模拟方法: ①将盾壳视作刚体，通过提高盾壳的厚度和弹性模量来实现，盾壳的弹性模量取值 210 Gpa; ②采用低模量的材料模拟盾构周围受扰动较大的土圈，土圈变形模量取周围土体模量的 0． 1%; ③将注浆材料视为有内压的低刚度材料，弹性模量等于注浆压力，取各注浆点压力的平均值作为注浆材料的弹性模量; ④用大于盾壳弹性模量和厚度的实体单元模拟盾壳的受力和变形。在盾体通过时给数值模型中的注浆体单元赋予盾壳的属性，因此，在这一阶段盾壳的厚度相当于注浆体的厚度。模拟过程中管片的弹性模量为35． 5 GPa。原始地层用 M—C 模型模拟，土层的各项物理力学参数如下:
3． 2 三维计算模型
根据外滩隧道盾构施工实际工程，隧道直径13． 95 m，盾构直径 14． 27 m，管片厚度 0． 6 m，环宽2 000 mm，覆土厚度为 8． 4 m，为 0． 589 D，属于浅覆土施工． 外滩隧道与下部 2 号线隧道中心距为11． 73 m，两隧道最小净距为 1． 38 m。根据工程地质勘探结果，土体分为 6 层。模型总长 100 m，宽80 m，高 43． 4 m。整个模型如图 2 所示。
模型采用最接近实际工况的分步开挖施工模型盾构推进施工工况，整个过程分为 35 步开挖施工。从模型边界开始，在盾构开挖面距离运营地铁2 号线 10 环之前，由于此过程盾构距离下部地铁 2号线距离较远，影响较小，因此采用每 4 环 1 步开挖的工况进行模拟，共开挖 3 步( 12 环) 。接下来采用 1 环 1 步的开挖方式进行盾构穿越 2 号线段数值模拟推进工况，共 30 步( 30 环) 。当盾尾距离运营 2 号线 10 环左右后，此时盾构推进施工对 2号线影响很小，因此采用每 4 环 1 步开挖的工况进行模拟，共模拟开挖 2 步( 8 环) 。
3． 3 结果及分析
表 2 与图 3 为数值模拟结果，可以看到盾构穿越过程中对于地铁 2 号线水平位移的影响主要受盾构机与地铁 2 号线的位置关系影响。当盾构机切口未到达地铁 2 号线之前，上、下行线的水平位移方向与盾构推进方向一致，且水平位移量随着盾构机的接近逐渐增大; 而竖向位移量在切口到达之前相对于水平位移量较小，因此，在盾构机切口到达 2 号线下行线之前，应重点监测地铁隧道水平向位移量，且施工过程中应适当调整控制盾构机土舱压力，减少其对前下方地铁隧道的水平位移量。
当盾构机在地铁 2 号线上方推进时，下方地铁隧道水平向位移量基本保持不变，且有少量减小，而竖向位移此过程中逐渐出现上抬量增大的趋势。主要原因是由于开挖过程中的土体卸载回弹引起下方土体出现上抬现象。在此过程中，应加强对于下部地铁隧道的水平及竖向位移的监测，并实时反馈，进而指导后续施工。
当盾尾脱出地铁 2 号线时，位于下方的地铁隧道水平向位移量随着盾尾的远离而逐渐减小，而竖向位移此过程中由于盾尾同步注浆以及外滩隧道上浮等原因而逐渐增大而后基本稳定不变。建议在施工过程中，严格控制注浆压力和注浆量，在安全的前提下，可在穿越过程中适当增大注浆压力和注浆量。另外，为了减少由于外滩隧道的上浮引起的下部土体上抬回弹，因为应采取必要的隧道抗上浮措施，如增加同步注浆的抗剪切能力或隧道内部堆载等方式，来保证穿越段的顺利施工。
3． 4 隧道内加载对即有隧道的变形控制
隧道内部加载的模拟方法是通过在隧道下部施加竖向荷载实现。计算时，取隧道内部的堆载为10 ～ 40 t / m。
图 4 为不同堆载重量下施工期间 2 号线的最大上抬变形，从图中可以看出在隧道内部堆载可以有效控制 2 号线的上抬，当隧道内的堆载达到 40t /m 时，可将施工期 2 号线的上抬控制在 12 mm以内。
4 盾构上穿地铁 2 号线施工控制措施
前文数值模拟结果表明，如果不采取适当的施工措施，盾构穿越2 号线时会出现较大的上浮，为了盾构顺利穿越2 号线，必须采取卸荷控制技术，并对推进速度及开挖面稳定进行控制。
同时，分等级控制各区域的参数设定，施工时结合数值模拟的结果，把整个穿越过程分为“二号线试验段”、“二号线穿越段”、“二号线穿越后”三个控制范围区域。在试验段推进，主要就土压力、推进速度、出土量、注浆量和注浆压力设定与地面沉降关系进行分析，同时通过对盾构机荷载变化的分析，采用增稳加载的措施控制2 号线的变形。
4． 1 施工速度对二号线的变形影响
盾构在穿越2 号线之前的试验段证明盾构推进速度与对周围土体的扰动有很大关联，匀速推进对减少盾构对周围的土体有十分重要的意义，本工况条件下速度控制在20 ～25 mm/min 对周边土体扰动最小。为此根据穿越区域的划分，合理控制各阶段的推进速度。试验段及穿越后( 328 ～340 环和 359～ 372 环) ，盾构掘进速度控制在 25 mm / min; 穿越过程中( 341 ～358 环) ，速度不宜过高或过低，控制在20 mm/min，尽量保持推进速度稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越地铁二号线，以减少对周边土体的多次扰动影响，以免对其结构产生不利影响。如图 5所示。
4． 2 开挖面平衡控制措施
盾构推进时单位时间内进入土舱的土体体积较大，为改善土舱内土体的流塑性，通过在盾构机刀盘设置8 个注入口加注泡沫来改良土体; 同时在土仓中心位置设置了直径为 5 m 的搅拌机，加强对土仓内土体的搅动，增加其流塑性。经过对试验区域的泡沫添加剂试验，得到以下参数，泡沫溶液浓度为5% ，发泡率为 25 倍，注入率为 30% ，按此比例添加能确保土舱内的土砂塑性的柔性和流动性，能较好控制螺旋机出土的稳定性。
盾构切口上穿越二号线期间侧向压力系数为0． 75 ～ 0． 8，压力设定在 138 ～ 143 Mpa 之间，同时根据二号线实时监测和地表监测情况微调土压力设定值。
根据盾构机自带的土体称重系统对试验段每环出土量进行分析对比，并将此数据与土压力设定相结合，防止控制欠挖或超挖。
4． 3 施工期增稳加载对二号线的变形影响控制
根据理论计算，完全卸载隧道断面土体，可以产生285 t/m 的卸载量，在穿越 2 号线期间，各工序阶段卸载量如下:341 ～347 环，二号线下行线卸载量为136 t / m，上行线无卸载; 348 ～ 356 环，下行线卸载量为148 t/m，上行线卸载量为 136 t/m; 357 ～363 环，下行线卸载量逐渐增加到170 t/m，上行线卸载量基本没变化;364 ～368 环，下行线卸载量为152 t/m，上行线卸载量逐渐增加到170 t/m。
随着盾构机的 1 号车架的前进，管片将从车架出来，该区域卸载量将从148 t/m 骤然增加到170 t/m，故 357 环开始至 368 环是控制二号线上浮的关键阶段。工程中采用钢垫块及时补充由于盾构 1 号车架前移产生的二次卸载，钢垫块每延米摆放 30 t，同时由于后续同步施工的开展的需要，钢垫块陆续向盾构前进方向平移; 此外，在口子件内部的空档也堆载钢垫块，增加压重效果; 盾构机穿越后，及时在下层路面两侧不影响隧道施工的区域进行配重，稳定二号线后期的变形，如图6 所示。
4． 4 同步施工对二号线的变形影响控制
隧道同步施工口字件安放及两旁边混凝土的浇倒紧跟盾构施工。一块口字件和两旁边混凝土约重55 吨，这些重量不仅可对隧道产生压重效应，而且可以有效增强隧道的整体刚性，对防止隧道的上浮起到一定的作用。
4． 5 其他措施对二号线的变形影响控制
通过自动导向系统，严格控制各区油压，同时控制千斤顶的行程，合理纠偏，做到勤纠，减小单次纠偏量，实现盾构沿设计轴线方向推进，341 ～358 环没有特殊状况不做较大纠偏，防止过大过多纠偏对土体产生较大二次扰动。
浆液的质量直接影响到管片与土体之间建筑空隙的填充效果，对于二号线及自身隧道的上浮控制起到关键性作用。浆液采用单液浆，为了控制质量由泵站统一拌制，穿越过程中对于每车浆液进行指标检测，需达到以下要求: 比重 ＞2． 00 kg/cm3，常压泌水量 ＜30 ml，坍落度12 ～14 cm，抗剪屈服强度 ＞300 Pa。
盾构上穿地铁二号线区域所用管片内弧面纵、环向均布置有预埋钢板，管片拼装完毕用钢板将纵、环向预埋件焊接牢固。同时在管片端面安装剪力销，加强管片环与环之间的连接。通过这些措施增加隧道的整体刚度以减小隧道变形对 2 号线的影响。
5 地铁 2 号线变形控制效果分析
图7 显示了盾构推进过程中 2 号线的变化趋势，变化最大的位置位于盾构切口切入点，由于盾构与2 号线存在一定夹角，因此，变形最大的位置不在盾构轴线下方，而是位于盾构轴线的左侧。切口距离二号线隧道4 ～5 环时，2 号线上下行线开始受到影响，至切口到达时，上抬约 1 mm。盾构掘进使 2号线上覆荷载减小，下行线上浮约 3 mm，上行线上浮约4 mm，隧道上浮; 推进过程比拼装过程容易引起隆起。6 月17 日，1 号车架脱出穿越段后，2 号线变形逐渐稳定，这表明所在以号车架后采取的压重措施对于控制2 号线的变形具有明显效果。
6 结 语
由于盾构机重远小于开挖土重，因此开挖引起二号线上浮无法避免，但 2 号线的最终变形控制在允许范围以内。盾构穿越二号线过程中，上下行线分别发生最大近 10 mm 的上浮。监测仪器布设于轨道道床，所监测的变形量是道床的变形，而钢轨自身的刚度大于道床的刚度，因此轨道的实际变形量更小。从施工方人员进入二号线隧道的观察情况来看，隧道内没有发现任何管片碎裂、渗水等现象，穿越期间，二号线运营正常，因此采用通过在 1 号车架后方采取合理的增稳加载措施，并对盾构推进过程进行严格控制的方法可以有效控制盾构上穿即有隧道的影响。
参考文献(References)
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