行业要闻

 

摘 要：结合上海地铁某区间隧道上下夹穿运营地铁的工程实例，首先采用数值模拟的方法，对先上后下和先下后上两种不同穿越次序引起的地铁隧道变形及地层扰动影响进行了比较分析。计算结果表明：近距离夹穿情况下盾构扰动引起的地层位移场分布呈现较为复杂的变化。然后，通过进一步分析对比这种复杂变化导致的风险，得出先下后上的穿越次序对隧道的变形及周边环境的的控制更为有利的结论，并制订了针对性的变形控制措施。最后，结合现场实测数据，验证了理论预测及施工措施的合理性，为类似穿越情形的盾构施工控制提供了参考。

关键词：盾构；上下夹穿；穿越次序；变形控制；有限元；实测分析

 

      城市轨道交通建设的高速发展，使得新建地铁线路穿越已建运营地铁的工程实例大量涌现，且穿越类型越来越多，间距越来越小，保护要求越来越严格，施工难度越来越大。在以往的穿越工程案例中，穿越多以单纯下穿或单纯上穿或平行穿越为主^[1-3]。针对这些不同的穿越类型，国内外学者提出了一系列变形预测方法^[4-5]及施工控制措施^[6]：严格开挖面顶进压力控制；对盾构空隙同步注浆填充；采用铰接装置减少穿越施工过程中的纠偏；上穿越过程同步压重以辅助控制盾构姿态及减少由于地层卸载引起的隧道回弹上浮；采用纵向连系梁等隧道纵向刚度加强措施；建立监测数据技术分析体系以实时反馈指导施工。以上控制措施在穿越施工中取得了显著的成效。但在中心城区，已有密集地面建筑物、地下障碍物、地铁车站埋深等多重条件对地铁选线的限制，导致上下近距离夹穿的特殊穿越工程开始出现。相比既往的各种穿越类型，这种特殊的穿越情形中出现的多次卸荷扰动必然使得地层应力场和位移场呈现更为复杂的变化，因此，现有的穿越施工经验能否适用于这种上下夹穿的穿越类型，还需做深入的理论和实测分析。

      此外，上下夹穿工程自然会伴随浅覆土等更为复杂的环境条件出现。因此，在穿越过程中，既要严格控制下穿越引起的沉降和上穿越引起的回弹上浮影响，同时还要控制浅覆土条件下盾构姿态控制不力而导致的盾构上飘，以及由此引起的地表位移过大带来的严峻挑战（即浅覆土穿越中的所谓“跷跷板”效应）。在二次穿越过程中，土体由于受到多次卸荷引起的扰动，力学性能和变形规律均发生了改变，盾构施工参数和沉降指标需进行一定修正。

      本文以上海某新建地铁区间隧道盾构上下夹穿已建运营地铁隧道工程为背景，运用有限元数值模拟方法对不同穿越次序下各区域各工况，穿越施工对运营地铁隧道及周边环境的扰动影响进行了计算分析，得到了位移场的变形规律及其对运营安全的影响，进而通过对比得到了较优的穿越次序。根据理论计算的结果，制订了分区域分时段的施工控制措施，最后结合现场的实测数据，验证了理论预测与施工措施的合理性。

 

      在建地铁 11 号线区间隧道施工至零陵路时，将上下夹穿运营的地铁隧道 4 号线，与 4 号线隧道平面夹角约为 75°。上行线从 4 号线隧道下部穿越，隧道间净距 1.82 m，下行线从 4 号线隧道上部穿越，隧道间净距 1.69 m，穿越节点处盾构顶部覆土深度约为 6.0m。

      穿越施工区域共跨越 4 个土层：③号淤泥质粉质黏土层，呈流塑状，灵敏度高达 6.1～7.7，具有触变性；④号淤泥质黏土层，呈软塑、流塑状，高压缩性灵敏性软土，工程性质差；⑤₁号黏土层，呈软塑、流塑状，高压缩性；⑤₃号粉质黏土层，软塑状，中压缩性，深度范围内土性变化大，工程性质一般；局部区域⑤_1a号砂质黏土层发育，渗透系数高，为承压含水层，承压水位埋深 5.85 m。

      对于同一交叉点处上下两次穿越，先期穿越施工的扰动影响对后续施工影响较大。且在浅覆土上穿越工况中，盾构位于④号淤泥质黏土层，极易发生上飘，其姿态控制及正面压力控制难度大。

 

      计算模型尺寸宽度 80 m（开挖隧道至模型边界距离>5D），纵向 80 m（已建隧道至模型边界距离>5D），高 40 m（开挖隧道至模型边界距离>3D）；由于隧道平面交角较大，故模型简化为垂直相交状态；模型边界条件除上表面设置为自由面外，其余各面均施加法向约束；土体、衬砌层、注浆层材料均使用 8 节点实体单元进行模拟，其中地层按照弹塑性介质考虑，遵循 Drucker-Prager 强度准则，物理力学参数见表 1。衬砌层厚度 0.35 m，γ=2500 kg/m³，弹性模量 E=30 GPa，泊松比v=0.2；注浆层厚度 0.5 m，γ=2100 kg/m³，弹性模量 E=1 GPa，泊松比v=0.25；利用隧道的收敛及注浆层的收缩来模拟地层损失的发生。

      在数值模拟盾构穿越过程中共设置了 8 个荷载步，分别模拟上、下行盾构驶近 4 号线隧道、通过 4号线隧道上行线、通过 4 号线隧道下行线、远离穿越区域共 8 个工况。每个荷载步设置两个荷载子步：①开挖隧道所在区域土体，施加掌子面顶进压力，在管片层与注浆层交界面上施加注浆压力；②设置管片层、注浆层单元，逐步卸去注浆压力^[7]。

      图 5，6 及表 2 对两种穿越次序下地表竖向位移变化情况进行了对比，结果表明：

      （1）两种穿越次序对地表竖向位移的影响均可分两个阶段：上穿越阶段地表竖向位移整体呈上浮趋势，但在穿越轴线交叉区域，由于盾构施工引起的地层损失的影响，出现了明显的局部凹槽；下穿越阶段地表竖向位移呈现整体下沉趋势。

      （2）在已有隧道结构处，已有隧道的上浮带动周围地层回弹，从而在浅覆土条件下致使地表也出现局部隆起现象。

      （3）先上后下穿越次序下，穿越节点区域地表竖向位移累计值与单次变化量显著偏大，其中位移值变化较大的工况均发生在盾尾离开其所在区域时。

      （4）先下后上穿越次序下，地表沉降槽宽度较大，位移曲线变化较为平缓，这对地表构建筑物的保护更为有利。

      （5）先下后上的凹槽中心受两阶段的共同影响更接近于模型中心，且穿越结束时地表竖向位移显著较小。这表明先下后上穿越次序下，各时段位移变化的整体性更强，更有利于利用上穿越土体卸载引起地层回弹产生的对地表沉降的抵消效应。

      图 7，8 及表 3 对两种穿越次序下已建地铁隧道竖向位移变化情况进行了对比，结果表明：

      （1）两种穿越次序对隧道竖向位移的影响也可分为两个阶段：上穿越阶段呈上浮趋势，但与地表位移相比，由于受隧道自身刚度的影响，隧道位移没有出现显著的局部凹槽现象；下穿越阶段则呈下沉趋势。

      （2）由盾尾空隙产生的地层损失对隧道结构自身位移的影响趋势与地表基本保持一致。但受隧道自身刚度的影响，影响范围并无显著差异。

      （3）两种穿越次序下，隧道累计位移值较为接近，先下后上情形单次位移变化量偏大。

      （4）先上后下的穿越过程中，隧道竖向位移呈隆

起–沉降–隆起–沉降的变化趋势；而先下后上的穿越过程中，隧道呈沉降不断发展再不断回弹至较小的沉降值的变化趋势。相比于先上后下情况中位移呈现的反复震荡变化，先下后上情况下位移的渐近式的发展对隧道的变形控制更为有利。

      （5）两种穿越次序下隧道结构的最终竖向位移值虽然较为接近，但其引起的位移曲线分布形态有较大区别：先上后下穿越时的位移曲线变化曲率较大，且南线隧道更是出现了反对称的分布形态，这对隧道结构的受力性能以及接缝处的止水要求都较为不利；而先下后上穿越引起的位移曲线变化趋势则较为平缓。

      综合考虑先上后下及先下后上两种穿越情形下,盾构穿越施工引起的地表位移和地铁位移大小及分布形态的变化及其对地铁隧道结构安全的影响，可知，先下后上穿越方案对地铁隧道保护相对有利。

 

      根据上海市地铁保护技术标准^[8]：地铁结构设施绝对沉降量及水平位移≤20 mm（包括各种加载和卸载的最终位移量）。考虑到隧道周边土体孔隙水压力长期消散过程以及土体的蠕变特性，为保证 4 号线能满足最终变形控制要求，在 11 号线掘进施工期间，对 4号线的具体保护技术要求是：沉降及位移绝对值<5mm。先下后上初次计算结果显示，穿越过程中的位移变化量尚不能完全满足地铁保护要求，为确保工程万无一失，在实际推进过程中还制订了下列针对性的施工控制措施。

      （1）采用高稠度、大比重单液浆，增强盾尾间隙填充后地层的稳定性，并减少浆液固化、泌水引起的后期沉降。

      （2）适当提高盾尾空隙的填充率，以及在穿越节点管片上预留注浆孔，以备实施二次注浆，确保地铁隧道变形控制在安全范围。同时，盾构尾部到达前使得运营隧道呈现 2～3 mm 微幅的预先上抬，以利于隧道最终沉降值的控制。

      （3）穿越节点区域由于已建隧道的影响，初始地层压力在同一高程位置会出现剧烈的波动。盾构通过穿越节点时应减缓推进速度，及时控制仓内压力平稳变化，防止过小、过大的正面压力导致前方坍塌和对隧道结构的损坏^[9]。

      （4）上穿越处于浅覆土（H<D）施工状态，需加强对盾构姿态和正面稳定性的控制：对新建隧道进行同步压重（5～10 t/m），防止姿态上飘；使用泡沫添加剂或高分子泥浆，对开挖面、土仓、螺旋机土体进行改良，稳定仓内土压并防止出土口喷涌。

      （5）在穿越节点两侧对运营隧道进行压重，以减少土体开挖卸载引起的隧道回弹上浮。

      （6）在穿越节点两侧运营隧道内设置纵向连系梁，以增强隧道的整体刚度。

      （7）穿越过程的变形控制措施也应根据位移发展的两个阶段加以区分：下穿越过程以控制隧道沉降为主，采用提前注浆、二次注浆等措施减少其最终沉降量；上穿越过程以控制隧道回弹上浮为主，采用压重、纵向加强等措施控制回弹位移量及其发展过程。

 

      出于减少两次穿越间相互影响的考虑，两次穿越之间设置一定的时间间隔：6 月 9 日开始下穿越施工，上行线推进至 977 环，盾构切口进入穿越区域，6 月22 日推进至 1027 环，下穿越结束；7 月 6 日开始上穿越施工，下行线推进至 977 环，盾构切口进入穿越区域，7 月 20 日推进至 1028 环，整个穿越施工结束。

      为了严格对地铁运营隧道的保护，在穿越施工期间，对穿越区域的区间隧道进行了重点监测：穿越节点两侧各 40 m 范围内，布设了 40 台间距 2 m 的电水平尺首尾相连构成的监测线，对运营隧道竖向位移变化情况进行实时监测，地表沿盾构掘进的轴线方向，每隔 5 环布设地表沉降观测点。测点布设如图 9 所示。

      图 10 给出了夹穿过程中沿盾构掘进轴线方向地表位移的变化情况及上穿越过程的上浮趋势线。结果表明：

      （1）与理论预测结果相比，实测数据的位移绝对值显著偏小，这表明预先注浆、二次补浆等施工措施对地表沉降控制取得了良好成效。

      （2）由实测的上浮趋势线可以发现：地表位移并没有出现显著的回弹现象，上浮趋势线与压重情形下的理论计算值较为接近，且地表上浮趋势线在已建隧道所在区域出现明显凹槽，这表明同步压重、纵向刚度加强等措施能对隧道的回弹起到一定的抑制作用，从而也抑制了地层的整体上浮。

      图 11，12 给出了夹穿过程中已建运营地铁隧道竖向位移情况及上穿过程的上浮趋势线。结果表明：①实测数据与理论预测结果的位移分布及变化趋势保持一致。②实测数据的绝对位移值和上浮回弹量显著偏小，这表明针对性的施工措施对控制隧道的位移变化尤为有利，考虑压重影响后的理论计算值与实测值更为接近。③隧道位移横向槽中心与下穿越隧道中心线基本重合，下穿越过程引起的地层损失时隧道沉降的主要原因，但由于上穿越卸载回弹，隧道在上穿越中心线出现局部回弹凸起。