超大直径土压平衡盾构近距离下穿人行通道施工控制技术

戴仕敏

（上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院、上海隧道工程股份有限公司，上海市200082）

0 前言

随着城市中心区域日益增长的交通需求，以及盾构施工技术的日趋成熟，超大直径隧道的应用前景越来越广泛。盾构法由于开挖面支护压力、建筑空隙、注浆压力等影响，盾构法施工不可避免地会对周围地层产生扰动，引起地层变形。目前，国内外对软土地区盾构施工引起地层变形进行了有价值的研究，但关于盾构近接施工对既有建构筑物的研究相对较少，尤其是超大直径盾构隧道的近接施工影响问题，国内尚未形成系统的研究。而在目前的发展趋势下，城市中心区域超大直径盾构近接施工的影响问题将会愈加复杂。所以如何确定近距离下穿时的超大直径盾构施工参数是亟需解决的问题。

本文结合上海市外滩通道近距离下穿南京东路地下人行通道工程，结合数值分析和现场监测，研究软土地区超大直径土压平衡盾构隧道近距离下穿既有构筑物施工参数问题。

1 工程概况

外滩通道是上海市“三纵三横”交通主干网络中三纵东线的组成部分，被誉为解决上海市中心交通问题的“心脏搭桥手术”式的工程，如图1所示。施工盾构采用目前国内最大直径的Ф14 270 mm的土压平衡盾构机施工。隧道衬砌结构外径13.95 m，内径12.75 m，厚600 mm。这也是超大直径土压平衡盾构机在我国首次使用。

图1 外滩通道穿越南京东路人行通道平面图

盾构在里程NXK0+384～NXK0+369处穿越南京东路地下人行通道。人行通道宽9 m，高度4.5 m，埋深2 m。人行通道下部为钢筋混泥土板桩结构，板桩宽约0.5 m，厚0.25 m，长约11.5 m。隧道与人行通道的位置关系如图2所示。盾构推进通过南京东路地下通道前，所有板桩将全部移除，通道下方回填素土，采用注浆法作适当加固。

图2 南京东路地下人行通道与外滩通道位置关系图

新建隧道盾构穿越的土层主要有：③灰色淤泥质粉质粘土、④灰色淤泥质粘土、⑤1灰色粘土。南京东路地下通道则主要位于①杂填土、②0江滩土、③灰色淤泥质粉质粘土地层中。隧道顶部与人行通道的距离仅2.4 m。穿越段主要土层性质见表1所列。

表1 主要土层性质参数表

2 盾构近距离下穿施工参数设定

盾构推进过程中对周围环境有明显影响的施工参数主要有土舱压力、推进速度、注浆压力及注浆量、出土量等。外滩通道使用的超大直径土压平衡采用的是无级变速的螺旋出土机和全自动控制系统，可实现出土量与推进速度的自动匹配，因此，本文主要针对土舱压力和注浆参数的合理设定展开分析。

2.1 盾构土舱压力设定分析

根据现有的理论分析和现场监测可知，盾构推进过程中土舱压力的设定值与开挖面前方和上方的水土压力具有明显的相关性。本文建立三维数值模型，对盾构穿越地下通道进行了数值模拟。隧道结构、地下人行通道以及土体单元均采用实体单元模拟。模型如图3所示。

图3 计算模型

一般情况下，盾构正面平衡压力按照P=K0γh设定。式中：P为平衡压力（包括地下水）；γ为土体的平均重度（取18.0kN/m3）；h为隧道中心埋深；K0为土的侧向静止平衡压力系数。

图4为盾构切口位于通道正下方时，通道最大变形与土舱压力设定值之间的关系。从图4可以看出，地表变形和土舱压力的设定值基本呈线性关系，土舱压力按照K0=0.82时，地面变形最小。从实际施工的角度考虑，若需将盾构前方地表变形控制在±5mm以内，则土舱压力的取值范围为：K0=0.75～0.87。

图4 土舱压力设定和通道最大变形关系曲线图

根据穿越段前期的推进施工统计，外滩通道工程的土舱压力设定一般为K0=0.78，计算所得结果略大，这是由于具有一定刚度的人行通道对上部土压力也具有承担、分散的作用，所以穿越段土舱压力的设定也有别于正常推进情况下的设定。

由于外滩通道工程盾构直径达到14.27m，施工过程时会同时在不同的土层中掘进，因此在考虑土舱压力设定时必须结合考虑不同土层的工程性质。

盾构在穿过南京东路人行地道时，地层分布较为平均，从上到下依次为③灰色淤泥质粉质粘土、④灰色淤泥质粘土及⑤1灰色粘土。但由于盾构顶部覆土浅，距离通道仅2.4 m给土舱压力控制增加了难度，因此应尽可能减少切口土压的波动。根据计算结果，土压力控制在140 kPa（K0=0.85）左右。

2.2 注浆参数分析

盾构本体同步注浆系统通过6个注浆点 (0°、60°、120°、180°、240°、300°) 对盾尾管片外部建筑空同步实施注浆（见图5）。

图5 同步注浆盾尾注浆孔示意图

注浆量要保证对盾尾间隙的填充率，该隧道每环理论注浆量为14.18 m3，实际的注浆量为理论建筑空隙的120%～140%，即17～20 m3。

注浆压力的计算公式为：

P=P1+P2+P3

式中：P1为该注浆点泥水压力值，bar;P2为注浆管损失压力，根据盾构机取2～3 bar;P3为注浆压力差，一般取1.5 bar。

注浆压力的设置不仅要充分充填盾构施工产生的地层空隙，同时要避免过大的注浆压力引起人行通道有害隆起或破坏管片衬砌，防止注浆损坏盾尾密封。因此，在近距离穿越南京东路地下通道的过程中，必须以注浆压力为主要控制标准。南京东路隧道穿越段主要为软弱土层，掘进后渣土易坍塌，无形中减小了盾尾空隙，造成浆液流动不畅，要获得有效充填，则所需注浆压力较大；同时由于通道距离隧道仅2.4 m，在穿越前进行了清障施工，下部土层相对薄弱，通道变形对盾构推进更为敏感，所以注浆压力不宜过大，建议施工时对通道严密监控，实时地对注浆参数尤其是区域1进行调整。

2.3 近距离穿越施工其他建议

盾构推进速度控制在25 mm/min以内,做到平稳、匀速推进，减少对土体的波动。此阶段盾构平面为R634的圆曲线，竖向为－0.3%的直线，推进过程中根据自动测量系统进行均匀纠偏，严禁急纠急转。

由于穿越地下通道时，盾构推进参数要做适当的调正，因此建议将下穿分为穿越前调整段、穿越控制段和穿越后控制段。各区长度的确定则要综合考虑盾构穿越层土压力的大小、盾构机推进的影响范围、盾构机土舱压力的调整能力等，以保证施工参数调整的充分过渡。

3 现场施工措施分析

3.1 施工控制措施

穿越区域管片设置剪力销，内弧面设置预埋钢板，加强管片的纵环向连接，以便控制管片的纵向平整度、椭圆度和环缝。在管片拼装过程中，避免因缩千斤顶造成的盾构机后退、土压力降低，若土压力降低量超过控制土压的15%，须通过注浆管的分管向土舱内注入同步注浆浆液。

推进速度为20～25 mm/min，减少对周围土体的扰动，每环的推进过程中避免长时间停滞。严格控制推进速度，如果推得过快则刀盘开口断面对地层的挤压作用相对明显，地层应力来不及释放；推得过慢则刀盘的切削对地层扰动作用相对明显，容易造成超挖。

结合通道的内部结构在通道内设置实时的监测仪器，盾构推进人员根据通道的变形情况对施工参数数进行实时调整，如图6所示。

图6 测点布设图

3.2 施工监测分析（见图7）

从图7中可以看出，盾构开始推进，通道相应地发生隆起，而当盾构完成推进进入拼装阶段或者由于机械故障停止推进时，通道则发生沉降。这表明正常推进时，超大直径土压平衡盾构对通道主要起到挤压的作用。推进时土舱压力基本按照K0=0.85控制，在切口到达前通道隆起约5mm。由于盾构长度大于通道宽度，所以主要的隆起则发生在盾构通过的过程，因此为了控制隧道变形，盾构在372环推进结束后稍作停顿。

图7 盾构穿越阶段南京东路地下通道变形曲线图

盾尾脱出后，在375环、376环，通道的变形主要受同步注浆影响，这一阶段，同步注浆率为120%，距离测点最近的注浆孔注浆压力为0.54MPa。盾尾脱出约3～4环后，通道的变形开始不受盾构推进的影响，呈现出下沉的变形趋势。

盾构穿越过程中，通道的变形主要发生在通道的中部，通道两侧的变形较小，仅有约1mm的波动变化。盾尾脱出约10环时，通道中部有发生约3mm的隆起，这是由于盾构后续1#车架脱离通道后，作用于隧道的重量减小，使隧道发生一定的上抬，从而对上部的人行通道造成了一定的影响。之后通道的变形逐渐稳定，最终，通道中部比初始状态上抬了1mm，两侧比初始状态下沉了1mm，整个通道的不均匀变形约2mm。

4 结语

（1）由于具有一定刚度的人行通道对上部土压力也具有承担、分散的作用，所以盾构穿越段土舱压力的设定略大于于正常推进情况下的设定。

（2）超大直径土压平衡盾构近距离下穿地下通道时，应以距离通道最近的注浆区域为主要控制区域，控制标准应以注浆压力为主。

（3）盾构推进时对通道主要产生挤压作用，使隧道发生了一定的隆起，停止推进时则发生回落；大部分变形发生在盾构机机身穿越通道的过程中，为了控制这一阶段的变形，应根据监测情况对盾构的推进状态做出相应调整。

（4）施工时各项参数的设置以及控制措施都对通道的变形起到了良好的控制效果，最终，通道中部比初始状态上抬了1mm，两侧比初始状态下沉了1mm，整个通道的不均匀变形约2mm。

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