大型矩形盾构近距离穿越管线影响研究

温竹茵

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

0 引言

随着城市建设的发展，在地下管线密集区实施地下通道的需求不断增加。在管线复杂、搬迁费用高、实施影响大的地方采用非开挖技术就显得十分必要。大断面矩形盾构法隧道可以很好地满足这种建设需求。相比传统的圆形盾构隧道，矩形盾构隧道具有空间占用率低、埋深浅、环境影响小等优势[1]，是今后的发展趋势。如何控制矩形盾构隧道穿越过程中引起的环境变形是其中的关键问题。

矩形盾构法隧道施工案例主要集中在日本，日本在理论与实验方面持续对矩形盾构法隧道展开研究[2]，其代表性的工程案例主要有:1999年，京都市交通局采用矩形盾构完成了京都地铁东西线区间隧道的施工，隧道内净空尺寸为8.9 m（宽）×5.5 m（高）[3];2012年，日本大林组在东京都3环线道路相模纵贯川尻隧道工程中，施工完成了内净空尺寸为11.0 m（宽）×7.08 m（高）的矩形盾构法隧道[4]，将矩形盾构法隧道技术水平提升到一个新的高度。随着中国经济的增长与施工技术的提高，有关大断面矩形盾构法隧道的研究得到了越来越多的关注。如贾连辉[5]对超大断面矩形盾构顶管设计关键技术展开了研究，罗鑫[6]对不同矩形盾构隧道管片的拼装方法进行了对比分析。

本文以虹桥临空地区的10-3、11－3地块地下连接通道工程为背景，对大断面矩形盾构下穿大型雨水管进行了多方面分析，并对其变形进行了现场监测，为今后此类项目建设提供有益经验。

1 工程概况

上海临空园区10-3、11-3地块地下连接通道（以下简称“临空通道”）位于上海市长宁区临空经济园区内，下穿福泉北路，是连接东侧11-3地块和西侧10-3地块的地下二层车库之间的便捷通道。通道全长52 m，两侧的地下二层车库均已建成，仅预留了通道接口。福泉北路上有上水管、信息排管、雨水管、污水管、煤气和电力排管等若干管线，其中管径最大、距离通道最近的管线为一根管径1.8 m的混凝土雨水管，埋深约3 m。为避免搬迁福泉北路上的管线和中断交通，需要采用非开挖技术进行通道施工。同时，由于受到已建成地下车库预留接口、雨水管埋深等限制，通道顶部标高受限，因此通道采用了矩形盾构隧道作为实施方案。这是国内第一条矩形盾构隧道，具有试验和示范作用。图1、图2分别为隧道平面位置和纵剖面图。

2 矩形盾构隧道设计方案与地质条件

2.1 隧道设计方案

整个通道由2个盾构工作井和30 m长的矩形盾构隧道组成。矩形盾构隧道内净空尺寸为8.65 m× 3.85 m，管片厚度0.55 m，环宽1.0 m。隧道采用通缝拼装，衬砌环由6块管片组成，分别为F块、L U块、L D块、D块、R D块、R U块。管片块与块之间采用8根10.9级的环向螺栓连接，环与环之间采用28根8.8级的纵向螺栓连接。衬砌结构的形式及尺寸如图3所示。

图1 隧道平面位置图

图2 隧道纵剖面图

图3 矩形隧道横断面图（单位：mm）

矩形盾构隧道采用复合管片，复合管片的顶部、底部、两侧均采用Q345钢板，内部充填混凝土，并在钢箱体钢板内表面布置栓钉，以加强钢板与混凝土之间的连接作用。复合管片钢箱体如图4所示。

图4 复合管片断面示意图（单位：mm）

2.2 地质条件

矩形盾构隧道位于中等压缩土层和高压缩性土层中，地层从地面起分别为①1层杂填土、①2层素填土、②褐黄色层粉质黏土、③1灰色淤泥质粉质黏土、③2灰色层砂质粉土、④层灰色淤泥质黏土。通道穿越的土层主要为③2层和④层土，雨水管位于②层和③1层中，土质分布和物理参数详细见表1。

表1 土层分布及参数表

3 管线风险分析

矩形盾构穿越的管线中，雨水管的直径最大，距离最近，因此主要对其进行研究和监测。雨水管的基本情况详见表2，雨水管与盾构之间的相互关系如图5所示。

由于车行通道顶部与雨水管线距离很近，矩形盾构施工必然会对雨水管线产生一定风险。主要风险包括以下两个部分：

（1）挤土效应产生的随动响应风险

在盾构推进过程中，盾构需要通过不断调整刀盘切口压力来维持开挖面平衡，确保刀盘前方土体的稳定。过大的切口压力会对盾构前方土体产生挤压作用，导致地表隆起、土体向盾构远离方向位移。此外，同步注浆压力过大、盾构姿态调整不佳也会对盾构周边土体产生一定挤压作用。这些土体挤压变形和位移都会造成管线发生随动变位，导致雨水管线接缝开裂。

表2 雨水管情况表

图5 矩形盾构与雨水管关系图（单位：mm）

（2）背土效应产生的被动响应风险

相比圆形盾构，矩形盾构更容易发生背土效应。背土现象的发生，一方面使得紧贴盾构壳体的土体发生盾构开挖方向的位移，导致土体发生剪切破坏，另一方面使得盾构上方土体由于下方土体“抽走”而发生沉降现象。这对于雨水管线的位移控制会产生不利影响。

4 管线保护措施

4.1 施工措施

矩形盾构机采用的是土压平衡盾构机，由于管道离盾构外壳不足1 m，为避免盾构掘进过程中对管道产生不利影响，在施工的不同阶段都需要采取相应措施，以保证雨水管的安全。

（1）施工前做好前期准备工作，包括管线资料的进一步调查、与管线单位的配合、技术交底、人员配置、施工参数优化、机械设备维护及检查、监测点布置等措施。

（2）下穿雨水管前掘进施工中，通过施工实践不断优化盾构推进参数控制地表变形，减少对雨水管的影响，紧密依靠地表变形监测，及时调整盾构掘进参数，不断完善施工工艺，将施工后地表变形量控制在最小范围内。

（3）在下穿雨水管阶段，通过严格控制盾构正面土压力、推进速度控制、改良土体、出土量控制等措施，减少盾构纠偏量和纠偏次数，在穿越雨水管掘进过程中进行同步注浆，严格控制同步注浆量和浆液质量，通过同步注浆及时充填建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。同时，实施信息化施工，加强监测，及时完善、优化盾构施工参数，保证施工过程中雨水管的安全。

（4）盾构在下穿雨水管之后，在盾尾脱离雨水管之后，在相应位置通过管片注浆孔进行双液浆的压注，使其在管片背后形成加固区域，有效地防止雨水管沉降，减少盾构施工的后期沉降。

4.2 防背土技术

（1）减摩注浆系统

掘进施工中，通过减摩注浆系统注入触变泥浆，减少盾构机、管节与土壤的磨阻力，使机体外壳及管节外壳形成完整的减摩浆液薄膜，有效地减少顶进阻力，确保施工正常进行。

（2）盾构防背土装置

在矩形盾构上设置防背土装置（见图6），液压防背土装置采用液压机构将壳体上部土体做有效分割，减轻盾构机因上表面大而平坦造成的背土。

图6 防背土装置

5 穿越影响分析

采用M idas GT S对该工程进行模拟分析。盾构隧道外包尺寸为 9.75 m×4.95 m，覆土6.0 m；雨水管D=1 800 mm，t=200 mm；雨水管与隧道顶部的净间距为0.965 m。

模型计算宽度为70 m，即盾构轴线向两侧延伸3倍左右开挖宽度。计算深度取地表下40 m，轴线方向长度40 m。土体采用4面体4节点实体单元；模型边界条件采用标准边界，即模型底部限制水平和竖向位移，两侧限制水平位移。图7为矩形盾构掘进数值模型。

图7 矩形盾构掘进数值模型

通过模型可以得到盾构下穿地下水管后土体隆沉及水管位移变化（见图8、图9）。根据模拟结果，雨水管的最大沉降值为4 mm，管节的相对转角为6/16 280=1/2 713＜1/1 000，满足管节的变形要求。

图8 盾构下穿地下水管后土体隆沉图

图9 雨水管垂直位移

6 现场监测情况

6.1 雨水管变形监测装置及方法

在雨水管管线影响范围外取大地坐标（大地测量网）参考点，并引入到雨水管内部竖井内的固定钢丝结构(安装梯)上，作为管线变形测试的基准点，利用雨水管变形监测装置进行地下管线的竖向与垂直于管线的横向变形精确测量，再利用无线W i-F i实时发送测量数据给相关施工管理人员。

雨水管变形监测系统由定位钢丝、变形监测装置、钢丝固定装置、数据线等组成。

变形监测装置内安装有倾角测量传感器、位移测量传感器，以及吊挂钢丝扣和伸缩触脚等部件，实现地下管线的变形精确测量。

变形监测装置内还装有：数据采集仪、数据综合处理（计算）系统。

6.2 测点布置方案

雨水管变形监测装置，由1～5号测量装置及测量装置A、B、C共8套装置组成。测量装置信息见表3。

表3 测量装置信息

1～5号测量装置能测量管线的沉降变形和侧向变形。沉降变形“-”代表下沉，沉降变形“+”代表隆起；侧向变形“+”代表向始发井方向（前）变形，侧向变形“-”代表向接收井方向（后）变形。测量装置A～C能测量管线的沉降变形，沉降变形“+”代表下沉，沉降变形“-”代表隆起。图10为雨水管测点布置图。

图10 雨水管测点布置图

6.3 侧向变形监测结果

雨水管变形测量装置放在雨水管内部进行监测，被测量的雨水管为临空地区雨水管主要管道，直径为1.8 m，水流量较大。平常使用状态下，水流动对雨水管变形监测基本无影响，在暴雨天气下，雨水管上游会开闸进行放水，此时水流量巨大，水流对雨水管变形测量装置冲击力较大，引起装置摆动移动，产生开闸放水引起的测量数据误差。

雨水管变形测量装置能通过各装置沿管线轴向方向的摆动角来识别开闸放水的时间段。平常水流状态下，水流几乎不会使雨水管变形测量装置产生管线轴向方向的摆动，如果各装置沿管线轴向方向的摆动角较大，则说明此时刻上游管道开闸放水了，此时的雨水管变形测量数据为误差，应该略去此影响。

在略去开闸数据误差的影响后，1号～5号测点的最终最大侧向变形见表4。

管线各测点最终的侧向变形量如图11所示。

表4 管道测点的最终侧向变形

图11 管线各测点最终的侧向变形

监测时间从2015年9月6日开始，2015年10月23日结束，从管线各测点不同时间的侧向变形见图12。可以看出，随着盾构掘进，管线受到侧向力的影响，呈现“8”字形的变形规律，并越发丰满。

图12 管线各测点变化趋势与规律

6.4 竖向变形监测结果

在略去开闸数据误差的影响后，各个测点的竖向变形量见表5，说明盾构掘进施工先引起了管线先沉降再隆起，变形幅值较小，最大沉降变形为-1.5 mm，最大隆起变形为2 mm。

表5 管线各测点竖向变形值

管线测量装置1～5及装置B、C各测点的沉降都具有相同的变化规律：都是先沉降再隆起，幅值都比较小，沉降和隆起都不超过5 mm。不同的是装置A位置处，即管井口位置处，只发生单调递减的沉降变形，幅值依然较小，不超过5 mm，这是由于管井口有混凝土承台的影响。

7 结论

根据监测结果可以看到，通过精心设计和施工，超大矩形盾构近距离穿越管线是切实可行的，穿越对管线所产生的影响是能够满足其变形要求的，在实施中采取的一系列措施是积极有效的。

（1）矩形盾构作为一种新型的非开挖技术，在覆土浅、管线距离近等环境下，具有较好的适应性。

（2）矩形盾构施工过程中，背土效应对环境影响较大，因此必须在设备中设置相应的防背土措施，以减少对环境影响。

（3）在管线距离较近的情况下，盾构掘进时，管道的沉降和隆起量均较小，与理论计算比较符合。

（4）在管线距离较近的情况下，盾构掘进时，管线受到侧向力的影响较大，侧向呈现“8”字形的变形规律，在今后类似项目中应充分考虑侧向变形的影响。

参考文献:

[1]孙巍,官林星,温竹茵.大断面矩形盾构法隧道的受力分析与工程应用[J].隧道建设，2015,35(10):1028-1033.

[2]小林正典,小泉淳,井口均.矩形断面シールドトンネルの合理的セグメント形状に関する研究[J].木学会第48回年次学術講演会,1993(48):56-57.

[3]Hiroshi Nakamura,Toshikazu Kubota,Mamoru Furukawa,et al.Unified construction of running track tunnel and crossover tunnel for subway by rectangular shape double track cross section shield machine [J].Tunneling and Underground Space Technology,2003 (18):253-262.

[4]前田知就，大井和憲，蛭子延彦.地上発進·地上到達シ ールドの施工[J].基礎工,2013,41(3):39-450.

[5]贾连辉.超大断面矩形盾构顶管设计关键技术 [J].隧道建设,2014,34(11):1098-1106.

[6]罗鑫.矩形盾构隧道管片拼装方法的研究[J].建筑施工,2014,36(2):199-201.