盾構穿越軟土雙圓地鐵隧道的變形實測分析

曾英俊

上海城建市政工程（集團）有限公司 上海 200065

隨著上海城市軌道交通建設的迅猛發展，地鐵盾構隧道不可避免地需要穿越既有隧道。盾構施工引起的地表沉降是施工環境保護的一個重要指標，特別是在建筑密集區域建設的城市軌道交通，對地表沉降有更嚴格的控制標準。盾構隧道引起地表沉降的估算方法包括經驗公式法、理論解析解法和數值分析法。繼以Peck公式[1]為主的經典經驗公式法之后，Park、陳小亮等[2-3]國內外學者通過采用包括有限元分析、人工神經網絡以及三維有限差分模型等方法在內的方式，并通過現場實測數據對盾構施工引起的地表沉降指標進行分析和研究，且主要以單圓盾構為主[4-6]。

截至目前，國內外有關雙圓盾構施工引起地面沉降及土壓力的相關研究較少，且主要集中在中國和日本[7]。日本方面，開展的研究主要偏向施工數據的統計歸納；國內方面，周文波、廖少明等[8-9]針對雙圓盾構施工的主要技術難點、計算模型、施工擾動、地層沉降規律開展了一些研究，并得出了一些初步成果。綜上所述，雙圓隧道現有研究成果多集中于雙圓盾構隧道本體結構、雙圓盾構施工控制和環境影響方面，在雙圓盾構工法引起的地表沉降方面的研究較少。

上海軌道交通6號線（下皆統一稱地鐵6號線）是我國首條采用雙圓盾構工法施工的地鐵隧道，為新建盾構穿越雙圓盾構隧道的施工造成了很多的不確定性。

本文結合上海地鐵14號線云山路站—藍天路站區間盾構近距離下穿運營地鐵6號線雙圓隧道案例，通過施工控制和現場實測數據分析，給出地鐵盾構施工過程中的關鍵技術參數，并對土壓力和注漿量等參數進行了優化處理。

1 工程概況

圖1 盾構穿越地鐵6號線平面示意

圖2 盾構穿越地鐵6號線剖面示意

穿越疊交處地鐵6號線隧道頂覆土約5.81 m，疊交處地鐵14號線隧道頂覆土約17.06 m，兩者剖面最小距離為5.05 m。地鐵14號線盾構施工穿越區域各土層主要力學參數如表1所示。

表1 土層物理力學參數

壓力系數。

地鐵6號線雙圓隧道與本工程上行線交叉環號自844至861，與下行線交叉環號自846至863。根據需要，設置直接影響段前的100環為試驗段，具體設定環數如表2所示。

表2 穿越影響段、試驗段的定義

需穿越的地鐵6號線已投入運營7年，穿越過程中不允許停運。為減少地鐵14號線穿越運營中地鐵6號線過程中可能造成的沉降，穿越施工時采用分階段施工控制、盾構施工參數優化和全天候變形監測技術等關鍵施工技術，分別控制施工期間的短期地層變形和施工后的長期地層變形。

2 監控量測

為了確保監測數據精準，采用電子水平尺＋人工監測相結合的方式。盾構穿越前，沿著雙圓隧道上、下行線軸線分別布置了電子水平尺測點，同時在試驗段內布設多個監測斷面，對土體位移變化進行監測，如圖3所示。本次試驗采用自主研發的智慧桿實時自動化監控技術，在試驗段設置2類智慧桿，長度分別為15、30 m，其中，15 m類型主要安裝在隧道頂面且與隧道有微小距離的位置；30 m類型主要布置于上、下行線隧道中央。布設的2類智慧桿對土體水平位移、分層沉降等進行自動化實時監測，分析盾構在試驗段內掘進施工對土體的擾動規律。通過監測數據優化、確定施工參數，以指導穿越地鐵6號線的實際施工。

圖3 試驗段智慧桿監測方案

電子水平尺布置于地鐵6號線上、下行線98 m長的隧道上方軸線范圍內，即沿縱向將49把2 m長電水平尺首尾相連，構成總長98 m監測線路。每把電子水平尺作為1個測點，地鐵6號線上行線測點編號為SU08～SU56，下行線測點編號為XU08～XU56；與地鐵14號線隧道下行線正交測點編號為SU28、XU28，與地鐵14號線隧道上行線正交測點編號為SU36、XU36，如圖4所示。電子水平尺采用24 h全天候監測，監測數據傳輸頻率為5 min一次。

圖4 電子水平尺布置與地鐵14號線隧道相對關系

3 實測數據分析

新建隧道埋深約為20 m，處于上海④號、⑤1-1號土層中，屬較為典型的軟土。在盾構下穿過程中，隨著切口位置的變化，雙圓隧道上、下行線所受的擾動呈現非對稱、持續變化的特性，先、后遭遇下穿的雙圓隧道兩側變形規律具有一致性、先后性。

3.1 新建下行線盾構下穿導致的既有雙圓隧道結構變形

新建地鐵14號線下行線盾構穿越既有地鐵6號線雙圓隧道過程中，地鐵6號線隧道變形變化如圖5所示。從圖5中可以看出，地鐵6號線下行線結構累計隆沉±1 mm。其中，盾構推拼至841環前，地鐵6號線結構隆沉在±0.5 mm內，發展平穩，無明顯突變。842環推拼完成后刀盤逐漸靠近重疊區，地鐵6號線結構產生隆起；推拼至846環，累計隆起達到＋1 mm。在847環處，對切口土壓力進行調整，下調0.017 MPa，結構隆起趨勢減小幅度明顯，結構沉降0.5 mm。自846環開始，盾構在地鐵6號線下方掘進，結構持續隆起，呈現一定的指數形式增長；在盾構推進至855環時，累計隆起量達＋2 mm；盾構推拼至855環時，盾尾位于監測斷面下方，隆起量較小，基本保持平穩。855環至863環，盾尾逐漸離開地鐵6號線下行線監測斷面。

圖5 新建地鐵14號線下行線盾構穿越既有地鐵6號線下行線結構變形的全生命周期變化

圖6為新建地鐵14號線下行線盾構下穿既有地鐵6號線上行線時典型測點變形。當盾構機在842環和846環之間，逐漸接觸下行線監測點（XU26～XU30）時，上行線結構隆沉不明顯。圖7為既有地鐵6號線與新建隧道14號線正交上方測點SU28和XU28點位處隆沉曲線。由圖可知，上行線緊隨下行線隆起，至盾構推進至855環后變化趨勢同時趨于平穩，累計隆起量約2 mm，且地鐵6號線上、下行線隆起量基本相同。可知，盾構穿越過程中，能夠維持地鐵6號線良好的整體性和穩定性。

總而言之，時代在不斷發展和進步，報紙行業要想生存和發展，就必須注重編輯工作的創新，強化媒體發展模式的轉型，形成適合大眾的媒體發展模式。在新的發展時期，報紙編輯應直面新媒體時代帶來的各種機遇和挑戰，樹立以受眾為中心的報紙編輯理念，不斷提升自身的核心競爭力，促進報紙行業的健康成長，推動我國傳媒行業的多元化發展。

圖6 新建地鐵14號線下行線盾構下穿既有地鐵6號線上行線時典型測點變形

圖7 測點SU28和XU28點位處隆沉規律

3.2 新建上行線盾構下穿導致的既有雙圓隧道結構變形

新建掘進過程中，盾構施工對周邊建（構）筑物產生的影響區大約呈45°，即兩者的水平距離約等于兩者的垂直距離。根據新建地鐵14號線上行線盾構下穿既有地鐵6號線下行線過程中的結構隆沉監測結果可知，自840環開始至845環，盾構機逐漸進入45°影響區，此時被穿越隧道結構變形呈現隆起趨勢，最終累計隆起量約為1 mm，與下行線基本相同。自845環開始，盾構開始正式穿越，對地鐵6號線下行線結構產生一定隆起。盾構推進至845環至850環時，施工引起的結構累計最大隆起量為1.25 mm，最終整體隆起量約為2 mm，發展穩定。853環至861環之間，盾尾逐漸離開穿越區，地鐵6號線隧道產生約為1 mm的沉降。由監測數據可知，地鐵14號線上行線盾構穿越地鐵6號線雙圓隧道下行線時，累計隆沉控制在±1 mm內，基本做到了微擾動施工。

由新建地鐵14號線上行線盾構下穿既有地鐵6號線上行線過程導致的上行線隆沉監測結果可知，當盾構機在840環與845環之間逐步推進的過程中，既有地鐵6號線的上行線（監測點SU34～SU38）的隆沉不明顯。

圖8為本次穿越對地鐵6號線上行線和下行線影響的對比。以SU36、XU36這2個典型監測點的監測數據為例，盾構機進入45°影響區后，被穿越隧道上、下行線均呈現隆起趨勢，且上行線緊隨下行線隆起。盾構機推進至855環后，監測數據變化趨勢趨于平穩，累計隆起量約1 mm。對比圖7和圖8可以看出，新建隧道上、下行線穿越時，被穿越雙圓隧道的變形規律是相似的：穿越過程中，被穿越雙圓隧道下行線先受影響，上行線緊隨其后，兩者變形規律基本相同，上、下行線結構累計沉降均控制在±1 mm左右，最終實現了安全穿越。

圖8 地鐵14號線上行線下穿地鐵6號線上、下行線結構隆沉對比

4 施工參數優化控制

通過優化包括土倉壓力、推力、出土量、同步注漿壓力、注漿量和注漿開始時間等在內的盾構施工參數，可減小盾構推進對地鐵雙圓隧道的影響。其中，土倉壓力、注漿量的調整是施工參數控制的關鍵所在。

4.1 盾構機土倉壓力與被穿越隧道隆沉的關系規律

盾構推進至距離穿越斷面5環位置時，盾構機主機進入45°影響區，此時在土倉壓力保持不變的情況下，被穿越結構將開始產生附加變形。穿越時，當結構發生有較為明顯的隆起變形時，需對土倉壓力進行微調。

圖9、圖10分別給出了新建地鐵14號線下行線、上行線盾構穿越既有地鐵6號線期間，土倉壓力與結構沉降之間的關系。由圖9可知，下行線盾構土倉壓力自0.140 MPa逐步下調至0.127 MPa，造成被穿越隧道結構的隆起趨勢被打斷，隨后產生了約1 mm的沉降。下行線推進至853環后，盾構機切口基本穿越監測斷面，隧道隆起達到最大。此后，被穿越隧道結構開始沉降，現場采取了逐級增大土倉壓力的措施，調整后的最終土壓力比起始壓力值大0.005 MPa。

圖9 地鐵14號線下行線穿越期間土倉壓力調整與結構沉降關系

圖10 地鐵14號線上行線穿越期間土倉壓力調整與結構沉降關系

同理，由圖10可知，上行線盾構的土層壓力與被穿越隧道結構的隆沉情況類似。穿越前，被穿越隧道結構以隆起為主。將盾構土倉壓力調低后，結構的隆起趨勢被打斷，隨后產生了約1 mm的沉降。盾構機切口基本穿越監測斷面時，隧道隆起達到最大。此后，被穿越隧道結構開始沉降，可通過逐級增大土倉壓力的措施進行控制，調整后的最終土壓力比起始壓力值大0.005 MPa。

本次穿越數據表明，在盾構機穿越節點之前，可以考慮將盾構機土倉壓力下調，下調幅度控制在0.015～0.035 MPa，且宜采取“先緩后急”的方式調整土倉壓力。

4.2 盾尾注漿量的與被穿越隧道隆沉的關系規律

圖11給出了下行線穿越過程中盾尾注漿量與被穿越隧道結構隆之間的關系。可以看出，下行線穿越過程中（典型斷面如XU28斷面），隨著注漿量自3.6 m3調整至3.5 m3，結構隆起變形放緩。被穿越隧道結構隆沉對注漿量的反應較為靈敏，因此在盾尾穿越斷面后，宜將注漿量下調0.1～0.2 m3。

圖11 盾尾注漿量與結構隆沉關系

后續的相關監測數據表明，在盾構完全穿越后，被穿越隧道結構整體呈下沉趨勢，同步注漿對減小工后沉降的作用不明顯。因此，在盾構完成穿越后，可以考慮進行二次注漿。

5 結語

本文結合上海某新建盾構隧道下穿既有地鐵雙圓隧道工程實例，通過實測數據分析，研究施工參數優化對既有隧道變形的影響規律，得到的主要結論如下：

1）實測數據表明，在新建盾構隧道下穿既有雙圓隧道的過程中，既有隧道結構隆沉變形在±2 mm內，符合施工要求。

2）在盾構穿越過程中，施工參數的調整對結構隆沉變形的影響較為明顯，穿越前設定以±1 mm為控制限值是合理的。

3）新建隧道下穿既有雙圓隧道時，既有雙圓隧道具有以下的變形規律：先遭遇下穿的雙圓隧道一側先變形，后遭遇下穿的雙圓隧道一側后變形，且兩側變形規律基本保持一致，兩側變形程度的大小無明顯規律。

4）本工程實測數據分析表明，在新建盾構隧道下穿既有地鐵雙圓隧道過程中，影響既有雙圓隧道結構隆沉的主要施工控制參數為土倉壓力、盾尾注漿量。

本次研究分析了實測變形數據，首次揭示了新建盾構隧道穿越雙圓隧道過程中既有隧道的變形規律，對后續的同類型工程設計、施工具有重要的借鑒意義。

針對新建隧道工程穿越既有雙圓隧道問題，目前仍有較多未探索的領域：如新建隧道穿越雙圓隧道時雙圓隧道自身的收斂變形規律、管片的受力情況，以及未來可能存在的雙圓盾構穿越雙圓盾構問題，均需要深入探索。