上海地铁二号线盾构法隧道施工技术综述

上海地铁二号线盾构法隧道施工技术综述ACOMPREHENSIVENARRATIONONTUNNELLINGCONSTRUCTIONTECHNIQUEBYSHIELDMETHODEMPLOYEDINTHESHANGHAINO.2METROLINE周文波1吴惠明2（1.上海隧道工程股份有限公司，上海200032；2.上海隧道工程股份有限公司，上海200032）摘要：本文以上海地铁二号线工程为背景，介绍了盾构穿越地面密集建筑物及特殊地下管线等特殊技术措施，并针对隧道叠交工况提出了地面隆起变形计算公式，给出了隧道叠交穿越时地层移动的数学模型。关键词：地铁盾构建筑物隧道叠交数学模型作者简介：周文波，男，1962年生，上海大学工学硕士，现任上海隧道工程股份有限公司副总经理；吴惠明，男，1970年生，上海大学工学学士，现任上海隧道工程股份有限公司盾构工程分公司副主任工程师。ZhouWen-bo1&WuHui-ming2（1.ShanghaitunnelengineeringCo.,LTD.Shanghai200032；2.ShanghaitunnelengineeringCo.,LTD.Shanghai200032）1概述1.1工程概况上海地铁二号线工程圆隧道部分西起中山公园站，东止龙东路站，双线（上、下行）全长24.122km，共设12座车站。全线横贯长宁、静安、黄浦及浦东新区，除浦东东方路以南大都为农田外，其余各段所处的市政环境为地面交通繁忙、建筑物密集及地下管线错综复杂。尤其是浦西段区间隧道基本在素有“中华第一街”之称的南京路地下穿越，施工难度很大。地铁二号线的建成，将与地铁一号线及正在建设的明珠一号线构成上海地上及地下相结合的“申”字型高速有轨交通系统。（详见图1）图1地铁二号线总平面图地铁二号线各区间隧道均采用盾构法施工，其中静安寺~石门一路区间段隧道采用上海隧道工程股份有限公司设计、制造的F6340mm加泥式土压平衡盾构；陆家嘴~河南路区间段隧道采用中法联合制造的F6340mm土压平衡盾构；其余各段均采用原地铁一号线使用过并经维修保养的法国FCB公司制造的F6340mm土压平衡盾构。地铁区间隧道包括上行线和下行线各一条，隧道衬砌外径为F6200mm，内径为F5500mm,衬砌为预制钢筋混凝土管片，每环宽度1000mm，每环由封顶块(F)、邻接块(L1及L2)、标准块(B1及B2)和落底块(D)6块管片拼装而成。除杨高路站~东方路站区间隧道外，两相邻管片的纵向、环向均采用M30螺栓连接，管片设计强度等级为C50，抗渗为S8，接缝防水采用水膨胀性橡胶和氯丁橡胶复合而成的弹性密封垫。1.2工程地质地铁二号线区间隧道，沿线主要穿越的地层有：‚2灰色砂质粉土层，易发生流砂；l灰色淤泥质粉质粘土层，饱和、流塑，属高压缩性土；m灰色淤泥质粘土层，饱和、流塑~软塑、夹少量薄层粉砂，属高压缩性土；n1－1灰色粘土层，很湿、软塑~可塑、受扰动后沉降大，属高偏中压缩性土；n1－2灰色粉质粘土层，很湿、软塑、受扰动后沉降大、局部夹薄层粉砂，属中压缩性土。其中陆家嘴路站~河南路站区间隧道江中段的土层物理力学性能指标详见表1。表1陆家嘴路站~河南路站区间隧道江中段土层物理力学性能指标层号数值类别含水量W天然孔隙比e压缩系数a1-a压缩模量E1-a渗透系数无侧限抗压强度qu十字板剪切强度Su静三轴内聚力Cu静止侧压力系数KvKh%MPa－1MPacm/scm/skPakPakPa‚2灰色砂质粉土最大37.81.0710.388.822.49E-41.50E-466.0平均34.50.9840.286.93～～50.449.40.44最小30.50.8810.224.996.40E-54.78E-541.6l灰色淤泥质粉质粘土最大43.31.2120.763.7262.742.60.51平均40.51.1360.633.3143.031.623.00.47最小36.81.0300.542.9728.720.50.42m灰色淤泥质粘土最大58.91.5931.413.311.28E-71.86E-772.134.532.00.58平均50.81.4081.072.23～～46.629.330.00.56最小45.11.2330.671.653.00E-74.20E-733.025.926.00.48n1－1灰色粘土最大43.51.2670.754.5380.048.053.0平均38.61.1100.613.3767.042.040.00.54最小340.9880.442.7639.636.031.0n1－2灰色粉质粘土最大39.51.1710.746.451.37E-62.90E-697.076.00.56平均33.40.9930.454.53～～80.758.00.54最小28.60.8870.283.273.14E-71.30E-743.940.00.521.3施工技术难点地铁二号线区间隧道盾构施工中需穿越很多的密集型地面建筑物、地面交通干道及特殊地下管线，故对环境的保护要求相当高，简述如下：（1）陆家嘴站~河南路站区间隧道中，盾构与外滩观光隧道同期施工；（2）人民公园站~河南路站区间隧道中，盾构穿越营运中的地铁一号线；（3）杨高路站~东方路站区间隧道中，盾构穿越上游引水箱涵；（4）静安寺站~石门一路站区间隧道中，盾构穿越名城广场地下室；（5）陆家嘴路站~河南路站区间隧道中，盾构穿越全断面粉砂层；1.4科研项目开发及推广应用（1）隧道叠交施工的相互影响理论及施工工艺研究；（陆家嘴路站~河南路站区间隧道）（2）盾构法隧道施工专家系统的推广应用。（杨高路站~东方路站、静安寺站~江苏路站、人民公园站~河南路站、陆家嘴站~河南路站等区间隧道）针对上述区间隧道施工中所遇到的有关技术难点，采取了相应技术措施，具体如下。2短期隧道叠交施工技术2.1简况陆家嘴~河南路区间隧道施工中，在浦西防汛墙底下地铁二号线与外滩观光隧道成51°21’斜交，上、下行线隧道顶部与其净距分别为1.57m及2.18m（详见图2），形成三条隧道叠交穿越工况。施工先后顺序为地铁二号线上行线、地铁二号线下行线、外滩观光隧道。图2地铁二号线与外滩观光隧道位置示意图外滩观光隧道工程东起东方明珠电视塔西侧的浦东出入口竖井,西至南京路外滩（陈毅塑像北侧）绿化带内的浦西出入口竖井，全长646.70m。隧道外径F7.48m，内径F6.76m，采用φ7650mm铰接式土压平衡盾构施工。地铁二号线隧道与外滩观光隧道施工时间间隔仅三个月左右，隧道尚处于非稳定状态。由于土体的不稳定，必将产生相互影响，这是盾构施工需要研究的新课题。为此，进行室内模拟实验并建立了数学模型，以指导实际施工。2.2动态隧道叠交室内实验及数据分析2.2.1室内实验2.2.1.1总体设计实验模拟装置根据实际隧道的尺寸及标高，按1:48比例缩小，地铁隧道和观光隧道分别采用f133mm和f159mm的无缝钢管模拟，土槽尺寸为：1400mm´1200mm´820mm（长´宽´高）。微型盾构掘进器配备两台以调速马达为动力的减速器。其中一台驱动丝杠使盾构在土体中推进，另一台带动刀盘切削土体。实验时可调整推进速度、刀盘转速模拟盾构工作状态。2.2.1.2沉降监测点布置（详见图3）图3沉降监测点布置图2.2.2实验分析2.2.21地面沉降⑴横向沉降槽图4观光隧道沉降槽变化图上图是地铁二号线上行行线推进完毕，观光隧道穿越后的实际沉降槽形状，其沉降槽是前两条隧道所产生的沉降矢量叠加所致。由于土体本身所具“骨架”效应，前二条隧道施工所引起的隆沉会对当前隧道施工起到互补作用，其显示出沉降槽的不对称性。⑵纵向沉降槽图5观光隧道掘进时的纵向沉降槽曲线图和单条隧道相似，随着盾构的掘进，地面沉降的最大变化点不断向前推移。曲线的形态也逐渐趋于稳定。这说明隧道叠交的掘进所引起的土体扰动，对沉降曲线的形态和性质影响不大。2.2.22土体压力图6观光隧道穿越叠交点时地铁二号线上行线隧道压力变化图当隧道穿越叠交点时，原来隧道的压力会显著降低，然后逐步恢复，但压力无法达到原先的压力值。2.3叠交隧道地层移动的数学模型2.3.1派克公式横向分布的地面沉降公式（1）式中为隧道单位长度地层损失量，沉降槽宽度系数由克洛夫—斯密特公式确定，其中：—隧道半径，—地面至隧道中心距离2.3.2隧道“反弹”公式图7隧道“反弹”变形将隧道简化成弹性介质中的半无限长梁。设隧道原处在稳定的平衡状态，故“反弹”运动时只需考虑失去的土重（提升力）、弹性抗力和惯性力的作用。由此建立隧道运动微分方程和定解条件，求得隧道“反弹”公式如下：（2）上式中，时取“+”号，时取“－”号。—隧道运动方程的本征值，由现场测试分析取得（1/s）（1/m）—下方隧道半径（m）—隧道上方掘去的土重（kN）—土的重度（kN/m3）—叠交段上方隧道被掘去的土的体积（m3）—下方隧道的抗弯刚度（kN/m2）—单位体积隧道重量（kN/m3）—隧道横截面面积（m2）—重力加速度（m/s2）—土抗力系数（kN/m3）—时间（天）可见，随着和的增加而迅速衰减，。可见，随着和的增加而迅速衰减，。根据上述公式和实际情况，算得地铁二号线下行线（与观光隧道叠交处）的反弹曲线如图8，最大值3.8mm。图8地铁二号线下行线（与观光隧道叠交处）的反弹曲线2.3.3地面隆起变形公式设地层为半无限大弹性体，且变形时体积不变。于是，根据弹性力学基本方程和隧道“反弹”变形公式，可得到如下地面隆起变形公式（3）—隧道“反弹”变形（m）—土层泊松比—隧道轴线到地面的高度（m）—地面上一点到隧道纵向对称面的距离（m）2.4整体数学模型坐标旋转变换公式（4）坐标平移变换公式（5）把式4和式5分别代入式1、式2及式3，将得到各盾构隧道引起的地面沉降（1，2，3）和隆起（1，2）。于是，盾构叠交隧道地层移动的公式为：（6）向上为正，反之为负。将地层中的某点（，，）或某直线（，，为直线的方向数；，，为某已知点的坐标）代入上式可求得该点或该直线上的位移。2.3.4数值结果根据上述公式可计算地层移动。主要参数取值如下：土比重=16.9KN/m3，土抗力系数（算术平均）K=7350KN/m3，泊松比μ=0.35；混凝土比重ρ=24.5KN/m3，弹性模量EC=3.5×107KN/m2；地铁隧道盾构外径6.34m，观光隧道盾构外径7.65m，内外径之比等于0.87，各隧道轴线到地面的高度根据实际情况而变；最终的土体损失率取0.15%；隧道运动方程的本征值（由现场测试分析取得）1/s。经过计算处理得到：由地铁二号线和观光隧道引起的地层最大移动为下沉4.4mm；2.4主要施工技术2.4.1一般施工技术2.4.1.1严格控制盾构正面土压力观光隧道盾构开口率为63％（地铁盾构为35％）。因此，在设定土压力时接近主动土压力，并通过地面测量的及时反馈来调整土压力。2.4.1.2严格控制盾构姿态合理控制盾构在穿越阶段掘进时的纠偏量，减少纠偏对土体的扰动，禁止超、欠挖。2.4.2辅助施工技术2.4.2.1地基加固在整个施工过程中，对二号线上下行线底部进行加固，使其能够承受观光隧道盾构进入时的压力及盾构向下的侧向分力对上下行线的影响，2.4.2.2盾尾注浆盾构穿越过程中及时注浆并加固脱出盾尾4环后的管片上部，通过注浆使其固结，从而克服观光隧道上浮而引起的地铁隧道上部负载不够造成的地铁隧道上浮。当观光隧道上部有一定的承受力后，利用注浆加固以克服地铁隧道的上浮情况，使其受扰动的土体得到改良以增加承载力。2.4.2.3外滩观光台、地铁二号线的沉降监测根据外滩观光平台的实际情况，分别布置沉降监测点（详见图9）。图9外滩观光平台沉降监测点布置图盾构施工过程中，依据沉降监测数据，及时优化调整各类施工参数，最终将观光平台沉降控制在30mm以内。（如图10）图10观光平台沉降曲线图地铁二号线的沉降量量控制在3mm以内。（如图11）图11地铁二号线沉降曲线图2.5科研项目的应用效果此区间隧道施工过程中，结合实际开