超大直径盾构下穿对运营地铁隧道的变形分析

陈 俊

(上海地铁维护保障有限公司,上海 200070)

随着上海轨道交通网络快速形成，城市地下空间得到进一步开发，同时地下管线、隧道及其它地下建、构筑物的日益密集，当使用盾构工法新建地下隧道时，盾构穿越既有隧道的概率越来越大，对盾构近距离穿越既有隧道的保护问题已不可避免，因此如何确保在穿越施工过程中以及穿越后邻近已建隧道的正常使用成为目前盾构工法隧道工程中亟待解决的难题之一。目前，众多专家学者对既有隧道的变形和保护研究较多[1-8]，但鲜有涉及超大直径穿越既有隧道的影响分析。本文基于北横通道超大直径泥水平衡盾构下穿运营中的轨道交通7号线隧道工程，结合整个穿越施工过程的技术要点与既有地铁隧道的实时监测数据，分析出在超大直径盾构近距离穿越过程中，既有隧道的变形规律。

1 工程概况

1.1 总体概况

北横通道新建工程主线盾构在普陀区新会路、常德路路口，于里程K7+947—K7+983(第1402环—第1420环)，先后下穿轨道交通7号线长寿路站～昌平路站上、下行区间隧道，穿越节点中心距离长寿路车站南端头井17.5 m。

北横通道主线盾构采用泥水平衡盾构，管片外径15 m，盾构外径15.56 m，内径13.7 m，环宽2.0 m，厚度0.65 m。地铁7号线隧道管片外径6.2 m，内径5.5 m，环宽1.2 m，厚度0.35 m。地铁隧道底标高为-19.8 m，北横隧道顶标高为-26.96 m，两层隧道的最小净距为7.16 m北横通道主线与地铁7号线相对位置关系(见图1—2)。

图1 北横通道主线与地铁7号线平面位置关系图

图2 北横通道主线与地铁7号线剖面位置关系图

1.2 地质情况

该节点处地铁7号线的覆土厚度为16.3 m，北横隧道的覆土厚度为29 m。隧道平曲线为直线，竖曲线坡度为2.3%。北横隧道断面(盾构刀盘切割的范围)土层为⑦1草黄—灰色粉砂、⑦2草黄—灰色粉细砂、⑧1-1灰色粘土，北横隧道顶部为⑤1灰色粉质粘土、⑥暗绿色粉质粘土；7号线地铁隧道位于⑤1层中，7号线隧道上方依次为①1填土、②3黄—灰色砂质粉土、④灰色淤泥质粘土层。

2 施工工况

2.1 项目难点

本次北横通道超大直径盾构穿越既有地铁7号线区间隧道的工程项目，主要存在以下几个难点：

(1)北横通道盾构直径达15.56 m，横截面面积大，与所穿越地铁隧道的面积比为6.29，风险极高。

(2)北横通道与轨道交通7号线隧道竖向最小净距仅为7.16 m，施工难度大。

(3)穿越中心靠近7号线车站井接头及附属设施，穿越施工容易对该处地铁结构薄弱位置产生新增病害。

2.2 北横盾构穿越7号线工况

北横盾构采取“连续快速穿越”的策略，充分利用2天双休日(每天7环)快速掘进通过，于2019年6月21日10点—6月24日10点30分，成功穿越运营中的地铁7号线，主要推进参数如表1所示。

表1 盾构推进主要参数

2.3 地铁隧道内自动化监测

为实时监测地铁7号线隧道/车站在穿越期间的结构变形，在7号线168 m的隧道/车站内，上、下行线各布置70支2.4 m长电水平尺，构成总长为168 m的监测段，再辅以人工监测对隧道垂直位移、管径收敛以及水平位移进行监测。电水平尺自动化监测点布置(见图3)。

图3 电水平尺自动化布点图

3 地铁隧道变形影响分析

3.1 盾构穿越过程分析

北横通道盾构切口刚到达轨道交通7号线隧道正投影区域之时，由于盾构开挖断面大，受开挖面前方应力场的影响，7号线上行线隧道沉降已表现出一定的波动(见图4)。

图4 1402环施工期间7号线上行线隧道沉降变化曲线

当盾构推进第1402环时，切口位于第1407环，开始进入7号线上行线正投影区域；当盾构推进第1411环时，切口位于第1416环，切口进入7号线下行线投影区域，此时盾尾位于7号线上行线投影区域；当盾构推进第1413环时，盾尾离开7号线上行线投影区域。当盾构开始推进1421环时，盾尾离开7号线下行线投影区域。穿越期间上、下行线最大上抬、下沉曲线(见图5—6)。

图5 穿越期间7号线上行线隧道最值沉降曲线

图6 穿越期间7号线下行线隧道最值沉降曲线

盾构切口进入7号线上行线后，随着正面泥水压力的变化，上行线表现为下沉，沉降量随着盾体的陆续进入而加大(最大-4.49 mm)，此时下行线隧道随着盾构切口的靠近而逐渐上抬；直至盾体上预留注浆孔(切口后3环位置)到达上行线下方位置且压注克泥效后，沉降方才稳定；待盾尾脱出上行投影，随着同步注浆的影响，上行线开始上抬(最大8.39 mm)。下行线沉降变化趋势基本与上行线一致(最大下沉-3.51 mm，最大上抬7.14 mm)。上、下行隧道最大抬升、下沉位置都在穿越投影区内，影响范围主要在三倍投影区域内。

同时，将盾构推进一环的整个过程分为两个阶段(盾构推进阶段、管片拼装阶段)和三个节点(盾构开始推进、开始管片拼装、结束管片拼装)，7号线上、下行线隧道对应穿越关键节点的沉降变化情况(见图7)。

图7 穿越期间关键节点7号线上、下行线隧道沉降曲线

当盾构切口开始进入7号线正投影区域时，上行线隧道已开始有沉降变化，差异沉降约为1 mm；当盾尾脱出7号线正投影区域时，隧道沉降曲线表现为“火山口状”(图7，北横盾构1421推进数据曲线)。在北横通道盾构穿越整个7号线隧道的过程中，可以发现：(1)穿越过程投影区域隧道侧沉降变化量较为明显，车站侧则无明显沉降变化；(2)结合整个推进、拼装过程，不同节点的沉降曲线，隧道在盾构推进阶段上抬，在管片拼装阶段下沉(下沉量的大小与盾尾注浆位置有关)；(3)上、下行隧道在投影区穿越期间总体呈现先沉后抬的沉降变化；(4)随着盾尾脱开下行隧道投影，距离上行线投影区域越来越远(离开盾构同步注浆范围)，上行线隧道的开始管片拼装和结束管片拼装沉降变化量逐渐减小，两者基本稳定。

3.2 推进前后测点历时沉降对比分析

通过上、下行隧道历时沉降曲线分析(见图8)，可以进一步得出穿越过程中，7号线隧道主要呈现为在每环推进阶段上抬，在拼装阶段下沉。其原因在于盾构推进过程中，千斤顶的推力、泥水向外渗流造成的动水压力以及同步注浆压力三重作用，形成对外挤压；在管片拼装过程中，同步注浆随即停止，泥水系统也停止送、排泥，开挖面稳定性的维持存在不确定性，同时千斤顶分区回缩，部分压力不可避免地得到释放，共同导致隧道下沉。

图8 穿越施工1420、1421、1422环

遇到较长时间盾构停推阶段(1420及1421环)，也会出现隧道略微下沉的现象，说明管片拼装阶段及非正常停推阶段产生了绝大部分的地层损失。

3.3 盾构穿越后分析

当盾构开始推进第1421环时，盾尾已完全离开7号线正投影区域，尽管如此，通过观测、记录盾构后续推进情况及监测数据发现，在盾构推进至1425环之前，对7号线下行线隧道依旧存在一定的影响，即盾尾离开正投影区域5环(10 m)内，且表现为隧道上抬，为控制7号线隧道后期沉降，建议隧道盾构公司适当提高每环同步注浆量(由正常量31.5 m3/环增加至32.7 m3/环)。

至2020年1月13日(穿越后半年)，穿越影响范围内的7号线上、下行区间隧道最大累计变形量为-4.27 mm，小于报警值(±5 mm)(见图9)，且结构状况良好，无明显新增病害。

图9 穿越后半年7号线下行线隧道沉降曲线

在整个盾构穿越过程中，7号线隧道的管径最大累计收敛值为6 mm，其变化幅度小于沉降变化，且收敛变化在穿越结束后很快就得到恢复，说明盾构穿越对7号线隧道产生的管径收敛变形是可恢复的弹性变形。

4 结论

综上所述，结合北横通道超大直径泥水平衡盾构下穿运营轨道交通7号线的施工控制措施和实测数据，研究了盾构近距离穿越施工相互影响的变形过程和规律，可得到以下结论：

(1)在盾构以近90°平面夹角正常穿越及后期观测过程中，上方既有隧道沉降长期变化曲线呈现“火山口状”，主要为先抬后沉的变化规律，且该变形主要集中于三倍正投影区域范围内，且投影区域车站一侧无明显沉降变化；

(2)北横盾构上覆的⑥层暗绿色粉质粘土以及盾构下卧⑧1-1灰色粘土层对盾构穿越施工以及上部的地铁隧道保护是有利的；

(3)在正常穿越推进过程中，上方既有隧道在盾构推进阶段会出现上抬，而在管片拼装阶段则表现为下沉趋势；

(4)停推期间盾构开挖面稳定性的维持存在不确定性，因而地层损失集中在管片拼装阶段，故减少管片拼装以及其它非正常推进时间，提高施工效率，可减少地层损失的发生；

(5)压注克泥效能够有效抑制盾构掘进时引起的地层变形，对下穿施工时既有隧道的沉降变形控制起到了良好的作用；

(6)盾构穿越对上方既有隧道产生的沉降变化大于其收敛变化；

(7)盾尾同步注浆量对既有隧道沉降变化影响较大，应根据实时监测数据调整参数。