盾构穿越软土双圆地铁隧道的变形实测分析

曾英俊

上海城建市政工程（集团）有限公司 上海 200065

随着上海城市轨道交通建设的迅猛发展，地铁盾构隧道不可避免地需要穿越既有隧道。盾构施工引起的地表沉降是施工环境保护的一个重要指标，特别是在建筑密集区域建设的城市轨道交通，对地表沉降有更严格的控制标准。盾构隧道引起地表沉降的估算方法包括经验公式法、理论解析解法和数值分析法。继以Peck公式[1]为主的经典经验公式法之后，Park、陈小亮等[2-3]国内外学者通过采用包括有限元分析、人工神经网络以及三维有限差分模型等方法在内的方式，并通过现场实测数据对盾构施工引起的地表沉降指标进行分析和研究，且主要以单圆盾构为主[4-6]。

截至目前，国内外有关双圆盾构施工引起地面沉降及土压力的相关研究较少，且主要集中在中国和日本[7]。日本方面，开展的研究主要偏向施工数据的统计归纳；国内方面，周文波、廖少明等[8-9]针对双圆盾构施工的主要技术难点、计算模型、施工扰动、地层沉降规律开展了一些研究，并得出了一些初步成果。综上所述，双圆隧道现有研究成果多集中于双圆盾构隧道本体结构、双圆盾构施工控制和环境影响方面，在双圆盾构工法引起的地表沉降方面的研究较少。

上海轨道交通6号线（下皆统一称地铁6号线）是我国首条采用双圆盾构工法施工的地铁隧道，为新建盾构穿越双圆盾构隧道的施工造成了很多的不确定性。

本文结合上海地铁14号线云山路站—蓝天路站区间盾构近距离下穿运营地铁6号线双圆隧道案例，通过施工控制和现场实测数据分析，给出地铁盾构施工过程中的关键技术参数，并对土压力和注浆量等参数进行了优化处理。

1 工程概况

图1 盾构穿越地铁6号线平面示意

图2 盾构穿越地铁6号线剖面示意

穿越叠交处地铁6号线隧道顶覆土约5.81 m，叠交处地铁14号线隧道顶覆土约17.06 m，两者剖面最小距离为5.05 m。地铁14号线盾构施工穿越区域各土层主要力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学参数

压力系数。

地铁6号线双圆隧道与本工程上行线交叉环号自844至861，与下行线交叉环号自846至863。根据需要，设置直接影响段前的100环为试验段，具体设定环数如表2所示。

表2 穿越影响段、试验段的定义

需穿越的地铁6号线已投入运营7年，穿越过程中不允许停运。为减少地铁14号线穿越运营中地铁6号线过程中可能造成的沉降，穿越施工时采用分阶段施工控制、盾构施工参数优化和全天候变形监测技术等关键施工技术，分别控制施工期间的短期地层变形和施工后的长期地层变形。

2 监控量测

为了确保监测数据精准，采用电子水平尺＋人工监测相结合的方式。盾构穿越前，沿着双圆隧道上、下行线轴线分别布置了电子水平尺测点，同时在试验段内布设多个监测断面，对土体位移变化进行监测，如图3所示。本次试验采用自主研发的智慧杆实时自动化监控技术，在试验段设置2类智慧杆，长度分别为15、30 m，其中，15 m类型主要安装在隧道顶面且与隧道有微小距离的位置；30 m类型主要布置于上、下行线隧道中央。布设的2类智慧杆对土体水平位移、分层沉降等进行自动化实时监测，分析盾构在试验段内掘进施工对土体的扰动规律。通过监测数据优化、确定施工参数，以指导穿越地铁6号线的实际施工。

图3 试验段智慧杆监测方案

电子水平尺布置于地铁6号线上、下行线98 m长的隧道上方轴线范围内，即沿纵向将49把2 m长电水平尺首尾相连，构成总长98 m监测线路。每把电子水平尺作为1个测点，地铁6号线上行线测点编号为SU08～SU56，下行线测点编号为XU08～XU56；与地铁14号线隧道下行线正交测点编号为SU28、XU28，与地铁14号线隧道上行线正交测点编号为SU36、XU36，如图4所示。电子水平尺采用24 h全天候监测，监测数据传输频率为5 min一次。

图4 电子水平尺布置与地铁14号线隧道相对关系

3 实测数据分析

新建隧道埋深约为20 m，处于上海④号、⑤1-1号土层中，属较为典型的软土。在盾构下穿过程中，随着切口位置的变化，双圆隧道上、下行线所受的扰动呈现非对称、持续变化的特性，先、后遭遇下穿的双圆隧道两侧变形规律具有一致性、先后性。

3.1 新建下行线盾构下穿导致的既有双圆隧道结构变形

新建地铁14号线下行线盾构穿越既有地铁6号线双圆隧道过程中，地铁6号线隧道变形变化如图5所示。从图5中可以看出，地铁6号线下行线结构累计隆沉±1 mm。其中，盾构推拼至841环前，地铁6号线结构隆沉在±0.5 mm内，发展平稳，无明显突变。842环推拼完成后刀盘逐渐靠近重叠区，地铁6号线结构产生隆起；推拼至846环，累计隆起达到＋1 mm。在847环处，对切口土压力进行调整，下调0.017 MPa，结构隆起趋势减小幅度明显，结构沉降0.5 mm。自846环开始，盾构在地铁6号线下方掘进，结构持续隆起，呈现一定的指数形式增长；在盾构推进至855环时，累计隆起量达＋2 mm；盾构推拼至855环时，盾尾位于监测断面下方，隆起量较小，基本保持平稳。855环至863环，盾尾逐渐离开地铁6号线下行线监测断面。

图5 新建地铁14号线下行线盾构穿越既有地铁6号线下行线结构变形的全生命周期变化

图6为新建地铁14号线下行线盾构下穿既有地铁6号线上行线时典型测点变形。当盾构机在842环和846环之间，逐渐接触下行线监测点（XU26～XU30）时，上行线结构隆沉不明显。图7为既有地铁6号线与新建隧道14号线正交上方测点SU28和XU28点位处隆沉曲线。由图可知，上行线紧随下行线隆起，至盾构推进至855环后变化趋势同时趋于平稳，累计隆起量约2 mm，且地铁6号线上、下行线隆起量基本相同。可知，盾构穿越过程中，能够维持地铁6号线良好的整体性和稳定性。

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图6 新建地铁14号线下行线盾构下穿既有地铁6号线上行线时典型测点变形

图7 测点SU28和XU28点位处隆沉规律

3.2 新建上行线盾构下穿导致的既有双圆隧道结构变形

新建掘进过程中，盾构施工对周边建（构）筑物产生的影响区大约呈45°，即两者的水平距离约等于两者的垂直距离。根据新建地铁14号线上行线盾构下穿既有地铁6号线下行线过程中的结构隆沉监测结果可知，自840环开始至845环，盾构机逐渐进入45°影响区，此时被穿越隧道结构变形呈现隆起趋势，最终累计隆起量约为1 mm，与下行线基本相同。自845环开始，盾构开始正式穿越，对地铁6号线下行线结构产生一定隆起。盾构推进至845环至850环时，施工引起的结构累计最大隆起量为1.25 mm，最终整体隆起量约为2 mm，发展稳定。853环至861环之间，盾尾逐渐离开穿越区，地铁6号线隧道产生约为1 mm的沉降。由监测数据可知，地铁14号线上行线盾构穿越地铁6号线双圆隧道下行线时，累计隆沉控制在±1 mm内，基本做到了微扰动施工。

由新建地铁14号线上行线盾构下穿既有地铁6号线上行线过程导致的上行线隆沉监测结果可知，当盾构机在840环与845环之间逐步推进的过程中，既有地铁6号线的上行线（监测点SU34～SU38）的隆沉不明显。

图8为本次穿越对地铁6号线上行线和下行线影响的对比。以SU36、XU36这2个典型监测点的监测数据为例，盾构机进入45°影响区后，被穿越隧道上、下行线均呈现隆起趋势，且上行线紧随下行线隆起。盾构机推进至855环后，监测数据变化趋势趋于平稳，累计隆起量约1 mm。对比图7和图8可以看出，新建隧道上、下行线穿越时，被穿越双圆隧道的变形规律是相似的：穿越过程中，被穿越双圆隧道下行线先受影响，上行线紧随其后，两者变形规律基本相同，上、下行线结构累计沉降均控制在±1 mm左右，最终实现了安全穿越。

图8 地铁14号线上行线下穿地铁6号线上、下行线结构隆沉对比

4 施工参数优化控制

通过优化包括土仓压力、推力、出土量、同步注浆压力、注浆量和注浆开始时间等在内的盾构施工参数，可减小盾构推进对地铁双圆隧道的影响。其中，土仓压力、注浆量的调整是施工参数控制的关键所在。

4.1 盾构机土仓压力与被穿越隧道隆沉的关系规律

盾构推进至距离穿越断面5环位置时，盾构机主机进入45°影响区，此时在土仓压力保持不变的情况下，被穿越结构将开始产生附加变形。穿越时，当结构发生有较为明显的隆起变形时，需对土仓压力进行微调。

图9、图10分别给出了新建地铁14号线下行线、上行线盾构穿越既有地铁6号线期间，土仓压力与结构沉降之间的关系。由图9可知，下行线盾构土仓压力自0.140 MPa逐步下调至0.127 MPa，造成被穿越隧道结构的隆起趋势被打断，随后产生了约1 mm的沉降。下行线推进至853环后，盾构机切口基本穿越监测断面，隧道隆起达到最大。此后，被穿越隧道结构开始沉降，现场采取了逐级增大土仓压力的措施，调整后的最终土压力比起始压力值大0.005 MPa。

图9 地铁14号线下行线穿越期间土仓压力调整与结构沉降关系

图10 地铁14号线上行线穿越期间土仓压力调整与结构沉降关系

同理，由图10可知，上行线盾构的土层压力与被穿越隧道结构的隆沉情况类似。穿越前，被穿越隧道结构以隆起为主。将盾构土仓压力调低后，结构的隆起趋势被打断，随后产生了约1 mm的沉降。盾构机切口基本穿越监测断面时，隧道隆起达到最大。此后，被穿越隧道结构开始沉降，可通过逐级增大土仓压力的措施进行控制，调整后的最终土压力比起始压力值大0.005 MPa。

本次穿越数据表明，在盾构机穿越节点之前，可以考虑将盾构机土仓压力下调，下调幅度控制在0.015～0.035 MPa，且宜采取“先缓后急”的方式调整土仓压力。

4.2 盾尾注浆量的与被穿越隧道隆沉的关系规律

图11给出了下行线穿越过程中盾尾注浆量与被穿越隧道结构隆之间的关系。可以看出，下行线穿越过程中（典型断面如XU28断面），随着注浆量自3.6 m3调整至3.5 m3，结构隆起变形放缓。被穿越隧道结构隆沉对注浆量的反应较为灵敏，因此在盾尾穿越断面后，宜将注浆量下调0.1～0.2 m3。

图11 盾尾注浆量与结构隆沉关系

后续的相关监测数据表明，在盾构完全穿越后，被穿越隧道结构整体呈下沉趋势，同步注浆对减小工后沉降的作用不明显。因此，在盾构完成穿越后，可以考虑进行二次注浆。

5 结语

本文结合上海某新建盾构隧道下穿既有地铁双圆隧道工程实例，通过实测数据分析，研究施工参数优化对既有隧道变形的影响规律，得到的主要结论如下：

1）实测数据表明，在新建盾构隧道下穿既有双圆隧道的过程中，既有隧道结构隆沉变形在±2 mm内，符合施工要求。

2）在盾构穿越过程中，施工参数的调整对结构隆沉变形的影响较为明显，穿越前设定以±1 mm为控制限值是合理的。

3）新建隧道下穿既有双圆隧道时，既有双圆隧道具有以下的变形规律：先遭遇下穿的双圆隧道一侧先变形，后遭遇下穿的双圆隧道一侧后变形，且两侧变形规律基本保持一致，两侧变形程度的大小无明显规律。

4）本工程实测数据分析表明，在新建盾构隧道下穿既有地铁双圆隧道过程中，影响既有双圆隧道结构隆沉的主要施工控制参数为土仓压力、盾尾注浆量。

本次研究分析了实测变形数据，首次揭示了新建盾构隧道穿越双圆隧道过程中既有隧道的变形规律，对后续的同类型工程设计、施工具有重要的借鉴意义。

针对新建隧道工程穿越既有双圆隧道问题，目前仍有较多未探索的领域：如新建隧道穿越双圆隧道时双圆隧道自身的收敛变形规律、管片的受力情况，以及未来可能存在的双圆盾构穿越双圆盾构问题，均需要深入探索。