庄子帆
（上海市城市建设设计研究总院，上海，200125）
【摘 要】上海是国内最早采用盾构法施工地铁隧道的城市，由于网络规划的需要和城市地下空间的限制，不乏出现近距离交叠隧道盾构法施工的案例。上海市轨道交通9号线盾构在衡山路天平路附近上穿运营中的地铁1号线。两线隧道之间的最小垂直净距仅约1.1m，而9号线隧道覆土厚度约只有4.3m。9号线穿越施工一方面必须严格控制地面隆沉，另一方面还必须控制运营中的1号线隧道的上浮和变形情况。对该穿越工况提出了相应的技术措施，并进行了仿真分析。
【关键词】城市轨道交通；盾构掘进；穿越施工；浅覆土
一、工程概况
上海市轨道交通9号线上、下行线盾构推进至衡山路天平路附近时，须穿越运营中的地铁1号线，两线隧道之间的平面夹角约45°。具体情况为：上行线盾构上穿1号线隧道，净距1.1m，如图1；下行线盾构上穿1号线隧道，净距1.2m。盾构穿越时覆土深度约4.3m，为浅覆土上部穿越运营中的地铁1号线隧道。
图1 9号线隧道与1号线隧道相对位置
由于本工程在徐家汇站周围一定距离内推进施工都属于浅覆土盾构推进施工，而该地区正处于徐家汇周围的闹市区，对地面变形的要求相对较高。因此，对于地面沉降控制是本工程的难点。穿越施工对于地面沉降的控制难度非常高，同时还必须控制运营中的1号线隧道的上浮和变形情况。因此，穿越施工是本工程的另一大难点。
二、穿越施工的技术措施
在浅覆土区施工，严格控制盾构的设定平衡压力、注浆量、注浆压力、出土量等参数，控制好盾构的姿态，减少对土体的扰动，防止土体发生剪切破坏。在轨道交通9号线穿越1号线施工过程中提出采用以下技术措施：
（1）路面压重措施
1号线上行线隧道位于衡山路快车道下方，下行线位于衡山路北侧人行道及路旁房屋下方。在衡山路穿越处快车道采用钢板铺于路面上压重，钢板厚度10cm，放坡脚。人行道上覆盖20cm厚钢板。钢板覆盖范围：沿1号线纵向宽度为9号线隧道边线以外3m范围。
（2）隧道内压重
对1号线上行线隧道东侧30环至下行线西侧10环共65环范围内的9号线隧道内用钢轨压重。压重作业与盾构掘进施工同步。对压重范围内的9号线隧道管片采用14＃槽钢进行纵向拉紧。槽钢通过特殊连接件固定在管片拼装夹持孔上，断面内共计6道，拉紧施工范围与隧道压重范围一致。
（3）严格控制盾构正面土压力、盾构推进速度和出土量
施工过程中，由于盾构前方土体可能不均匀，因此在盾构推进过程中，根据地面监测及地铁1号线内变形监测信息的反馈，进行土压力的设定与调整。
盾构推进速度不宜过快，推进过程速度保持稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越地铁1号线，减少盾构推进对前方土体造成的扰动。
在盾构穿越1号线过程中，应将出土量控制在理论值的98％左右，保证盾构切口上方土体能有微量的隆起，抵消一部分土体的后期沉降量。
（4）同步注浆与二次壁后注浆
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。二次注浆与同步注浆间隔一定距离，并保持同步性，以便进一步填补土体内间隙，控制地面后期沉降。
同时，通过注浆使在1号线管片上半部和9号线管片周围形成环箍，以便能有效地防止1号线和9号线隧道的上浮。
为了防止盾构穿越地铁1号线过程中盾构机背部产生地面沉降，在盾构机壳体背部顶部开3个孔，安装球阀，在盾构穿越过程中根据地面变形的实际情况，利用安装的球阀并配合盾构机壳体上原有的注浆球阀，进行双液浆压注，来减少盾构机背部的沉降量。
（5）管片拼装
在盾构进行管片拼装的状态下，由于千斤顶的收缩，必然会引起盾构机的后退，因此在盾构推进结束之后不要立即拼装，等待2～3分钟之后，到周围土体与盾构机固结在一起后再进行千斤顶的回缩，在拼装管片时进行分部拼装，拼装前收缩需拼装块管片位置的千斤顶，以满足管片拼装即可，尽量减少回缩千斤顶的数量。在管片拼装过程中，应当安排最熟练的拼装工进行拼装，减少拼装的时间，缩短盾构停顿的时间，减少土体沉降。拼装结束之后，应当尽可能快地恢复推进，减少上方土体的沉降。
（6）盾构纠偏
盾构进行平面或高程纠偏的过程中，必然会增加建筑空隙，因此在盾构进入地铁1号线影响范围内之前，盾构姿态应当尽可能地保持良好，并且保持良好的姿态直到穿越结束。在穿越过程中，尽可能地保证盾构匀速通过，减少盾构纠偏量和纠偏次数。
（7）信息化施工
穿越过程中根据实际需要可以进行24小时不间断的跟踪监测，指导盾构施工参数的设定，然后通过地面变形量的监测进行效果的检验，从而反复循环、验证、完善，保证施工过程中1号线的安全。
三、穿越施工的数值模拟分析
3.1 计算模型
利用ANSYS有限元软件对该穿越施工过程进行了三维数值模拟。选用Drucker-Prager弹塑性材料模拟土层特性。钢筋混凝土（C55）管片衬砌按弹性材料模拟，弹性模量取35.5GPa，泊松比取0.2。轨道交通9号线在与1号线交汇处其上、下行线间距约90m，计算中基本可以忽略上、下行线之间的相互影响。
有限元计算模型如图2所示。轨道交通9号线隧道的横断面位于xy平面内，9号线隧道的纵轴平行于坐标z轴。模型x方向计算尺寸为200m，y方向计算尺寸为72m，z方向计算尺寸为106m。模型前后边界（垂直于z轴）节点z方向位移约束，左右边界（垂直于x轴）节点x方向位移约束，下边界（垂直于y轴）节点y方向位移约束，上边界自由并作用有20kPa的地面超载。分析中对二者交叉重叠部分网格进行了加密，以提高计算精度。
表1 土层计算参数
图2 有限元计算模型
表3给出了未采取压重措施情况下，9号线隧道穿越施工对1号线的影响。工况6代表9号线隧道完全贯通的情况，其地面变形如图3。可见，由于9号线隧道施工造成的1号线隧道变形过大。为此，采取以下工程措施：1）在1号线隧道内压重1 t/m；2）9号线隧道内压重0.6 t/m；3）地面压重4.07 t/m2。
图3 工况6时的地表变形
表3 计算结果汇总
图4所示为采取上述措施后9号线隧道穿越施工对1号线的影响。可见，由于9号线隧道开挖导致1号线隧道上方卸载，引起1号线隧道管片产生上浮变形。变形量随9号线隧道开挖面与1号线隧道的相对位置不同而变化。工况1中， 1号线隧道管片发生了1.3mm的最大变形。工况2中，东线隧道管片变形达到2.6mm，相比工况1增加了一倍。工况3中，东线隧道管片变形仍有较大增长，最大变形达到3.4mm。工况4中，东线隧道管片变形达到3.8mm，较工况3只略有增长，而此时西线隧道管片变形有较显著增长，增量约1mm。工况5、6表示9号线隧道已基本完成穿越施工，1号线西线隧道管片变形逐渐增大，最终与东线隧道管片变形基本相当，最大值为4.3mm。
工况6
图4 9号线隧道施工引起的1号线隧道管片变形
四、小结
针对9号线隧道浅覆土上穿运营地铁1号线隧道工况，提出了一系列的技术措施以确保9号线隧道顺利穿越。这些技术措施包括：设置地面压重及隧道内压重，严格控制盾构的设定平衡压力、注浆量、注浆压力、出土量等参数，进行同步注浆和二次注浆，实施信息化施工等。通过三维数值仿真得知，采取措施后，9号线隧道上穿1号线时引起的地表隆沉及1号线隧道的上浮变形在工程允许范围内。
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论文作者:庄子帆
论文发表刊物:《工程建设标准化》2016年5月总第210期
论文发表时间:2016/7/15
标签：盾构论文; 隧道论文; 管片论文; 工况论文; 过程中论文; 地面论文; 注浆论文; 《工程建设标准化》2016年5月总第210期论文;