摘要：以上海世博重点工程西藏南路隧道为背景，采用3dfem数值模拟、现场试验、实时监测等综合研究方法，对大型泥水盾构间距离下穿运营地铁施工过程合理施工参数选择与控制、扰动位移特点及其控制的关键技术与理论进行系统研究。结果显示：土体损失率存在位移控制最佳点，合理选择与调整注浆参数及施工参数可望实现良好的扰动位移控制效果。研究结果直接应用于指导西藏南路隧道施工，确保了工程安全、高效。

1.     绪言

随着城市地下空间的进一步开发，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管线或隧道时，盾构穿越已建隧道的概率越来越大，盾构从下方或上方近距离或超近距离穿越已建隧道的保护问题已不可避免。特别是在上海等滨海相软弱土层的城市中，由于存在诸多不确定地质因素，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法隧道工程中亟待解决的难题之一。本文将紧密结合西藏南路线盾构隧道工程，通过现场试验、原位监测、数值模拟、信息化施工及风险预控等综合方法，研究大型泥水盾构近距离（最小距离2.5m）穿越地铁m8线时施工技术、施工参数的优化以及施工过程的风险预控。从而在确保该工程安全、优质、高效的同时，为今后复杂环境条件下，大型泥水盾构隧道的施工、地面环境的保护提供理论指导和依据。

2.     工程概况及技术难点

西藏南路越江隧道为上海2010年世博会主要的客流疏散通道。设计双向4车道，圆隧道分西线、东线2条，外径为11360mm，圆形隧道衬砌环宽度为1500mm，衬砌厚度为500mm。采用单层衬砌结构，装配式钢筋混凝土通用管片，此通用管片环均匀地分为8块。采用直径11.58m泥水平衡式盾构掘进。隧道施工将近距离穿越运营地铁m8线。m8线地铁隧道设计外径为6200mm，隧道的内径为5500mm,衬砌厚度350mm，环宽1200mm。如图1所示。

图1 西藏南路隧道穿越m8线交汇区平面示意图

隧道近距离穿越地铁m8线时，相互扰动影响复杂、土体位移及结构变形控制要求高、施工技术难度大，其技术风险之高是迄今盾构隧道施工中罕见的：1）西藏南路隧道（f=11.6m）是目前国内最大的泥水平衡盾构隧道，其开挖扰动影响范围大、盾构纠偏等引起的土体损失及施工过程孔隙水耗散相对较大，由此引起的土体位移大从而在穿越m8线时对m8线的位移及其稳定性带来不良影响甚至酿成重大工程事故。2）施工过程近距离斜交穿越已建地铁m8线（最近距离2.5m），其扰动影响区域可能达到150m甚至更大，整个m8线处于隧道施工的施工扰动范围内；加之空间边界条件复杂，扰动应力场、位移场分布极其复杂，迄今无成熟经验和研究成果可供直接应用。3）由于盾构与m8线相距太近，施工过程中盾构切口水压、同步注浆压力及注浆量、施工推进参数等对m8线的影响大，极易引起m8线的隆沉、接缝渗漏水、结构内力变化乃至影响到m8线轨道铺设及以后的运营安全。4）西藏南路隧道南北线分期不同步推进，将造成对m8线及先期推进隧道的二次扰动影响，增加位移预测及安全控制的难度。5）穿越施工过程，m8线列车运行将产生非常复杂的非线性附加动力耦合响应从而加大穿越施工的技术风险。

3.     基于fem的施工方案及参数优化

考虑到西藏南路隧道穿越m8线前所未有的技术难度和施工风险，为了解西藏南路隧道穿越施工过程可能对已建m8线隧道的扰动影响，进一步优化施工方案及施工参数，对交汇区域进行三维数值建模与分析，模拟不同施工方案、施工参数及m8线加固与不加固工况下盾构推进过程应力场、位移场，研究结构位移及稳定性，为穿越方案优化提供参考。

3.1工程特点及合理的fem模型

1）盾构推进施工方式

根据地质资料与两隧道设计标高，西藏南路隧道与m8线关系如表1。

表1 施工隧道与m8线关系

根据设计：隧道分东、西两条线路，均自浦东工作井往浦西工作井同向推进，西线先于东线隧道进行盾构掘进施工，两隧道出洞时间前后间隔45天。西线隧道出洞后约60天，盾构开始穿越m8线下行线隧道，约6天后盾尾离开上行线隧道。东线隧道出洞后约63天，开始穿越m8线下行线隧道，约6天后盾尾离开上行线隧道。

2）力学模型及数值方法概要

穿越区域地层主要是粘土，少部分粘质粉土，各土层厚度、力学性质（变形特性及强度特性）变化较大。如②1、②2土层厚度仅分别为0.79m和0.95m，使得分层模拟在单元划分等有很大难度（确保精度、避免单元畸形等）。

由于西藏南路线双线穿越m8线已建双线隧道，施工过程相互影响范围大。根据经验取水平面内的模型长度及宽度分别为100m和80m,深部方向尺寸60m。以土体损失率0，2.6‰，9.1‰，10.2‰，11.2‰模拟盾构穿越过程不同施工参数对m8线的动态影响以及加固对m8线隧道结构变形和强度的影响等。

3.2 基于fem的施工方案及参数优化

盾构切口水压、壁后注浆压力等施工参数对施工过程土体损失率产生直接影响，从而影响隧道周围土体位移分布乃至对m8线结构位移将产生影响。

这里采用等效弹塑性变形释放荷载方法，建立土体损失率与土体荷载释放比例的关系，采用荷载释放率等效模拟土体损失率对土体位移分布的影响。

11.2‰

10.2‰

9.1‰

2.6‰

图2 不同土体损失率下开挖扰动位移场

假设土体损失率为0（数值计算中，采用不卸载状态下施工管环结构模拟），此时m8线顶、底板均不同程度产生“上浮”，其值达到7.55cm。此结果同样会对m8线产生不良影响。甚至此时的不良影响超过土体沉降产生的影响。因此，土体损失率存在某一“最佳值”。工程中应合理控制盾构切口压力及同步注浆压力，从而控制合理的土体损失率，减少对m8线隧道结构的影响确保m8线隧道处于最佳状态。

    不同土体损失率时，m8线底板（东、西线隧道均施工完成后）竖向位移最大值如图3所示。

土体损失率最佳控制点

容许土体损失率变化范围

土体损失率，‰

图3 m8线底板竖向位移与土体损失率的相关关系

    由图可见：1）在西藏南路线双线开挖完成后，m8线底板竖向位移与土体损失率呈负指数相关关系，可用图中的关系式表达。2）当土体损失率为0时，底板出现“上浮”。3）土体损失率存在最佳控制点，如图所示当土体损失率等于2‰时，底板竖向位移约等于0。4）按现行地铁运营技术管理规范，容许位移绝对值小于等于20mm，可得土体损失率容许变化范围分别为1.2‰～2.9‰。

可见，下穿隧道（西藏南路隧道）开挖工程中适当容许土体损失，使土体释放部分荷载可有效避免隧道“上浮”。这对施工组织设计中隧道的抗浮设计有重要的指导意义。

4.     施工方案可行性及参数优化试验研究

隧道穿越m8线前，在盾构推进到距m8线200m至100m区域内设置试验段，每50m等间隔设置3个测试断面。实时监测深层水平位移、土体分层沉降、孔隙水压，并将周围环境变形的监测结果与盾构推进时的切口压力、推进参数、方向及高程控制、注浆量与时间进行对比，探讨其内在联系。研究盾构施工过程中周围岩土介质变形的全过程。并通过实测与数值模拟结合建立土体位移与各施工参数的相关关系，研究盾构穿越m8线施工方案及施工参数的可行性。测点布置如图4所示。

图4 土体分层位移原位试验测点布置图

    通过原位监测取得各种工况及施工参数条件下试验段深层土体位移原始数据。以注浆压力0.9mpa，注浆量12m3，切口水压0.25mpa工况为例，土体分层沉降及分层水平位移如图5，图6所示。

图5 施工过程分层土体竖向位移变化

图6 施工过程分层土体水平位移

    图5显示：当盾构到达测试断面下方时，各深度土体不同程度地产生上浮，上浮量均小于5mm；盾构穿过测试断面后，各分层土体产生沉降位移且随深度增加沉降量增大；最大沉降值约32mm。从图6可见：深层土体水平位移在隧道轴线标高以上总体随深度增大而增大，最大值位于隧道轴线水平面内，位移值均小于40mm。根据施工组织设计资料m8线底板埋深约为26m，当前施工参数引起的m8线底板沉降将可能超过规范极限值20mm，后续的穿越施工应适当加大注浆量及注浆压力以确保m8线的安全。

5.     m8线正常运营状态下近距离穿越的风险预控

隧道在距浦东岸上约95m处下穿越上海市轨道交通m8线（最小净间距约为2.8m）。由于m8线为运营地铁线，地铁列车的动力荷载将不可避免地产生振动响应，从而产生施工隧道（西藏南路隧道）及m8线自身的附加振动位移，可能对m8线的正常运营及结构安全带来更大风险。因此，本研究充分考虑地铁列车振动荷载特点，采用分步计算方法（采用上海交通大学开发的vsar1.0轨道交通振动与噪声计算软件计算出地铁列车正常运行状态下轮轨作用荷载谱函数，在利用ansys软件系统计算开挖过程区域动态应力场、位移场）模拟了m8线正常运营状态下穿越交汇区域的动态位移场，取得了有参考价值的成果。以盾构到达m8线前10m、盾构处于m8线正下方、盾构穿过m8线后10m三种状态为例，结果分别如图7-图9所示。

m8左线底部取值点

m8右线底部取值点

图7 盾构开挖面到达m8线前10m运营地铁竖向振动特性

m8左线底部取值点

m8右线底部取值点

图8 盾构开挖面到达m8线下方时运营地铁竖向振动特性

m8左线底部取值点

m8右线底部取值点

图9 盾构开挖面穿过m8线10m后运营地铁竖向振动特性

    比较图7、图8和图9可见：随着隧道穿越施工过程，m8线底板竖向振动响应位移幅值增大。盾构开挖面穿过m8线10m后，位移最大值达到50mm，超过规范要求的20mm。根据模拟结果，施工中采用m8线临时停运的穿越方案，确保了施工隧道及已建m8线的安全。

6.     原位监测及信息化施工

考虑到土体物理力学参数的复杂性、计算参数取值与实际土体性质的差异、施工参数对土体扰动位移，施工过程设置深层土体位移及m8线结构位移实时原位监测，反馈指导施工。

6.1 深层土体位移监测结果

6.1.1 穿越区段深层土体位移监测测点布置

    穿越区分层土体位移监测测点布置如图10所示。

图10穿越区分层土体位移监测测点布置如图

6.1.2 分层沉降监测及反馈施工

    以m8线垂直上方监测点为例，竖向位移、水平位分别如图11、图12 所示。

图11 监测点分层土体竖向位移           图12 监测点分层土体水平位移

    从上述图11、图12所示监测结果可见：1）竖向位移随深度增加而增大，深度16.9m；位移达到48mm；2）水平位移最大值达到95mm。施工中根据上述结果及时调整了注浆量、注浆压力等施工参数同时采取二次补注浆，有效控制了分层土体及m8线结构的竖向位移。

6.2  穿越过程m8线位移实时监测及信息化施工

穿越过程通过电子水平尺、切口水压监测装置、注浆压力及注浆量监测装置对同步注浆参数、盾构工作面水压、m8线结构竖向位移等进行实时监测，以便及时反馈指导施工。结果如图13、图14所示。

图13 部分管环施工过程参数监测结果        图14 注浆参数恒定条件下切口水压对沉降影响

以255环~300环为例，监测结果显示：同步注浆压力轻微震荡变化，总体约为1.2mpa，注浆量基本控制在9m³左右。

保持上述注浆参数不变，切口压力增大将导致m8线底板的隆沉。当切口压力0.25~0.30mpa范围内时，m8线底板下沉；当切口水压大于0.30mpa时，m8线底板上浮。当切口压力控制在0.25~0.35mpa范围，竖向位移最大值可控制在2mm范围内。取得了非常好的竖向位移控制效果。

6.3 穿越过程m8线位移的有效控制

    穿越施工过程m8线（上行、下行线）底板最大沉降值监测结果如图15所示。

图15 穿越过程m8线底板最大竖向位移监测结果

    结果显示：盾构切口进入至盾尾脱出沉降急剧增大，位移速率大。盾尾脱出后位移逐渐趋于稳定，最终沉降控制在16mm左右。二次补浆对沉降有较好的补偿与控制作用。总体上取得了良好的沉降控制效果。

7.     结论

综上所述： 1）在西藏南路线双线开挖完成后，m8线底板竖向位移与土体损失率呈负指数相关关系。2）土体损失率存在最佳控制点，当土体损失率等于2‰时，底板竖向位移约等于0。3）按现行地铁运营技术管理规范，容许位移绝对值小于等于20mm，可得土体损失率容许变化范围分别为1.2‰～2.9‰。下穿隧道（西藏南路隧道）开挖工程中适当容许土体损失，使土体释放部分荷载可有效避免隧道“上浮”，这对施工组织设计中隧道的抗浮设计有重要的指导意义。4）注浆参数、切口水压等施工参数对穿越施工扰动位移起着支配作用。采用合理选择施工初步参数、设置原位监测及时反馈指导施工、合理控制施工参数等综合技术措施可望取得良好的扰动位移控制效果。

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