上海地铁区间隧道(2)

1、上海地铁区间隧道直径6.34m土压盾构施工(2) 上海申通轨道交通研究咨询有限公司 傅德明 7.3 盾构穿越运营地铁隧道及保护技术7.3.1 地铁2号线盾构穿越1号线运营隧道施工地铁2号线人民公园站河南路站区间隧道施工中，盾构出洞段需穿越营运中的地铁1号线区间隧道。盾构出洞后仅12m距离与地铁1号线隧道呈85°斜交，且1号线隧道底部与2号线隧道顶部间距仅为1m，隧道埋深达20.6m，见图18。图18 盾构穿越地铁1号线示意图  地铁1号线隧道在2号线车站建造过程中已下沉12mm，其累计沉降量不能超过15mm。为此，盾构穿越1号线隧道时沉降必须控制在3mm以内；地铁1号线隧道

2、底部已采用多种方法进行加固，有水泥水玻璃双液浆、聚氨酯浆的分层注浆以及旋喷水泥注浆等。 盾构出洞后即进入加固区，并受邻近商业建筑物以及地铁1号线隧道的影响，增加了施工参数准确设定的难度。盾构的土压力设定为0.23Mpa（Po=k。h。=0.7×0.18×17.5=0.22Mpa）。每环出土量控制在理论值的95%左右，掘进速度控制在1cm/min加注发泡剂或水等润滑剂，减小刀盘所受扭矩，同时降低总推力。加强对地铁1号线的监测，及时优化调整掘进施工的参数，做到信息化动态施工管理。合理控制注浆量，控制地铁1号线隧道以及地面的沉降。沉降控制在3.5mm左右。7.3.2 地

3、铁7号线下穿1号线运营地铁隧道地铁7号线常熟路站肇嘉浜站区间隧道从常熟路站南端头井出洞后18m与地铁一号线隧道呈79°斜交下穿，最小净间距为1.4m。隧道交叠的投影长度上行线约为22米，环号为1432，下行线投影长度约为20米，环号为1329。区间隧道最大纵坡为4，隧道中心最低标高-21.031m，最高标高约为-17.441m，隧道上部覆土厚度17m22m。，见图18 所示。下行线穿越施工后45个月上行线穿越施工。穿越段土层主要由饱和粘性土、粉性土以及砂土组成，主要土层的物理力学指标如表1.3所示。地铁1号线隧道所处的土层主要为淤泥质粘土层、1-1灰色粘土层，本工程隧道所处的土层主要

4、为1-1灰色粘土层，1-2灰色粉质粘土层。 图18 地铁7号线隧道与地铁1号线隧道关系剖面图表8 盾构穿越1号线地铁的土层物理力学性质参数表层序含水量/w %重度 KN/m3孔隙比e直剪固快 压缩系数a0.1-0.2MPa-1压缩模量ES1-2MPa内聚力C/kpa内摩擦角°32.718.30.9720180.464.65145.817.21.261118.50.962.44t35.818.30.950.238.44149.716.81.4111131.112.311-136.517.91.031613.50.563.711-233.218.00.981422.50.414.9642

5、1.319.80.644618.50.256.76 图19、20为7号线上、下行线盾构推进过程中引起的1号线隧道的隆沉变化历时曲线图。从图中可以看出，当盾构离隧道15m至盾尾通过时，隧道呈逐步向上隆起，上下行线最大隆起量分别为+1.39mm和+2.09mm；盾尾脱出后下沉，30天后的沉降值在-1mm内，见图20所示。隆沉量均满足既有隧道结构纵向沉降与隆起±5mm的要求。7#上a) 1号线下行线(9月10日刀口到达，11日盾尾脱出)7#上b) 1号线上行线(9月12号刀口到达，15日盾尾脱出)图20 7号线上行线推进引起1号线的竖向变形曲线 图21 1号线下行线与7号线上、下行线交点变

6、形时程曲线 盾构穿越运营隧道掘进施工采用了信息化施工、降低推进速度、降低设定土压值、隧道壁后多次补压浆的技术措施。推进速度从3.5cm/min降到1.5cm/min2.5cm/min。密闭土舱的设定土压值在穿越隧道中从0.25Mpa逐步下降至0.2Mpa，见图22所示。同步注浆量控制在22.5m³/环，充填率为150%180%见图23所示。推进方向图22 7号线推进过程中土仓压力设定值图23 7号线推进过程中注浆量设定值图24为1号线的长期沉降曲线图。从图中可以看出，7号线穿越施工结束后130天内，既有1号线的竖向变形呈现出波浪形的变化，并未出现一致的隆起或沉降，但既有1号线的最大绝

7、对竖向变形量±1.5mm，相对施工期的最大变形幅度为3.89mm，不影响既有线路的正常运营。结合盾构穿越期间既有线的变形可知，施工期变形大的测点其长期变形量也较大，如1号线上、下行线与7号线下行线交点在施工期和后期的最大竖向变形量分别为+1.38mm、+2.07mm和-1.13mm、-1.6mm。7#上7#下图24 1号线下行线横向长期沉降曲线图8双圆型土压盾构施工2003年，上海地铁8号线开鲁路站嫩江路站翔殷路站黄兴绿地站3区间隧道工程，采用双圆盾构法施工，全长2688m。2004年地铁6号线7区间隧道也采用了双圆盾构法施工。2007年，地铁10号线和2号线东延伸段5区间隧道又采用

8、了双圆盾构法施工。上海地铁工程先后从日本引进4台F6520mm×W11120mm加泥式土压平衡双圆盾构掘进机，已完成隧道掘进15km。8.1 双圆隧道管片制作和结构试验隧道结构采用预制钢筋混凝土管片，错缝拼装。管片纵、环向连接采用球墨铸铁预埋手孔结合短螺栓形式，纵、环向螺栓尺寸为M27。接缝防水均采用遇水膨胀橡胶止水条。每环由圆形管片A（8块）、大海鸥形管片B（1块）、小海鸥形管片C（1块）及柱形管片D（1块）共11块管片构成。管片内径F5700mm，外径F6300mm，环宽1200mm，中心间距4600 mm，见图25所示。DOT隧道管片基本参数：混凝土强度等级C50，抗渗等级P1

9、0，粗骨料粒级525mm,细骨料细度模数f2.33.0，水泥为P.O42.5，粉煤灰为低钙级灰，外加剂为高效减水剂，管片中预埋件为球墨铸铁，材质为FCD500。 管片采用高精度钢模浇筑预制，单块管片成型精度如下：管片外半径公差： 0+2mm 管片内半径公差： ±1mm宽度公差： ±0.5mm 内外弧弦长公差： ±0.5mm螺栓孔直径与孔位相对位置公差： ±1mm对角线公差： 1mm 图25 双圆隧道衬砌结构和管片分块双圆隧道管片均采用短螺栓的拼接形式，与一般隧道管片的最大区别是管片接头部分采用大量的预埋件，管片上设置了球墨铸铁（材质为FCD-500）预埋

10、件（见图5-18），用于管片环与环间和块与块间的连接，这是首次在隧道衬砌中采用的新型连接形式。图27 管片水平拼装 图26 球墨铸铁预埋件 图28 双圆隧道衬砌结构荷载试验 双圆隧道管片试生产后，进行3环试拼装，以检验管片制作的质量，主要测纵缝间隙、环缝间隙、成环后内径和外径的偏差，见图27所示。为掌握双圆隧道衬砌结构受力情况，进行了双圆隧道衬砌结构1:1荷载试验，见图28所示。取得大量结构应力和变形实测数据，并验证了隧道管片的制作质量。8.2 双圆型土压盾构掘进施工2003年8月9日，中国第1台双圆盾构掘进机在黄兴路车站工作井始发推进，结合工程施工，分别进行并完成了盾构进出洞技术、双圆衬砌拼

11、装、盾构轴线控制、施工参数调整优化、地层沉降控制等攻关研究，在国内首先形成一套双圆盾构隧道掘进施工工法。 隧道最大坡度28，最小平曲线R=495m，隧道覆土5.212m。 盾构主要穿越土层：灰色粘质粉土、灰色砂质粉土、灰色淤泥质粘土，隧道工程平剖面图见图29所示。 图29 双圆盾构隧道工程平剖面图双圆盾构采用辐条式刀盘，正面设定土压与盾构切口地层变形关系更直接、反应更灵敏、更迅速。设定土压值0.15Mpa0.25Mpa，大于静止土压0.03 Mpa0.06Mpa，为垂直土压值的0.80.9倍，比面板式刀盘的单圆土压盾构略大。盾构总推力 一般控制在12000kN17000kN之间，小于2台单圆土

12、压盾构的推力。正常掘进时左右刀盘扭矩基本控制在额定扭矩的20%左右。双圆盾构平面、高程控制方法基本与单圆盾构相同，但对管片旋转控制有其特殊技术。主要利用左或右侧盾构千斤顶推力的调整进行纠正。但由于盾构机宽度相对较大，在左右侧千斤顶推力差相同的情况下产生的力矩也更大。为此，盾构平面控制的灵敏度较高，故在工程施工过程中需对盾构平面姿态随时监控并不断调整。高程控制主要利用上下盾构千斤顶推力的调整进行纠正。为防止可能出现的盾构机“磕头”现象，在盾构机下部设置了12个大推力千斤顶。左右圆隧道高程差（即盾构转角）较大时，将导致左右圆盾壳与管片间的间隙出现对角无间隙现象。控制时需对盾构高程和盾构转角两个因素

13、进行综合考虑。隧道衬砌由十一块预制钢筋混凝土管片拼装而成，双圆盾构由于断面较宽，管片拼装需由二台拼装机作业完成。图30 双圆隧道拼装顺序顺序先下部海鸥形管片 二侧标准管片（同步完成，先下后上） 上部海鸥形管片 中间立柱。见图30所示。 双圆盾构尾部的建筑空隙为110mm，比单圆盾构多40mm。2根同步注浆管设在盾构中心顶部和底部，采用双液快凝浆，注浆率为180%-200%； 同步注浆的浆量 上部注70%-80%，下部注20%-30%。双圆隧道的衬砌拼装在初期施工时化费较长时间，熟练掌握后拼装1环在1小时以内，1天的掘进速度可达8m,长840 m的第一条区间隧道掘进施工化了110天。双圆盾构掘进

14、施工和进洞见图31所示。8.3 双圆型土压盾构掘进和地层沉降控制双圆盾构推进对周围土体的影响规律与单圆盾构较为相似，见图31所示。盾构到达前10m至切口到达，推进轴线地表呈上隆，隆起量小于4mm，比单圆盾构小些，说明开口率大的辐条式刀盘对地层的挤压影响小于开口率小的面板式单圆盾构。盾构通过时对地层影响很小，保持在+2mm+4mm范围内。盾尾脱出后的2天内沉降较大，可达15mm，比单圆盾构大些，这是由于盾尾建筑空隙有100mm，比单圆盾构多了30mm，且双圆盾构上部壳体易背土，加大了地层损失，尽管注浆率大于200%。后期固结沉降与单圆隧道相同，时间较长，沉降速率较小。横向地表变形影响区域主要集中

15、在轴线两侧2倍盾构宽度(2W)范围内，见图32所示，与单圆隧道相同。 图31 双圆隧道施工地表沉降历时变化图图32 双圆隧道地表沉降槽变化图地层土压力随盾构的逼近逐步增加，切口到达时达到最大，盾尾通过后缓慢减小，见图33所示。土压力的增量0.03Mpa0.07Mpa，说明盾构施工对周围地层有挤压影响。土体受盾构施工影响发生变形位移，实测土体变形见图34所示。切口前方土体在切口逼近时产生远离盾构方向的水平移动，离盾构位置越近，水平位移越大，切口前方土体在切口逼近时产生隆起或者下沉，盾构上方的土体在盾构壳体上部时隆沉变化不大，盾构通过后产生比较明显的沉降。图33 双圆盾构施工中地层土压力实测历时变

16、化图上海地铁6号线全长33公里，全部位于浦东新区，其中高架线12公里，地下线21公里；其中位于张杨路下的7个区间隧道5.6km采用3台双圆盾构掘进机施工。在民生路站源深体育中心站区间隧道盾构推进184环200环范围内，将穿越一根三孔钢筋混凝土原水管涵。 源深体育中心站世纪大道站区间隧道施工过程中，在张杨路、福山路交叉路口东南角，双圆盾构机将从一民房下方穿过，民房与盾构机的最小净距仅为1.03m。隧道平面曲线为R420m；隧道竖曲线为R5000m。盾构推进主要位于粘质粉土、淤泥质粉质粘土和淤泥质粘土三层土中。该段覆土约5.3m 。 实际推进时施工参数土仓压力取0.9HMPa，推进速度平均为1.2

17、cm/min，同步注浆量为312%左右，同时实施了多次少量的二次补压浆。实际测量楼房的底板沉降最大只有-5mm，隧道轴线处D15测点的最终沉降为-2.133mm，隧道两侧的D13和D17的最终沉降几乎接近零。 8矩形盾构掘进施工8.1 地铁车站过街人行地道1995年8月上海隧道工程公司开展矩形隧道掘进施工技术研究和试验工作，在消化吸收日本矩形盾构技术的基础上，研制1台2.5m×2.5m可变网格式矩形隧道掘进机，并在1996年2月完成了60m工程推进试验。图2.1 2.5m×2.5m可变网格式矩形掘进机及工程试验图2.1 2.5m×2.5m可变网格式矩形掘进机及工程

18、试验 1998年2月，地铁2号线陆家嘴站5号出入口地下人行通道工程需穿越建成运营的延安东路隧道引道和陆家嘴路，长62.25m，经比选，采用了矩形掘进机施工方案。隧道结构采用2m长的钢筋混凝土管节，内净尺寸3m×3m，壁厚400mm，共2条隧道，隧道间净距2.2m，隧道覆土5.3m，见图所示。1999年3月，研制了一台 3.8m×3.8m组合刀盘式土压平衡矩形掘进机（见图2.2）。头部切削机构由圆形大刀盘和正反2把仿形刀组成，螺旋机出土 表 3.8m×3.8m矩形隧道掘进机主要工作参数1断面尺寸3828mm×3828mm2长度3920mm-4920mm3额

19、定推力20000kn4推进速度0-10mm/min5纠偏角度1.8º6刀盘转速0-1.6r/min7刀盘扭矩1011kn·m8螺旋机转速0-15r/min9螺旋机扭矩21.2kn·m10排土量42m³/h11主顶进推力25000kn12主顶进行程1450mm针对矩形隧道掘进机施工中可能出现的机头背土、旋转、轴线不易控制、全断面切削和顶力大等难点，采取了以下技术措施： 利用大刀盘及正反两把仿形刀完成矩形断面的全断面切削； 通过对机头顶部压浆等措施解决矩形掘进机机头背土问题； 利用刀盘的正反转及压浆纠转法解决了矩形掘进机机头旋转问题； 利用纠偏装置和压浆纠偏

20、两种方法对顶进轴线进行纠偏差控制等。图2.2 3.8m×3.8m组合刀盘式土压平衡矩形掘进机1999年4月6月，3.8m×3.8m组合刀盘式土压平衡矩形隧道掘进机在陆家嘴路下5m顺利完成2条54m长的地下人行通道，离延安东路隧道引道底板不到1m。日掘进速度达5m/d，最高达8m/d。在掘进施工中，采取措施防止机头背土，控制了机头旋转，隧道轴线偏差控制在5mm以内，旋转控制在±5º。以后，又陆续完成了上海地铁4号线浦东南路站过街人行地道、昆山市长江南路地下人行通道和上海上中路箱涵排管等多项工程。 36m×4m偏心多轴式刀盘土压平衡矩形隧道掘进机的

21、研制和工程应用2002年11月上海隧道工程公司在消化吸收日本异型盾构技术的基础上，设计制造了一台截面尺寸1.2m×1m马蹄形的偏心多轴刀盘式掘进试验机进行了模拟掘进试验 ，掌握了切削掘进原理及相关技术参数。2003年上海隧道工程股份有限公司针对不同土层的性质和技术参数，进行了偏心多轴刀盘式掘进机的切削性能和相关技术参数的针对性模拟试验，通过模拟试验和设计研究，在原有的矩形隧道掘进应用工程的基础上，研制了一台6m×4m偏心多轴式刀盘土压平衡矩形隧道掘进机（见2.5），该掘进机在宁波市开明街-药行街地下通道和地铁车站过街人行地道等多项工程中得到应用。图3 4m×6m偏

22、心多轴双刀盘式土压平衡矩形隧道掘进机总体图。 表 4m×6m 矩形隧道掘进机主要工作参数4m×6m偏心多轴双刀盘式土压平衡矩形隧道掘进机采用两个单独的刀盘切削土体，并挡住开挖面土体，有效防止正面土体倒坍，刀盘采用两套闭式液压系统进行驱动，由每套为四组的偏心驱动装置分别驱动两个刀盘进行相同或相反方向运转，利用调整螺旋机的转速及顶进速度来控制土仓的土压力，以保持开挖面的稳定。它由主顶进推动机头向前运动。机头分成前后二段，中间由纠偏千斤顶联接，有利于机头的姿态控制，以保证隧道轴线的偏差能控制在设计范围内。图2.4 偏心多轴刀盘式样机 图2.5 6m×4m偏心多轴式刀盘土压平衡矩形掘进机及应用工程 螺旋输送机在土压平衡掘进过程中起着重要作用，其功能是将掘进机土仓内已开挖的土排出，通过调整螺旋机的转速来控制排土量，维持工作面的土压平衡，以防止和尽量减少地面沉降或隆起。螺旋输送机的入口位于盾构土仓隔板的底部，前端槽体为前壳体的一部分，其内壁堆焊耐磨硬质合金，后端用法兰与中段槽体连接，螺杆由空心轴和螺旋叶片组成，螺旋叶片绕制在空心轴上，螺杆上部由三排圆柱滚子组合转盘轴支承，采用液压马达