土壓平衡盾構(gòu)穿越已建地鐵隧道時(shí)的共和正面土壓力分析

摘 要：隨著地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大以及地下空間利用的條件限制，盾構(gòu)法施工地鐵面臨必須從已建地下構(gòu)筑物(特別是已建地鐵隧道)下方穿越的現(xiàn)狀。如何在盾構(gòu)法施工的同時(shí)保護(hù)好已建的地下構(gòu)筑物，本文通過上海地鐵M 4線在未經(jīng)加固的軟土地層中，用寸：壓平衡盾構(gòu)近距離在運(yùn)營中的地鐵2號(hào)線隧道下穿越并且獲得成功的實(shí)例對(duì)正面土壓力的控制進(jìn)行分析。從而對(duì)今后的類似工程提供參考。
關(guān)鍵詞：土壓平衡盾構(gòu)、正面土壓力、控制

1 工程概況
過去，當(dāng)盾構(gòu)要穿越地鐵隧道時(shí)往往要提出對(duì)穿越區(qū)段的土體進(jìn)行地基加固。但是對(duì)盾構(gòu)機(jī)近距離穿越位于未加固軟土地層的地下構(gòu)筑物和正在運(yùn)營地鐵隧道，仍缺乏理論研究與施工經(jīng)驗(yàn)。
本工程上行線在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)張楊路站調(diào)頭后，向南推進(jìn)1 3 0余米，斜向穿越世紀(jì)大道，從地鐵2號(hào)線區(qū)間隧道下方通過。上行線隧道在穿越區(qū)段的線形為，平曲線R=379.851m，豎曲線R=2995m。隧道交疊的投影長度約為96米(137—217環(huán))，兩隧道間投影交叉點(diǎn)的垂直距離為1.045米和1.375米。與地鐵2號(hào)線隧道軸線交點(diǎn)處的盾構(gòu)中心標(biāo)高為-16.140m和-17.392m，地面標(biāo)高+3.91m。
本區(qū)間采用土壓平衡式盾構(gòu)，盾構(gòu)機(jī)外徑①6340mm，盾構(gòu)機(jī)長8650mm。
本工程穿越區(qū)段的地鐵2#線隧道位于灰色淤泥質(zhì)粘土④層，下穿的M 4線隧道斷面為灰色淤泥質(zhì)粘土④層、灰色粘土⑤1—1層、灰色粉質(zhì)粘土⑤1—2層，詳見表1。
2 正面土壓力的計(jì)算
根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，盾構(gòu)土倉中的壓力須與開挖面的正面土壓力平衡，
以維持開挖面土體的穩(wěn)定，減少對(duì)土層的擾動(dòng)。
一般情況下，由土力學(xué)原理，正面土壓力的理論值：
P0=k0(∑γihi+P′)
其中：K0=1-Sinφ′
φ′——H處土的有效摩擦角
γi——成層土的容重
hi——成層土的厚度
P′——地面超載在H處引起的豎向壓力

考慮到盾構(gòu)近距離穿越地鐵2號(hào)線隧道，盾構(gòu)土壓力與一般條件下的土壓力不同，要計(jì)算由于上方地鐵隧道產(chǎn)生的土壓力損失值ΔP
ΔP=k∑γi hi-2γcD
k——隧道對(duì)盾構(gòu)的投影系數(shù)
γi——隧道范圍內(nèi)成層土的容重
hi——隧道范圍內(nèi)成層土的厚度
γc——鋼筋混凝土的重度
D——隧道管片的厚度
盾構(gòu)機(jī)的土壓力理論設(shè)定值
P=P0-ΔP
本工程計(jì)算的理論土壓力設(shè)定值如圖1所示：

本區(qū)間所采用的土壓平衡式盾構(gòu)，土倉內(nèi)安裝有4只土壓力計(jì)，分別在盾構(gòu)面板上、下、左和右的位置，土壓力設(shè)定以中部土壓力為準(zhǔn)，取左右計(jì)算的平均值。
3 正面土壓力的控制
隨著盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)水平的發(fā)展，盾構(gòu)機(jī)的性能也有了很大的提高。土壓平衡式盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，所采用的自動(dòng)化控制模式，避免了人工操作易產(chǎn)生的誤差，提高了控制的精度，對(duì)上海地區(qū)的均勻軟土地層尤為適用。然而土壓式盾構(gòu)工法常被兩個(gè)問題困擾：一是砂質(zhì)土層時(shí)砂土止水性和流動(dòng)性差的問題；二是粘土層時(shí)粘土對(duì)刀盤、土倉的粘附的問題。其結(jié)果必然導(dǎo)致刀盤壓力不穩(wěn)。施工實(shí)踐顯示，實(shí)際土壓力波動(dòng)值達(dá)到0.1—0.12 MPa。在拼裝管片的過程中，盾構(gòu)機(jī)有微量的后退，前倉土壓力變小。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，拼裝管片前后的土壓力變化值可達(dá)0.1 MPa。
為了盡量改善以上所提到的土壓力波動(dòng)問題，建議采用氣泡盾構(gòu)工法，利用由多種表面活性劑綜合配方而成的發(fā)泡劑，按不同土質(zhì)構(gòu)成進(jìn)行配方稀釋后，在氣泡發(fā)生裝置中利用壓縮空氣將其變?yōu)榭傮w積膨脹數(shù)倍乃至數(shù)十倍的由無數(shù)個(gè)直徑僅為μm的微粒氣泡簇?fù)硇纬傻奶厥饬黧w。這種流體注入進(jìn)盾構(gòu)機(jī)的刀盤和土倉內(nèi)，可使切削土的流動(dòng)性、止水性大大提高，并可防止泥土與盾構(gòu)機(jī)面板、土倉壁的粘附，從而保證了盾構(gòu)在刀盤壓力穩(wěn)定下順利作業(yè)。
在實(shí)際施工中，根據(jù)地鐵2號(hào)線隧道實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，對(duì)盾構(gòu)機(jī)設(shè)定土壓力進(jìn)行微調(diào)，以保證盾構(gòu)上方地鐵2號(hào)線隧道的安全運(yùn)營。
本工程上行線在穿越地鐵2號(hào)線時(shí)土壓力設(shè)定值以面板右側(cè)土壓力計(jì)為依據(jù)，施工期間的部分實(shí)際數(shù)據(jù)如圖2：

根據(jù)上圖表明：實(shí)際土壓力控制與理論土壓力計(jì)算值基本吻合， 因此，上述有關(guān)計(jì)算方法對(duì)施工具有指導(dǎo)作用。
6 結(jié)語
本文以NO．14盾構(gòu)成功穿越地鐵2號(hào)線隧道工程為例，就土壓平衡盾構(gòu)穿越已建地鐵隧道時(shí)的土壓力進(jìn)行了簡單的分析。盾構(gòu)在無加固的情況下，近距離斜向穿越運(yùn)營中地鐵隧道，累計(jì)沉降量最大值僅為+3.3mm，在國內(nèi)創(chuàng)造了一項(xiàng)新的記錄，在國際上也屬罕見。
為了保護(hù)地下構(gòu)筑物，土壓平衡盾構(gòu)施工時(shí)除了科學(xué)控制土壓力外，盾構(gòu)推進(jìn)的軸線控制、同步注漿和二次注漿也都是非常關(guān)鍵的。只有在合理設(shè)定各項(xiàng)參數(shù)的前提下，才能保證盾構(gòu)安全順利的穿越地下構(gòu)筑物。