上海地铁区间隧道6傅德明.docx
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上海地铁区间隧道6傅德明
上海地铁区间隧道直径6.34m土压盾构施工
上海申通轨道交通研究咨询有限公司傅德明
1．工程概况
上海地铁规划22条线路，总长1050km，见图1所示，其中大部分为地下铁道。
已建地铁1、2、3、4、5、6、7、8、9、11号线共10条线，运营长度330km，日客流量达400万人次。
在建10号线和2号线东西延伸段长度约90km，将于2010年4月上海世博会前建成运营，使上海的运营地铁线路达11条约420km，日客流量可达500万人次。
2012年将建成运营500km。
上海地铁区间隧道95%以上采用土压盾构掘进机施工，自1990年地铁1号线工程正式开工以来的19年间，已掘进隧道约达400km，其中，前10年仅施工40km，后9年施工380km。
2008年使用的盾构掘进机多达97台。
2007年掘进隧道80km，2008年掘进隧道140km。
图1上海地铁线路总平面图
上海地铁1号线试验段始建于1980年，于1989年全线开工，全长14.5km，其中18km区间隧道首次采用7台Φ6.34m土压盾构于1990年起陆续掘进施工。
上海地铁1号线于1995年4月建成运营，成为我国第一条采用盾构法施工的地铁线路。
1996年至1999年，上海地铁2号线工程圆隧道部分西起中山公园站，东至龙东路站，双线（上、下行）全长24km，采用10台Φ6.34m土压盾构掘进施工。
2000年至2007年的8年中，上海地铁4、6、8、9号线约140km区间隧道采用40余台盾构掘进施工，并首次应用5台双圆DOT盾构掘进8.2km隧道。
2008年在建的5线2段约260km区间隧道共采用97台盾构同时掘进施工，创世界盾构隧道工程史新纪录。
2．工程地质概况
上海地铁隧道的埋深最浅的为11m（最小覆土5m），最深的达35m（穿越黄浦江底）。
上海市区的地层从地表以下依次为杂填土、粘土、灰色淤泥质粘土、灰色淤泥质粉质粘土、灰色粉质土、粉砂、暗绿色粘土。
盾构穿越的地层大多为淤泥质粘土、淤泥质粉质粘土，也有穿越粉质土、粉砂，见图2所示。
图2上海地层地质剖面图
淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土具有含水量饱和（40％～55％），孔隙比大（1.0～1.4），内力小（1.0kPa～13kPa），内摩擦角小（7º～15º），易塑流等，属高压缩性土。
土的主要指标见表1。
表1上海地铁隧道穿越地层土的主要指标
土层名称
重度
含水量
孔隙比
内摩擦角
标准贯入度
Γ（kN/m3）
W（%）
e
φ（º）
N
灰色淤泥质粉质粘土
17.7
43
1.16
15
2
灰色淤泥质粘土
17.2
51
1.45
8
＜1
灰色淤泥质夹粉砂
18.2
34
1.00
11
3
粉质粘土
18.2
36
1.00
18
20
3．地铁隧道衬砌
地铁隧道衬砌外径为6.2m，内径为5.5m，衬砌为预制钢筋混凝土管片，每环宽度100cm和120cm2种，厚度35cm。
每环由封顶块（F）、邻接块（L1及L2）、标准块（B1及B2）和落底块（D）6块管片拼装而成,见图3所示。
上海地铁管片大部分采用通缝拼装，小部分采用错缝拼装。
两相邻管片的纵向、环向均采用M30螺栓连接，管片设计强度等级为C50，抗渗为S8，接缝防水采用水膨胀性橡胶和氯丁橡胶复合而成的弹性密封垫。
在衬砌接缝构造设计中，考虑到软土地层的特性，便于在环间传递一定的剪力，控制环间踏步，同时方便管片拼装时的定位，在环缝和纵缝上均设计成凹凸榫槽。
管片连接由直螺栓方式逐步发展为更合理的弯螺栓，这样，内弧面开孔更小，管片受力性能更好，见图4所示。
图3上海地铁隧道衬砌结构图
图4衬砌断面和螺栓孔
4．地铁隧道盾构掘进机
4.1Φ6.34m土压盾构
1990年，上海地铁1号线隧道掘进施工首次选用对掘削面影响小、机械化程度高、掘进速度快的ф6.34m土压盾构。
7台ф6.34m土压盾构由法国FCB公司、上海隧道工程股份有限公司、上海市隧道工程设计院、上海沪东造船厂联合体制造,见图5所示，其主要技术性能见表2。
图5ф6.34m土压平衡盾构
表2ф6.34m土压平衡盾构主要工作参数
盾构本体
外径
6350mm
盾尾内径
6540mm
最大推力
3.330×104kN
推进速度
3cm/min
切削刀盘
最大扭矩
4635kN-m
转速
0~0.8r/min
螺旋输送机
螺杆直径
Ф700cm
扭矩
0~15kN-m
排土量
200m3/h
拼装机
回转速度
0~1.5r/min
回转角度
±210°
提升重力
82kN
提升行程
650mm
平移行程
1050mm
1995年以后，上海地铁分别从法国、日本的盾构制造商购置20余台ф6.34m土压盾构掘进机，其主要工作性能参数基本相近。
2004年以来，上海隧道工程公司机械厂制造的“先行号”ф6.34m土压盾构掘进机逐渐在上海地铁区间隧道工程中应用，至今已有30余台投入施工，占上海地铁工程使用盾构的30%以上，见图6所示。
1、壳体2、中心回转接头3、刀盘系统4、推进油缸5、人行闸6、拼装机
7、螺旋机8、盾尾密封9、管片吊运机构10、拼装平台
图6ф6.34m土压平衡盾构主机结构图
表3ф6.34m土压平衡盾构主要工作参数
序号
名称
参数
单位
1
盾构外径（D）
6340
mm
2
盾构主机长（L）
8581
mm
3
灵敏度（L/D）
1.35
4
盾构主机重量（W）
250
t
5
盾构总推力（F）
35200
kN
6
推进速度（V）
3600
mm/h
7
管片拼装机
提升力（F）
197
kN
回转力矩（Tp）
100
kN·m
转速（V）
0.5/1
r/min
回转角度
220
゜
平移行程
1000
mm
8
螺旋输送机
螺杆直径
740
mm
螺杆节距
700
mm
转速
0～16
r/min
输送量
260
m3/h
驱动扭矩
45
kN·m
9
刀盘系统
刀盘转速
0～1
r/min
刀盘扭矩（额定）
4070
kN·m
10
皮带机
310
m3/h
4.26520mm×W11120mm双圆型土压盾构
2003年上海地铁从日本引进DOT双圆盾构隧道技术，购置4台6520mm×W11120mm加泥式土压平衡双圆盾构掘进机。
盾构长12745mm，总推力68600kN。
盾构有2组拼装机和螺旋输送机。
盾构主要构造见图6
1、盾壳2、刀盘3、仿形刀4、可更换土压计5、固定土压计6、观测孔7、人行闸8、球形注射管9、中心刀头10、推进油缸11、管片顶托装置12、真圆保持器13、刀盘驱动14、拼装机15、盾尾密封装置16、1号螺旋机17、2号螺旋机
图6双圆盾构机构造示意
图7在工厂安装调试的双圆盾构机双圆盾构隧道施工
表4双圆盾构主要工作参数
5．盾构安装及始发准备
5.1盾构安装验收及施工设施准备
上海地铁车站之间的区间隧道采用土压盾构施工，盾构始发和接受一般在地铁车站的两端。
区间隧道上下行线一般采用2台盾构并行施工。
盾构安装前先在端头井下安装盾构基座，盾构基座为钢结构预制件，需满足支撑盾构机出洞时的本体重量，并起到一个导向作用，见图8所示。
支座材料采用43Kg/m重型轨道，共布置2根。
盾构基座位置按设计轴线准确放样，安装时按照测量放样的基线，吊入井下就位。
两根轨道中心线与基座上的盾构必须对准洞门中心且与隧道设计轴线反向延长线基本一致，并在基座四周加设支撑保证整体稳定。
图8盾构基座示意图
盾构吊装一般采用大吊车将盾构后车架依次吊入井下并移至地铁车站站台层，盾构本体分块吊入井下，在盾构基座上正确就位、组装，最后由专业技术人员进行系统调试和井下验收。
在最后一环负环和井壁结构之间加设钢后靠，钢后靠与负环管片之间的间隙灌注水泥砂浆（或混凝土），使混凝土管片受力均匀，环面平整，见图9所示。
为保证管片脱出盾尾后不产生变形，在管片外弧面加设支撑，予以固定。
第一环闭口环与钢后靠之间采用4根Φ609钢管传递轴向力。
图9盾构尾部钢后靠
考虑到区间隧道上下行线2台盾构同时施工，一般在井口处布置一台32T行车用于上、下行线推进时的垂直运输；另外布置一台5T行车，用于场内管片吊运，在5T行车工作范围内布置管片堆场。
在端头井边侧设置集土坑，集土坑容积具备20环的存土量。
场内布置拌浆间，浆液通过送浆管路送至井下浆车内。
井下运输配14T电瓶车5辆，凹平板车10节，送浆平板车船4节，容积10m3土箱8只。
5.2洞圈密封和洞口外土体加固
由于盾构工作井洞圈直径与盾构外径存有一定的间隙，为了防止盾构进出洞施工期间土体从该间隙中流失，在洞圈周围安装帘布橡胶带、环板、铰链板等组成的密封装置，并设置注浆孔，作为洞口防水堵漏的预防措施。
为确保区间隧道施工过程中盾尾的密封防水效果，在盾构调试结束后，向盾尾钢刷之间涂抹盾尾油脂。
为防止盾构洞门凿除后发生洞口土体塌落，必须对洞口外土体进行加固处理，一般采用深层搅拌进行加固。
加固范围长6m，宽3m，深度为洞圈向下3m，洞圈向上3m。
设计强度要求无侧限抗压强度达到0.5～0.8Mpa。
盾构出洞前对井外地基加固质量进行验收，在洞门上钻5-9个样孔至加固土体检查有否渗漏水。
6Φ6.34m土压盾构掘进施工
6．1盾构始发施工
洞门混凝土凿除后，盾构向前推进，刀盘靠上加固土体并开始旋转刀盘、启动顶在开口环上的推进油缸。
盾构始发穿越加固区时，刀盘切削加固土体，土压力的设定可低于按原状土计算的静止土压值，推进速度慢些（拟小于1cm/min）、推力小些，并注意洞圈密封处有否渗漏水。
当加固土体不能顺利从螺旋输送机出土时，应根据需要在盾构土舱加入发泡剂或润滑泥浆，以改善切削土体朔流性。
盾构姿态严格控制在容许范围内，管片拼装注意环面平整和错台。
盾尾脱出洞圈后，及时做好隧道衬砌环与洞圈的永久密封。
6.2盾构掘进施工参数的设定和调整
盾构穿越加固区后进入原状土，设定土压增大，略大于静止土压值，推进速度逐步提高至3cm/min以上，盾构推力、刀盘转速、螺旋机转速等工作参数应作相应调整，并根据地面隆沉监测数据优化盾构掘进施工参数。
盾构始发100m为盾构掘进施工参数盾构掘进施工参数调整优化的阶段，对推进时的各项技术数据进行采集、统计、分析，摸索地面沉降与施工参数之间的关系，争取在较短时间内掌握盾构机械设备的操作性能，及盾构在本标段地质条件下推进的施工参数设定范围。
。
盾尾脱出始发井后，在盾构推进的同时进行盾尾同步注浆，以充填盾构外径6.34m与隧道外径6.2m之间的空隙。
推进1m的盾尾空隙约为1.4m³。
注浆浆液采用粉煤灰、黄砂、膨潤土为主的单液浆，泵送性好，但收缩性大。
注浆充填率约为150%-200%，可根据地面隆沉量调整确定。
6．3盾构在软土中推进时总推力与埋深关系分析
盾构推力主要承担开挖面的水土压力和盾壳与周围土层的摩阻力。
盾构在同一地层条件下总推进力的大小随埋深增加而增大。
表4是上海地铁几个标段Φ6.34m盾构推进时总推力与埋深的几组数据。
图10是根据该表数据拟合成的线性关系图。
表4 上海地铁几个标段Φ6.34m盾构推进时总推力与埋深关系表
地层埋深（m）
土层名称
推力（kN）
工程名称
9.00
④1灰色淤泥质粘土
6430
4号线线19标
11.00
淤泥质粘土
11000
1号线漕宝路～上体馆
12.00
灰色淤泥质粘土
8000
4号线线19标
13.00
淤泥质粘土
8870
8号线9标
13.00
粘土
11690
8号线9标
14.00
粘土
12560
8号线9标
14.00
④1淤泥质粘土
10780
6号线19标高清路~成山路
14.948
④淤泥质粘土
⑤1-1灰色粘土
13700
2号线西延伸古北路~中山公园
14.948
④淤泥质粉质粘土
14460
8号线9标复兴路~陆家浜路
17.487
⑤1-1灰色粘土
⑤1-2灰色粉质粘土
15510
2号线西延伸古北路~中山公园
图10 上海不同工地盾构总推力与盾构中心埋深关系图
上海地铁隧道穿越的地层主要为淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土，也有粉质粘土、粉砂、粉细砂，深埋隧道会遇到暗绿色粘土。
盾构的设定土舱压力一般略大于盾构中心处的静止土压Po。
其计算方法可采用朗肯土压公式：
Po=γhtg²（45º-½Φ）-Ctg²（45º-½Φ）
式中：
γ为土的容重，h为隧道埋深（地面至盾构中心），Φ为内摩擦角，C为内聚力。
也可采用侧压系数的简易公式：
Po=Koγh
在淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土地层中Ko约为0.7。
在粉质粘土、粉砂、粉细砂0.241地层中
Ko约为0.6-0.7。
6.4土仓压力与埋深的关系
把上海几个工程盾构推进时土仓压力与埋深统计成表5。
把上海不同工程的土仓压力设定与埋深关系绘成图，即图11。
表5上海工程土仓压力取值表
工程名称
土层名称
埋深（m）
土仓压力（MPa）
4号线19标成~滨
④1淤泥质粘土
9.0
0.17
1号线漕宝路～上体馆
淤泥质粘土
11.0
0.17
4号线19标成~滨
灰色淤泥质粘土
12
0.12
6号线高清路~成山路
④1淤泥质粘土
14.00
0.179
6号线高清路~成山路
④1淤泥质粘土
14.38
0.174
4号线19标成~滨
④1淤泥质粘土
14.24
0.20
2号线西延伸古北路~中山公园
④淤泥质粘土
⑤1-1灰色粘土
14.948
0.241
8号线复兴路~陆家浜路
④淤泥质粉质粘土
14.948
0.254
2号线西延伸古北路~中山公园
⑤1-1灰色粘土
⑤1-2灰色粉质粘土
17.487
0.338
图11 上海工程土仓压力与埋深关系图
从上面的图表，可得到结论：
在上海地区，当隧道埋深小于12mm时，土仓压力的设定基本上在0.12~0.20MPa之间；当埋深大于12mm时，土仓压力的设定与埋深成正比。
6．5上海地铁土压平衡盾构掘进时刀盘扭矩统计分析
把上海不同工程不同土层的地铁盾构刀盘扭矩与埋深统计成表6。
从该表可以看出，随着盾构埋深的增加，盾构刀盘的扭矩增大；盾构穿越加固区时刀盘扭矩会有较大幅度的增大。
在目前上海隧道的埋深情况下，刀盘扭矩基本在盾构机额定扭矩范围内。
表6上海地铁工程盾构推进时刀盘扭矩值统计表
工程名称
土层名称
埋深（m）
刀盘扭矩
（tm）
4号线19标成~滨
灰色淤泥质粘土
9.0
177.4
4号线19标加固区
灰色淤泥质粘土
14.24
310.4
6号线高清路~成山路
④1淤泥质粘土
14.38
121.2
2号线古北路~中山公园
④淤泥质粘土
⑤1-1灰色粘土
14.948
109.1
8号线复兴路~陆家浜路
④淤泥质粉质粘土
14.948
128.6
2号线古北路~中山公园
⑤1-1灰色粘土
⑤1-2灰色粉质粘土
17.487
271.9
7盾构穿越建筑物及保护技术
7.1穿越穿越引水箱涵施工技术
地铁2号线在杨高路站～东方路站区间隧道施工中，始发段盾构穿越6.2m加固区后，即穿越上海市自来水供水的上游引水箱涵管道。
该箱涵距端头井壁门约20m，位于隧道上方，与隧道基本正交，箱涵底板距盾构顶部净距仅为2.2m，见图12。
图12盾构穿越上游引水箱涵示意图
盾构到达箱涵前施工,局部暴露箱涵结构、在两侧布设跟踪注浆管，同时布置沉降监测点。
以箱涵上边线为基准，向两侧各布设2排共4排注浆管。
另外，在此两排注浆管外侧各布置一排斜管。
根据地面上的高精度水准测量、连通管和分层沉降监测信息的反馈及时调整土压设定值和出土量，使盾构较匀速地向前掘进以减少对土体的扰动，并在这一段时期的施工中摸索出了掘进速率、出土量、注浆量和地层变形的相互关系。
盾构到达箱涵前1～2环至盾尾全部进入箱涵阶段以设定土压力值和出土量的控制为推进管理重点。
同时严格控制同步注浆量及地面跟踪注浆量。
根据施工的实际结果，盾构在穿越箱涵的整个过程中都保持了较好的姿态。
监测结果表明，箱涵的沉降量控制在+8.5mm以下。
当盾构掘进至33环后，盾尾全部脱离箱涵。
严格控制掘进速度和同步注浆量，使盾尾脱离箱涵时箱涵没有因为建筑间隙未能得到及时充填而发生突然下沉。
7．2盾构穿越中山北路建筑群施工
地铁7号线铜川路站~中山北路站区间隧道长1358m，为穿越既有结构物较为密集的地区，区间隧道在通过华池路和镇坪路时，以半径为400m的曲线穿越浅基础建筑物23栋，建筑物均为5-7层砖混结构，条形基础，基础埋深2.6～3.2m，见图13。
图137号线铜川路站~中山北路站区间隧道穿越建筑群示意图
盾构施工穿越的土层为：
②3-2砂质粉土④淤泥质粘土、⑤1粉质粘土。
盾构穿越土层的物理力学性质如下表7所示。
表77号线铜川路站~中山北路站区间隧道土层物理力学指标
层号
土层名称
含水量W（%）
重度γ（KN/m3）
孔隙比e
直剪固快峰值强度
压缩
模量
（MPa）
内聚力C（kPa）
内摩擦角φ（0）
②1
粉质粘土
31.4
18.5
0.89
16.0
23.5
5.92
②3-1
砂质粉土
34.4
18.1
0.95
5.0
29.5
8.39
②3-2
砂质粉土
32.8
18.3
0.92
5.0
31.0
13.26
③
淤泥质粉质粘土
39.3
17.6
1.11
11.0
23.0
3.76
④
淤泥质粘土
49.5
16.7
1.41
14.0
11.5
2.26
⑤1
粉质粘土
36.5
17.8
1.05
14.0
16.0
3.81
⑥
粉质粘土
24.7
19.5
0.71
43
16.5
7.02
7.2.1盾构推进施工对建筑物的影响分析
2007年11月12日~2007年11月30日，对上行线605环~705环之间所穿越的建筑物实际沉降和盾构施工参数如下：
（1）整个穿越过程中土仓压力控制在3bar左右,，在建筑物下方时增加为3.15bar。
在推进和停机过程中保持土压基本平衡，避免出现过大的波动；
（2）盾构掘进速度控制在3cm/min左右，且穿越过程中保持匀速掘进；
（3）每环同步注浆量在3.8m3左右，浆夜注入率约200%；
（4）在推进过程中保持盾构机的姿态平稳，严禁姿态起伏过大，尽量避免蛇行超挖。
通过以上措施，盾构较为顺利的穿越本段建筑群，下面结合建筑物监测数据对其分析，图14为穿越施工时建筑物监测点位平面布置图。
J1
J3
J2
推进方向
图14监测点位平面布置图
盾构推进施工引起6层住宅建筑物各测点（位于628环-634环上方）的隆沉变化如图15~图1.7所示。
当施工610环时，盾构切口进入建筑物下，测点向上隆起，切口到达测点240和241前后隆起量达+4mm，这是由于盾构掘进引起的土体挤压影响造成的。
盾尾通过时（630环），测点明显下沉至-1mm，这是由于盾尾同步注浆还不能及时和足量充填盾尾建筑空隙造成的。
盾构通过建筑物后（630环-660环）的30环掘进施工时加强了壁后双液注浆，使测点隆沉保持在+1—+2mm。
停止壁后注浆后，测点发生微量沉降。
从图中可以看出，本穿越段盾构穿越施工对建筑物产生的影响在允许范围以内，不均匀沉降小于2mm，6层住宅楼未发生沉降裂缝和门窗变形，穿越施工相当成功。
图15JZ1建筑物各测点沉降变化趋势
建筑物
图16盾构推进引起JZ1各测点的差异沉降图
（2）建筑物的长期沉降
图17为盾构穿越施工引起既有建筑物的长期沉降历时曲线图。
从图中可以看出，盾构到达前15m至0m，测点呈上隆趋势，切口到达时隆起量达4mm；盾构通过时至盾尾脱出后10天内，因同步注浆和璧后注浆效果明显，测点变化稳定在+3mm—+4mm范围；盾尾脱出后10天—110天的100天内，后续补浆频率减缓，测点缓慢沉降了8mm，沉降速率约为0.08mm/d；盾尾脱出后110天—160天的50天内，后续补浆停止后，测点沉降了12mm，沉降速率约为0.24mm/d。
说明多次补浆对控制建筑物的长期沉降具有明显效果。
盾构
t（d）
m
图17测点264的长期沉降曲线图
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