4上海地铁区间隧道直径6

上海地铁区间隧道直径 6.34m 土压盾构施工 傅德明 上海市土木工程学会 2011.5.21 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。 2 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 6.34m 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 6.34m 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。 3 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(4055)，孔隙比大(1.01.4)， 内力小(1.0kPa13kPa)，内摩擦角小(715)，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 重度 含水量 孔隙比 内摩擦角 标准贯入度土层名称 （ kN/m3) W(%) e ( ) 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。 4 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 4.1 6.34m 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 6.34m 土压盾构。 7 台 6.34m 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。 5 图 5 6.34m 土压平衡盾构 表 2 6.34m 土压平衡盾构主要工作参数 外径 6 350mm 盾尾内径 6540mm 最大推力 3.330104k N盾构本体 推进速度 3cm/min 最大扭矩 4 635k N-m切削刀盘 转速 00.8r/min 螺杆直径 700cm 扭矩 015k N-m螺旋输送机 排土量 200m3/h 回转速度 01.5r/min 回转角度 210 提升重力 82k N 提升行程 650mm 拼装机 平移行程 1 050mm 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 6.34m 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 6 的“先行号”6.34m 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 6 6.34m 土压平衡盾构主机结构图 表 3 6.34m 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 提升力（F） 197 kN 回转力矩（Tp） 100 kNm 转速（V） 0.5/1 r/min 回转角度 220 7 管片拼装机 平移行程 1000 mm 螺杆直径 740 mm 螺杆节距 700 mm 转速 016 r/min 输送量 260 m3/h 8 螺旋输送机 驱动扭矩 45 kNm 9 刀盘转速 01 r/min 7 刀盘系统 刀盘扭矩（额定） 4070 kNm 10 皮带机 310 m3/h 4.2 6520mmW11120mm 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 6520mmW11120mm 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 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 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 8 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 9 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 609 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 0.50.8Mpa。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。 6 6.34m 土压盾构掘进施工 61 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。 10 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 3 cm/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 1.4m。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。 63 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 6.34m 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 6.34m 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 1 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 1淤泥质粘土 10780 6 号线 19 标高清路成山路 14.948 淤泥质粘土 1-1灰色粘土 13700 2 号线西延伸古北路中山公园 14.948 淤泥质粉质粘土 14460 8 号线 9 标复兴路陆家浜路 17.487 1-1灰色粘土 1-2灰色粉质粘土 15510 2 号线西延伸古北路中山公园 11 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=htg（45-）-C tg（45-） 式中： 为土的容重，h 为隧道埋深（地面至盾构中心） ， 为内摩擦角，C 为内 聚力。 也可采用侧压系数的简易公式：Po=Koh 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 1 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 1 淤泥质粘土 14.00 0.179 6 号线高清路成山路 1 淤泥质粘土 14.38 0.174 4 号线 19 标成滨 1 淤泥质粘土 14.24 0.20 y = 107.59x - 304.02 R2 = 0.8265 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 8 10 12 14 16 18 盾 构 中 心 埋 深 (m) 盾构 的总 推力 (t) 图 10 上海不同工地盾构总推力与盾构中心埋深关系图 12 2 号线西延伸古北路中山公园 淤泥质粘土 1-1 灰色粘土 14.948 0.241 8 号线复兴路陆家浜路 淤泥质粉质粘土 14.948 0.254 2 号线西延伸古北路中山公园 1-1 灰色粘土 1-2 灰色粉质粘土 17.487 0.338 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 0.120.20MPa 之间；当埋深大于 12mm 时，土仓压力的设定与埋深成 正比。 65 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 1 淤泥质粘土 14.38 121.2 2 号线古北路 中山公园 淤泥质粘土 1-1 灰色粘土 14.948 109.1 8 号线复兴路 陆家浜路 淤泥质粉质粘土 14.948 128.6 2 号线古北路 中山公园 1-1 灰色粘土 1-2 灰色粉质粘土 17.487 271.9 7 盾构穿越建筑物及保护技术 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 隧 道 埋 深 (m) 土仓 压力 (MP a) 图 11 上海工程土仓压力与埋深关系图 13 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 12 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。 72 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 2.63.2m，见图 13。 14 图13 7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： 3-2砂质粉土淤泥质粘土、 1粉质粘土。盾构穿越土 层的物理力学性质如下表 7 所示。 表 7 7 号线铜川路站中山北路站区间隧道土层物理力学指标 直 剪 固 快 峰 值 强 度 层 号 土 层 名 称 含 水 量W（ %） 重 度 （ KN/m3 ） 孔 隙 比 e 内 聚 力C(kPa) 内 摩 擦 角（ 0） 压 缩 模 量 (MPa) 1 粉质粘土 31.4 18.5 0.89 16.0 23.5 5.92 3-1 砂 质 粉 土 34.4 18.1 0.95 5.0 29.5 8.39 3-2 砂 质 粉 土 32.8 18.3 0.92 5.0 31.0 13.26 淤泥质粉质粘土 39.3 17.6 1.11 11.0 23.0 3.76 淤 泥 质 粘 土 49.5 16.7 1.41 14.0 11.5 2.26 1 粉质粘土 36.5 17.8 1.05 14.0 16.0 3.81 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。 15 605环J238J23740J239J245J24J241J254J258603J265J213J274651J26J249J2485019J243705环 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。 -2 -1 0 1 2 3 4 5 600 610 620 630 640 650 660 670 680 690 切 口 环 数 竖向 位移 /m m 237 240 241 242 244 图 15 JZ1 建筑物各测点沉降变化趋势 推进方向 J1 J2 J3 16 -2 -1 0 1 2 3 4 237 240 241 242 244 测 点 编 号 竖向 变形 量/ mm 刀 盘 距 建 筑 物 12m 刀 盘 在 建 筑 物 下 方 刀 盘 在 建 筑 物 下 方 刀 盘 通 过 建 筑 物 19m 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。 -18 -15 -12 -9 -6 -3 0 3 6 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 竖向变 形量/ mm 图 17 测点 264 的长期沉降曲线图 建筑物 m t(d) 盾构 二次补浆结束 20 40 60 80 100 120 140 160 17 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。=0.70.1817.5=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为 1-1 灰色粘土层， 1-2 灰色粉质粘土层。 18 7号 线 隧 道 交 点 2交 点 1号 线 隧 道 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 直剪固快 层序 含水量/w % 重度 KN/m3 孔隙比 e 内聚力 C/kpa 内摩擦角 压缩系数 a0.1-0.2 MPa-1 压缩模量 ES1-2 MPa 32.7 18.3 0.97 20 18 0.46 4.65 1 45.8 17.2 1.26 11 18.5 0.96 2.44 t 35.8 18.3 0.95 0.23 8.44 1 49.7 16.8 1.41 11 13 1.11 2.31 1-1 36.5 17.9 1.03 16 13.5 0.56 3.71 1-2 33.2 18.0 0.98 14 22.5 0.41 4.96 4 21.3 19.8 0.64 46 18.5 0.25 6.76 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。 19 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 0 20 40 60 80 100侧 点 距 离 /m 竖向 变形 量/ mm 9月 5日 9月 10日 9月 11日 9月 12日 9月 13日 9月 15日 9月 17日 9月 22日 9月 25日 9月 26日 a) 1 号线下行线(9 月 10 日刀口到达，11 日盾尾脱出) -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 测 点 距 离 /m 竖向 变形 量/m m 9月 5日 9月 10日 9月 11日 9月 12日 9月 13日 9月 15日 9月 17日 9月 21日 9月 25日 9月 26日 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 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 9月 3日 9月 15日 9月 27日 10月 9日 10月 21日 11月 2日 11月 14日 日 期 竖向 变形 量/ mm 1#下 行 线 与 7#下 行 线 交 点 1#下 行 线 与 7#上 行 线 交 点 图 21 1 号线下行线与 7 号线上、下行线交点变形时程曲线 7#上 7#上 20 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 22.5m/环，充填率为 150%180%见图 23 所示。 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 200 205 210 215 220 225 230 235 240 245 2507号 线 上 行 线 环 号 土仓 压力 /MPa 实 测 土 仓 压 力建 议 土 仓 压 力 图 22 7 号线推进过程中土仓压力设定值 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 170 180 190 200 210 220 230 240 250 260 7号 线 上 行 线 环 号 注浆 量(立 方米 ) 实 测 注 浆 量建 议 注 浆 量 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。 推进方向 21 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 0 20 40 60 80 100 测 点 距 离 /m 竖向 变形 量/ mm 盾 构 推 过 87天盾 构 推 过 99天 盾 构 推 过 119天盾 构 推 过 132天 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 区间隧道又采用了双圆盾构 法施工。上海地铁工程先后从日本引进 4 台 6520mmW11120mm 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 5700mm，外径 6300mm，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 P10，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 7#下 7#上 22 图 27 管片水平拼装 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 26 球墨铸铁预埋件 23 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 24 图 30 双圆隧道拼 装顺序顺序 在 12000kN17000kN 之间，小于 2 台单圆土压盾构的推力。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。 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。 图 31 双圆盾构掘进施工和进洞 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 25 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。 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 28 30 32 34 36 38 40 42 44 46 48 50 52 54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76 78 80 82 推 进 环 号 （ H） 沉降 量（ mm） 切 口 到 达 盾 尾 通 过 图 31 双圆隧道施工地表沉降历时变化图 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 5 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 测 点 离 开 轴 线 距 离 (m) 沉 降 量 (m m) 切 口 到 达 盾 构 通 过 盾 尾 通 过 最 终 沉 降 26 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化图 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12 0.14 0.16 0.18 8-29 8-30 8-31 9-1 9-2 9-3 9-4 9-5推 进 日 期 水平 土压 力（ KPa） A1距 中 轴 线 6.45m(深 度 11.2m)A2距 中 轴 线 2.3m(深 度 7m) A3中 轴 线 (深 度 7.5m)A5距 中 轴 线 6.45m(深 度 11.2m) A5距 中 轴 线 6.45m(深 度 14.5m)切 口 到 达 27 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 。 +3.673750602902841329-.75地 下 室 实际推进时施工参数土仓压力取 0.9HMPa，推进速度平均为 1.2cm/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。 D15测 点 地 表 位 移 量 曲 线 -6-5 -4-3 -2-1 01 23 45 67 89 1011 1213 14 430T432T435T436P438P440P442P444T446T448P451T453T456T458T459T461T463P465T467T469T469T469T469T469T469T470T470T472P474T475P478T479T479T480P482P484P486T487P490T492T494T495P498T499T501P503P505P506P507T509P511T512T513T推 进 环 号 测点位 移量( MM) D15 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 2.5m2.5m 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（见图 2.1） 。 28 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 3m3m，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 3.8m3.8m 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 图 2.1 2.5m2.5m 可变网格式矩形掘进机及工程试验 29 表 3.8m3.8m 矩形隧道掘进机主要工作参数 1 断面尺寸 3828mm3828mm 2 长度 3920mm-4920mm 3 额定推力 20000kn 4 推进速度 0-10mm/min 5 纠偏角度 1.8 6 刀盘转速 0-1.6r/min 7 刀盘扭矩 1011knm 8 螺旋机转速 0-15r/min 9 螺旋机扭矩 21.2knm 10 排土量 42m/h 11 主顶进推力 25000kn 12 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两种方法对顶进轴线进行纠偏差控制等。 图 2.2 3.8m3.8m 组合刀盘式土压平衡矩形掘 进机 30 1999 年 4 月6 月，3.8m3.8m 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5。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。 36m4m 偏心多轴式刀盘土压平衡矩形隧道掘进机的研制和工程应用 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 1.2m1m 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