土壓平衡盾構穿越已建地鐵隧道時的共和正面土壓力分析
摘 要：隨著地鐵建設規模的不斷擴大以及地下空間利用的條件限制，盾構法施工地鐵面臨必須從已建地下構筑物(特別是已建地鐵隧道)下方穿越的現狀。如何在盾構法施工的同時保護好已建的地下構筑物，本文通過上海地鐵M 4線在未經加固的軟土地層中，用寸：壓平衡盾構近距離在運營中的地鐵2號線隧道下穿越并且獲得成功的實例對正面土壓力的控制進行分析。從而對今后的類似工程提供參考。
關鍵詞：土壓平衡盾構、正面土壓力、控制
1 工程概況
過去，當盾構要穿越地鐵隧道時往往要提出對穿越區段的土體進行地基加固。但是對盾構機近距離穿越位于未加固軟土地層的地下構筑物和正在運營地鐵隧道，仍缺乏理論研究與施工經驗。
本工程上行線在盾構機到達張楊路站調頭后，向南推進1 3 0余米，斜向穿越世紀大道，從地鐵2號線區間隧道下方通過。上行線隧道在穿越區段的線形為，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)，兩隧道間投影交叉點的垂直距離為1.045米和1.375米。與地鐵2號線隧道軸線交點處的盾構中心標高為-16.140m和-17.392m，地面標高+3.91m。
本區間采用土壓平衡式盾構，盾構機外徑①6340mm，盾構機長8650mm。
本工程穿越區段的地鐵2#線隧道位于灰色淤泥質粘土④層，下穿的M 4線隧道斷面為灰色淤泥質粘土④層、灰色粘土⑤1—1層、灰色粉質粘土⑤1—2層，詳見表1。
2 正面土壓力的計算
根據土壓平衡盾構的設計原理，盾構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定，減少對土層的擾動。
一般情況下，由土力學原理，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
考慮到盾構近距離穿越地鐵2號線隧道，盾構土壓力與一般條件下的土壓力不同，要計算由于上方地鐵隧道產生的土壓力損失值ΔP
ΔP=k∑γi hi-2γcD
k——隧道對盾構的投影系數
γi——隧道范圍內成層土的容重
hi——隧道范圍內成層土的厚度
γc——鋼筋混凝土的重度
D——隧道管片的厚度
盾構機的土壓力理論設定值
P=P0-ΔP
本工程計算的理論土壓力設定值如圖1所示：
本區間所采用的土壓平衡式盾構，土倉內安裝有4只土壓力計，分別在盾構面板上、下、左和右的位置，土壓力設定以中部土壓力為準，取左右計算的平均值。
3 正面土壓力的控制
隨著盾構掘進施工技術水平的發展，盾構機的性能也有了很大的提高。土壓平衡式盾構掘進時，所采用的自動化控制模式，避免了人工操作易產生的誤差，提高了控制的精度，對上海地區的均勻軟土地層尤為適用。然而土壓式盾構工法常被兩個問題困擾：一是砂質土層時砂土止水性和流動性差的問題；二是粘土層時粘土對刀盤、土倉的粘附的問題。其結果必然導致刀盤壓力不穩。施工實踐顯示，實際土壓力波動值達到0.1—0.12 MPa。在拼裝管片的過程中，盾構機有微量的后退，前倉土壓力變小。根據統計，拼裝管片前后的土壓力變化值可達0.1 MPa。
為了盡量改善以上所提到的土壓力波動問題，建議采用氣泡盾構工法，利用由多種表面活性劑綜合配方而成的發泡劑，按不同土質構成進行配方稀釋后，在氣泡發生裝置中利用壓縮空氣將其變為總體積膨脹數倍乃至數十倍的由無數個直徑僅為μm的微粒氣泡簇擁形成的特殊流體。這種流體注入進盾構機的刀盤和土倉內，可使切削土的流動性、止水性大大提高，并可防止泥土與盾構機面板、土倉壁的粘附，從而保證了盾構在刀盤壓力穩定下順利作業。
在實際施工中，根據地鐵2號線隧道實時監測數據進行分析，對盾構機設定土壓力進行微調，以保證盾構上方地鐵2號線隧道的安全運營。
本工程上行線在穿越地鐵2號線時土壓力設定值以面板右側土壓力計為依據，施工期間的部分實際數據如圖2：
根據上圖表明：實際土壓力控制與理論土壓力計算值基本吻合， 因此，上述有關計算方法對施工具有指導作用。
6 結語
本文以NO．14盾構成功穿越地鐵2號線隧道工程為例，就土壓平衡盾構穿越已建地鐵隧道時的土壓力進行了簡單的分析。盾構在無加固的情況下，近距離斜向穿越運營中地鐵隧道，累計沉降量最大值僅為+3.3mm，在國內創造了一項新的記錄，在國際上也屬罕見。
為了保護地下構筑物，土壓平衡盾構施工時除了科學控制土壓力外，盾構推進的軸線控制、同步注漿和二次注漿也都是非常關鍵的。只有在合理設定各項參數的前提下，才能保證盾構安全順利的穿越地下構筑物。
