​上海长江隧道超大型泥水盾构穿越民房段关键技术研究

1　引言
　　上海长江隧道是连接浦东、长兴岛的交通枢纽工程和重要的地下生命线工程，其南起浦东五好沟，北至崇明长兴岛，共设东线（上行线）和西线（下行线）两条隧道，单线全长约8.9km。隧道采用两台迄今世界上直径最大（D=15.43m）的泥水加压盾构平行施工，其建成后将是世界上直径最大的盾构隧道。
　　在长兴岛岸上段，两台超大型泥水盾构将先后穿越砖混结构的民房地段，如图1所示，由于隧道埋深浅（10.7～12.6m）且穿越地层为松软砂质粉土地层，在超大直径泥水盾构的扰动下，极易导致过大的地表变形，从而对所穿越民房结构构成显著损害（穿越民房大多为20世纪80年代建造的老民房，结构、基础刚度较差）。


　　由于本次掘进工程难度大、风险高且缺乏可供参考的工程实例，论文拟将位于民房穿越段前，与民房段下卧地层条件相同的农田地段作为“试验段”，通过对其地表沉降监测数据采用随机介质理论进行计算分析，据以制定民房段施工相应措施，将盾构掘进导致的地表变位控制在允许范围内，避免对穿越民房构成显著危害。


2　地表变位计算分析
　　复杂环境条件下，城市隧道施工诱发的地表变位的预测与控制是亟待深入研究的重要课题。隧道施工前或者施工过程中，需要了解施工可能导致的对周围环境建筑物的损害程度，即在地表移动和变形预计的基础上，需要研究隧道施工对周围环境影响程度的评价方法，通过影响评价结果，针对性地提出减少开挖对地表及地下已有设施的不良影响的技术措施。
　　迄今为止，工程界往往比较关注地表沉降这一指标，而忽视隧道施工导致地表变形的影响。事实上，盾构施工对上部结构的损害，应主要由盾构掘进引起的地层变形（地表倾斜、地表曲率等）引起。
　　因此本节拟依据长兴岛上行段“试验段”地表沉降监测数据，采用随机介质理论对上、下行线盾构穿越后的地表位移与变形进行计算，评估盾构施工对民房结构的影响，据以制定民房段施工相应对策。
　　2.1　随机介质理论基本原理
　　随机介质理论首先由波兰学者LitwiniszynJ于20世纪50年代基于采矿沉陷问题提出，嗣后，经过我国阳军生、刘宝琛等学者进一步发展和完善，被引入城市地铁隧道开挖引起的地表沉降的预测当中，成为目前国内工程中应用广泛的实用方法。随机介质理论认为岩土体的运动为大量已知及未知因素所控制，将岩土体视为随机介质，这样由隧道开挖所引起的岩土体便可以用随机方法加以研究。
　　设在距离地面一定深度处的地下开挖任意现状断面的隧道，显然这是一平面应变问题。如图2所示，地下开挖断面的中线埋深为H，对开挖单元岩土体采用坐标系统ξOη，对地表采用坐标系统XOY。
　　如果隧道开挖初始断面为Ω，隧道建成后，开挖断面由Ω收缩为ω，则根据叠加原理，地表下沉等于开挖范围Ω引起的下沉与开挖范围ω引起的地表下沉之差，即

　　式中B——地层主要影响角。


　　对圆形隧道，设隧道中心距地表为H，开挖初始半径a，假定断面变形为均匀变形，隧道建成后，断面半径收缩为b，断面均匀收缩了Aab，则开挖影响范围Ω为距地表为H、半径为a的圆形面积，为距离地表为H、半径为b的面积。将积分区间代入以上公式即可以得到圆形隧道横向地表变位预测公式。对双孔平行隧道，可假定叠加原理仍然适用，这样双孔平行隧道引起的地表移动及变形可视为单孔隧道开挖所引起的地表移动及变形的线性叠加。
　　由以上公式可见，对圆形隧道，只要确定隧道半径、隧道中心埋深H以及模型参数tanβ和ΔA就可以对隧道施工引起的地表变位进行计算。同样，根据横向地表沉降曲线，就可以反演参数tanβ和ΔA。为此，本文编制了相应的计算程序，用于计算单孔隧道及平行双孔隧道开挖引起的地表变形的正分析程序及根据单孔隧道横向地表沉降监测数据反演模型参数tanβ和ΔA的反分析程序。、
　　进行反分析时，设单孔隧道施工地表稳定以后，实测的地表下沉值为Wi0，采用正分析程序计算所得的地表下沉值为Wi。定义目标函数为

式中n——地表下沉测点数。
　　由于地表下沉计算公式是不可积的积分表达式，因而在优化算法中梯度计算非常复杂。同时反分析所需要计算的参数较少（变量n=2），因此本次反分析计算中采用了最优化算法中的方向加速法(Powell共轭方向法)。Powell法是一种适应于复杂函数极小化的先进优化方法，其迭代过程是由初始点出发沿一系列共轭方向求目标函数的极小值，这组共轭方向的形成仅使用迭代点的目标函数值，不需要计算目标函数的梯度，故对于目标函数复杂时尤为适用，具体算法可参见文献。
　　2.2　地表变位计算
　　以“试验段”两个典型横断面K7＋717和K7＋742为例，两断面处隧道中心埋深均为19.5m，其地表横向沉降槽曲线如图3所示，与K7＋717断面相比，K7＋742断面适当提高了切口水压和增加了注浆量。由图3可见，K7＋742横断面沉降量比K7+717横断面要小(两断面地层损失率分别为3.7‰和6.8‰)。


　　根据以上两典型断面地表沉降槽曲线，采用编写的程序反演模型参数，计算结果如表1所示。


　　采用以上反演参数，可对隧道上、下行线穿越后的地表变形值进行预测（假定同一横断面，上、下行线施工对地层扰动相同），计算结果如图4～图6所示。






　　各种工况下地表变位最大值如表2所示，可见：
　　（1）上、下线穿越后，K7＋717断面地表变形值均相应大于K7＋742断面；
　　（2）下行线盾构穿越后，K7＋717和K7＋742两横断面地表最大沉降值增加均很小（分别为1.2mm和1.6mm），可忽略不计。但最大地表倾斜值增加较大，分别增加了66.1%和55.4%。与此同时，两断面地表曲率均有所减少。


　　（3）如表3所示，对K7＋717断面，上行线穿越后，曲率稍大，在下行线穿越后，地表倾斜值超过了3.0mm/m，即地基发生了较大不均匀沉降。而K7＋742断面在下行线通过后，地表倾斜值仍处于允许范围内。
　　因此，建议参考K7＋742断面，对隧道民房段的施工参数进行匹配。



　　3　地表变位控制措施
　　由于上海长江隧道穿越民房地段覆土浅，且上覆土层为易扰动砂质粉土，因此需采取相应措施，减少因盾构施工引起的土体损伤，以避免对老民房构成显著影响。结合以上地表变形计算分析结果及盾构采集施工参数，现提出以下对策：
　　（1）合理设置切口水压
　　保持开挖面的土（水）压力平衡可以减少开挖面土体的坍塌、变形、土体损伤等，从而减少对房屋结构的损害。
　　考虑到穿越土层为砂性土及房屋超载，本次泥水压力按“静止土压力＋水压力＋20kPa”原则设置，以使切口前方产生微量隆起，以抵消部分后续沉降。同时，应确保切口水压的稳定，避免压力波动过大，以较少对土体的扰动和避免击穿土层。
　　（2）压浆量充足
　　适当增加同步注浆量能使地层上抬，减少最终地表沉降量。如K7＋717（对应3618环）、K7＋742（对应3630环）、K7＋755（对应3636环）处盾尾注浆量分别为27.6m3、29.3m3、31.1m3，对应的最终地表沉降量分别为46.6mm、26.4mm、20.6mm。可见，注浆量在30m3，即地层注浆填充率为150%左右较为合理。
　　（3）推进速度
　　宜本着施工快速、高效的原则，优化工序衔接，快速通过，尽量减少对地层的扰动。同时，由于穿越土层为砂质粉土地层，为避免泥浆渗透导致的切口压力损失和波动，也应适当快速推进。
　　“试验段”试推表明，盾构推进速控制在35～40mm/min比较合理。
　　除对以上施工参数进行合理匹配外，还应尽量减少纠偏量，避免“蛇行”，以避免对地层的过大扰动。此外，应控制衬砌拼装偏差，减少工后沉降。
　　通过采取以上措施，在下行线盾构穿越民房后，民房段最大累计地表沉降值控制在20mm左右，地层损失约为在3‰，盾构施工没有对所穿越民房构成显著影响。说明以上采取的措施是合理的。
　　4　结语
　　上海长江隧道长兴岛民房段穿越工程难度大，风险高，且缺乏可供参考的工程实例。
　　论文结合上行线盾构过民房段前“试验段”地表沉降监测数据，采用随机介质理论预测了上、下行线隧道穿越后的累计地表变形值，据以合理制定了隧道穿越民房段的相应措施，从而避免了盾构推进对所穿越民房构成显著影响。
　　实例分析证明了本文方法的科学性和可靠性，可供相似工程参考和借鉴。