上海地铁2号线盾构法隧道施工综述

摘 要

本文以上海地铁二号线工程为背景，介绍了盾构穿越地面密集建筑物及特殊地下管线等特殊技术措施，并针对隧道叠

交工况提出了地面隆起变形计算公式，给出了隧道叠交穿越时地层移动的数学模型。

关键词 地铁 盾构 建筑物 隧道 叠交 数学模型

1概述

1．1 工程概况

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24.122km，共设12座车站。全线横贯长宁、静安、黄浦及浦东新区，除浦东东方路以南大都为农田外，其余各段所处的市政环境为地面交通繁忙、建筑物密集及地下管线错综复杂，尤其是西段区间隧道在素有“中华第一街”之称的南京路地下穿越，施工难度很大。地铁

2号线的建成，将与地铁1号线及轻轨明珠1号线构成上海地上与地下相结合的“申”字型高速有轨交通系统.

见图1。

图1 地铁2号线总平面图

地铁2号线各区间隧道均采用盾构法施工，共使用10台φ6.34m土压平衡盾构。地铁区间隧道包括上行线和下行线各一条，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1m，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。除杨高路站～东方路站区间隧道外，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。

1．2 工程地质

地铁2号线区间隧道，沿线主要穿越的地层有：灰色砂质粉土层，易发生流砂；灰色淤泥质粉质粘土层，饱和、流塑，属高压缩性土；灰色淤泥质粘土层，饱和、流塑～软塑、夹少量薄层粉砂，属高压缩性土；灰色粘土层，很湿、软塑～可塑、受扰动后沉降大，属高偏中压缩性土；灰色粉质土层，很湿、软塑、受扰动后沉降大、局部夹薄层粉砂，属中压缩性

土。

1．3 施工技术难点

地铁2号线区间隧道盾构施工中需穿越很多密集型地面建筑物、地面交通干道及特殊地下管线，对环境的保护要求相

当高。主要施工难点：

① 人民公园站～河南路站区间隧道施工中，盾构穿越营运中的地铁1号线；

② 杨高路站～东方路站区间隧道施工中，盾构穿越上游引水箱涵；

③ 静安寺站～石门一路站区间隧道施工中，盾构穿越名城广场地下室； ④ 陆家嘴路站～河南路站区间隧道施工中，盾构穿越全断面粉砂层。

针对上述区间隧道施工中所遇到的有关技术难点，采取了相应技术措施。

2盾构在动载条件下穿越地铁1号线施工技术

2．1 工程简况

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17.5m，见图2、图3。

图2 盾构穿越地铁1号线示意图(剖面) 图3 盾构穿越地铁1号线示意图(平面)

① 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；

② 地铁1号线隧道底部已采用多种方法进行加固，有双液浆、聚氨酯、旋喷注浆以及分层注浆等，其浆液呈非均匀

分布状，导致盾构掘进时对隧道轴线的控制产生不稳定的因素；

③ 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。

2．2 主要施工技术

① 优化洞门混凝土吊除方案，缩短作业时间，减少正面土体的流失量。

② 施工参数优化 ²土压力设定：

p=rhtg2(45°-φ/2)

考虑到盾构出洞时，沿轴线纵向6m范围内采用深层搅拌桩已对土体进行了加固(加固强度达到0.7～0.8MPa)，因此

出洞时的土压力设定为0.23MPa。

²出土量控制：v=(1/4)πD2³1 (理论计算)=1/4³3.14³6.342³1=31.55m3

出土量控制在理论值的95%左右，即v=31.55³95%=30m3/环，保证盾构切口上方土体能微量隆起，以减小土体的后期

沉降量。

²掘进速度控制：

掘进速度控制在1cm/min。确保盾构比较匀速地穿越加固区，同时保证刀盘对加固土体进行充分切削。

③ 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。

④ 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。采用高精度的连通管自动监测的方法，对地铁1号线隧道作加密监测。利用连通管对隧道的垂直变形作自动连续监测，每10min提供一组数据，并及时反馈到施工人员。另外，为监测地铁1号线隧道的径向变形，在上、下行线隧道内各装置了一个巴塞特——收敛系统

量测环，其具有高分辨率、高精度(0.02mm)等优点，每个环布置10组测点。

⑤ 合理控制注浆量，控制地铁1号线隧道以及地面的沉降。

盾构穿越施工过程中，根据连通管、巴塞特-收敛系统量测环监控数据及时调整每推15cm同步注浆量。由于同步注浆所采用的单液惰性浆液易产生泌水和离隙，从而引起1号线隧道下沉以及2号线隧道上浮，且管片拼装时盾构后退也会引

起1号线隧道下沉。为此，将盾尾脱出时该环沉降控制在3.5mm左右。 在此基础上，及时监控后阶段隧道沉降的变化情况，以补注双液浆加固。

3穿越特殊管线施工技术

在杨高路站～东方路站区间隧道施工中，出洞段盾构穿越6.2m加固区后，即需穿越上海市自来水供水的上游引水箱涵管道。该箱涵距洞门约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是2.2m，见图4。

图4 盾构穿越上游引水箱涵示意图 ① 盾构到达箱涵前施工阶段

局部暴露箱涵结构，施工跟踪注浆管，同时布置沉降监测点，见图5。

图5 箱涵沉降测点布置图

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，采用均衡施工的制度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。当

盾尾全部脱离加固区域后，同步注浆趋于正常，根据各种监测数据，制定出不同的注浆量。

② 盾构穿越箱涵段施工阶段

盾构到达箱涵前1～2环至盾尾全部进入箱涵，此时以设定土压力值和出土量来控制推进。

自盾尾进入箱涵至全部脱离，此时既要控制设定土压力值和出土量，又要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。各类监测结果反映，在此过程中箱涵的沉

降量控制在+8.5mm以下。 ③ 盾尾脱离箱涵后的施工阶段

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。

4 穿越名城广场地下室施工

在静安寺～石门一路区间段隧道施工中，盾构需穿越名城广场地下室。盾构顶距地下室底板仅1.9m，见图6。

图6 盾构穿越名城广场地下室示意图

施工过程中，采用的主要技术措施如下：

① 主要施工参数控制

²土压力：原则上根据理论计算值，实际施工中根据地下室地板沉降情况作及时调整。

²掘进速度：一般控制在15～20mm/min。采用中低速掘进，可以使土体将盾构掘进所产生的应力充分释放，避免产

生由于掘进应力过大或过于集中，而对地下室地板造成破坏。

²出土量：一般控制在理论出土量的98%。

② 盾构姿态控制

盾构在穿越地下室前，根据地面测试资料，及时调整了盾构姿态，使其以最佳的姿态进入地下室。进入后盾构保持平

稳推进，减少纠偏，减少对正面土体的扰动。

²平面：控制在±30mm之内。

²高程：考虑到覆土较浅，盾构在穿越时高程控制在-50mm左右。这样也可以减少由于浅覆土使盾构上抛带来的影响。

③ 通讯联络

盾构穿越期间，由专职人员昼夜对地下室监测，观察结构变形情况，并将监测信息及时反馈给施工人员，及时调整与

控制盾构穿越过程中施工参数，使盾构施工对地下室结构影响降到最低。

④ 沉降控制

沉降控制分为两方面：盾构切口前的沉降，由土压力及掘进速度控制；盾尾后的沉降，由同步注浆及壁后注浆控制。 盾构穿越过程中，在同步注浆和壁后注浆之后，利用车库底板预留的30根注浆管进行跟踪注浆。通过跟踪注浆进一

步充填、密实了周围土体，有效地控制了隧道上浮，同时将地下室底板的最终沉降控制在4mm以内。

控制要求，自动给施工人员一系列施工参数建议值；为了方便工程人员的施工，系统提供了公式回归、楔子环粘贴、

管片拼装轴线图、盾构推进轴线图等各种实用功能。

6国产盾构在工程中的运用

在静安寺～江苏路区间段隧道施工中，首次采用国产加压式土压平衡盾构。该盾构由上海隧道工程股份有限公司研究、

设计及制造，盾构外径6340mm，长度为7970mm。

(1) 盾构简介 ①盾构构造(见图8)

图8 盾构构造示意图

②盾构主要技术参数(见表2)

(1) 路段工况

静安寺～江苏路区间段隧道全长1161m，穿越华山路、乌鲁木齐路、南京西路和镇宁路。隧道最小平面曲线半径为

499.851m，最大坡度2%。盾构主要穿越的地层为灰色淤泥质粉质粘土、灰色淤泥质粘土和灰色粘土。

(3) 盾构各系统运用情况

盾构主要技术参数表 表2

主机 刀盘 系统 拼装机 系统 加调 系统 外径 开口率 转速 6340mm 30 % 0.78rpm 长度 螺旋机 系统 掘进 7970mm 出土量 最大转速 最大扭矩 总推力 掘进速度 重量 2.12³105kN 190m2/h 15rpm 45kNm 3.3 ³104kN 4.5cm/imin 最大扭矩 5.1³103kNm 转速 回转范围 起重能力 额定流量 更大压力 压注点 1.44rpm 土200° 5 ³104N 10m3/h 1.2MPa 12点 长行程 1860mm（3台） 系统 千斤顶 短行程 1200mm（1 9台） 注浆 系统 ① 液压系统

一次压注量 7.85³X 10－3 m3／次 最大压力 压注点 2.5MPa 6点 盾构采用2台掘进泵，其中一台流量调定在掘进速度4.5mm/min(22台千斤顶)，另一台用于管片拼装(流量调定较高)，以缩短千斤顶伸缩时间，提高拼装速度。另外，刀盘扭矩较法国 FCB盾构大一倍，盾构易于切削沿线加固区。

② 集中润滑系统

首次采用机械压注油脂法，有效抵挡了外部泥水侵入刀盘密封圈，确保刀盘正常工 作。另外，系统采用1号锂基脂代替进口油脂(CONET)，其效果相当，降低了成本。

③ 盾尾油脂系统

油脂管路布置至管片接缝处，有效阻止了浆液从接缝内窜入盾尾，提高了盾尾密封性能。

④ 同步注浆系统

同步注浆管路设计欠合理，弯头设置偏多，易形成浆管堵塞。

⑤ 拼装系统

两提升、平移导向管平行度不高，且无微调装置，导致拼装过程不平稳，易损坏管片。

(4) 盾构运用总体评述

盾构设计符合施工要求，盾构性能良好，操作简便，平均日掘进速度达到8环，同时将隧道轴线(平面、高程)有效控

制在±50mm以内，地面沉降控制在±10mm～-30mm以内。

7结语

通过贯彻科学管理模式(“均衡施工法”等)、开发科研项目(“盾构隧道施工专家系统”等) 、应用先进技术(盾构发泡装置改良土体等)、实施现场精心施工(信息化动态施工管理等)等一系列综合措施，确保盾构顺利穿越了上游引水箱涵、名城广场地下室、南京路密集建筑群及地下管线等，避免了沉降过大带来的严重后果，进一步完善了盾构法隧道施工技术，

产生了显著的经济效益。同时，有效地将盾构掘进速度提高到8m/d(其中过江段掘进速度达14m/d)。

另外，通过地铁2号线的盾构施工，明显可以看到随着市政建设的日益发展和城市地下空间的不断开发，今后隧道叠

交穿越将成为盾构法隧道施工的一大主题，其施工技术还有待于更深入的探讨。