土压平衡盾构穿越已建地铁隧道时的共和正面土压力分析
摘 要：随着地铁建设规模的不断扩大以及地下空间利用的条件限制，盾构法施工地铁面临必须从已建地下构筑物(特别是已建地铁隧道)下方穿越的现状。如何在盾构法施工的同时保护好已建的地下构筑物，本文通过上海地铁M 4线在未经加固的软土地层中，用寸：压平衡盾构近距离在运营中的地铁2号线隧道下穿越并且获得成功的实例对正面土压力的控制进行分析。从而对今后的类似工程提供参考。
关键词：土压平衡盾构、正面土压力、控制
1 工程概况
过去，当盾构要穿越地铁隧道时往往要提出对穿越区段的土体进行地基加固。但是对盾构机近距离穿越位于未加固软土地层的地下构筑物和正在运营地铁隧道，仍缺乏理论研究与施工经验。
本工程上行线在盾构机到达张杨路站调头后，向南推进1 3 0余米，斜向穿越世纪大道，从地铁2号线区间隧道下方通过。上行线隧道在穿越区段的线形为，平曲线R=379.851m，竖曲线R=2995m。隧道交叠的投影长度约为96米(137—217环)，两隧道间投影交叉点的垂直距离为1.045米和1.375米。与地铁2号线隧道轴线交点处的盾构中心标高为-16.140m和-17.392m，地面标高+3.91m。
本区间采用土压平衡式盾构，盾构机外径①6340mm，盾构机长8650mm。
本工程穿越区段的地铁2#线隧道位于灰色淤泥质粘土④层，下穿的M 4线隧道断面为灰色淤泥质粘土④层、灰色粘土⑤1—1层、灰色粉质粘土⑤1—2层，详见表1。
2 正面土压力的计算
根据土压平衡盾构的设计原理，盾构土仓中的压力须与开挖面的正面土压力平衡，
以维持开挖面土体的稳定，减少对土层的扰动。
一般情况下，由土力学原理，正面土压力的理论值：
P0=k0(∑γihi+P′)
其中：K0=1-Sinφ′
φ′——H处土的有效摩擦角
γi——成层土的容重
hi——成层土的厚度
P′——地面超载在H处引起的竖向压力
考虑到盾构近距离穿越地铁2号线隧道，盾构土压力与一般条件下的土压力不同，要计算由于上方地铁隧道产生的土压力损失值ΔP
ΔP=k∑γi hi-2γcD
k——隧道对盾构的投影系数
γi——隧道范围内成层土的容重
hi——隧道范围内成层土的厚度
γc——钢筋混凝土的重度
D——隧道管片的厚度
盾构机的土压力理论设定值
P=P0-ΔP
本工程计算的理论土压力设定值如图1所示：
本区间所采用的土压平衡式盾构，土仓内安装有4只土压力计，分别在盾构面板上、下、左和右的位置，土压力设定以中部土压力为准，取左右计算的平均值。
3 正面土压力的控制
随着盾构掘进施工技术水平的发展，盾构机的性能也有了很大的提高。土压平衡式盾构掘进时，所采用的自动化控制模式，避免了人工操作易产生的误差，提高了控制的精度，对上海地区的均匀软土地层尤为适用。然而土压式盾构工法常被两个问题困扰：一是砂质土层时砂土止水性和流动性差的问题；二是粘土层时粘土对刀盘、土仓的粘附的问题。其结果必然导致刀盘压力不稳。施工实践显示，实际土压力波动值达到0.1—0.12 MPa。在拼装管片的过程中，盾构机有微量的后退，前仓土压力变小。根据统计，拼装管片前后的土压力变化值可达0.1 MPa。
为了尽量改善以上所提到的土压力波动问题，建议采用气泡盾构工法，利用由多种表面活性剂综合配方而成的发泡剂，按不同土质构成进行配方稀释后，在气泡发生装置中利用压缩空气将其变为总体积膨胀数倍乃至数十倍的由无数个直径仅为μm的微粒气泡簇拥形成的特殊流体。这种流体注入进盾构机的刀盘和土仓内，可使切削土的流动性、止水性大大提高，并可防止泥土与盾构机面板、土仓壁的粘附，从而保证了盾构在刀盘压力稳定下顺利作业。
在实际施工中，根据地铁2号线隧道实时监测数据进行分析，对盾构机设定土压力进行微调，以保证盾构上方地铁2号线隧道的安全运营。
本工程上行线在穿越地铁2号线时土压力设定值以面板右侧土压力计为依据，施工期间的部分实际数据如图2：
根据上图表明：实际土压力控制与理论土压力计算值基本吻合， 因此，上述有关计算方法对施工具有指导作用。
6 结语
本文以NO．14盾构成功穿越地铁2号线隧道工程为例，就土压平衡盾构穿越已建地铁隧道时的土压力进行了简单的分析。盾构在无加固的情况下，近距离斜向穿越运营中地铁隧道，累计沉降量最大值仅为+3.3mm，在国内创造了一项新的记录，在国际上也属罕见。
为了保护地下构筑物，土压平衡盾构施工时除了科学控制土压力外，盾构推进的轴线控制、同步注浆和二次注浆也都是非常关键的。只有在合理设定各项参数的前提下，才能保证盾构安全顺利的穿越地下构筑物。
