上海地铁区间隧道直径6.34m土压盾构施工
傅德明 [1**********] [email protected] 上海市土木工程学会
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。
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Φ6.34m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Φ6.34m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。
淤泥质粘土和淤泥质粉质粘土具有含水量饱和(40％～55％)，孔隙比大(1.0～1.4)，内力小(1.0kPa～13kPa)，内摩擦角小(7º～15º)，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
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。
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 Φ6.34m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ф6.34m土压盾构。 7台ф6.34m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。
图5 ф6.34m土压平衡盾构
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ф6.34m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的“先行号”ф6.34m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 ф6.34m土压平衡盾构主机结构图
4.2 Φ6520mm³W11120mm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Φ6520mm³
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
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Φ609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0.5～0.8Mpa。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 Φ6.34m土压盾构掘进施工 6．1 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。 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1.4m³。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。
6．3 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Φ6.34m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Φ6.34m盾构推进时总推力与埋深关系表
图10 上海不同工地盾构总推力与盾构中心埋深关系图
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=γhtg²（45º-½Φ）-C tg²（45º-½Φ）
式中：γ为土的容重，h为隧道埋深（地面至盾构中心），Φ为内摩擦角，C为内聚力。
也可采用侧压系数的简易公式：Po=Koγh
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
图11 上海工程土仓压力与埋深关系图
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0.12~0.20MPa之间；当埋深大于12mm时，土仓压力的设定与埋深成正比。 6．5 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
7 盾构穿越建筑物及保护技术
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1～2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。 7．2 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2.6～3.2m，见图13。
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：②3-2砂质粉土④淤泥质粘土、⑤1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
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。
705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。
图15 JZ1建筑物各测点沉降变化趋势
4
3210
-1-2
竖向变形量/mm
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。
6
30
竖向变形量/mm
-3-6-9
-12-15-18
图17 测点264的长期沉降曲线图
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。γh。=0.7³0.18³17.5=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14~32，下行线投影长度约为20米，环号为13~29。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17m～22m。，见图18 所示。下行线穿越施工后4~5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④淤泥质粘土层、⑤1-1灰色粘土层，本工程隧道所处的土层主要为⑤1-1灰色粘土层，⑤1-2灰色粉质粘土层。
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
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。
2.5
2
m
1.5m/量1形变向0.5
竖0-0.5-1
a) 1号线下行线(9月10日刀口到达，11日盾尾脱出)
1.5
1
m
m/量0.5
形变向0
竖-0.5
-1
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
2.5
2①1.51
竖向变形量/mm
0.5
-0.5
-1
图21 1号线下行线与7号线上、下行线交点变形时程曲线
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/min—2.5cm/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2—2.5m³/环，充填率为150%—180%见图23所示。
0.280.260.240.220.2
土仓压力/MPa
0.180.16
200
205
210
215
220
225
230
[1**********]0
7号线上行线环号
图22 7号线推进过程中土仓压力设定值
注浆量(立方米)
170
180
190
200
210
220
230
240
250
260
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。
2
1.51
竖向变形量/mm
0.50-0.5-1-1.5-2
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
21
工。上海地铁工程先后从日本引进4台Φ6520mm³W11120mm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Φ5700mm，外径Φ6300mm，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5－25mm,细骨料细度模数μf＝2.3－3.0，水泥为P.O42.5，粉煤灰为低钙Ⅱ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FCD－500。 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
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），
22
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
图27 管片水平拼装
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5.2—12m。 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。
23
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0.15Mpa—0.25Mpa，大于静止土压0.03 Mpa—0.06Mpa，为垂直土压值的0.8—0.9倍，比面板式刀盘的单圆土压盾构略大。盾构总推力 一般控制在12000kN—17000kN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。
24
图30
双圆隧道拼装
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。
25
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0.03Mpa—0.07Mpa，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
26
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R＝420m；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 。
实际推进时施工参数土仓压力取0.9γHMPa，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。
27
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2.5m³2.5m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）。
图2.1 2.5m³2.5m可变网格式矩形掘进机及工程试验
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3m³3m，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 3.8m³3.8m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
28
29
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：
⑴ 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； ⑵ 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； ⑶ 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； ⑷ 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 3.8m³3.8m
进机
1999年4月—6月，3.8m³3.8m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
30
道轴线偏差控制在5mm以内，旋转控制在±5º。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。
3．6m³4m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1.2m³1m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年上海隧道工程股份有限公司针对不同土层
每套为四组的偏心驱动装置分别驱动两个刀盘进行相同或相反方向运转，利用调整螺旋机的转速及顶进速度来控制土仓的土压力，以保持开挖面的稳定。它由主顶进推动机头向前运动。机头分成前后二段，中间由纠偏千斤顶联接，有利于机头的姿态控制，以保证隧道轴线的偏差能控制在设计范围内。
32
图2.4 偏心多轴刀盘式样机
图2.5 6m³4m偏心多轴式刀盘土压平衡矩形掘进机及应用工程
螺旋输送机在土压平衡掘进过程中起着重要作用，其功能是将掘进机土仓内已开挖的土排出，通过调整螺旋机的转速来控制排土量，维持工作面的土压平衡，以防止和尽量减少地面沉降或隆起。螺旋输送机的入口位土仓隔板的底部，前端槽体为前壳体的一部壁堆焊耐磨硬质合金，后端用法兰与中段槽体杆由空心轴和螺旋叶片组成，螺旋叶片绕制在上，螺杆上部由三排圆柱滚子组合转盘轴支液压马达驱动，在螺旋输送机上设有出土闸
于盾构分，其内连接，螺空心轴承，采用门，出土
闸门有两只液压千斤顶控制，在遇到紧急情况时可迅速关闭。由于隧道掘进机的横断截面为4m³6m，为达到更好的出土性能，本次设计采用二个螺旋机（左右旋各一）同时出土。每只螺旋机的最大出土量为42m3/h，二台螺旋机总的最大出土量为84 m3/h，转速为0～15转/分。
4m³6m偏心多轴双刀盘式土压平衡矩形隧道掘进机分成前后两段，中间由12台纠偏千斤顶联接。前后段之间的密封采用三道唇形橡胶密封圈。根据轴线偏差方位以及偏差量，对纠偏千斤顶进行编组，同时控制千斤顶伸缩量，使前、后壳体形成一夹角，从而改变机头方向，以达到纠偏目的。其纠偏角度为水平方向±1.1º，上下方向±1.7º。
33
主顶进装置由16台千斤顶及U形顶铁、顶环、垫铁、底架、钢后靠等组成，16台主顶千斤顶分成二组，左右各6台叠加呈对称分布，并用分体式结构的支座固定。由于矩形隧道掘进机底部的摩阻力比较大，所以在主顶进装置的下部对称布置有4台千斤顶，以增加下部的顶进力，千斤顶的工作行程为1450mm。每台千斤顶可单独控制，根据需要可编组工作，总推力(额定)为27000KN，
目前，上海市轨道交通线约有24项地铁车站出入口人行通道工程需要施工，通道断面尺寸确定为6.9m³4.2m（内净6m³3.3m），为此需要设计与制造两台满足相应断面尺寸的土压平衡矩形掘进机，所有出入口人行通道工程将在2009年内完工。
除了上海隧道工程股份有限公司研制了上述矩形掘进机外，上海建工集团机施公司也在2004年采用日本小松技术制造了一台6.36m³4.24m 的小刀盘式土压平衡矩形掘进机（见图2.6），并在地铁车站出入口人行通道工程中得到应用。
34