1. 引言
随着城市化进程的不断推进，地下空间的利用愈发重要，而盾构隧道作为城市地下交通通道的主要建设方式之一，其技术研究与应用尤为关键[1]。传统的盾构隧道施工方法需要施作两个工作井作为盾构始发井和接收井，盾构在工作井中始发和到达，工作井和隧道的暗埋段需要开挖。无工作井盾构法隧道技术是盾构机从地表始发，在浅覆土条件下掘进，最后盾构机在目标地点从地表到达[2]。该工法的特点是盾构直接从地面始发和到达，因此称之为地面出入式盾构法隧道新技术(Ground Penetrating Shield Technology，简称GPST)。GPST工法无需施作深大工作井，减少施工风险和开挖方量，缩短建设工期，特别适用于施工场地有限的城市核心区[3]。
日本大林组技术研究所于2003年提出GPST工法[2]，并在2004年进行了首次验证[4]，随后于2005年完成了试验段施工。2008年，该工法首次应用于中央环状品川线大井地区的圆形盾构工程，在2009年3月，它被用于相模纵贯川尻隧道工程的矩形GPST盾构工程中[5]。2013年，上海城建集团首次将该工法应用于南京机场线工程，在国内属于首例GPST工程应用[6]-[8]。本文以上海市龙水南路越江隧道新建工程为背景，该工程是GPST工法在国内的第二次应用。GPST工法推进过程中经历浅覆土、超浅覆土，甚至零覆土，主要存在两项工程重难点[9]-[12]：
(1) 上覆土过浅，盾构施工对地层扰动较强，容易造成较大的地表隆起或沉降；
(2) 上覆土对隧道上浮的约束作用较弱，管片上浮现象明显，管片变形较为严重。
针对上述工程重难点，本文提出一系列GPST工法施工控制及监测措施，并应用于该GPST隧道工程接收段，通过监测结果检验施工控制措施的有效性，为保障GPST工法施工安全性和施工效果提供方案。
2. 工程概况
龙水南路越江隧道新建工程位于上海市浦东新区和徐汇区，西起徐汇区龙水南路喜泰路地区，东至浦东新区海阳西路耀龙路和高青西路耀龙路地区。该工程盾构区间分为过江段隧道、南线隧道及北线隧道，如图1所示。其中过江段隧道总长822.8 m，南线隧道总长481.41 m，北线隧道总长296.4 m。在浦西徐汇区设置盾构接收井1座，浦东设置盾构始发井1座，接收井2座。南线盾构采用GPST工法施工，为国内首条大直径GPST盾构隧道，其中浅覆土段、超浅覆土段共193.87 m，隧道顶部覆土厚度约为11.66~3.53 m；接收段共26.34 m，隧道顶部覆土约3.53~2.71 m。隧道管片外径11.36 m，内径10.36 m，环宽1.5 m，每块管片由1块封顶块、2块邻接块和5块标准块构成。南线盾构在浅覆土、超浅覆土和接收段推进施工过程中周围环境复杂，沿高清西路先后侧穿浦江海德、惠临雍萃公寓，侧穿黄浦江防汛墙堤岸桩基，并穿越燃气、上水、电力、通信和污水管等管线。场地浅部地下水属潜水类型，设计高水位埋深0.3 m、低水位埋深1.5 m。⑤2灰色砂质粉土为微承压水含水层。南线隧道浅覆土及超浅覆土段，主要穿越④灰色淤泥质粘土、⑤1灰色粘土、⑤2灰色砂质粉土；盾构接收段主要穿越③t灰色粘质粉土、③灰色淤泥质粉质粘土、④灰色淤泥质粘土、⑤1灰色粘土。南线盾构GPST工法推进过程中，盾构先后经过浅覆土、超浅覆土，直至地面接收达到零覆土，需严格控制盾构施工对地表及周围环境的影响。
Figure 1. Schematic diagram of the new construction of the Longshui South Road cross-river tunnel project
图1. 龙水南路越江隧道新建工程示意图
3. GPST施工控制措施
3.1. 壳体注浆与同步注浆
盾构穿越浅覆土段、超浅覆土及接收段时，通过壳体径向注浆孔向壳体周围土体注入壳体压注浆液，填充盾构机壳体与土体间空隙。壳体压注浆液是将已配制好的特制膨润土浆液，再掺入特定的聚合物添加剂，经过搅拌、发酵使其成为具有触变保压等效果的凝胶状浆液，通过配管压送到盾体径向孔处，在掘进过程中同步径向注入到盾体外，进而填充盾体与土体之间的间隙，严格控制地表沉降。本工程采用一种新型果冻浆液(见图2(a))。此外，本工程特别订制一台搅拌泵送一体机(见图2(b))，可将车架内拌置好的特制浆液在一体机中加入聚合物添加剂制浆，再泵送至盾构壳体。壳体前、中、后径向布置有3 × 12处径向加注孔，在管路中也设有压力传感器，可将管路压力显示在控制室内。壳体压注浆液压注时需注意：
(1) 特制膨润土浆液应提前12 h拌制，以防拌制不均匀，未充分发酵影响壳体压注浆液效果；
(2) 特制膨润土浆液加入聚合物后，搅拌时间不得少于10 min；
(3) 壳体压注浆液注浆管路出口压力P1应为：P2 ≤ P1 ≤ P2 + 0.5 bar，其中，P2为该处土压力；
(4) 壳体压注浆液理论用量为100%建筑空隙用量，约1.0 m3，并根据地表监测情况适当调整。
盾构推进过程中，采用同步注浆法，进一步减小盾构施工对地面的影响。同步注浆设备由盾构PLC自动控制系统控制，可以对注浆压力、注浆量进行双参数控制。采用早强抗剪型双液同步浆，其中A液为传统同步浆液，B液为水玻璃。由于本工程隧道断面大，单靠传统的4点注浆法很难保证盾尾间隙的及时、合理填充。依靠盾构本体同步注浆系统6个注浆点对盾尾后管片外部建筑空隙同步实施注浆(如图3所示)，可较好解决注浆均匀性问题。注浆压力根据外界水土压力制定，注浆量为理论建筑空隙的120%~140%，保证填充效果。
Figure 2. (a) Shell-pressing slurry; (b) Integrated mixing and pumping equipment for shell-pressing slurry
图2. (a) 壳体压注浆液效果；(b) 壳体压注浆液搅拌泵送一体设备
Figure 3. (a) Distribution of grouting holes at the shield tail; (b) Physical drawing of the grouting holes at the shield tail
图3. (a) 盾尾注浆孔位置分布图；(b) 盾尾注浆孔实物图
3.2. 土仓保压
在盾构拼装或长时间停止推进时，土仓内压力会逐渐降低，以至影响前方土体的稳定。在盾构停止推进时，当正面土压力与设定土压力相比，降低0.5 bar时，为保证土仓内压力，可向土仓内注入一定量的膨润土，直至土压力恢复到设定土压力，以保证土仓压力稳定。
3.3. 隧道抗浮
盾构超浅覆土推进施工时，地层向上作用力的合力大于管片自重和地层间摩擦力，使隧道上浮，主要采用如下三种抗浮措施，如图4所示。
(1) 半堂式加固：在隧道埋深0.4 D~0.32 D处做半堂式搅拌桩，宽14.36 m，深度到隧道中心线；
(2) 满堂式加固：在隧道埋深0.32 D~0.2 D处做满堂式搅拌桩，宽18 m，深度至隧道底部3 m；
(3) 地面堆载：在隧道埋深0.37 D~0.2 D处做地面压重，不少于400 kN/m，压重范围为隧道投影范围。
Figure 4. Illustration of three types of anti-flotation measures for tunnels
图4. 三种隧道抗浮措施图示
4. GPST施工监测措施及结果分析
4.1. 地表变形监测措施
在盾构接收段加固区布设6个监测断面，如图5(a)所示，并沿隧道轴线每隔5 m布设一监测点。裸露地面直接用50 × 50 × 400 mm木桩直接打入地面，再在木桩顶顶入铁钉一根，铁钉露头约3 mm。硬化地面先采用取芯钻钻孔，而后用长约500 mm的螺纹钢筋打入地面，钢筋头需磨成半圆形。由于硬化路面层被破坏，如不进行防水处理会导致加速路面损害，需在每一个圆洞中填充适当的水泥砂浆，以防止地表水渗入路基。
Figure 5. (a) Laying of monitoring sections in the reinforcement region of the shield receiving section; (b) Buried monitoring point of ground surface settlement
图5. (a) 盾构接收段加固区监测断面布设；(b) 地表沉降监测点埋设
4.2. 地表变形监测结果分析
盾构穿越浅覆土、超浅覆土时地表变形特征曲线如图6所示。其中，225环位于浅覆土段，埋深0.7 D；284环位于超浅覆土段，埋深0.4 D，且此时未施作隧道抗浮措施。盾构穿越225环过程中(图6(a))，自切口到达后地表隆起量逐渐增大至14 mm，在盾尾即将脱出时隆起量达到峰值；盾尾脱出后，地表隆起逐渐恢复，约10天后(盾构继续向前推进约57 m)，地表几乎不存在残余变形，地表变形量控制较好。盾构穿越284环过程中(图6(b))，自切口到达后地表隆起量逐渐增大至50 mm，盾尾脱出后地表隆起逐渐恢复，地表残余隆起量约9 mm。上述规律说明在GPST盾构施工过程中，埋深0.7 D左右时，不需要做额外的抗浮措施，而当盾构推进至埋深为0.4 D左右时，需要抗浮措施对地表隆起进行控制，与3.3节措施较为匹配。
Figure 6. Ground surface deformation at Ring 225 (C/D = 0.7) and Ring 284 (C/D = 0.4)
图6. 225环(C/D = 0.7)与284环(C/D = 0.4)对应地表变形
盾构穿越接收段加固区时地表监测断面变形特征曲线如图7所示。盾构穿越半堂加固区引起的地表变形量仍较大(图7(a))，靠近隧道轴线处隆起量达到峰值后几乎不恢复，基本呈现轴线附近隆起位移大、远离轴线地表隆起位移小的规律。对比图6(b)所示未加固区域，半堂加固区的地表变形略有减小，说明半堂加固对盾构引起的地表变形有一定抑制作用。随着盾构机向前推进进入压重 + 半堂加固区后(图7(b)和图7(c))，开挖引起的地表变形量较半堂加固区减小。在压重 + 满堂加固区范围内(图7(d)~(f))，盾构推进引起的地表隆起值进一步减小。图7还呈现出埋深越小地表隆起越小的规律，说明GPST隧道在超浅埋至零覆土区间掘进过程中，仅施作半堂加固对地表变形的控制效果相对较小，半堂加固 + 压重措施可有效控制隧道上浮，进而控制对地表的扰动，减少地表变形，而满堂加固 + 压重措施控制效果最好。同时，隧道施工主要影响向上投影面范围内地面变形，投影面范围外的地面变形较小。
Figure 7. Ground surface deformation at the monitoring section during shield crossing of the reinforcement region in the receiving section
图7. 盾构穿越接收段加固区时监测断面地表变形
进一步分析盾构穿越过程中(即自刀盘切口到达监测环至盾尾离开监测环)加固区横向剖面地表沉降发现，盾构穿越半堂加固区域时(图8(a))，地表隆起近似槽形分布，而盾构穿越压重 + 半堂加固区和压重 + 满堂加固区时，地表隆起并不成槽(图8(b))。这是由于加固区横向剖面地表沉降既与盾构穿越扰动相关，也与地表压重情况、半堂/满堂加固情况相关，而压重和加固的不均匀性导致加固区横向剖面地表变形不成槽形分布，有别于Peck公式[13] [14]。
Figure 8. Ground surface deformation in the transverse profile of the reinforced region of the receiving section
图8. 接收段加固区横向剖面地表变形
5. 结论
本文以上海市龙水南路越江隧道新建工程为背景，针对GPST盾构施工中存在的上覆土过浅、管片上浮等工程难题，提出一系列GPST工法隧道接收段施工控制方法及监测措施，并分析地表变形监测结果。研究发现：
(1) 壳体注浆、同步注浆及土仓保压技术可有效控制盾构穿越浅覆土、超浅覆土及零覆土过程中对地层的扰动，需严格控制注浆量和注浆压力，并根据监测数据及时调整；
(2) 仅施作半堂加固对地表变形抑制效果较小，地面压重 + 满堂加固技术对控制GPST盾构接收段隧道上浮及地表变形作用效果最好，地面加固 + 半堂加固技术有一定的控制效果，盾构开挖过程中对地表变形的影响主要集中在盾构投影面内。
与传统盾构法相比，GPST工法由于无需施作工作井，可有效控制施工风险、减少工期、降低工程造价。GPST工法作为一种新兴施工方法，其有效性及工程适用性需通过实际工程进一步检验。本文通过有针对性的施工控制措施和有效的监测手段，成功解决了龙水南路越江隧道新建工程应用GPST工法过程中的重要施工难题，确保了施工的安全性和效果，监测结果验证了所采取措施的有效性。然而，本文提出的控制和监测方法仍在实时性方面存在局限性，希望通过进一步研究，实现控制效果的实时反馈与控制措施的实时调整，进一步降低GPST施工对地表变形的影响。此外，依托南线隧道施工数据分析结果，可为北线隧道盾构掘进参数优化提供指导，同时为类似工程提供了宝贵的经验和参考。