滇池沉積層地質(zhì)條件下盾構(gòu)下穿昆明站施工技術

摘要：實踐中盾構(gòu)下穿火車站站場、股道施工風險高，控制站場、股道變形標準嚴。昆明地鐵1號線環(huán)城南路站～昆明火車站站區(qū)間盾構(gòu)下穿昆明站施工，施工中通過對盾構(gòu)下穿火車站站場、鐵路股道的風險調(diào)查分析，采用數(shù)值模擬分析研究不同條件下盾構(gòu)下穿站場、股道變形和受力的影響，造成地面沉降的機理，并進行對比分析，結(jié)合風險分析與數(shù)值分析結(jié)果，編制切實合理、可行的專項施工方案，針對性加強盾構(gòu)下穿站場、股道等的風險控制措施，加強盾構(gòu)施工中主控環(huán)節(jié)過程控制，有效控制了沉降，保證了施工安全，本文是對滇池沉積層地質(zhì)條件下盾構(gòu)下穿昆明站施工技術進行了初步探討和總結(jié)。

關鍵詞：滇池沉積層;昆明站;股道;站臺;盾構(gòu)施工;沉降控制

1.工程概況

昆明市主城區(qū)具有典型的滇池沉積層地質(zhì)特點，地層結(jié)構(gòu)特征多元化、軟硬不均、滲透性多樣、含水豐富且規(guī)律預見性差。昆明地鐵1號線環(huán)城南路站～昆明火車站站區(qū)間沿北京路走向，下穿昆明站，昆明站是云南省、昆明市重要交通門戶的特等站。區(qū)間隧道與昆明站成57°夾角，將盾構(gòu)下穿昆明站 12條股道、6個站臺，出站大廳以及昆明站眾多建（構(gòu)）筑物，總寬度約為183m，隧道結(jié)構(gòu)外輪廓覆土厚度14.587～9.17m。盾構(gòu)下穿昆明站地段地層主要為圓礫層、粉土粉砂層及粘土層，表層地下水類型為第四系孔隙潛水，賦存于第Ⅱ陸相層以下粉砂及粉土中的地下水為微承壓水，地下水豐富。下圖1為昆明地鐵盾構(gòu)下穿昆明站示意圖。

2.工程難點、風險點分析

（1）盾構(gòu)隧道施工對既有火車站的影響主要是引起的地表沉降，由此可能造成鐵路路基道床的不均勻沉降，兩股鋼軌之間的差異沉降、混凝土軌枕的失效或嚴重損傷，鋼軌接頭產(chǎn)生軌縫、錯牙、臺階和折角以及鋼軌的重傷或折斷等現(xiàn)象。當?shù)孛娌痪鶆虺吝_到一定變形值就會影響其正常使用，從而影響火車站線路的正常運營。

（2）列車在運行中，對路基土體產(chǎn)生的動應力沿深度逐漸衰減，衰減程度與土層的力學性質(zhì)以及列車動載大小等有關，一般認為動應力的影響深度約為4～7m，但當基床下部有構(gòu)筑物（出站通道、運輸通道）時，動應力的傳播將發(fā)生較大變化。盾構(gòu)施工引起線路下沉，導致線路不平順加大輪軌的沖擊力，使路基內(nèi)動應力加大，土體動荷載增加，影響地鐵隧道的安全。

（3）昆明站地處云南省省會城市昆明，具有規(guī)模大，作用突出，是承擔城市對外運輸窗口。盾構(gòu)施工下穿昆明站具有下穿長度長，下穿股道、站臺多，下穿建（構(gòu)）筑物多等特點。在下穿股道、站臺時往往要近距離側(cè)穿無柱雨棚樁基或下穿地下通道，施工同時需兼顧地面金屬網(wǎng)、管線、雨棚頂?shù)缺Ｗo，這些都增加了施工難度，加大施工風險。

（4）盾構(gòu)下穿昆明站線路長、范圍廣（包括12條股道、6個站臺、出站通道、出站大廳，側(cè)穿無柱雨棚、鐵路綜合大廈、站前高架等建（構(gòu)）筑物，總寬度約為284米），滇池沉積層地質(zhì)水文條件不斷變化，加大施工難度。

3.盾構(gòu)機下穿火車站前籌備工作

（1）在盾構(gòu)下穿鐵路前積極和鐵路部門進行溝通，編制切實可行的施工、監(jiān)測等方案，通過監(jiān)理、業(yè)主、鐵路部門的審查，并獲批準后實施。同時選用征得鐵路部門認可的專業(yè)監(jiān)測單位對施工整個過程進行全程監(jiān)控。與鐵路工務段等相關部門簽訂施工安全配合協(xié)議書。并指派培訓合格、責任心強、業(yè)務熟練的人員任現(xiàn)場安全巡視員，以保證鐵路線路等相關設備的安全。

（2）盾構(gòu)下穿火車站加固措施：

常規(guī)對火車站相關建（構(gòu)）筑物加固保護措施分以下幾種：

a對鐵路股道加固措施。加固措施方法有：地層加固措施、扣軌技術。

b對既有結(jié)構(gòu)物加固措施。加固措施方法有：結(jié)構(gòu)物加固、下部基礎加固及基礎托換。

c新建隧道與既有結(jié)構(gòu)物之間采取的措施。加固措施方法有：①盾構(gòu)隧道周圍地層加固;②既有結(jié)構(gòu)物基礎地層加固;③隔斷盾構(gòu)掘進地層應力與變形。

本工程因受場地、地面條件影響，未采用任何加固措施，

（3）、設置試驗段

根據(jù)盾構(gòu)下穿火車站鐵路段地層地質(zhì)情況，選擇合適地段作為盾構(gòu)下穿火車站鐵路模擬掘進地段，嚴格執(zhí)行方案設定參數(shù)，試驗段設置兩處24小時監(jiān)測點，進行不間斷監(jiān)測，對掘進參數(shù)及地面沉降情況進行統(tǒng)計分析，預測盾構(gòu)過火車站鐵路軌道區(qū)可能出現(xiàn)的沉降大小，以檢驗所制定的盾構(gòu)下穿火車站整體參數(shù)，為安全通過火車站提供保障。

（4）、對既有線路進行幾何尺寸整正作業(yè)

盾構(gòu)下穿前要求工務段對既有線路進行幾何尺寸整正作業(yè)，達到理想幾何尺寸。整道范圍為隧道中線兩側(cè)25m（在火車站內(nèi)標注左右線隧道中心線）。整道標準為水平偏差2mm，整道過程中取消原有墊片（利于盾構(gòu)穿越時沉降超標，采取加墊片起道措施）。線路整正后測量采集原始數(shù)據(jù)指導施工。

4盾構(gòu)下穿火車站施工控制措施

4.1盾構(gòu)下穿火車站施工總體原則

做好盾構(gòu)掘進的施工管理，加強盾構(gòu)施工參數(shù)優(yōu)化是防止地面沉降的最基本的措施，也是最有效的措施。具體來說，為控制地面沉降，盾構(gòu)下穿鐵路段時掘進參數(shù)選擇遵循原則：

1）、保土壓、控出土，為我部下穿昆明站控制的核心參數(shù)，合理選擇土壓力和控制出土量，以減小第一和第二階段沉降。

2）、低擾動，控制總推力和刀盤扭矩，減小對周圍地層擾動。

3）、合理選擇推進速度，減小穿越段沉降。

4）、勤注漿，及時填補盾尾間隙，減小盾構(gòu)通過后盾尾土體應力釋放造成的沉降。

4.2嚴格控制土壓力

在施工中嚴格管理，使實際土壓略大于計算值。根據(jù)地面沉降的結(jié)果來實時調(diào)整土壓力，計算過程中的各種參數(shù)、安全系數(shù)，使得將土壓在盾構(gòu)掘進過程中控制在合理范圍內(nèi)。鑒于過昆明站站場前后地層分布較為連續(xù)，在盾構(gòu)穿越火車站站場前50m范圍內(nèi)設置兩組沉降觀測點，通過第一組數(shù)據(jù)得到盾構(gòu)通過后的地層沉降變化情況，初步確定盾構(gòu)掘進各項參數(shù)：通過第二組數(shù)據(jù)來驗證盾構(gòu)掘進各項參數(shù)，以便進一步調(diào)整和修正參數(shù)。盾構(gòu)掘進過程中土壓實際應控制在什么范圍內(nèi)，需要根據(jù)地面測量觀測結(jié)果及現(xiàn)場實際情況及時調(diào)整。

4.3 推進速度及總推力

根據(jù)盾構(gòu)機設計參數(shù)、施工地質(zhì)狀況、參考以往盾構(gòu)施工經(jīng)驗，盾構(gòu)下穿鐵路段掘進速度控制在20 mm /min～30 mm /min左右，總推力控制在10000 kN～15000 kN，扭矩1800 kN/m～2 200 kN/m，可根據(jù)具體掘進情況適當調(diào)整。如果出現(xiàn)總推力大而影響推進速度時，采取相應減小推力措施。推進過程中保持穩(wěn)定，實際施工每日推進8環(huán)～10環(huán)，且保持連續(xù)均衡推進，左右先盾構(gòu)下穿火車站軌道、站臺在半個月內(nèi)順利通過。

4.4保證開挖面穩(wěn)定

由于在隧道施工過程中盾構(gòu)穿越的土層復雜，容易出現(xiàn)粘性土附著在刀盤上致使刀盤扭矩增大，或土體進入土倉后被壓密固化，形成開挖、排土很難達到平衡的狀況，針對這種情況，向刀盤前方土體注入泡沫，在增大土體流動性的同時，降低其附著力，防止開挖土附著在刀頭和土倉內(nèi)壁;同時利用刀盤輻條上的攪拌翼將泡沫和切削下來的土體加以攪拌，使之充分混合，變得較為蓬松，增大可排性，從而使開挖土量和排土量保持平衡，保證開挖面的穩(wěn)定，減少地層擾動

4.5嚴格控制注漿施工

盾構(gòu)施工引起的建筑空隙、地層損失和盾構(gòu)隧道周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結(jié)，是導致地表沉降的主要因素。注漿作為盾構(gòu)施工的一個關鍵工序，必須嚴格按“確保注漿壓力，兼顧注漿量”的雙重保障原則，緊密結(jié)合施工監(jiān)控量測的反饋信息，不斷優(yōu)化注漿壓力的設定，保證注漿量一定要超過理論計算值，實際平均注漿量的合理范圍內(nèi)波動。

盾構(gòu)隧道主要通過均布在盾殼體的4根同步注漿管來控制地表沉降。

同步注漿漿液采用活性漿液，水泥砂漿基準配合比如下表所示，該漿液凝膠時間短，以便在填充地層的同時能盡早獲得漿液固結(jié)體強度，保證開挖面安全并防止漏漿;并確保不液化。

表1水泥砂漿材料用量表（kg/m³）

同步注漿漿液性能指標

注漿壓力為0.3～0.5MPa左右，并根據(jù)盾構(gòu)推進速度控制注漿量，實際注漿量采用理論值的150%～200%。

隧道在推進過程中，注漿量應根據(jù)不同的地質(zhì)情況和地表隆陷監(jiān)測情況進行調(diào)整和動態(tài)管理。一般情況下以滿足控制地表隆陷為原則，以控制地表稍微向上隆起2～3mm為宜。

同步注漿和盾構(gòu)推進保持同步，即在盾構(gòu)機推進的同時進行注漿，推進停止后，注漿也相應停止，注漿壓入的時間應控制在盾尾脫離管片時為宜。

根據(jù)地面沉降的變化，進行二次壓漿，以彌補同步注漿的不足，二次壓漿在管片出盾尾4環(huán)后進行，采用速凝漿液，注漿壓力為不大于0.5MPa。施工中對壓漿位置、壓入量、壓力值做詳細記錄，并根據(jù)地層變形監(jiān)測信息及時調(diào)整。

4.6盾構(gòu)施工軸線控制

在盾構(gòu)機進入穿越區(qū)之前，盡量將盾構(gòu)機的姿態(tài)調(diào)整至最佳，減少盾構(gòu)糾偏。盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)機操作人員須嚴格執(zhí)行指令，嚴格執(zhí)行“勤糾偏、小糾偏”的原則，嚴禁大幅度糾偏，并控制每次糾偏的量，盾構(gòu)機一次糾偏量不宜過大，以減少對地層的擾動，加強管片拼裝質(zhì)量控制。

4.7實時監(jiān)測、信息化管理

盾構(gòu)下穿期間要加強監(jiān)測頻率，測得監(jiān)測數(shù)據(jù)后，要及時進行整理，繪制位移隨時間或空間的變化曲線圖，實施時，多采用位移——空間曲線，即監(jiān)測結(jié)果隨工作而與洞土跨度比值的關系散點圖。在取得足夠的數(shù)據(jù)后，還應根據(jù)散點圖的數(shù)據(jù)分部狀況，選擇合適的函數(shù)，對監(jiān)測結(jié)果進行回歸分析，以預測該測點可能出現(xiàn)的最終位移值。全部監(jiān)測數(shù)據(jù)均由計算機管理。

監(jiān)測負責人對每次監(jiān)測數(shù)據(jù)及時進行整理分析，并將分析結(jié)果以書面形式向施工組織領導小組匯報，做出評判，并將評判結(jié)果向盾構(gòu)下穿昆明站時施工協(xié)調(diào)六方小組通報。若遇監(jiān)測值達到預警值或危險值時，組織施工協(xié)調(diào)六方小組召開專題會，分析原因，制定對策措施，以保證施工安全。

在施工過程中實時監(jiān)測站場、建（構(gòu)）筑物、鐵路道床、軌枕、鐵軌等鐵路設施的變形的監(jiān)測，做到依據(jù)地面監(jiān)測數(shù)據(jù)指導施工，及時調(diào)整盾構(gòu)施工各項參數(shù)，確保在過昆明站時盾構(gòu)機連續(xù)、平穩(wěn)的通過，使地面沉降保持在最小狀態(tài)，滿足管理部門的要求。此外，尚應制定詳細有效地應急搶險預案，以應對可能發(fā)生的突發(fā)情況進行準備，保證能在沉降達到警戒值后保持暢通有序的信息溝通渠道及命令發(fā)布途徑，能迅速將現(xiàn)場情況反饋給相關部門，以便在第一時間采取相關應急措施進行工程搶險，確保鐵路運輸安全，阻止險情的進一步擴大。

4.8插管注漿施工措施

為確保鐵路股道及地面建（構(gòu)）筑物安全穩(wěn)定，盾構(gòu)機通過后，及時采用洞內(nèi)注漿的方式對土體進行加固，提高土體承載力和整體性，同時有利于控制隧道長期運營引起的洞周土體變形和沉降。注漿加固范圍：下穿列車股道范圍右IDK13+857.552～右IDK13+900.000與下穿地下出站大廳段右IDK13+766.600～右IDK13+857.552，采用增設注漿孔管片，注漿利用每環(huán)管片預留的16個注漿孔進行插管注漿，采用速凝雙液漿，注漿管采用￠27鋼花管，t=3.5mm，進行注漿加固穩(wěn)定土體，防止二次沉降。見圖2盾構(gòu)下穿昆明站插管注漿范圍圖。

5結(jié)束語

針對滇池沉積層地質(zhì)條件下盾構(gòu)下穿昆明站這一施工難點，成立專項課題研究小組。同時，在盾構(gòu)穿越昆明站前積極和鐵路部門進行溝通，編制切實可行的施工、監(jiān)測等方案，與鐵路各相關部門簽訂施工安全配合協(xié)議書。其次，制定科學合理的盾構(gòu)掘進參數(shù)，把控制地面沉降主要手段的同步注漿和二次注漿作為盾構(gòu)施工管理的重點，確保注漿及時、管片壁后注漿飽滿，并根據(jù)地面沉降情況適時采取二次注漿及徑向補壓漿。最為關鍵的是，盾構(gòu)穿越正在使用的鐵路線時，為防止盾構(gòu)施工引起軌道較大不均勻沉降，施工期間一直對地表沉降進行嚴密監(jiān)測，通過合理的監(jiān)測設計、及時監(jiān)測，隨時掌握軌道及周邊地表沉降變化規(guī)律、發(fā)展趨勢，及時指導調(diào)整盾構(gòu)掘進參數(shù)，從而使盾構(gòu)安全順利地穿越昆明站站場。該區(qū)間左右線兩臺盾構(gòu)機分別于2012年11月1日和12月17日，成功下穿昆明站12條股道、6個站臺，由于施工期間良好的技術控制，最終將鐵路路基、路軌隆沉量控制在了較小的范圍，最大監(jiān)測點累計沉降僅為-4.5毫米，未超出了10毫米的沉降控制標準，確保了昆明站的安全運營。本文結(jié)合滇池沉積層地質(zhì)條件下盾構(gòu)下穿昆明站這一具體案例，對風險分析，施工方法、措施加以研究、總結(jié)，為昆明滇池沉積層地質(zhì)條件下后續(xù)地鐵建設提供借鑒。

參考文獻：

[1]《昆明地鐵小角度近距離立體交叉盾構(gòu)技術》楊公正.西南交通大學出版社.2013.11.ISBN編號：978-7-5643-2663-0