復雜地質盾構長距離下穿城市快速路隧道施工關鍵技術研究
——以杭州至富陽城際鐵路SGHF-11標為例

陳亮

（中鐵十六局集團有限公司，北京 100018）

0 引言

新建地鐵隧道下穿既有隧道的工程時有出現。新建隧道的工程施工會改變周圍土體狀態(tài)，引發(fā)一定范圍內的地基變化，使得既有隧道的結構承受一定的附加應力，甚至對既有隧道的運營和后期維護產生危害[1-4]。目前，有學者針對地鐵隧道鄰近施工問題開展研究。劉穎彬等[5]對雙圓隧道在前后兩次盾構下穿過程中的變形進行實測分析，并總結其變形特征與變化規(guī)律；朱紅霞[6]研究了在未進行加固的承壓水細粉細砂層中，近距離下穿既有隧道的施工和量測技術；楊春山等[7]采用有限元法模擬了近距離下穿盾構隧道的施工，得出了既有隧道在新建隧道動態(tài)掘進時的位移變化規(guī)律。

綜上，現有研究集中在采用數值模擬分析或監(jiān)測手段來研究新建隧道對既有隧道周圍土體及自身結構的主要影響區(qū)域和大小，而對諸如盾構進出口加固、分體始發(fā)、掘進換刀及“上軟下硬”的復雜地質條件對工程的不利影響等關鍵技術研究尚未完善。本文依托杭州至富陽城際鐵路SGHF-11標，對復雜地質下盾構長距離下穿隧道的施工關鍵技術進行研究，分析工程技術難點，并結合現有工程經驗和實際工程條件，提出相應可行的應對措施。

1 工程特點

1.1 工程概況

SGHF-11標施工內容包含受降站-高橋站區(qū)間風井、受降站～受-高區(qū)間風井盾構區(qū)間、高橋站-汽車北站區(qū)間盾構井、高-汽區(qū)間盾構井～汽車北站盾構區(qū)間的施工。地理位置示意見圖1、圖2。

圖1 受-高區(qū)間風井平面示意圖

圖2 受-高區(qū)間風井區(qū)間地理位置示意圖

1.2 兩隧道相對位置關系

6號隧道位于杭富線盾構區(qū)間隧道正上方（見圖2、圖3），地鐵盾構隧道于里程K16+479處進入6號隧道下方。

圖3 地鐵盾構隧道與6號隧道相對位置示意圖

1.3 工程地質條件復雜

受降站-高橋站區(qū)間土層從上向下依次為耕土及素填土、粉質黏土、全風化粉砂巖、強風化粉砂巖、中等風化粉砂巖，地質條件復雜，壓縮模量從上向下大致趨勢為上升，泊松比大致趨勢為下降，且底層中等風化粉砂巖的天然單軸抗壓強度（標準值）高達30.20MPa，呈現“上軟下硬”的地質特點（見表1），施工難度高，風險大。該區(qū)間承壓水主要分布于中下部的⑨4圓礫中，含水層總厚度較大。

表1 受-高區(qū)間各土層參數對比表

2 復雜地層盾構長距離下穿城市快速路隧道施工關鍵技術

2.1 盾構進出洞加固

2.1.1 重難點分析

在洞門鑿除和盾構機進出洞（見圖4）時，洞口周圍土體可能會伴隨地下水通過洞口涌入工作井，導致水土流失和地面沉陷，同時造成盾構進洞姿態(tài)突變、盾構出洞段軸線偏離等不良現象。因此，盾構進出洞加固是本標段的第一個重難點。

圖4 盾構進出洞示意圖

2.1.2 應對措施

1）將水平注漿加固工藝調整為豎向加固施工工藝，若設計不調整，須嚴格按設計要求完成進出段端頭加固，端頭井采用素樁+降水井+袖閥管注漿加固。

2）加固完成后檢驗加固效果，存在問題及時處理，以保證洞門加固體質量和完整性。做好洞門止水裝置，當盾構進出洞過程中出現漏水漏砂時，通過向洞門周圈預埋的應急注漿孔或盾構機的徑向注漿孔中灌注漿進行堵漏。

3）盾構機頭部靠上洞門后，盾構機前部基本位于加固體內，從盾尾1至2環(huán)管片的注漿孔向外層的土層中注入雙液漿，形成第一道環(huán)箍擋水。

4）洞門槽壁鑿除，在洞門鋼圈上焊接雙層彈簧鋼板，在洞門鋼圈外側安裝進洞裝置。

5）在洞圈上焊接一道特質盾尾刷，并嵌優(yōu)質盾尾油脂，進一步加強盾構進洞的安全性。

2.2 盾構分體始發(fā)

2.2.1 重難點分析

采用分體始發(fā)時，盾構整套設備應分階段下井，各階段下井對象、下井順序、掘進工藝以及放置地面的設備如何在狹窄的始發(fā)場地空間內合理布置，將影響盾構設備的有效始發(fā)[8]，因此，盾構的現場分體始發(fā)是本標段的第二個重難點。

2.2.2 應對措施

1）盾體和連接橋先行下井組裝，其余臺車放置在地面上，通過管路與井下連接，待盾構進洞滿足后續(xù)臺車下井的長度后，再一次性將地面上的臺車吊裝下井。待盾構進洞長度滿足要求（約90m）后，再將后配套連接上。

2）盾構始發(fā)期間負環(huán)管片只拼裝下部大三塊，上部采取支撐形式讓出吊裝口。

2.3 盾構掘進換刀

2.3.1 重難點分析

本標段受-高盾構區(qū)間具有區(qū)間線路長、工程地質復雜、室內飽和單軸抗壓強度高等特點。隨著施工進度的推進，刀具逐漸磨耗、破損。對刀具進行正確配置、及時更換才能使盾構高效地掘進，因此，在上述地層中掘進換刀是本工程的第三個重難點。

2.3.2 應對措施

1）施工前編制開倉換刀專項施工方案，根據區(qū)間地質及周邊環(huán)境情況，確定開倉檢查及更換刀具里程，必要時進行預處理。

2）盾構機始發(fā)前更換全部磨損刀具，與盾構刀具生產廠家就穿越地質及盾構機性能參數，優(yōu)化盾構刀具性能，提高刀具工效，減少刀具更換次數。

3）合理設置盾構施工各項推進參數，有效降低刀具磨損，減少換刀次數。

4）施工過程中加強監(jiān)測頻率，24小時現場進行監(jiān)測。對每日的監(jiān)測數據進行評估，及時判斷換刀是否安全。

2.4 盾構掘進對周邊環(huán)境的影響

2.4.1 重難點分析

盾構段線路出受降站后向西，沿320國道敷設到達區(qū)間風井。沿線依次下穿320國道，斜交、平行下穿快速路隧道，正面穿越快速路隧道圍護樁，下穿北渠，下穿杭富線出入段線。320國道地面交通繁忙，地下管線密布，因此，故盾構掘進對環(huán)境的影響應重視和處理。

2.4.2 應對措施

1）施工前，制定不良地質的預處理方案和穿越施工專項方案，并嚴格按照方案施工，在盾構機到達前建立試驗段，對推進參數進行相應優(yōu)化，穿越前對盾構機操作手進行詳細技術交底。

2）盾構機到達前，對盾構機及后配套設備進行檢修，保證設備性能良好，避免故障停機，確保平穩(wěn)、安全穿越。

3）詳細分析盾構段平縱斷面圖，結合地質補勘成果，了解前方遭遇地質的相關資料。

4）密切關注各項推進參數，必要時穿越前進行刀具檢查、更換，避免穿越時因刀具磨損停機。

5）加強地面監(jiān)測，建立完善的監(jiān)測網，及時反饋信息，必要時進行跟蹤注漿或二次補充注漿，保證地面建（構）筑物的結構安全。

2.5 盾構施工工期控制

2.5.1 重難點分析

現場結構尺寸有限，電瓶車無法正常編組，在結構內設置兩組電瓶車，1#為牽引車+漿液車+管片車，2#為牽引車+2臺渣土車，此方案需盾構掘進足夠長度（按照此編組方案約30m），滿足道岔安裝條件后實施，隧道較長，工期影響較大，因此，施工工期的控制是本工程的又一重點。

2.5.2 應對措施

1）盾構始發(fā)前，重點加強盾構機及后配套設備維保、檢修力度，為盾構施工有序、高效開展打下堅實基礎。

2）合理優(yōu)化盾構施工，科學組織，加強各工序之間銜接，提高工效。

3）重視盾構機始發(fā)掘進階段施工，盡快摸清掘進數據，同時通過平行施工單位的施工經驗及以往施工經驗，合理設置施工參數，以確保工期。

2.6 管片拼裝質量及隧道的滲漏水

2.6.1 重難點分析

盾構區(qū)間距離長，管片拼裝工作直接影響施工的外觀質量及隧道的滲漏水，管片在施工過程中經常發(fā)生錯臺、破碎及滲漏水等質量問題，因此，管片施工質量及隧道的滲漏水防治也是本工程的重點之一。

2.6.2 應對措施

加大管片的運輸保護，包括管片由管片廠到達施工場地的運輸，場地內的倒運，管片的下井，管片運送至盾構機內、盾構機內軌道梁和將管片吊裝至喂片機上的所有過程。對吊裝孔、管片表面、止水條和盾構機盾尾等部件進行清理。必須保證每環(huán)管片的第一片與上一環(huán)管片對位準確。

2.7 盾構區(qū)間“上軟下硬”地質條件

2.7.1 重難點分析

在“上軟下硬”地層中，盾構掘進緩慢，掘進方向易發(fā)生偏差，刀具磨損嚴重，施工風險較大，因此，如何處理“上軟下硬”的地質條件給盾構區(qū)間帶來的不利影響是本工程的難點之一。

2.7.2 應對措施

1）在“上軟下硬”地層中掘進，最關鍵的是選擇合適的刀盤轉速。對于軟巖部分，只需對掌子面進行切割即可破壞土層，而對于硬度較高的局部巖石，硬巖處刀盤的滾刀受力較大，局部硬巖對刀盤的損傷較大，應適當降低刀盤轉速。

2）在軟硬兼有的地質中，單純按照硬巖方式掘進會造成超挖和地表沉降，掘進時應在全土壓平衡模式下掘進。

3）為保護刀具，應根據實際情況參數值進行適當的調節(jié)，可降低刀盤扭矩，以減少刀具在連續(xù)工作時所受的沖擊力。

4）在“上軟下硬”地層中，土壓的保持非常重要。由于軟巖部分容易坍塌，而硬巖部分因硬度較高而不易切削，既要降低掘進速度來保護刀具，又要保持較高的土壓，從而確保掌子面的穩(wěn)定性。

2.8 聯絡通道的施工

2.8.1 重難點分析

聯絡通道處地質條件復雜，采用冷凍法進行聯絡通道施工時，預留的鋼管片尺寸大，會使土體發(fā)生擾動，破壞主隧道的穩(wěn)定，施工難度高、風險大，因此，如何做好土體加固，保持主隧道的穩(wěn)定，確保聯絡通道施工安全是本工程又一施工重難點。

2.8.2 應對措施

1）凍結法加固土體。水平地層凍結加固和開挖構筑的施工順序是施工準備、凍結孔施工、積極凍結、維護凍結和拆除凍結系統(tǒng)，其關鍵工序是凍結孔施工和凍結過程的監(jiān)測與控制。為了確保施工安全，在打第一個凍結孔時，應對主要地層鉆進過程的參數變化情況進行及時分析，對地質和水文情況進行檢查和監(jiān)測。

2）聯絡通道采用礦山法施工。重點是控制土體的穩(wěn)定，確保注漿堵水加固質量，避免大的變形和沉降。施工采用臺階法開挖，保證掌子面穩(wěn)定。采用人工開挖，臺階長度不宜過長，以3～5m進行控制。開挖后及時施做初期支護和臨時支護，盡早封閉端面，控制周圍地基的變形。待聯絡通道鋼筋砼達到設計強度后，再拆除隧道內臨時支撐點，擰緊特殊襯砌環(huán)內所有連接螺栓。

3 結論

杭州至富陽城際鐵路SGHF-11標工程地質復雜，新建盾構隧道易影響既有隧道的安全。本文在闡述該區(qū)域工程特點的基礎上，分析了盾構穿越過程中遇到的技術難點，提出了相應的處理措施，主要包括：

1）針對盾構進出洞時可能出現的水土流失和地面沉陷、盾構進洞姿態(tài)突變、盾構出洞段軸線偏離等問題，采取變水平注漿為豎向加固的施工工藝，形成兩道環(huán)箍擋水，加固完成后檢驗加固效果，洞圈加焊盾尾刷，并嵌優(yōu)質盾尾油脂，現場配備鋼封門裝置等方法，確保盾構進出洞的加固質量。

2）鑒于受-高區(qū)間線路長，穿越地質復雜，室內飽和單軸抗壓強度高等問題，提出施工前編制開倉換刀專項施工方案，優(yōu)化盾構刀具性能，提高刀具工效，減少刀具更換次數，合理設置盾構施工各推進參數，換刀作業(yè)嚴格按照施工流程操作，換刀完畢后按照刀具更換和刀盤修復表的要求對落實情況進行檢查，確保無工具和其他雜物遺留在土倉內等措施。

3）考慮到盾構施工易對繁忙的地面交通、密布的地下管線、隧道圍護樁的承載力等周邊環(huán)境產生影響，提出施工前制定不良地質的預處理方案和穿越施工專項方案，盾構機到達前，對盾構機及后配套設備進行檢修，保證設備性能良好，密切關注各推進參數，避免穿越時因刀具磨損停機，以及加強地面監(jiān)測，建立完善的監(jiān)測網等措施。

4）針對管片拼裝過程中易發(fā)生的錯臺，破碎及滲漏水等問題，采取對管片進行全過程的運輸保護，對管片和盾構機盾尾內進行清理，保證管片間的對位準確，按要求對螺栓進行三次復緊等措施。

5）針對高-汽區(qū)間兩個聯絡通道的冷凍法施工問題，提出加強檢測與控制凍結孔施工與凍結過程，對主要地層鉆進過程的參數變化情況、水文地質情況等進行及時分析和監(jiān)測，提高凍結施工質量標準，限制凍結孔向隧道內偏斜。

6）考慮到在“上軟下硬”地層中盾構掘進緩慢，掘進方向易偏差，施工風險較大，采取在局部硬巖中適當降低刀盤轉速，在軟硬兼有的地質下以全土壓平衡模式掘進，充分利用導向系統(tǒng)控制盾構機的掘進方向等措施。