地鐵盾構(gòu)施工穿越工程難點分析及相應(yīng)措施

崔廣芹 張成志 張航 王迪 張正 賀睿

1.內(nèi)蒙古科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院 包頭014017

2.中國建筑第四工程局有限公司 佛山510700

引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，各大城市的地鐵建設(shè)也日益增加。截至2020 年底，我國內(nèi)地累計有40 個城市開通城軌交通運營，運營線路達(dá)7978.19km［1］，其中地鐵6302.79km，占比79.00%，占主導(dǎo)地位［2］。有時城市多條線路同時施工，多條盾構(gòu)隧道并行施工穿越既有建筑物，這難免會對周圍建筑物造成影響。盡管我國在盾構(gòu)法方面有著大量的實際工程經(jīng)驗和理論知識［3］，但是，水文地質(zhì)的不確定性和差異性，施工附近環(huán)境復(fù)雜性等因素的影響［4］，導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)穿越新舊建筑物地表以下會遇到各種各樣問題。其次，我國地下空間還處于高速發(fā)展階段，有一部分城市在發(fā)展前期未能確保落實地下空間發(fā)展規(guī)劃［5］，前期建設(shè)的工程對后續(xù)工程項目的施工帶來不必要的難點。再有，我國對于小轉(zhuǎn)彎半徑曲線盾構(gòu)的研究還只限于技術(shù)方面，在復(fù)雜環(huán)境下小轉(zhuǎn)彎半徑曲線施工土層受力特征的研究還很少［6］。

地鐵盾構(gòu)施工中經(jīng)常會因為地質(zhì)狀況、已有工程和地表建筑物等因素的差異，遇到各種各樣的工程難題。本文對佛山市地鐵三號線工程的難點和應(yīng)對措施進(jìn)行歸納總結(jié)，為同類型的盾構(gòu)穿越工程難點提供參照分析和相應(yīng)措施，對于提升地下工程建設(shè)技術(shù)水平、保障施工安全與環(huán)境安全具有重要意義和參考價值。

1 工程背景

1.1 工程概況

佛山市城市軌道交通三號線南海廣場站～疊滘站區(qū)間（以下簡稱“南疊區(qū)間”）采用盾構(gòu)法施工，左線起止里程ZDK54+018.305～ZDK55 +718.263，長1683.549m（短鏈16.409m），采用中船重裝53 號土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工。右線起止里程YDK54+018.305～YDK55 +718.263，長1699.958m，采用中船重裝52 號土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工。南疊區(qū)間左右線均從南海廣場站大里程段始發(fā)，在疊滘站小里程段接收，左線先始發(fā)。隧道拱頂覆土10.2m～36.5m。

南疊區(qū)間線路首先沿南海大道向北敷設(shè)，穿越基坑錨索區(qū)（右線），下穿人行天橋，而后線路往西北方向逐漸在豎向上拉開距離，變?yōu)榀B線（左線在下右線在上），最后沿著海三路向西敷設(shè)到達(dá)疊滘站。疊線里程段為DK54 +940～DK55+718.263，長度約780m。南疊區(qū)間線路與建筑物平面示意如圖1 所示。南疊區(qū)間共設(shè)置2 處聯(lián)絡(luò)通道，2 處獨立廢水泵房，其中，1 號聯(lián)絡(luò)通道里程為YDK54 +586，2 號豎向聯(lián)絡(luò)通道里程為YDK55 +129，左線獨立廢水泵房里程為ZDK54 +937.000，右線獨立廢水泵房里程為YDK54 +677.504。

圖1 南海廣場站～疊站區(qū)間平面示意Fig.1 Schematic plan from Nanhai square station to Diejiao station

1.2 氣候特征與地質(zhì)條件

佛山主要氣象災(zāi)害中對地鐵施工影響較大的為臺風(fēng)、暴雨等，這些氣候現(xiàn)象會增加盾構(gòu)施工洪澇災(zāi)害的風(fēng)險，導(dǎo)致涌砂、滲漏甚至是塌方等問題，增加了地鐵施工的難度。

南疊區(qū)間地下水水位埋藏變化較小，主要為第四系松散孔隙水及基巖裂隙水，地下水位普遍較淺，實測鉆孔靜止水位埋深一般為0.65m～4.60m，平均埋深為2.39m，高程為-2.40m～2.32m，平均高程為-0.06m。

2 穿越工程難點

2.1 南疊區(qū)間下穿復(fù)雜密集建筑群

南疊區(qū)間下穿人行天橋、工廠綜合樓、廠房建筑群、麗雅苑球場、擬開發(fā)場地以及商品住宅區(qū)等，建筑物結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)形式多樣、復(fù)雜，且隧道拱頂離建筑物基坑樁端較近，最小豎向凈距為3.7m，施工難度較大。

應(yīng)對措施：

（1）施工前詳細(xì)調(diào)查南疊區(qū)間建筑物結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)形式，事先進(jìn)行留置影像及評估、備案，必要時請有資質(zhì)的鑒定單位進(jìn)行鑒定。

（2）施工前在建筑物周邊地面及建筑結(jié)構(gòu)上布置監(jiān)測點，及時了解建筑物變形情況，動態(tài)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，做到信息化施工。

（3）在建筑物周邊預(yù)埋袖閥管，變形超標(biāo)時及時注漿，控制變形進(jìn)一步發(fā)展。

（4）加強(qiáng)土壓平衡控制，確保土倉壓力平衡穩(wěn)定，加強(qiáng)同步注漿，控制漿液初凝時間在4h～6h，并及時補(bǔ)充注漿，同時，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)反饋及時調(diào)整優(yōu)化施工參數(shù)，避免建筑物發(fā)生不均勻沉降。

（5）根據(jù)地表及建筑物監(jiān)測情況，選擇是否需要通過盾構(gòu)機(jī)的徑向孔往地層里注入惰性濃漿。

2.2 穿越基坑錨索區(qū)

建筑物的上部結(jié)構(gòu)已施工完成并投入使用，基坑已回填，建筑物基坑支護(hù)錨索3 道，長度分別為34m、33m、30m，入射角30°，右線區(qū)間約130m范圍，第二、三道錨索侵入隧道范圍（考慮到±5°施工誤差），如圖2 所示。必須在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前處理妥當(dāng)，否則將會影響推進(jìn)速度。首先，錨索纏住盾構(gòu)刀盤，引起盾構(gòu)機(jī)推力加大，刀盤扭矩增大，土體內(nèi)部應(yīng)力不穩(wěn)定，從而造成管線和地面變形，更嚴(yán)重的會損壞盾構(gòu)機(jī)，造成較大經(jīng)濟(jì)損失。其次錨索不便大面積地面處理，一旦纏住螺旋輸送機(jī)，進(jìn)而無法順利運出土渣。

應(yīng)對措施：

（1）盾構(gòu)施工前，采用φ1200@1000mm旋挖樁絞斷錨索，并設(shè)置盾構(gòu)開倉點。

（2）盾構(gòu)到達(dá)錨索區(qū)前對設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)檢查，確保設(shè)備完好。

（3）盾構(gòu)掘進(jìn)過程中合理控制參數(shù)：①速度不宜過快，控制在10mm/min 左右；②推力應(yīng)適當(dāng)提高，但不應(yīng)過高，總體上與正常段掘進(jìn)相差不應(yīng)過大；③扭矩不易過大，控制在2000kN·m～2500kN·m；④轉(zhuǎn)速設(shè)定在1.0r/min；④錨索段掘進(jìn)時土倉壓力較正常段低0.2bar；⑤保證足夠的同步注漿量及合理的注漿壓力，注漿量7m3/環(huán)，注漿壓力2.5bar～3bar。

（4）加密地表加測點及監(jiān)測頻率，及時反饋數(shù)據(jù)。

（5）做好各環(huán)掘進(jìn)參數(shù)的統(tǒng)計與分析，根據(jù)參數(shù)情況判別是否進(jìn)行開倉檢查刀具、清除錨索。

（6）掘進(jìn)過程中，加密對土倉壓力的設(shè)置、觀測，因拽拉、切割錨索勢必會對地層的擾動、松動，可能出現(xiàn)土倉泄壓情況。因此，如遇此種情況可以向土倉內(nèi)注入一定量的膨潤土泥漿，適當(dāng)增設(shè)土倉壓力，同時加強(qiáng)對地面巡視巡查。

左線區(qū)間在平面上已經(jīng)避開錨索，右線區(qū)間與錨索沖突段在盾構(gòu)施工前采用旋挖樁絞斷錨索。在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，依據(jù)參數(shù)判斷是否遇到錨索段，在采取地層加固等措施后，開倉檢查盾構(gòu)機(jī)刀具的損傷，并將絞斷的長約5m 的錨索清理出倉。

2.3 小半徑圓曲線盾構(gòu)掘進(jìn)施工

南疊區(qū)間左右線最小圓曲線半徑分別為350m、360m，屬于小半徑圓曲線，而該區(qū)間所用的中船重裝盾構(gòu)機(jī)設(shè)計最小轉(zhuǎn)彎半徑為400m。直線區(qū)段和轉(zhuǎn)彎區(qū)段連接處土體會受到較大的擾動，極易發(fā)生土體失穩(wěn)。其次盾構(gòu)尾部同步注漿處，土體也易受力不均失穩(wěn)變形。

應(yīng)對措施：

（1）把控盾構(gòu)掘進(jìn)方向，提前使盾構(gòu)機(jī)有向右轉(zhuǎn)彎的趨勢。

（2）掘進(jìn)過程中嚴(yán)格參數(shù)控制，速度不宜過快，勻速掘進(jìn)，合理控制推進(jìn)油缸及鉸接系統(tǒng)。

（3）量測盾尾間隙，合理選擇管片拼裝點位。

（4）及時復(fù)測管片姿態(tài)，根據(jù)復(fù)測數(shù)據(jù)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)。

盾構(gòu)施工時難免會對地表建筑物和既有交通線路造成不利影響，在城市中心區(qū)需要采取小半徑轉(zhuǎn)彎來避開建筑物密集區(qū)。由于受到盾構(gòu)機(jī)設(shè)備的限制，轉(zhuǎn)彎半徑不能太小，否則也會引起管片開裂滲漏等問題。佛山地鐵3 號線工程左右線分別采用中船重裝53 號和52 號土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)中間的鉸鏈裝置減小了固定段長度，可以很好地控制曲線隧道的施工曲線以及糾偏靈敏度，減少土體擾動。

小半徑圓曲線盾構(gòu)施工中，應(yīng)當(dāng)時刻控制好推進(jìn)速度、糾偏量、泥水壓力和注漿量等參數(shù)，對于管片與盾尾間隙應(yīng)當(dāng)設(shè)置一定的預(yù)偏量，對螺栓進(jìn)行復(fù)緊等，盡可能減少小半徑施工困難的影響。

2.4 盾構(gòu)穿越2 號豎向聯(lián)絡(luò)通道

聯(lián)絡(luò)通道是聯(lián)通地鐵上行與下行區(qū)間的意外逃生通道，因設(shè)置在區(qū)間最低點，故施工的風(fēng)險高。南疊區(qū)間2 號豎向聯(lián)絡(luò)通道采用明挖順筑法施工，圍護(hù)結(jié)構(gòu)為地連墻+環(huán)框梁形式，基坑深41.6m，此處左右線隧道為上下重疊隧道（左線在下，右線在上），隧道間豎向凈距3.8m。

施工工序為：施做2 號聯(lián)絡(luò)通道圍護(hù)結(jié)構(gòu)→基坑開挖→施做底板及部分側(cè)墻→施工主體結(jié)構(gòu)上方臨時側(cè)墻→基坑內(nèi)填砂（填至右線隧道拱頂以上4m）→盾構(gòu)過站，拼裝混凝土管片（左右線）→清砂，拆除管片（區(qū)間雙線貫通后進(jìn)行）→施做內(nèi)部結(jié)構(gòu)→封閉頂板→基坑回填，為相關(guān)施工示意如圖3 所示。

圖3 2 號聯(lián)絡(luò)通道施工工序示意Fig.3 Schematic diagram for construction process of No.2 connecting passage

應(yīng)對措施：

（1）盾構(gòu)穿越前，務(wù)必做好2號聯(lián)絡(luò)通道東西兩側(cè)的端頭加固，加固方式為水泥攪拌樁+雙管旋噴樁。加固完成后，鉆孔抽芯檢測其加固效果。

（2）盾構(gòu)到達(dá)2 號聯(lián)絡(luò)通道前100m 必須做好盾構(gòu)姿態(tài)控制，根據(jù)實測洞門位置進(jìn)行調(diào)整、糾偏，確保盾構(gòu)機(jī)準(zhǔn)確穿越2 號聯(lián)絡(luò)通道東西兩側(cè)洞門。

（3）加強(qiáng)同步及二次注漿。盾構(gòu)穿越2 號聯(lián)絡(luò)通道時，站外10 環(huán)、站內(nèi)2 環(huán)加強(qiáng)同步注漿（7～8m3/環(huán)）以達(dá)到止水目的，同時采用雙液補(bǔ)充注漿技術(shù)，加寬止水范圍。

（4）嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，以小推力、低轉(zhuǎn)速、低貫入度切削地連墻。

（5）加強(qiáng)地表、圍護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊建筑物的監(jiān)測。盾構(gòu)掘進(jìn)2 號聯(lián)絡(luò)通道里程段時，需選擇合適的管片拼裝點位（最好將管片K 塊拼裝在1 點或11 點位置），以方便后期管片拆除。

其中對2 號聯(lián)絡(luò)通道兩側(cè)的端頭，采用水泥攪拌樁+雙管旋噴樁的方法進(jìn)行加固，加固至不透水層。所采用的施工工藝有一定的改進(jìn)，要求攪拌樁的垂直偏差不超過1%，樁位偏差不大于50mm，提升速度控制為0.5m/min，重復(fù)攪拌提升速度在0.8m/min～1.0m/min，停漿面標(biāo)高應(yīng)高于設(shè)計標(biāo)高0.5m。旋噴樁要求水泥漿液壓力大于30MPa，注漿采用42.5 級以上的普通硅酸鹽水泥。端頭加固設(shè)置有兩處降水井，降水井深度在隧道地下1m 范圍內(nèi)。加固效果具有良好的工程適宜性。

2.5 盾構(gòu)疊線施工

南疊區(qū)間近疊滘站約780m 隧道上下交疊，左右線隧道豎向凈距最小為2.4m～3m，小于0.5 倍盾構(gòu)直徑，如圖4 所示，屬于小凈距隧道施工，施工難度大，其施工質(zhì)量對整個工程質(zhì)量有著重要的影響地位。

圖4 南海廣場站～疊站區(qū)間疊線段縱斷面示意Fig.4 Vertical section of overlapping section from Nanhai square station to Diejiao station

應(yīng)對措施：

（1）采用先下后上（先左線后右線）施工順序。

（2）嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)，對盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度、土倉壓力、出渣量和注漿壓力等嚴(yán)格控制，加強(qiáng)掘削面的穩(wěn)定控制技術(shù)。

（3）對既有隧道加強(qiáng)監(jiān)測，做好地表監(jiān)控量測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果調(diào)整盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)速度、掘進(jìn)參數(shù)以及加強(qiáng)注漿技術(shù)，確保加固區(qū)地表沉降控制在允許范圍內(nèi)。

（4）對砂質(zhì)夾層進(jìn)行洞內(nèi)注漿加固處理。

（5）在下方先施工完成隧道內(nèi)假設(shè)鋼支撐，以控制地層和隧道變形。

（6）盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，加強(qiáng)對管線的監(jiān)測，尤其是右線盾構(gòu)掘進(jìn)時，嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)并加密管線監(jiān)測點、提高監(jiān)測頻率，避免盾構(gòu)對土層的二次擾動而出現(xiàn)沉降疊加。

（7）端頭處地層性質(zhì)較差，特別是右線到達(dá)端頭均為砂層，因此務(wù)必嚴(yán)格控制端頭加固施工，提高施工質(zhì)量，并對加固效果進(jìn)行鉆孔取芯及水平探孔檢測。

2.6 富水砂層掘進(jìn)施工

南疊區(qū)間右線近疊滘站段約有200m隧道洞身地層為淤泥質(zhì)中粗砂和淤泥質(zhì)粉細(xì)砂，此段隧道拱頂埋深10m～15m。土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在此段掘進(jìn)時對周邊土體擾動較大，沉降控制較難。

應(yīng)對措施：

（1）嚴(yán)格控制掘進(jìn)參數(shù)，尤其是土倉壓力設(shè)置、同步注漿及渣土改良的控制；渣土改良能提高土倉內(nèi)渣土的抗?jié)B透能力避免掌子面失水而產(chǎn)生地面沉降；降低土倉內(nèi)渣土及掌子面土體的內(nèi)摩擦角，降低刀盤扭矩；提高渣土可塑性。

（2）嚴(yán)格管片拼裝質(zhì)量，防止因錯臺而產(chǎn)生漏水。

（3）加強(qiáng)對滲漏管片處的二次補(bǔ)注漿，防止地面沉降發(fā)生。

（4）加密地表監(jiān)測點及其監(jiān)測頻率。

（5）做好應(yīng)急預(yù)案，提前儲備應(yīng)急設(shè)備及物資（注漿機(jī)、水泥、水玻璃等）。

2.7 地層噴涌

南疊區(qū)間隧道洞身范圍內(nèi)地層主要為中風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖和微風(fēng)化砂巖，部分地段穿越中粗砂。地下水主要為第四系松散孔隙水及基巖裂隙水，地下水位普遍較淺，實測鉆孔靜止水位埋深一般為0.65m～4.6m，平均埋深為2.39m。由于地下裂隙水發(fā)育，盾構(gòu)在該地層掘進(jìn)中易發(fā)生噴涌現(xiàn)象。

應(yīng)對措施：

（1）利用現(xiàn)有設(shè)備針對防噴涌作了三方面的針對性設(shè)計：第一，螺旋機(jī)前部設(shè)置前閘門，當(dāng)出現(xiàn)緊急情況時可迅速關(guān)閉前閘門；第二，在出土口設(shè)置2 個閘門，交替開啟以降低噴涌壓力；第三，預(yù)留聚合物注入接口，必要時可向螺旋機(jī)內(nèi)及土艙底部注入聚合物，以團(tuán)絮化泥漿，緩解噴渣壓力。

（2）可向土倉加注高分子聚合物，提高土倉渣土黏稠度，提升流塑性防噴涌、防涌水。

（3）若出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，立即關(guān)閉螺旋輸送機(jī)的后門，適當(dāng)向前掘進(jìn)，使土倉內(nèi)建立平衡通過刀盤的轉(zhuǎn)動，將土倉內(nèi)的土體攪拌均勻。然后才將螺旋輸送機(jī)的后門慢慢打開，開門度為30%，邊掘邊出土，始終保持土倉內(nèi)壓力穩(wěn)定。

（4）在噴涌發(fā)生地段，應(yīng)對土倉內(nèi)水的來源進(jìn)行判定。一般分為掌子面來水及盾構(gòu)機(jī)機(jī)后來水，掌子面來水可通過增加土倉內(nèi)土含量，減少氣量，采用土壓平衡模式掘進(jìn)，用較高的水土壓力，減少掌子面涌水量；盾構(gòu)機(jī)機(jī)后來水，通過二次注漿，將管片與土體間間隙進(jìn)行填充封閉，減少機(jī)后來水量。

（5）做好盾構(gòu)機(jī)及后配套設(shè)備的保障后勤工作，減少非正常停機(jī)時間，保持連續(xù)快速推進(jìn)，不能因盾構(gòu)機(jī)后配套設(shè)備故障而影響掘進(jìn)。

（6）加強(qiáng)對管片背后注漿情況檢查，如果管片背后漿液凝固效果較差，注漿不充分。應(yīng)加強(qiáng)二次注漿作業(yè)，以便盡快封堵隧道背后的匯水通道。

2.8 管片上浮

南疊區(qū)間左右線隧道掘進(jìn)地層主要為：中風(fēng)化砂巖、強(qiáng)風(fēng)化砂巖和微風(fēng)化砂巖。盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，隧道的成型質(zhì)量較好，圍巖沉降量相對較小，均在可控范圍內(nèi)。由于開挖輪廓與成型管片外輪廓間的盾尾間隙的存在，當(dāng)同步注漿漿液低強(qiáng)度或未及時填充該間隙時，無法對成型管片提供有效的約束作用，相反會使管片懸浮于同步注漿漿液中，必然會使管片產(chǎn)生上浮。

應(yīng)對措施：

（1）選擇合適的同步注漿漿液及方法。如調(diào)整注漿部位、注漿量、配制快凝及提高早期強(qiáng)度的漿液等。

（2）加強(qiáng)管片及盾構(gòu)姿態(tài)的測量工作，及時復(fù)核導(dǎo)向系統(tǒng)顯示姿態(tài)與實際人工測量姿態(tài)是否一致，管片姿態(tài)是否預(yù)警，以指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整。

（3）垂直姿態(tài)控制在-20mm～-30mm，抵消管片垂直上浮量。

（4）在掘進(jìn)過程中多次進(jìn)行螺栓復(fù)緊，保證管片整體性，適當(dāng)增加土倉壓力，使管片擠緊，更有利于管片螺旋的連接復(fù)緊。

（5）利用臺車上的二次注漿設(shè)備，加強(qiáng)二次注漿頻率，在上浮嚴(yán)重區(qū)段，進(jìn)行環(huán)環(huán)二次注漿施工。

3 結(jié)語

南海廣場站～疊滘站區(qū)間盾構(gòu)法挖掘隧道工程具有復(fù)合地層條件下，城市建成區(qū)地下工程建設(shè)風(fēng)險的典型特征，對該工程施工中相應(yīng)的措施與經(jīng)驗的分析和總結(jié)，可以為同類型的地鐵盾構(gòu)隧道提供參照。關(guān)于地鐵盾構(gòu)隧道在施工中遇到的難點及相應(yīng)的措施，應(yīng)具體問題具體分析。施工過程中對襯砌結(jié)構(gòu)造成的影響和區(qū)域內(nèi)土體的水平、豎向位移應(yīng)當(dāng)及時監(jiān)測與控制，保證隧道開挖的安全。文中的數(shù)據(jù)對計算分析研究也有一定的參考價值和科學(xué)研究的意義。