土壓平衡盾構下穿水塔施工技術

□文/曹坎嵩

工程概況

沈陽地鐵一號線云峰北街站—沈陽站站區間設計起止里程 DK10+573.295～DK11+961.050（雙線），采用土壓平衡盾構法施工。盾構隧道為圓形斷面，采用C50S10鋼筋混凝土預制管片拼裝而成，管片內徑ф 5 400mm，厚度300mm，環寬1 200mm，錯縫拼裝。

在里程DK11+506.8～DK11+527.8處隧道左右線從水塔下方穿越，水塔容量1 200 t，鋼筋混凝土結構，結構高45.6 m，基礎深4.4 m，基礎直徑21 m，隧道結構頂距離地面約22.0 m，隧道結構頂距離水塔基礎底約17.6 m。盾構主要穿越地層為中粗砂及礫砂，水位埋深約10.2 m。見圖1-圖3。

圖1 下穿的水塔

圖2 隧道下穿水塔平面示意

圖3 隧道下穿水塔剖面示意

盾構選型及施工控制重點

盾構選型

在穿越建（構）筑物施工中，采用盾構法能更好控制地面沉降、減小施工風險，將建（構）筑物傾斜、沉降及開裂的幾率降到最低。

根據盾構機工作原理、適用地質領域的寬窄、經濟指標以及對環境的影響等綜合均衡比較之后，決定采用φ6 280mm土壓平衡盾構機用于本區間穿越水塔施工，該機械主機長度9.62 m，最小轉彎半徑250 m；刀盤型式為6輻條+6面板式結構，開口率為32%，其中先行撕裂刀45把、標準刮刀86把、周邊刮刀12把、刀盤外緣保護刀11把、超挖刀1把，超挖量65mm。

施工控制重點

盾構隧道施工引起的地層變形主要原因是施工中的地層損失和隧道周圍土體受擾動產生的再固結。引起地層損失的主要原因有開挖面土體的擾動；土體擠入施工建筑空隙；土體與管片襯砌的相互作用；盾構推進姿態調整引起土體超挖等。因此，將以上引起地層損失的主要原因作為盾構穿越水塔施工的控制重點。

穿越水塔技術措施

正面土壓力

根據土壓平衡盾構的原理，土倉中的壓力須與開挖面的正面土壓力平衡，以維持開挖面土體的穩定。下穿水塔期間，隧道洞身范圍內主要為中粗砂及礫砂，土倉頂部壓力控制在110～140 kPa，實際施工時，再根據現場監測情況，隨時調整。

盾構推力

根據前期盾構掘進中總結的施工經驗，結合模擬段推力情況，總推力控制在17 000～20 000 kN，扭矩1 500～1 800 kN·m，可根據具體掘進情況適當調整。

推進速度

盾構推進速度與土倉正面土壓力、千斤頂推力、土體性質等因素有關，施工中應綜合考慮。若推進速度加快而出土率較小，則土倉土壓力會增大，地層損失減小。反之推進速度放慢，出土率增加將令土倉土壓力下降，地層損失增加。根據盾構穿越經驗，推進速度控制在20～30mm/min左右，推進過程中保持穩定，連續均衡推進。

盾構出土量

根據盾構機型及前期出土參數，土體松散系數1.2～1.4，出土量控制在45～48 m3/環。在推進過程中分段控制，每推進200mm，核實土斗內相應的出土量，發現異常及時調整。

盾構機姿態

在盾構下穿水塔前，將盾構機的姿態調整至最佳。盾構施工過程中，技術人員根據地質變化、隧道埋深、地面荷載、地表沉降、盾構機姿態、刀盤扭矩、千斤頂推理等各種勘探、測量數據信息，正確下達每班掘進指令，及時跟蹤調整。

盾構在水塔下豎向偏差控制10mm之內，平面偏差控制在15mm內，盾構機操作人員須嚴格執行指令，謹慎操作，對初始出現的小偏差應及時糾正，盾構機糾偏不宜過大（一次糾偏量≯5mm），以減小對地層的擾動。

同步注漿

（1）同步注漿目的。由于盾構外徑6 280mm，大于管片直徑，當盾構機外殼脫離管片后，在管片與天然土體之間出現空隙，會引起地層變形，建筑物失穩，管片變形并漏水。盾構推進中的同步注漿是充填土體與管片圓環間的間隙和減少后期沉降的主要措施，同時作為管片外防水和結構加強層，也是盾構推進施工中的一道重要工序。

（2）注漿方式。注漿系統與掘進系統聯網，掘進時盾尾出現空隙立即注入漿體。盾構機上的注漿管，按上下左右各一個均布在盾尾鋼板內，使漿液在盾尾處注入空隙。見圖4。

圖4 同步注漿示意

（3）注漿施工參數及漿液配比。根據施工情況、地質情況控制壓漿數量和壓漿壓力。一般情況下，每環壓入量控制在理論建筑空隙的130%～200%（理論建筑空隙為3.24 m3/環），注漿壓力約0.3～0.4 MPa。漿液配比為水泥∶砂∶水∶粉煤灰∶膨潤土=1∶3.5∶2.5∶2.7∶0.3，可根據具體施工情況適當調整。

（4）同步注漿主要物理力學指標。同步注漿漿液的主要物理力學性能應該滿足下列指標。

a膠凝時間。一般為6～8 h，根據地層條件和掘進速度，通過現場試驗加入促凝劑及變更配比來調整膠凝時間。對于強透水地層和需要注漿提供較高的早期強度的地段，可通過現場試驗進一步調整配比和加入早強劑，進一步縮短膠凝時間，獲得早期強度，保證良好的注漿效果。

b固結體強度。1 d固結體強度≮0.2 MPa（相當于軟質巖層無側限抗壓強度），28 d固結體強度≮2.5 MPa（略大于強風化巖天然抗壓強度）。

c漿液穩定性。傾析率（靜置沉淀后上浮水體積與總體積之比）＜5%。

二次補充注漿

（1）注漿參數。由于二次補強注漿是彌補同步注漿的空隙，其注漿量與同步注漿效果密切相關，一般以注漿壓力作為控制標準，注漿壓力控制在0.4～0.6 MPa且能維持穩定作為二次注漿結束標準。注漿量可參考同步注漿量的30%，即為1.5～2.0 m3。實際壓力及注漿數量可根據計算及現場注漿效果適當調整。

（2）注漿方式。二次注漿在管片脫離盾尾6～8環進行，注漿管從管片的注漿孔內向管片與土體之間的孔隙中注入。注漿前先將孔內50mm厚的封孔混凝土鑿通。

（3）注漿漿液。二次注漿采用硬性單液漿或1∶1水泥水玻璃雙漿液，及時跟進補漿。

其他措施

管線保護措施

根據沿線地面管線詳細調查資料，在水塔附近隧道施工影響范圍內，對管線進行重點保護。大量的實踐數據表明，盾構施工的擾動程度相當于暗挖段的一半，結合已有的暗挖對管線的監測數據，與沈陽站地區隧道的埋深情況，采用地表監測的形式來替代管線監測，也可對重要管線專項監測。

應急準備

為了防止出現意外，在盾構經過水塔區域時，加強監測與地面觀測，在其旁邊備上地基加固應急物資，如鋼管、水泥、注漿機等。采取加固措施后，將繼續加強監控量測，觀測水塔或地面的沉降趨勢，做到對水塔不均勻沉降的影響降至最小。同時了解水塔補水井位置，必要時對水塔進行卸載。

施工監測

在盾構穿越過程中，對水塔附近道槽沉降量及塔身沉降、傾斜進行跟蹤監測，監測頻率4～6 h/次，安排人員24 h重點巡視，及時將監測數據反饋以調整掘進及注漿參數，確保施工安全。

地表監測點布設

橫向以隧道中心線為中點向兩邊均勻布設測點，左右各布4點，分別距離隧道中心線1.5、3、9、15 m，縱向5～7 m一個測點，可根據實際情況加密測點。見圖5。

圖5 地面橫向監測點布設示意

具體的做法是用沖擊鉆鉆孔，打入φ14～16mm，長度70～100 cm的鋼筋（排除管線等影響后可加大鋼筋長度）且鋼筋頭低于枕木2～3 cm，用紅油漆做好標志并加蓋保護。

水塔及臨近建（構）筑物的測點布設

在隧道施工影響范圍內根據沿線地面構筑物的詳細調查資料，建（構）筑物的歷史年限、使用要求以及受施工影響的程度，確定在需保護的構筑物的四角及其他構筑物周圍基礎上布設監測點，有裂縫的構筑物要設裂縫監測點，重點布設水塔測點。見圖6。

圖6 水塔監測點布設平面示意

水塔及建（構）筑物測點布設用沖擊鉆鉆孔，打入長度為12～15 cm、直徑為12～14mm測桿，用水泥砂漿填滿空隙。

結語

盾構下穿水塔過程中，操作手按指令認真操作，各技術部門嚴格把關，左線盾構率先下穿成功，半個月后右線盾構也順利通過，左右線盾構均在3 d內下穿完成，施工過程中監測數據正常，沒有再采用地面注漿加固的方案，既節約了成本又縮短了工期。周圍地表沉降控制在允許范圍內，建筑物未發生過量下沉及開裂、破損，水塔最大累積沉降5.8mm，附近地面最大累計沉降6.3mm。

[1]張鳳祥，朱合華,傅德明.盾構隧道[M].北京：人民交通出版社,2004.

[2]張鳳祥,傅德明,楊國祥，等.盾構隧道施工手冊[M].北京：人民交通出版社,2005.

[3]周文波,吳惠明,趙曉霞.國產盾構在地鐵隧道施工中的應用[J].都市快軌交通,2006，(2)：46-50.

[4]江正榮.建筑施工計算手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,2007.