鄭州地鐵03標盾構施工重難點分析及對策

宋書顯，郭 磊

(中鐵隧道集團有限公司鄭州地鐵一號線一期03標，鄭州 450000)

0 引言

盾構法施工已在我國城市軌道交通施工中顯示出技術經濟、安全優越性，因此得到快速發展和推廣，已成為隧道施工首選方案。目前國內外學者關于盾構法隧道施工對建、構筑物影響都做了大量的研究工作［1－2］。但由于地質條件的復雜多樣及施工參數的變化，使研究成果局限性。本文以鄭州地鐵一號線一期土建工程03標段為背景，介紹盾構法在軟土中順利下穿重要建、構筑物采取的技術保證措施，以減少盾構隧道施工對地表沉降及周邊建筑的影響。

1 概述

鄭州地鐵一號線一期土建工程計劃于2014年全體通車，東起新東站，西至鄭上路凱旋路站，線路總長度26.2 km，共設站點20個。其中03標包括二七廣場站、市體育館站、中原東路站—鄭州火車站站區間、鄭州火車站站—二七廣場站區間、二七廣場站—市體育館站區間和市體育館車站—紫荊山車站區間，詳見圖1。

2 工程重難點分析及對策

2.1 盾構穿越鄭州火車站站場難點和對策

鄭州火車站—二七廣場站區間盾構要下穿運輸繁忙的鄭州火車站內的多股軌道，此處隧道頂埋深12～16 m，區間隧道與鐵路位置關系見圖2。

如何確保盾構穿越過程中不影響鐵路安全運營，是本標段施工的重點和難點。受場地及運營安全限制，無法采取地面加固措施，完全依靠洞內措施來實現控制站內軌道沉降或隆起小于4 mm，結合實際地質條件、周圍環境等，特制定以下對策。

2.1.1 施工前準備與調查

1)對掘進穿越范圍地質及周邊環境進行細致探查，根據調查情況并結合地質、周邊環境等進行沉降計算和預測，在盾構通過前對鐵路預先埋設實時監控設備。

2)在盾構機通過前，提前與路局相關部門聯系、溝通，詳細了解鐵路保護標準及列車運行頻次等情況，結合鐵路局安全、運輸等部門的指導建議，制定合理、可靠的保護方案，上報業主、監理、鐵路部門經審批同意后進行施工。

2.1.2 掘進參數選取

1)在盾構通過前，選擇類似地質及埋深條件下150 m區段作為模擬推進段，通過模擬段實時沉降監測數據，不斷調整優化各項參數，按照控制沉降隆起小于3 mm的嚴格標準來選取相關參數，以確保實際穿越時能夠滿足運營沉降不超限，確保安全一次通過。

2)穿越鐵路時，土倉中心土壓力值根據埋深及土層情況設定為0.15 ～0.17 MPa，壓力波動控制在 0 ～0.02 MPa，嚴禁土壓出現拉風箱式波動，從而擾動土體。

3)盾構推進通過對土壓傳感器的數據來控制千斤頂的推進速度，推進速度控制在2～2.5 cm/min，在推進過程中勻速推進，并保持推進速度、出土速度和注漿量相匹配。

4)出土量與土壓力值一樣，也是影響地面沉降的重要因素。盾構機的開挖斷面為30.95 m2，管片長1.5，每環的理論出土量為 30.95 ×1.5 ×1=46.4 m3，在盾構機穿越鐵路期間，將出土量控制在理論出值的98%，即46.4 ×98%=45.5 m3左右，保證盾構切口上方土體能有微量的隆起(不超過1 mm)，以便抵消一部分土體的后期沉降量，從而使鐵路沉降量控制在最小范圍內，確保鐵路線安全。

5)同步注漿量一般控制在建筑空隙的180% ～200%，實際施工中漿液的用量結合前一階段施工的用量以及監測報表和注漿壓力綜合進行合理選擇，同步注漿盡可能保證勻速、勻均、連續的壓注，防止推進尚未結束而注漿停止的情況發生。注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa，注漿量和壓漿點視壓漿時的壓力值和地表沉降監測數據而定。

6)由于盾構推進時同步注漿的漿液在填補建筑空隙時，有可能會沿土層裂隙滲透而依舊存在一定間隙，且漿液的收縮變形也存在地面變形及土體側向位移的隱患，受擾動土體重新固結產生地面沉降。因此根據實際情況(監測結果)需要，在管片脫出盾尾5環后，可采取對管片后的建筑空隙進行二次注漿的方法來填充，漿液為水泥、水玻璃雙液漿、注漿壓力0.4～0.5 MPa。壁后二次注漿根據地面監測情況隨時調整，從而使地層變形量減至最小。

2.1.3 過程控制

1)配備豐富經驗的盾構操作司機、值班工程師和熟練的技術工人，嚴格按照選定參數結合專家評審方案進行操作施工。

2)在施工過程中密切聯系專家組，積極溝通，并根據鐵路部門的運輸計劃和施工監測結果及時調整盾構推進計劃，安排在鐵路運輸量小的時間段穿越鐵路，盡量減小施工對運營的影響，確保施工安全和鐵路運輸安全。

3)嚴格控制盾構掘進過程中的土壓、出土量、掘進速度等施工參數，及時對環形空隙進行同步注漿，并且根據量測結果做好二次補注漿工作;加強地面沉降監測，根據施工和沉降情況調整觀測的頻率，及時反饋監測信息并指導施工。

2.1.4 其他措施

1)為保證注漿質量，應每5環注一個環向聚氨酯加強環，使隧道掘進形成節段，既可以保證注漿的飽滿，又可以隔斷漿液的流動和流失。

2)盾構進行平面或高程糾偏的過程中，必然會增加建筑空隙，造成一定程度的超挖，因此在盾構機進入鐵路影響范圍之前，將盾構機調整到良好的姿態，并且保持這種良好姿態穿越鐵路。在盾構穿越的過程中盡可能勻速推進，推進速度不宜過快，最快不大于30 mm/min，確保盾構機均衡、勻速地穿越鐵路，減小盾構推進對前方土體的擾動。盾構姿態變化不可過大、過頻，控制每環糾偏量不大于10 mm(高程、平面)，控制盾構變坡不大于1‰，以減少盾構施工對地層的擾動影響，從而盡可能減少地表沉降，保證鐵路安全。

3)穿越鐵路的過程中，使用質量非常好的碴土改良劑(泡沫劑)，確保改良的碴土達到軟塑狀(即牙膏狀)，必要時可以利用刀盤上的加泥孔向前方土體加膨潤土或水來改良土體，增加土體的流塑性。土體流塑性增加之后有3個作用:①使盾構機前方土壓力傳感器反映的土壓數值更加準確;②確保螺旋輸送機出土順暢，減少盾構對前方土體的擠壓;③減小刀盤與土體的摩擦力，減小對地層的擾動。

2.2 盾構穿越二七紀念塔的難點和對策

鄭州市二七紀念塔位于二七廣場車站東南側，也是國家級文物，車站2號出入口與二七塔凈間距為18.9 m，擬建的地鐵3號線右線隧道中心與二七紀念塔間距為9.2 m，見圖3。由于車站施工對二七塔有一定影響故對二七塔的保護也做為本工程的重點，具體保護措施如下:

圖3 二七塔加固示意圖Fig.3 Reinforcement of Erqi Tower

1)開工后及時與產權單位進行聯系，在二七塔周邊布置一周監測控制點，對二七塔進行嚴密的監控測量。

2)在二七塔一周采用直徑800 mm間距1 200 mm的鉆孔灌注樁進行隔離保護，樁基底部深入擬建的地鐵3號線隧道底部以下2 m，鉆孔灌注樁之間采用直徑600 mm的旋噴樁進行止水隔離，高度從地下水位面以上2 m至鉆孔灌注樁樁底。

3)詳細編制合理的車站基坑施工方案，報專家及有關部門評審，并嚴格按審定方案施工，確保基坑穩定和減少樁體變形，對周邊建筑物影響控制在可控范圍內。

4)保證止水帷幕質量，避免樁間滲水引起水土流失造成地面沉降。

5)施工前與管理單位做好聯絡和應急預案的制定工作，在發生異常時啟動應急預案。

6)做好應急預案，如樁間止水出現滲漏及時進行堵漏止水。

7)合理開啟降水井和采取回灌技術，控制降水含砂量，減小降水對周邊環境的影響。

2.3 盾構穿越商代古城墻遺址難點和對策

二七廣場站—體育館站區間盾構從體育館站始發在里程CK19+900處穿越商城城墻，該城墻是國家重點文物，商城城墻為地埋式，地下埋深12.9 m，盾構隧道城墻底部間距為2.8 m，平面位置與城墻呈42°斜穿。該段覆土自上而下為雜填土、粉土、粉砂層，隧道穿越地層以粉土和粉砂層為主。從古城墻的歷史和文化意義以及與隧道的位置關系，考慮采取如下措施:

1)盾構穿越前對古城墻進行進一步的探測，確定城墻與隧道的實際位置關系。

2)在盾構通過古城墻前，選擇和類似的地層為模擬段進行試掘進，總結并制定詳細的城墻段盾構掘進參數，保證城墻段施工的安全。

3)在盾構下穿北城墻過程中，將古城墻作為地面荷載進行土壓力計算，計算出城墻與隧道在不同距離時對土壓力敏感性，施工時嚴格控制土壓力、推進速度、總推力、刀盤轉速、出土量等施工參數，減少盾構的超挖和欠挖，以改善盾構前方土體的坍落或擠密現象，減少土的橫向變形施加于樁基上的橫向力。

4)做好盾尾、鉸接密封和螺旋機處的防噴涌工作，做好盾構機姿態和鉸接處的控制，防止該處出現涌水涌砂造成地層過量損失，地表出現大的沉降。

5)嚴格控制同步注漿量和注漿壓力，注入量控制在150%～200%的理論開挖空隙量。注漿壓力一般略大于隧道底部的水土壓力之和。

6)加強監測，通過對構筑物的監控量測，及時反饋信息，采取措施優化盾構施工參數。必要時在二次注漿后采取跟蹤注漿加固的方式保證城墻的安全。

7)在盾構機到達城墻段施工前，提前做好盾構機各部件的檢修工作，保證設備的完好，對可能出現問題的部件進行提前檢修維護，保證盾構快速連續通過該段。

8)施工前，與城墻的管理單位做好聯絡和應急預案的制定工作，在發生異常時啟動應急預案，確保城墻的安全。

2.4 盾構穿越電力隧道的難點和對策

鄭州火車站—二七廣場站區間盾構從二七廣場站始發后與電力管道平行推進，到達正興街和福壽街交叉口處垂直穿越電力管道，穿越段電力隧道埋深10.7 m，與隧道水平凈間距1 m，電力隧道底部與盾構隧道頂部凈間距0.3 m，見圖4。

圖4 電力隧道與盾構隧道位置平面示意圖Fig.4 Plan layout shows the relationship between power tunnel and Metro tunnel

二七廣場站—市體育館站區間在里程CK19+700處斜穿越電力隧道，此處電力隧道底部埋深10 m，電力隧道底部距離隧道頂部4.49 m，該電力隧道為鄭州市供電主線路，如何確保承擔著繁重電力供應任務的電力隧道的安全將是本工程的重點也是難點。根據電力隧道與盾構隧道的位置關系，特采取如下措施:

1)與盾構隧道平行段電力隧道，在盾構穿前采用鉆孔灌注樁對電力隧道進行隔離處理。

2)與盾構隧道垂直和斜穿的，在盾構穿越前采用注漿加固的方式對電力隧道周圍進行加固。

3)由于電力隧道埋深較深，采取在隧道內布置監測點的方法監測隧道穩定，同時穿越前在隧道地面布置深層監測控制點和地中沉降監測。

4)穿越過程中及時分析監測成果，隨時調整盾構掘進參數，并在穿越后通過管片上的二次注漿孔對進行補強注漿。

5)與電力部門建立良好暢通的溝通機制，編制詳細的穿越電力隧道的施工方案，經電力部門的批準和認可后實施。

2.5 近距離穿越火車站站臺無柱雨棚、紫荊山立交橋等樁基礎的難點與對策

鄭州火車站—二七廣場站區間盾構穿越鄭州火車站站臺無柱雨棚的樁基，樁基礎為直徑800 mm的鉆孔灌注樁，此處隧道與樁基礎的凈間距為 2.1 m，見圖 5。

盾構到達紫荊山站前需穿越紫荊山立交橋樁基礎，立交樁基礎采用φ 1 600鉆孔灌注樁，與樁基最小水平凈距離約2 m，如圖6所示。

鄭州火車站—二七廣場站區間為電力隧道與盾構隧道平行段，采用鉆孔灌注樁進行了隔離，盾構從二七廣場站始發需近距離穿越電力隧道隔離樁，樁基與隧道邊緣凈間距為0.2 m。

盾構推進時如何減少土倉壓力對近距離樁基的側壓影響，如何控制地層損失和地層位移對樁基受力產生的不利影響，從而保證盾構通過時樁基的安全。對此，擬采取以下措施:

1)施工前詳細調查紫荊山立交橋及無柱雨棚樁基的資料，進行現場放線，確定隧道輪廓與樁基的實際距離以及樁徑、樁深等參數，并據此對盾構推進對樁基的影響進行評估，以做好針對性施工措施與施工方案。

2)提前15環對盾構推進參數進行調整，對盾構機推進采取控制措施，適當降低盾構土倉壓力，減小盾構推力，減小盾構機推進對樁基的影響;嚴格控制出土量與推進速度，以減少地層損失產生的土體位移。

3)及時對環形空隙進行同步注漿，采取注漿探測技術保證注漿飽滿充分，以達到環形間隙的及時充填，減少由于注漿不充分造成的地層位移。

4)推進前在相應樁基布置監測點，提前對樁基進行嚴密的監測，及時反饋監測信息和調整盾構機掘進參數，確保安全順利的通過。

5)盾構通過后，根據監測結果對樁基的影響進行綜合評估，根據評估結果通過預留注漿孔對管片背部和樁基周圍進行二次補強注漿，必要時采用地面注漿的方法來提高樁基和地層之間的摩擦力。

2.6 盾構始發與到達的難點與對策

盾構始發與到達是施工中的重點，也是盾構施工中易出現問題的環節。因此，如何確保本標段16個端頭的盾構機安全始發和到達是施工中的重點和難點。

1)根據設計文件要求，中原東路站東端頭加固為盾構接收端加固長度為9 m，其余端頭始發和到達端加固長度均為10 m，保證加固后土體的強度、抗滲性、勻質性均滿足設計要求。考慮到施工范圍地質以粉土、砂層為主，采用高壓旋噴法進行加固，防止施工盲區成為滲水通道或薄弱點影響始發或到達的施工安全。

2)在端頭地層加固施工完畢之后，對加固區域進行垂直取芯以及在洞門處均勻布置數個水平探孔，用以檢測加固效果。如有問題，立即組織補充加固，并及時進行降水施工。

3)做好洞口防水密封。盾構始發、到達時，預先安裝洞門圈預埋鋼環，簾布橡膠板以及鉸鏈型密封壓件等洞門密封裝置并確保其能有效使用。

4)盾構到達時，則采用簾幕橡膠圈和扇形壓板，以防治漏泥漏水。在刀盤推到達門前一環開始采用快硬性水泥－水玻璃雙液漿對盾尾建筑空隙進行回填。

5)對臨近洞口的10環管片采用14槽鋼通過管片吊裝孔進行拉緊，確保在盾構反推力較小的情況下，管片環間的縫隙不至于加大，避免管片間因密封失效而發生滲漏。

6)加強盾構在始發、到達段的掘進控制。控制好盾構姿態，在保證出碴量正常、同步注漿回填密實的前提下，盡量快速完成盾構的始發與到達。同時，充分考慮到由于對端頭地層進行了加固處理，地層性質所發生的改變，掘進時防止盾構姿態突然變化。

7)在盾構機進出加固范圍前，進行盾尾處管片背后注漿或聚氨酯進行封堵水施工。

8)做好端頭井周邊監控量測工作以便指導施工。

2.7 其他地段難點與對策分析

市體育館站北側的新華書店家屬樓距離車站很近，施工過程中對其影響較大，二七廣場站周邊有亞細亞賓館、二七賓館、天然商廈、商城大廈、華聯商廈及二七廣場的環行人行天橋等建筑物，施工過程中需進行保護。

中原東路站—鄭州火車站線建筑物眾多，區間需穿越西鐵社區多棟居民樓、鐵六中教學樓和鐵道大廈等建筑物，西鐵社區居民樓均為磚混結構，年久破損，對沉降要求較高，是盾構掘進中作為保護的重點。而沿線道路下管線密集，必須對煤氣管、電纜通訊管道及大管徑等敏感管道進行監測。對此，擬采取如下措施:

1)做好建(構)筑物調查、評估。施工前詳細調查各個建(構)筑物的結構及基礎形式，事先進行攝影像及評估、備案。必要時請專門機構進行評估，制定變形控制管理標準;立足于信息化施工，監測建(構)筑物及管線的變化，建立變形與區間施工的相應關系，采取針對性措施加以控制。

2)保持盾構開挖面的穩定。除了選擇最佳綜合性能參數的盾構機外，盾構開挖面的穩定可以通過優化掘進參數控制。掘進參數主要包括:刀盤和土艙壓力、排土量、推進速度、千斤頂總推力、注漿壓力與時間、注漿量、漿體性能、盾構姿態等。通過設定推進速度、調整排土量或設定排土量調整推進速度，確保土艙壓力與地層壓力的平衡。根據地層顆粒成分的變化，地下水壓力等采取隨時調整添加劑的成份、摻量等措施改良土質。

3)同步注漿和二次注漿。為了減少和防止地面沉降，在盾構掘進中同步注漿，及時填充管片與圍巖間的空隙。根據地質條件，確定漿液配比，注漿壓力、注漿量及注漿的起止時間。在盾構穿越主要的建筑物區段，適當地在標準塊與鄰接塊管片上增設注漿孔，根據監測情況，有選擇地進行二次注漿，以彌補同步注漿的不足，減少地表沉降。

4)地層加固法。根據建筑物的結構類型及對沉降的敏感程度、沉降的允許值，制定建筑物及地面變形警界值。建立完善的監測網，及時反饋信息，及時進行跟蹤注漿或補充注漿，對距離較近的既有建筑物基礎，采取預注漿加固。

5)控制偏差量。嚴格控制盾構施工的偏差量，防止因擾動地層導致地面沉降量的增加。

3 結論與建議

盾構施工穿越既有建(構)筑物等障礙物時，施工前首先要對既有建筑物進行調查，充分了解具體邊界條件及掌握和判斷地質情況和現場測量數據后，才能做好較為準確的風險性分析，選擇更適合的施工參數，更好的穩定開挖面地層，順利穿越區間沿線重要建(構)筑物，防止地面變形，提高盾構隧道施工安全質量;其次，監控量測作為工程施工的“眼睛”是必須加強的重要環節，由于沉降及變形監測相對有一定的滯后性，所以對于一些特別重要的建(構)筑物(如保護要求高、距離特別近等)，采用預埋土壓力盒、鋼筋應力計等實時監測手段非常重要;再就是作好設備準備和預案準備，在穿越障礙物前做一次盾構機的強制檢查保養，確保盾構機通過過程中設備正常運轉和連續性;同時針對穿越障礙物的風險，制定相應的預案，以保證在出現意外情況時仍然可以按預案進行處理而不致手足無措。

經過分析論證，盾構施工穿越既有建(構)筑物等障礙物采取技術對策都是可行的，隨著初期單條線的建成，后續線路建設的難度會越來越大。同時，伴隨城市規劃建設，特別是通常伴隨地鐵建設的沿線開發的增多，工程建設所面臨的是越來越復雜的周邊環境，穿越建(構)筑物的情況也越來越多，是目前國內地鐵盾構施工存在的普遍問題、綜合性問題，也是盾構施工急需解決的問題。

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