鄭州地鐵1號線盾構隧道穿越人防隧道施工技術

李培增 楊紅軍

(1.中鐵中原投資發展有限公司，河南鄭州 450016;2.中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450003)

鄭州市軌道交通1號線(火車站站—中原東路站)區間從火車站至京廣北路沿著中原東路下穿過金水河橋到中原東路站。鄭州火車站盾構區間隧道端頭處下部有人防隧道，人防隧道與區間隧道在設計位置上形成嚴重干涉，必須在隧道修筑前對人防隧道進行處理。根據對現場情況的踏勘，人防隧道建于20世紀70年代。該人防隧道頂部為混凝土結構，兩側為磚混結構，埋深約20m，內部灌滿污水，結構尺寸及其他狀況不詳，給區間隧道施工帶來隱患，需對該處進行處理，才能進行盾構隧道施工，確保隧道后期安全。具體位置見圖1。

圖1 盾構隧道人防隧道的平面關系

1 人防隧道處理

1.1 人防隧道探測

該人防隧道修建年代久遠，且屬于廢棄的帶軍事性質的設施，無法找到詳細的平面位置和結構圖。通過人防隧道通風口發現，人防隧道內全是水，初步計劃在合適的位置將人防隧道截斷，通過通風口將人防隧道內的水抽干，然后人員進入其中，詳細確認隧道的結構形式。截斷人防隧道后，用2臺100m3/h的水泵抽了一周，水位基本上沒有變化，初步判斷該人防通道內的水與地下水相通，通過沿線加密地質鉆孔取芯探測人防隧道位置和形式，探測到并詳細確認了人防隧道的基本空間位置和深度:人防隧道兩側為磚結構，頂板為無筋混凝土結構(2m×2.8m)。位置及結構如圖2。

圖2 人防與盾構隧道的關系

1.2 人防隧道處理

(1)地面截斷開孔

根據現有掌握的人防隧道情況，在合適地段設置人防隧道截斷位置，截斷位置內用沖擊鉆在人防隧道頂部位置成3個直徑為1.2m孔，孔中心距離1.4m。并用沖擊鉆將人防隧道頂部破除。待孔打穿后立即下入連接好的φ50注漿管(在盾構隧道方位外用鋼花管)。

(2)填料

地面開孔完成、φ50注漿管安裝完成后，利用自制料斗向孔內填入級配良好，含泥量較小的碎石、砂，填入高度為人防隧道頂面1m以上，灌碎石時應注意保護注漿管不被破壞。在盾構隧道范圍內注漿管采用塑料管。

(3)人防隧道截斷處注漿

當碎石填止規定高程后，在碎石處注雙液漿，直至形成截斷人防隧道的止水帷幕。

(4)抽水

人防隧道兩端封堵完成，且達到截斷、封閉人防隧道的要求后，在火車站站內人防隧道出口處下入水泵將截斷的人防隧道內的水抽干，派專人下去了解人防隧道的內部情況。然后在人防隧道與區間隧道平面位置相交處人工填沙袋，以提高人防隧道的承載力，確保區間隧道的施工安全。

(5)填料

根據現場抽水情況和后期詳細勘測情況看，由于人防隧道修建年代久遠，且兩側為磚結構，人防隧道內的水已經與地下水連通，人員無法下去。

因此，在截斷內的人防隧道部位上方用沖擊鉆重新開孔，該孔沿人防隧道軸線間隔3m布置，開孔深度為地面至人防隧道底部，開孔完成后用φ250 mm導管從孔口部位填入級配良好的砂石料。

(6)注漿

待人防隧道內砂石料填充完成后，在填充砂石料的孔內，沿人防隧道軸線，在人防隧道位置間隔1m、梅花形布置(人防隧道橫向布置2個)，使用KBY-50雙液注漿機(必要時可使用大功率的水泥單液注漿機)通過袖閥管(主要利用其可重復多次注漿原理)向人防隧道內壓密注漿。先注雙液漿，后注單液漿(純水泥漿)。將人防隧道填充密實，周圍土體加固。

1.3 處理效果檢查

待回填、注漿完成，盾構機通過前，需要對該人防隧道在現場多方見證下檢查其處理效果，檢查使用地質鉆進行鉆孔、取芯、取樣，并檢查其強度。根據盾構施工需要，人防回填處理后需能打到原狀土狀態，無側限抗壓強度不小于100 kPa。在人防隧道處理范圍內，每個盾構隧道范圍內現場隨機抽取3個點，鉆孔、取芯、送檢(第三方有資質的監測機構)，均達到設計要求。

2 盾構隧道掘進

2.1 掘進過程

主要是針對左線8～16環，右線11～17環、21～31環掘進，如圖3所示。

圖3 盾構穿越人防隧道平面示意

(1)土倉壓力選定

土倉壓力值應與地層的土壓力和靜水壓力應相平衡，穿越人防段掘進，土倉中部壓力應建立在1.5～1.6 bar左右，可使刀盤前方地表略有隆起，隆起量控制在2～3 mm為宜。

(2)碴土改良

穿越人防段掘進主要向刀盤、土倉、螺旋機內添加泡沫劑(泡沫比例2%，掘進一環泡沫原液使用量為30～40 L)和水，對碴土進行改良，將土體盡量的改良呈牙膏狀。

(3)出碴量的控制

本盾構區間單環管片設計長度為1.5m，刀盤設計外徑為6.28m，每環理論出碴量(實方)為46.4m3，施工過程中可根據碴車的儲存量(每節碴車的容量為18m3)及碴土的松散系數綜合評估，每環實際出碴量為3～3.5節碴車(60m3左右)，掘進過程中主司機根據推進油缸行程進行分析，1節碴車需掘進400～450 mm。

(4)推進速度、刀盤扭矩及推力控制

穿越人防段掘進速度控制在20～30 mm/min，勻速推進，刀盤扭矩最高峰值不得大于150 bar，總推力小于1000 t;推進過程中根據現場實際情況可做適當調整。

(5)刀盤轉速及旋轉方向的控制

盾構掘進過程中刀盤轉速控制在1.5～1.8轉/min，以低檔位掘進。

刀盤轉速主要以掘進左線介紹:第4～7環掘進時刀盤轉向盡可能的選用逆時針(根據主機滾動角度必要時選用順時針)，以加大掘進方向右側的土壓力;第8～12環掘進刀盤轉向盡可能的選用順時針(根據主機滾動角度必要時選用逆時針)，以加大掘進方向左側的土壓力;第13～17環掘進刀盤轉速仍控制在1.8轉/min低檔位掘進，刀盤旋轉方向根據主機滾動角度主司機自行控制;

(6)盾構軸線、地表沉降要求

盾構軸線偏離設計軸線不大于±50 mm，推進過程中根據導向系統測量數據及時調整各組油缸推進力，確保盾構姿態偏差在允許范圍內，穿越人防段可將盾構姿態控制在設計軸線以上40～50 mm，地面隆陷控制在+10～-30 mm。

(7)盾構姿態糾偏控制

穿越人防段，線路平面4～9環為直線段，10～17環為右轉緩和曲線，線路縱斷面為+2‰的上坡逐漸變化至10‰下坡，盾構處于凸曲線上，掘進過程中將盾構主機姿態控制在2‰的上坡，使盾構處于上坡的趨勢，防盾構通過人防時出現叩頭現象，原則上盾構機每環的糾偏趨勢不大于2‰。值班人員應做好管片的選型工作，上下、左右方向油缸行程差控制在40 mm以內，同時還應保證盾尾間隙適中。

(8)同步注漿

第4環掘進開始進行同步注漿作業，同步注漿時壓注速度不可過快，如簾布橡膠密封不嚴時出現大量漏漿，利用第1環吊裝孔，壓注水泥、水玻璃雙液漿進行封堵。

同步注漿壓力應控制0.2～0.3 MPa，管片二次注漿壓力為0.3～0.5 MPa。注漿量為理論注漿量的1.5～2.0倍，并應通過地面變形觀測數據及時調整;初始注漿量設為5～6m3/環，掘進過程中根據地表沉降情況及時調整。

(9)監控量測

盾構穿越人防段期間，加強地表的沉降觀測工作，每天觀測次數為3次，早中晚各一次，監測小組每天早上7：00、下午16：00和晚上11：00前提交監測成果，根據監測成果指導盾構掘進參數。

2.2 應急預案

(1)盾構穿越人防時叩頭

盾構機在通過人防隧道時，由于人防隧道頂部回填不夠密實或者承載力不夠，盾構機出現叩頭現象，預防措施:

①抬高盾構機姿態，將盾構姿態抬高軸線40～50 mm，使盾構主機仰頭掘進。

②管片選型時減小上下組油缸的行程差，使管片姿態處于2‰～3‰的上坡趨勢，管片底部需有一定的超量。

過程控制:

掘進過程中如盾構土倉壓力減小失壓，盾構高程姿態下沉，下沉量達到10 mm，應降低刀盤轉速至1.0～1.5轉/min，同時加大盾構底部油缸組推力，減小頂部油缸組推力。

如下沉量累計達到20 mm，刀盤轉速控制在1.0～1.5轉/min，將底部油缸推力調至最大，將盾構上半斷面部分推進油缸電磁閥拆除，采取減油缸，減推力的方式抬高盾構姿態。

如下沉量累計達到30 mm，刀盤轉速控制在1.0～1.3轉/min，將底部油缸推力調至最大，將盾構上半斷面部分推進油缸電磁閥拆除，采取減油缸，減推力的方式抬高盾構姿態。另外通過安裝轉彎環管片增加管片底部超前量，如超前量無法跟上，在底部6～10組油缸和管片之間增加型鋼墊塊，增加管片超前量。另外:將下半部分的鉸接油缸伸長，上半部分鉸接油缸縮短，便于姿態的調整。

(2)人防頂部混凝土結構卡刀盤

過程控制:掘進過程中刀盤切削到人防頂部混凝土時，如刀盤扭矩突然增大，主司機應立即停止推進，繼續旋轉刀盤，采用慢磨的方法進行推進，推進速度在20～30 mm之間。

2.3 掘進過程注意事項

為確保盾構施工能夠順利的通過人防隧道，在盾構掘進前后還應注意如下內容:

①穿越人防通道前對盾構、門吊、電瓶車、攪拌站等設備進行一次全面的檢修及保養，確保穿越人防隧道期間不發生機械故障，造成停機。

②掘進過程中應向刀盤面板、土倉和螺旋輸送機內添加泡沫劑，減小刀盤扭矩及螺旋輸送機扭矩。

③每環掘進前先將刀盤正反向各旋轉2轉，掘進完成停機前刀盤正反向各旋轉2轉，將刀盤前方碴土切削下來，防止卡機，停機前還應將螺旋輸送機反轉將螺旋輸送機內的部分碴土反轉至土倉內，避免下環掘進出現卡機。

④穿越人防前盾構機上的膨潤土罐內儲備拌制好的膨潤土，如人防結構被破壞后人防內的污水涌入土倉出現突泥涌水現象，可向刀盤內添加膨潤土，對土體進行改良，確保盾構能正常推進。

⑤管片拼裝完畢，主司機應及時將土倉力建立起來。

⑥推進過程中主司機應對盾尾密封刷內及時補充盾尾油脂。

⑦在掘進過程中，技術人員要仔細觀察碴土的性狀、盾構機掘進狀態、各項掘進參數等，出現異常情況時及時通知相關人員后按照既定的應急預案處理。

⑧盾構通過后要繼續監測管片，并通過管片壁后注漿，確保盾構隧道后期安全。

3 結束語

人防隧道處理完成后，盾構隧道掘進過程中發生過局部地段盾構機推力減小，出碴量減小，同步注漿量增加，碴土中水量增加等情況，但按照既定的技術方案，左、右線盾構隧道均已順利通過了人防隧道(左線于2010年2月掘進通過，右線于2010年6月掘進通過)，盾構通過后對該異常段進行了二次補強注漿處理，盾構掘進完成后對盾構隧道穿越人防隧道段地面和盾構隧道內管片等進行長時間的監測，均無異常情況出現。

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