滇池沉積層地質條件下盾構下穿昆明站施工技術

摘要：實踐中盾構下穿火車站站場、股道施工風險高，控制站場、股道變形標準嚴。昆明地鐵1號線環城南路站～昆明火車站站區間盾構下穿昆明站施工，施工中通過對盾構下穿火車站站場、鐵路股道的風險調查分析，采用數值模擬分析研究不同條件下盾構下穿站場、股道變形和受力的影響，造成地面沉降的機理，并進行對比分析，結合風險分析與數值分析結果，編制切實合理、可行的專項施工方案，針對性加強盾構下穿站場、股道等的風險控制措施，加強盾構施工中主控環節過程控制，有效控制了沉降，保證了施工安全，本文是對滇池沉積層地質條件下盾構下穿昆明站施工技術進行了初步探討和總結。

關鍵詞：滇池沉積層;昆明站;股道;站臺;盾構施工;沉降控制

1.工程概況

昆明市主城區具有典型的滇池沉積層地質特點，地層結構特征多元化、軟硬不均、滲透性多樣、含水豐富且規律預見性差。昆明地鐵1號線環城南路站～昆明火車站站區間沿北京路走向，下穿昆明站，昆明站是云南省、昆明市重要交通門戶的特等站。區間隧道與昆明站成57°夾角，將盾構下穿昆明站 12條股道、6個站臺，出站大廳以及昆明站眾多建（構）筑物，總寬度約為183m，隧道結構外輪廓覆土厚度14.587～9.17m。盾構下穿昆明站地段地層主要為圓礫層、粉土粉砂層及粘土層，表層地下水類型為第四系孔隙潛水，賦存于第Ⅱ陸相層以下粉砂及粉土中的地下水為微承壓水，地下水豐富。下圖1為昆明地鐵盾構下穿昆明站示意圖。

2.工程難點、風險點分析

（1）盾構隧道施工對既有火車站的影響主要是引起的地表沉降，由此可能造成鐵路路基道床的不均勻沉降，兩股鋼軌之間的差異沉降、混凝土軌枕的失效或嚴重損傷，鋼軌接頭產生軌縫、錯牙、臺階和折角以及鋼軌的重傷或折斷等現象。當地面不均勻沉達到一定變形值就會影響其正常使用，從而影響火車站線路的正常運營。

（2）列車在運行中，對路基土體產生的動應力沿深度逐漸衰減，衰減程度與土層的力學性質以及列車動載大小等有關，一般認為動應力的影響深度約為4～7m，但當基床下部有構筑物（出站通道、運輸通道）時，動應力的傳播將發生較大變化。盾構施工引起線路下沉，導致線路不平順加大輪軌的沖擊力，使路基內動應力加大，土體動荷載增加，影響地鐵隧道的安全。

（3）昆明站地處云南省省會城市昆明，具有規模大，作用突出，是承擔城市對外運輸窗口。盾構施工下穿昆明站具有下穿長度長，下穿股道、站臺多，下穿建（構）筑物多等特點。在下穿股道、站臺時往往要近距離側穿無柱雨棚樁基或下穿地下通道，施工同時需兼顧地面金屬網、管線、雨棚頂等保護，這些都增加了施工難度，加大施工風險。

（4）盾構下穿昆明站線路長、范圍廣（包括12條股道、6個站臺、出站通道、出站大廳，側穿無柱雨棚、鐵路綜合大廈、站前高架等建（構）筑物，總寬度約為284米），滇池沉積層地質水文條件不斷變化，加大施工難度。

3.盾構機下穿火車站前籌備工作

（1）在盾構下穿鐵路前積極和鐵路部門進行溝通，編制切實可行的施工、監測等方案，通過監理、業主、鐵路部門的審查，并獲批準后實施。同時選用征得鐵路部門認可的專業監測單位對施工整個過程進行全程監控。與鐵路工務段等相關部門簽訂施工安全配合協議書。并指派培訓合格、責任心強、業務熟練的人員任現場安全巡視員，以保證鐵路線路等相關設備的安全。

（2）盾構下穿火車站加固措施：

常規對火車站相關建（構）筑物加固保護措施分以下幾種：

a對鐵路股道加固措施。加固措施方法有：地層加固措施、扣軌技術。

b對既有結構物加固措施。加固措施方法有：結構物加固、下部基礎加固及基礎托換。

c新建隧道與既有結構物之間采取的措施。加固措施方法有：①盾構隧道周圍地層加固;②既有結構物基礎地層加固;③隔斷盾構掘進地層應力與變形。

本工程因受場地、地面條件影響，未采用任何加固措施，

（3）、設置試驗段

根據盾構下穿火車站鐵路段地層地質情況，選擇合適地段作為盾構下穿火車站鐵路模擬掘進地段，嚴格執行方案設定參數，試驗段設置兩處24小時監測點，進行不間斷監測，對掘進參數及地面沉降情況進行統計分析，預測盾構過火車站鐵路軌道區可能出現的沉降大小，以檢驗所制定的盾構下穿火車站整體參數，為安全通過火車站提供保障。

（4）、對既有線路進行幾何尺寸整正作業

盾構下穿前要求工務段對既有線路進行幾何尺寸整正作業，達到理想幾何尺寸。整道范圍為隧道中線兩側25m（在火車站內標注左右線隧道中心線）。整道標準為水平偏差2mm，整道過程中取消原有墊片（利于盾構穿越時沉降超標，采取加墊片起道措施）。線路整正后測量采集原始數據指導施工。

4盾構下穿火車站施工控制措施

4.1盾構下穿火車站施工總體原則

做好盾構掘進的施工管理，加強盾構施工參數優化是防止地面沉降的最基本的措施，也是最有效的措施。具體來說，為控制地面沉降，盾構下穿鐵路段時掘進參數選擇遵循原則：

1）、保土壓、控出土，為我部下穿昆明站控制的核心參數，合理選擇土壓力和控制出土量，以減小第一和第二階段沉降。

2）、低擾動，控制總推力和刀盤扭矩，減小對周圍地層擾動。

3）、合理選擇推進速度，減小穿越段沉降。

4）、勤注漿，及時填補盾尾間隙，減小盾構通過后盾尾土體應力釋放造成的沉降。

4.2嚴格控制土壓力

在施工中嚴格管理，使實際土壓略大于計算值。根據地面沉降的結果來實時調整土壓力，計算過程中的各種參數、安全系數，使得將土壓在盾構掘進過程中控制在合理范圍內。鑒于過昆明站站場前后地層分布較為連續，在盾構穿越火車站站場前50m范圍內設置兩組沉降觀測點，通過第一組數據得到盾構通過后的地層沉降變化情況，初步確定盾構掘進各項參數：通過第二組數據來驗證盾構掘進各項參數，以便進一步調整和修正參數。盾構掘進過程中土壓實際應控制在什么范圍內，需要根據地面測量觀測結果及現場實際情況及時調整。

4.3 推進速度及總推力

根據盾構機設計參數、施工地質狀況、參考以往盾構施工經驗，盾構下穿鐵路段掘進速度控制在20 mm /min～30 mm /min左右，總推力控制在10000 kN～15000 kN，扭矩1800 kN/m～2 200 kN/m，可根據具體掘進情況適當調整。如果出現總推力大而影響推進速度時，采取相應減小推力措施。推進過程中保持穩定，實際施工每日推進8環～10環，且保持連續均衡推進，左右先盾構下穿火車站軌道、站臺在半個月內順利通過。

4.4保證開挖面穩定

由于在隧道施工過程中盾構穿越的土層復雜，容易出現粘性土附著在刀盤上致使刀盤扭矩增大，或土體進入土倉后被壓密固化，形成開挖、排土很難達到平衡的狀況，針對這種情況，向刀盤前方土體注入泡沫，在增大土體流動性的同時，降低其附著力，防止開挖土附著在刀頭和土倉內壁;同時利用刀盤輻條上的攪拌翼將泡沫和切削下來的土體加以攪拌，使之充分混合，變得較為蓬松，增大可排性，從而使開挖土量和排土量保持平衡，保證開挖面的穩定，減少地層擾動

4.5嚴格控制注漿施工

盾構施工引起的建筑空隙、地層損失和盾構隧道周圍受擾動或受剪切破壞的重塑土的再固結，是導致地表沉降的主要因素。注漿作為盾構施工的一個關鍵工序，必須嚴格按“確保注漿壓力，兼顧注漿量”的雙重保障原則，緊密結合施工監控量測的反饋信息，不斷優化注漿壓力的設定，保證注漿量一定要超過理論計算值，實際平均注漿量的合理范圍內波動。

盾構隧道主要通過均布在盾殼體的4根同步注漿管來控制地表沉降。

同步注漿漿液采用活性漿液，水泥砂漿基準配合比如下表所示，該漿液凝膠時間短，以便在填充地層的同時能盡早獲得漿液固結體強度，保證開挖面安全并防止漏漿;并確保不液化。

表1水泥砂漿材料用量表（kg/m³）

同步注漿漿液性能指標

注漿壓力為0.3～0.5MPa左右，并根據盾構推進速度控制注漿量，實際注漿量采用理論值的150%～200%。

隧道在推進過程中，注漿量應根據不同的地質情況和地表隆陷監測情況進行調整和動態管理。一般情況下以滿足控制地表隆陷為原則，以控制地表稍微向上隆起2～3mm為宜。

同步注漿和盾構推進保持同步，即在盾構機推進的同時進行注漿，推進停止后，注漿也相應停止，注漿壓入的時間應控制在盾尾脫離管片時為宜。

根據地面沉降的變化，進行二次壓漿，以彌補同步注漿的不足，二次壓漿在管片出盾尾4環后進行，采用速凝漿液，注漿壓力為不大于0.5MPa。施工中對壓漿位置、壓入量、壓力值做詳細記錄，并根據地層變形監測信息及時調整。

4.6盾構施工軸線控制

在盾構機進入穿越區之前，盡量將盾構機的姿態調整至最佳，減少盾構糾偏。盾構施工過程中，盾構機操作人員須嚴格執行指令，嚴格執行“勤糾偏、小糾偏”的原則，嚴禁大幅度糾偏，并控制每次糾偏的量，盾構機一次糾偏量不宜過大，以減少對地層的擾動，加強管片拼裝質量控制。

4.7實時監測、信息化管理

盾構下穿期間要加強監測頻率，測得監測數據后，要及時進行整理，繪制位移隨時間或空間的變化曲線圖，實施時，多采用位移——空間曲線，即監測結果隨工作而與洞土跨度比值的關系散點圖。在取得足夠的數據后，還應根據散點圖的數據分部狀況，選擇合適的函數，對監測結果進行回歸分析，以預測該測點可能出現的最終位移值。全部監測數據均由計算機管理。

監測負責人對每次監測數據及時進行整理分析，并將分析結果以書面形式向施工組織領導小組匯報，做出評判，并將評判結果向盾構下穿昆明站時施工協調六方小組通報。若遇監測值達到預警值或危險值時，組織施工協調六方小組召開專題會，分析原因，制定對策措施，以保證施工安全。

在施工過程中實時監測站場、建（構）筑物、鐵路道床、軌枕、鐵軌等鐵路設施的變形的監測，做到依據地面監測數據指導施工，及時調整盾構施工各項參數，確保在過昆明站時盾構機連續、平穩的通過，使地面沉降保持在最小狀態，滿足管理部門的要求。此外，尚應制定詳細有效地應急搶險預案，以應對可能發生的突發情況進行準備，保證能在沉降達到警戒值后保持暢通有序的信息溝通渠道及命令發布途徑，能迅速將現場情況反饋給相關部門，以便在第一時間采取相關應急措施進行工程搶險，確保鐵路運輸安全，阻止險情的進一步擴大。

4.8插管注漿施工措施

為確保鐵路股道及地面建（構）筑物安全穩定，盾構機通過后，及時采用洞內注漿的方式對土體進行加固，提高土體承載力和整體性，同時有利于控制隧道長期運營引起的洞周土體變形和沉降。注漿加固范圍：下穿列車股道范圍右IDK13+857.552～右IDK13+900.000與下穿地下出站大廳段右IDK13+766.600～右IDK13+857.552，采用增設注漿孔管片，注漿利用每環管片預留的16個注漿孔進行插管注漿，采用速凝雙液漿，注漿管采用￠27鋼花管，t=3.5mm，進行注漿加固穩定土體，防止二次沉降。見圖2盾構下穿昆明站插管注漿范圍圖。

5結束語

針對滇池沉積層地質條件下盾構下穿昆明站這一施工難點，成立專項課題研究小組。同時，在盾構穿越昆明站前積極和鐵路部門進行溝通，編制切實可行的施工、監測等方案，與鐵路各相關部門簽訂施工安全配合協議書。其次，制定科學合理的盾構掘進參數，把控制地面沉降主要手段的同步注漿和二次注漿作為盾構施工管理的重點，確保注漿及時、管片壁后注漿飽滿，并根據地面沉降情況適時采取二次注漿及徑向補壓漿。最為關鍵的是，盾構穿越正在使用的鐵路線時，為防止盾構施工引起軌道較大不均勻沉降，施工期間一直對地表沉降進行嚴密監測，通過合理的監測設計、及時監測，隨時掌握軌道及周邊地表沉降變化規律、發展趨勢，及時指導調整盾構掘進參數，從而使盾構安全順利地穿越昆明站站場。該區間左右線兩臺盾構機分別于2012年11月1日和12月17日，成功下穿昆明站12條股道、6個站臺，由于施工期間良好的技術控制，最終將鐵路路基、路軌隆沉量控制在了較小的范圍，最大監測點累計沉降僅為-4.5毫米，未超出了10毫米的沉降控制標準，確保了昆明站的安全運營。本文結合滇池沉積層地質條件下盾構下穿昆明站這一具體案例，對風險分析，施工方法、措施加以研究、總結，為昆明滇池沉積層地質條件下后續地鐵建設提供借鑒。

參考文獻：

[1]《昆明地鐵小角度近距離立體交叉盾構技術》楊公正.西南交通大學出版社.2013.11.ISBN編號：978-7-5643-2663-0