蘇州軌道交通2號線盾構區間隧道設計的特點與難點

王效文

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

蘇州軌道交通2號線盾構區間隧道設計的特點與難點

王效文

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063)

結合蘇州軌道交通2號線盾構區間隧道的設計，針對盾構隧道下穿沿線大量房屋，深入研究不同房屋建筑的沉降控制標準、盾構同步注漿和二次注漿參數、盾構掘進參數、監控方案等，提出了明確的保護實施方案；對線路繞避橋梁、橋梁拆除和盾構機直接切割橋樁方案做了技術比選，重點介紹盾構機切割橋樁的實施要求如盾構機刀盤改造、橋梁截樁保護、掘進施工和盾構隧道加強措施等；對盾構隧道下穿鐵路站場，根據城際高速鐵路和普速鐵路不同的沉降控制標準，研究制定了不同的加固方案，結合鐵路站場改造協調制定了具體的加固實施方案。

盾構隧道；下穿房屋；鐵路站場；切割橋樁；保護方案

1 工程概況

蘇州軌道交通2號線全長26.5 km，其中高架線長7.1 km、地下線及過渡段19.4 km，共設車站22座。

經綜合比選，2號線區間隧道除風井、高架與地下過渡段、與火車站改造合建的區間采用明挖法施工外，其余地下區間全部采用盾構法施工，其中聯絡通道采用凍結法加固、礦山法施工。盾構區間共有15個，設置聯絡通道15座，隧道總長度約27 km，使用12臺盾構機施工。

2號線于2009年12月26日全線開工，第一臺盾構機于2010年8月4日開始掘進，全線盾構區間隧道于2012年12月8日全線洞通，2013年9月21日開始全線試運行，2013年12月28日全線試運營。

2 主要技術特點

2.1 地質概況

2號線沿線場區內地勢平坦、水系發育，地層均為第四系晚更新統～中更新統的沖湖積相、海陸交互相沉積物，地層分布較為均勻，盾構穿越的土層主要為粉質黏土層、粉土層、粉砂層，地下水位高。其中，粉土、粉砂稍密～中密，滲透性較好，且為微承壓含水層；粉質黏土為流塑～可塑，土體較為軟弱。

2.2 周邊環境與控制節點

(1)周邊環境復雜。自北向南，2號線區間隧道明挖段側穿京滬高速鐵路高架橋，高架段道路較寬闊，入地后穿越滬寧高速鐵路和普速鐵路站場進入中心城區，主要位于主干道和建筑物下方，沿線管線密集，下穿或近距離側穿各類建筑物多達570棟，沿線下穿眾多河流，其中較大河流有外城河、京杭大運河、胥江等。

(2)控制節點多。除了下穿大量的地面建筑物，2號線區間隧道還下穿了蘇州火車站站場及滬寧城際鐵路、滬寧高速公路、西氣東輸管道、文物保護單位玉涵堂、正穿廣濟橋橋樁等，這些工程節點不僅要嚴格控制工程風險，還需要向相關主管單位進行申報。對于上述工程節點，均進行專項設計，制定詳盡的保護方案，并進行專項論證。

2.3 設計主要技術標準

結合蘇州軌道交通1號線的工程實踐，蘇州地層不均勻沉降和后期沉降因素對隧道內徑影響較小，理論上盾構隧道選擇5 500-350-1 200 mm或5 400-300-1 200(1 500) mm模式都是可以的，但考慮盾構機在粉土粉砂地層掘進的施工誤差可能較大，同時考慮華東地區盾構機資源共享和1號線盾構機資源的連續使用，仍然選擇5 500-350-1 200 mm模式。

全線均采用鋼筋混凝土平板形管片襯砌形式，3塊標準塊+2塊鄰接塊+1塊封頂塊的6分塊模式，拼裝采用華東地區常見的標準環+左右轉彎環形式，管片間采用彎螺栓連接，錯縫拼裝。盾構隧道接縫外側采用單道框形彈性密封墊防水，黏土地層采用三元乙丙橡膠，砂土地層采用三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠嵌條復合型，通過河、湖下時采用三元乙丙橡膠和遇水膨脹橡膠面片復合型。接縫內側采用嵌縫處理，嵌縫材料為特殊齒形嵌縫條與遇水膨脹橡膠膩子。

全線選用加泥式土壓平衡盾構。

3 主要技術難點

3.1 盾構下穿建筑物(圖1、圖2)

2號線盾構區間需下穿各類建筑物多達570棟，且建筑物種類多，有廠房、居民小區、商業大廈、文物保護單位等，建筑物建設年代、基礎形式和結構類型多種多樣，工程風險控制難度大。部分區間建筑物密集(如廣濟路站—三香廣場站區間、長吳路站—寶帶西路站區間)，盾構需要連續下穿建筑群，進一步增加了工程風險。如何確保盾構安全穿越建筑物，成為蘇州軌道交通2號線土建工程的重點和難點。

圖1 廣濟路站—三香廣場站區間隧道連續下穿建筑物平面示意

圖2 長吳路站～寶帶西路站區間隧道連續下穿建筑物平面示意

盾構下穿建筑物，引起建筑物沉降是不可避免的。首先，在確定線路方向和站位方案時，盡量避免線路長距離下穿建筑群；當線路難以避免連續下穿建筑物時，可通過局部調整優化線路，必要時適當減小曲線半徑、增設曲線、調整車站站位等方法，盡量繞避敏感、控制性建筑物。例如，2號線三醫院站—石路站區間原線路方案下穿汀洲會館及玉涵堂兩處文物保護單位，通過優化線路，避開了以上2處文物保護單位，僅下穿玉涵堂的次要建筑，顯著地降低了工程風險。另外，線路縱斷面方面，考慮隧道開挖引起的地表沉降隨著隧道埋深的加大而減小，在埋深小于15 m時，效果尤為顯著。因此，連續下穿建筑物區段適當調整加大線路埋深，必要時適當加大車站埋深，如三香廣場站結合地下空間開發設計為地下三層站，既有利于降低施工風險，也有利于減小運營階段列車振動和噪聲對地面建筑物的影響、滿足環評要求。區間下穿玉涵堂線路優化示意見圖3。

圖3 區間下穿玉涵堂線路優化示意

在國內外調研、現場試驗、理論分析的基礎上，施工階段采取了加強盾構掘進控制和信息化施工、及時同步注漿和二次注漿，必要時進行地面注漿的保護方案。具體要求如下。

(1)盾構穿越建筑物加強措施段劃分

隧道中心線左右各20 m，建筑物前20環管片寬度(24 m)和后10環管片寬度(12 m)范圍為穿越建筑物加強措施段。

(2)地表、建筑物沉降控制標準

①地表沉降不大于16 mm，隆起不大于4 mm。地表沉降變形預警值、報警值和控制值分別為10 mm、13 mm和16 mm。地表隆起變形控制值為4 mm。

②建筑物沉降不大于20 mm、隆起不大于4 mm、傾斜不大于4‰。建筑物沉降變形的預警值、報警值、控制值分別為12 mm、16 mm和20 mm。建筑物隆起變形控制值為4 mm，傾斜變形控制值為4‰。

(3)同步注漿及二次注漿技術標準

①同步注漿(可硬性漿液)

注漿材料：要求≥42.5級普通硅酸鹽水泥，細砂通過5 mm篩孔。

漿液性能：稠度10～13 cm，凝結時間7～8 h，7 d強度≥0.4 MPa，14 d強度≥1.0 MPa。

注漿量：≥4.0 m3/環。

②二次注漿

配比：水泥漿與水玻璃體積比1∶1，水玻璃用水稀釋1∶3，水泥漿水灰比1∶1。

注漿量：≥1.2 m3/環。

注漿開始時間：管片脫出盾尾5環。

(4)盾構機掘進控制技術標準

盾構機狀態：盾構機在穿越建筑物前需對盾構機進行檢修，盾構機始發前必須更換3道新的知名品牌盾尾刷。

掘進速度：盾構應勻速掘進，掘進速度2～3 cm/min。

盾構姿態控制：盾構姿態應控制盾首或盾尾的垂直及水平偏差絕對值在一定范圍之內，同時需控制盾首和盾尾偏差絕對值之和。

盾尾油脂：盾尾油脂應采用知名品牌，用量為≥35 kg/環。

渣土改良：在隧道所處土層的粉細砂斷面≥1/2時，應使用知名品牌土壓平衡盾構機專用泡沫劑，添加量≥20 kg/環。

目前，蘇州軌道交通2號線隧道已順利貫通，97.5%的建筑物沉降點均在控制值內，說明以上控制措施是可以滿足盾構下穿建筑物的風險控制要求。

3.2 盾構切割橋樁

2號線三醫院站—石路站盾構區間下穿廣濟橋。該橋跨為3孔(16+11+16 m)預應力混凝土簡支板梁橋。橋梁結構和隧道的相對位置關系如圖4、圖5所示。廣濟橋總寬32 m，其中車道凈寬22 m，兩側人行道各5 m。下部結構采用重力式橋臺，薄壁橋墩，鉆孔灌注樁基礎。廣濟橋墩臺基礎共有14根φ1 m和φ1.2 m鉆孔灌注樁侵入區間隧道開挖范圍，樁基主筋為φ20 mm和φ22 mm。

圖4 橋梁結構和隧道位置關系平面

圖5 橋梁結構和隧道位置關系立面(單位：cm)

在線路選線階段，盡量考慮三醫院站—石路站區間隧道繞避廣濟橋的方案，但由于廣濟橋與石路站距離僅60 m，繞避方案一是需要改移站位，二是道路兩側房屋拆遷量很大，推薦采用盾構施工前對廣濟橋進行拆除、拔除樁基后重建成淺基礎橋梁的方案。

由于廣濟路位于蘇州石路商圈，交通流量較大(高峰小時雙向交通量2 500 pcu/h)，經過的公交線路達23條之多，周圍建(構)筑物密集，采用拆橋還建方案社會和經濟成本較高，同時施工期間需要封閉道路，對商業區的公共交通干擾很大，交通疏解非常困難。在施工方案研究階段，綜合考慮施工風險、交通疏解、社會影響等因素，經過調研和專題研究論證，決定采用“廣濟橋老橋保留，老橋基礎加固，盾構截斷樁基穿越老橋”的方案，在對廣濟橋部分橋墩進行加固、隧道結構加強配筋的條件下，可以保證廣濟橋和盾構隧道的安全。

在工程實施階段，為保證廣濟橋和盾構隧道的安全，采取了以下工程措施。

(1) 盾構穿越前，對廣濟橋部分橋墩進行加固，加固墩基持力層。

(2) 下穿廣濟橋段盾構隧道管片加強配筋，采用超深埋管片。

(3) 從盾構機掘削能力、刀盤刀具、螺旋輸送機出土、壁后注漿管路保護及人艙等多方面對盾構機進行改造。

(4) 盾構穿越前，在石路站內開展試切樁試驗，驗證切樁的可行性，積累施工參數。

(5) 制定專項施工方案，并進行專家評審。

(6) 成立“盾構切削廣濟橋樁基指揮中心”，由各參建單位人員共同組成，加強盾構切樁過程的監督管理，及時有效處理問題。

盾構穿越橋梁后，墩臺和橋面沉降均小于4 mm，未對廣濟橋正常使用造成任何影響。

3.3 盾構下穿蘇州火車站站場

2號線蘇州火車站—三醫院站區間隧道長度1462雙線米，除與火車站南北通道等相關工程合建段102 m采用明挖法外，其余均采用盾構法施工，其中長約260 m的區段以半徑400 m的曲線下穿正在建設改造的蘇州火車站站場，包括既有滬寧鐵路和車站道岔區、站場過渡線和當時即將開通的滬寧城際鐵路。隧道下穿火車站站場段的線間距14.8～18.9 m，隧道覆土厚度約15 m，隧道與鐵路站場的平面位置關系如圖6所示。

圖6 盾構隧道與鐵路站場的平面位置關系

結合鐵路站場改造和工程實施進度，先做好必要的盾構施工預加固保護措施。施工順序是，在北區滬寧城際站場(城際場)施工前實施加固工程，然后施工北區城際鐵路站場，待南區既有滬寧鐵路站場(普速場)轉至北區過渡時加固南段，最后完成南區站場改造。2號線盾構隧道施工下穿站場段時在加固工程的保護下進行。具體加固方案如下。

(1)隧道下穿站場段全部采用袖閥管注漿加固，在外圍采用單排三軸攪拌樁作為止水帷幕，如圖7所示。

圖7 注漿加固橫剖面(單位：mm)

(2)在隧道穿越滬寧城際正線段，采用梁板+樁保護。板平行于鐵路正線布置，兩端與鐵路線路垂直，鋼筋混凝土板厚1.5 m，平行于正線方向的總長度約79 m，寬12 m，板下方設4排φ1 000 mm@3 000 mm鉆孔灌注樁，每排樁樁頂設1 500 mm×2 000 mm的橫梁。兩隧道中間和隧道兩側的樁長分別為50 m、55 m，板角部樁長50 m。如圖8、圖9所示。

圖9 板+樁保護方案剖面(單位：mm)

為控制城際正線的沉降，采取以下輔助施工措施。

(1)鉆孔灌注樁采用后注漿措施，以提高樁基的承載力和減少樁基沉降。

(2)盾構施工時加強同步注漿，必要時進行二次注漿，減少地層沉降。

(3)在板下方預埋注漿系統，盾構下穿過程中進行跟蹤注漿。

(4)在盾構施工過程中加強監控量測，嚴格控制地面的下沉或隆起，出現問題應該及時解決，以避免對鐵路運營造成影響。

(5)為控制滬寧城際鐵路在板樁加固范圍內與板樁加固區外的差異沉降，板與路基的過渡段施作CFG樁順接處理。

通過所采取的地基處理措施及盾構施工參數的控制，隧道穿越后，滬寧普速線最大隆起值為2.8 mm、最大沉降值為4.6 mm，滬寧城際鐵路正線最大隆起值為1.4 mm、最大沉降值為1.0 mm，均能滿足鐵路路基工后沉降不得大于15 mm的變形控制要求。

4 結語

設計方案合理，前期調研與專題研究對所遇困難估計充分是成功的前提。下穿房屋的結構類型和使用狀態、下穿鐵路站場如何與站場改造結合、盾構機切樁后橋梁使用狀態等重難點工程的設計，經過詳細勘察并向相關主管部門反復匯報論證，多次前往國內類似工程考察交流，盾構下穿房屋、切割橋樁、下穿鐵路站場等重難點工程的專題研究成果經過多輪專家評審修正，為工程實施打下了良好的基礎。

施工方案和施工過程控制是工程取得成功的關鍵。重難點工程實施前，對盾構機的性能狀態、刀盤改造、盾尾刷密封效果、盾尾油脂的選擇、開口率與出土速度、注漿材料與注漿量等結合工程試驗和1號線的經驗進行了深入研究，對前期加固工程的實施效果、切樁試驗數據等作了詳細的反分析，據此制訂了施工過程關鍵工序控制措施、監測方案、應急處理預案，最終取得很好的施工效果，也為其他類似工程提供了很好的借鑒。

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Characteristics and Difficulties in Design of Shield Tunnel on Suzhou Track Transit No.2 Line

Wang Xiaowen

(The Fourth Railway Survey And Design Institute Group Corporation， Wuhan 430063, China)

With reference to the design of the shield tunnel on Suzhou track transit No.2 line， this paper defines the protection program with respect to the passing of shield tunnel through building blocks along the line and based on the extensive study of the settlement control criteria for different buildings， parameters for shield simultaneous grouting and second grouting， parameters for shield excavation and monitoring plan. Technical comparison is conducted of the line bypassing bridges， bridge demolishment， and plan of cutting piles directly by shield machine. Requirements for cutting bridge piles by shield machine are addressed， such as modification of cutter， protection of cut piles， excavation and shield tunnel reinforcing measures. Different reinforcement programs are drawn out for the passing of shield tunnel under railway yard according to different settlement standards relating to intercity high speed railway and normal speed railway， and detailed reinforcing program is prepared in coordination with the upgrading of railway yard．

Shield tunnel; Passing under building; Railway yard; Cutting bridge pile; Protection program

2014-06-10

王效文(1964—)，男，教授級高級工程師，1990年畢業于西南交通大學，工學碩士。

1004-2954(2014)11-0116-05

U452.2

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.027