地鐵盾構近距離穿越馬家浜施工技術

王褘

（上海隧道工程有限公司，上海市200232）

地鐵盾構近距離穿越馬家浜施工技術

王褘

（上海隧道工程有限公司，上海市200232）

介紹上海軌道交通9號線（東延伸）工程9標碧云路站—平度路站區間隧道施工時，為減少馬家浜、防汛墻等重要建構筑物的沉降，施工前即進行了針對性的盾構機改制，穿越施工過程中進行精細化管理，均衡施工，穿越后進行二次注漿加固的技術措施，保證了建構筑物的安全，順利完成了區間隧道的施工，可為今后類似工程提供借鑒。

地鐵盾構；穿越；施工技術；同步注漿

1 工程概況

1.1 工程簡介

上海軌道交通9號線碧云路站—平度路站區間上行線長1 987.485 m（1 658環），下行線長1 985.264 m（1 656環），最小平面曲線半徑800 m，區間隧道最大縱坡15.088‰，頂覆土埋深8.6～16.7 m。本區間隧道采用兩臺6 760土壓平衡盾構機從平度路站站西端頭井始發，先后穿越馬家浜、薛家浜后，推進至碧云路站進洞。

區間上行線在280～309環，下行線在280～309環處，盾構機將先后下穿馬家浜。馬家浜河道寬約30.6 m，水流較為平緩，河底標高為-1.0 m，隧道頂標高-8.6 m，河底距隧道7.6 m。馬家浜穿越段兩側為馬家浜老駁岸和新建中的防汛墻。馬家浜老駁岸采用250 mm×250 mm預制方樁和600鉆孔灌注樁，樁長分別為7.0 m、8.0 m，樁底標高分別為-5.5 m、-6.5 m。新建中的防汛墻采用220 mm×280 mm方樁，樁長8 m，樁底標高-6.2 m。穿越時區間隧道位于④灰色淤泥質黏土和⑤1-1灰色黏土層中，區間隧道中心標高-11.9～-12.1 m，防汛墻方樁樁底與隧道最小豎向距離為2.1 m。圖1為區間隧道與馬家浜橋、防汛墻及匝道承臺樁基位置關系圖。盾構穿越馬家浜掘進軸線情況見表1。

圖1 區間隧道與馬家浜橋、防汛墻及匝道承臺樁基位置關系圖

1.2 工程地質

盾構穿越馬家浜覆土區，最淺覆土約為7.6 m，盾構斷面處于④層灰色淤泥質黏土、⑤1-1層灰色黏土中，穿越的土層由上至下分別為③層灰色淤泥質粉質黏土夾粉性土、④層灰色淤泥質黏土、⑤1-1層灰色黏土、⑤1-2層灰色粉質黏土。③、④、⑤1-1、⑤1-2層含水量高、孔隙比大、強度低、壓縮性高、滲透性弱，且具有明顯的觸變、流變特性，在動力作用下土體結構易破壞，造成土層流動以致開挖面失穩。表2為地層物理性質表。

表1 盾構穿越馬家浜掘進軸線情況統計表

2 準備工作

2.1 穿越前準備工作

（1）在盾構機穿越馬家浜前，對其及周邊環境進行詳細調查，重點摸清河岸防汛墻結構情況，并對河道寬度、河床標高、水位標高進行實測標定。

（2）在穿越前辦理相關手續，以便接受監督。（3）在施工前，對施工人員進行交底。

（4）對機械設備，特別是盾構機進行維修保養，確保在穿越施工中機械設備情況良好，尤其要確保盾尾密封裝置和螺旋機閘門等能夠隨時有效發揮作用。

（5）為了更好地減小盾構機穿越的影響，建立試推階段，摸索相應數據，更好地控制施工。除了按常規布置沉降觀測點外，在河岸及其附近的盾構軸線外側布置深層測點，在盾構機穿越前、穿越中和穿越后對土體的變形進行監測，并根據監測數據對施工參數進行合理調整。

2.2 控制段劃分

根據土體應力影響角擴散原理，離防汛墻前20 m，盾尾穿出離防汛墻10 m設置為穿越段。上行線盾構推進267～315環時穿越馬家浜及防汛墻，穿越段共48環；下行線盾構推進266～312環時穿越馬家浜及防汛墻，穿越段共46環。

表2 地層物理性質表

3 施工技術措施

3.1 盾構推進和地層變形的控制

該工程采用土壓平衡式盾構掘進機，其利用壓力倉內的土壓力來平衡開挖面的土體，從而達到對盾構正前方開挖面支護的目的。平衡壓力的設定是土壓平衡式盾構施工的關鍵，維持和調整設定的壓力值又是盾構推進操作中的重要環節。這里面包含著推力、推進速度和出土量的三者相互關系[1]，對盾構施工軸線和防汛墻變形量的控制起主導作用。所以在盾構施工中要根據不同土質、覆土厚度及水位高度，配合監測信息分析，及時調整平衡壓力值的設定。同時，要求推進中盾構姿態保持相對平穩，控制每次糾偏量不過大，減少對土體的擾動，并為管片拼裝創造良好的條件[2]。根據推進速度、出土量和地層變形的監測數據，及時調整注漿量，從而將軸線、防汛墻及馬家浜河床變形控制在允許的范圍內。

盾構軸線控制偏離設計軸線不得大于±50 mm，地面沉降量控制在+10～-30 mm。

3.2 主要參數設定

3.2.1 平衡壓力值的設定原則

盾構在穿越馬家浜前后存在覆土的突變，因此在盾構掘進前根據覆土深度的變化，必須對平衡壓力設定的差值有一個理論上的認識，在盾構穿越馬家浜前后，及時對設定平衡壓力進行調整。根據地質情況及隧道埋深等情況，進行理論計算切口平衡壓力（正面平衡壓力）：

式中：P為平衡壓力（包括地下水）；γ為土體的加權平均重度，取17.7 kN/m3；h為隧道中心埋深，取17.5 m，河中隧道埋深取11.0 m；k0為土的側向靜止平衡壓力系數，取0.75；P0為河水及橋梁附加荷載，取0.03 MPa。

地面段：P1=k0γh=0.75×17.7×17.5×0.001= 0.232 MPa

河底段：P2=k0γh=0.75×（17.7×11.0×0.001+ 0.03）＝0.169 MPa

在盾構切口距離防汛墻投影面約17.5 m時，土壓力設定值應逐漸降低至計算值。由原先的0.232 MPa逐步降低至0.169 MPa，當盾構到達陸地前土壓力再逐步提高至0.232 MPa。施工過程中應根據防汛墻監測數據及時對土壓力設定值進行調整，確保地面環境及防汛墻的安全和穩定。

3.2.2 推進出土量控制

每環理論出土量：

π/4×D×L=π/4×6.762×1.2=43.07 m3/環式中：D為盾構機刀盤直徑；L為管片環寬。

盾構推進出土量控制在98%～100%之間，即42.21～43.07 m3/環。

推進過程中應觀察螺旋機出土口的土質變化情況及出土箱數。

3.2.3 推進速度

盾構推進速度不宜過快，以1～1.5 cm/min為宜，避免由于推進速度過快造成對土體的過分擠壓，從而導致盾構切口與河底貫穿。盾構推進過程速度保持穩定，確保盾構均衡、勻速地穿越，減少盾構推進對前方土體造成的擾動，減少對河床及防汛墻的影響。

3.3 盾構姿態控制

盾構進行平面或高程糾偏的過程中，會增加對土體的擾動[3]。在穿越過程中，盡可能使盾構勻速、直線通過，盡量避免大幅糾偏，以免造成過大的地層損失。根據自動測量系統反饋數據實時糾偏，單次平面糾偏量控制在5 mm/環內，單次高程坡度糾偏量不超過1‰。

3.4 盾構推進自動化測量的應用

為了確保盾構順利穿越馬家浜，區間隧道兩臺盾構機采用實時測量系統，利用先進的測量、電子傳感器和計算機技術，計算盾構機的位置、姿態和趨勢信息（見圖2），并與設計隧道軸線進行比較，以直觀的方式圖文并茂地給盾構機操控人員實時地提供信息，實時糾偏，減少盾構糾偏帶來的土體擾動。

圖2 自動化測量示意圖

3.5 同步注漿

（1）同步注漿設備優化

減小盾構掘進過后土體的后期沉降量，對盾構同步注漿系統進行優化[4]，增配一臺施維英注漿泵（見圖3），可實現4點同時壓注大比重單液漿，即時有效地進行同步注漿充填管片與土體間的建筑空隙，減少土體擾動，可有效控制土體后期沉降量。

圖3 配備施維英泵

（2）同步注漿漿液控制

同步注漿漿液采用大比重單液漿。通過同步注漿及時充填建筑空隙，減少施工過程中的土體變形。同步注漿量一般為建筑空隙的150%～200%，即每推進一環同步注漿量約為3.02～4.02 m3。盾構同步注漿系統可滿足盾構掘進時4點（上部兩點、下部兩點）同時注漿，即時填補建筑空隙，能夠有效覆蓋整個圓周，不易產生注漿盲點。漿液采用最新研制的大比重單液漿，上、下壓漿量分配比視壓漿時的壓力值和地層變形監測數據而相應調整。

嚴格控制每環的壓漿量，并確保同步注漿漿液的質量。防止注漿不足或者超量引起土體沉降，對防汛墻結構、橋臺結構造成破壞。

注漿時，必須嚴格控制注漿壓力，避免由于注漿壓力過高而擊穿上層覆土[5]。上層覆土被頂破后會造成如下兩方面的危害：

（1）上覆土層頂破后，河水與正在施工的隧道之間形成一個通道，河水可能通過盾尾、管片接縫進入隧道，給隧道施工帶來危險；

（2）漿液通過這個通道進入河道，會對河水造成污染。

本區域內的二次注漿漿液選定為雙液漿，注漿量根據沉降監測數據的情況，及時進行調整。

同步注漿和二次注漿的漿液初定配比見表3和表4。

表3 1 m3同步注漿漿液配比(重量比)

表4 二次注漿漿液配比(重量比)

3.6 管片拼裝

在盾構進行拼裝的狀態下，由于千斤頂的收縮，易引起盾構機的后退，因此回縮的千斤頂應盡可能少，并應逐一伸縮千斤頂，以滿足管片拼裝即可，保持開挖面的平衡壓力，同時盡量熟練拼裝工藝，確保優質快速拼裝管片。在恢復推進時，應先恢復盾構的平衡壓力，適當可以先推進略微的距離，防止平衡壓力下降；拼裝完成后及時管片螺栓復緊，確保隧道管片穩定。

4 實施效果

4.1 監測點布設

（1）地表監測點布設：沿軸線每4環布設一個監測點，橫向監測斷面以隧道軸線為中心[6]，距離軸線3、6、10、15、L（L為一倍覆土埋深，單位：m）各設置一點，共11點（包括隧道軸線上一點）。每一監測斷面及斷面間軸線點保證至少有一地表深層沉降監測點[7]。同時，上、下行線在東西防汛墻兩側周圍保證有一地表深層沉降監測點。

（2）防汛墻監測點布設：以隧道軸線為中心，沿防汛墻距離軸線3 m、6 m、10 m、15 m、20 m、30 m布設監測測點。測點布設采用電錘成孔，安裝監測標志。

圖4為盾構穿越馬家浜沉降監測點設置示意圖。

圖4 盾構穿越馬家浜沉降監測點設置示意圖

4.2 沉降控制

馬家浜橋和防汛墻的沉降控制要求為±10 mm。9號線區間隧道下行線于2015年9月11日出洞，截止2015年11月4日，馬家浜橋的監測數據比較正常，并且和施工工況相匹配，周圍環境處于可控狀態，施工單位采取的施工工藝、方法、流程合理。馬家浜橋累計沉降量控制在-0.05～-7.89 mm，防汛墻累計沉降量控制在-3.47～3.28 mm，具體數據見圖5、圖6。

圖5 馬家浜橋累計沉降曲線（單位：mm）

圖6 防汛墻累計沉降曲線（單位:mm）

5 結語

通過對盾構成功穿越馬家浜施工相關技術研究，可為類似工程提供以下建議：

（1）做好穿越河道及建構筑物的現狀探摸工作，針對性地提升盾構機能力，配置自動化監測設備，確定合理的監測方案[8]，為盾構穿越施工提供良好的客觀條件；

（2）分階段實施施工，設置試驗段，摸準各項參數，給穿越施工提供合理科學的施工參數[9]；

（3）穿越施工需精細化控制，微調土壓力，同步注漿，嚴控推進速度，以減少土體擾動造成的地層損失率。

[1]周文波.盾構法隧道施工技術及應用[M].中國：中國建筑工業出版社，2004.

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

[3]黃德中.超大直徑土壓平衡盾構施工土體改良試驗研究[J].現代隧道技術，2011(4)：65–71.

[4]李曙光,方理剛.土壓平衡盾構法隧道施工中影響地表沉降的因素淺析[J].現代隧道技術,2007,44(5):72-76.

[5]張云，殷宗澤，徐永福.盾構法隧道引起的地表變形分析[J].巖石力學與工程學報，2002，21（3）：388-392.

[6]劉洪洲，孫鈞.軟土隧道盾構推進中地面沉降影響因素的數值法研究[J].現代隧道技術,2001,38(6):24-28.

[7]鄒翀.盾構隧道同步注漿技術[J].巖土工程界,2002,5(9):44-47.

[8]黃雨，郝亮，謝攀，等.土體流動大變形的SPH數值模擬[J].巖土工程學報,2009,31(10):1520.

[9]張厚美.盾構隧道的理論研究與施工實踐[M]．北京：中國建筑工業出版社，2010．

U455

B

1009-7716（2017）08-0168-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.08.052

2017-04-16

王褘（1972-），男，上海人，工程師，從事隧道施工工作。