地鐵盾構下穿加油站時的沉降控制技術研究與應用

阮珊珊 吳志平

1. 武漢地鐵地產聯合置業有限公司 湖北 武漢 430000；2. 中國葛洲壩集團基礎工程有限公司 湖北 宜昌 443002

1 工程簡介

武漢地鐵紙坊線盾構區間雙線沿文化大道由南往北至新路村站，右線全長2 133.925 m，左線全長2 125.254 m，盾構需下穿中國石油湖北武漢銷售分公司文化路加油站油庫區域，加油站油庫長13.80 m，寬9.80 m，儲油罐基礎底埋深5.35 m，盾構隧道與油罐罐室基礎凈距約9.70 m，油罐處隧道覆土厚度約15.05 m。區間隧道左右線間距為13.0～22.3 m，線路平面最小曲線半徑為400 m，最小豎曲線半徑為3 000 m，隧道最大縱坡為2.5%。

該加油站為二類加油站，站內設有30 m3臥式油罐4個，其中汽油罐3個、柴油罐1個，總儲量105 m3，設雙油品四槍加油機4臺。加油島的上方設有罩棚，罩棚柱基礎采用獨立基礎，基礎尺寸為2.4 m×2.4 m，埋深最大為4.5 m，持力層為粉質黏土，地基承載力特征值90 kPa。油罐室位于罩棚下方，底板為C25混凝土，厚0.5 m，平面尺寸為13.84 m×9.80 m，地板下為厚0.1 m的C15素混凝土墊層，基礎持力層為砂石墊層，厚度為1.0 m（地基承載力特征值90 kPa）；罐室側墻采用MU10灰砂磚、M10水泥砂漿砌筑。油罐為圓柱形鋼結構，直徑2.4 m，長度為7.1 m，油罐間及油罐與側墻間凈距為0.5 m，罐體周圍采用砂分層均勻填實。

2 盾構下穿加油站時的掘進技術研究及應用

為確保盾構下穿文化路加油站的安全順利通過，綜合考慮盾構隧道的埋深、地質情況，結合盾構掘進試驗段經驗，決定在加油站不停止營業的條件下，采用優化后的掘進參數及智能化監測技術進行盾構下穿，并在施工過程中密切關注地面沉降監測，及時調整盾構掘進參數，減少對加油站的影響，將施工后的沉降量控制在最小范圍內。

2.1 不停業條件下盾構下穿加油站施工技術

為減小左、右線2個盾構施工的疊加影響，本次工程先進行右線盾構掘進施工，再進行左線的盾構施工，兩者間距相差289環，即434 m，時間間隔64 d，以保證右線土體的注漿加固效果，進而減小2個盾構區間的干擾和影響。

2.1.1 土倉壓力

在軟土地層掘進時土倉保持半倉快速掘進，為防止出現刀盤扭矩過高、速度慢以及結泥餅現象，頂部土倉壓力設定在0.11～0.13 MPa范圍內。施工過程中，土倉壓力波動控制在－0.02～0.02 MPa范圍內，土倉壓力控制標準首要調整值為頂部土倉壓力。同時根據1#～5#土壓傳感器讀數判定土倉狀態。當監控量測數據反饋需調整土倉壓力時，以0.01 MPa的梯度逐步調整土壓，嚴禁快速降壓或升壓，停機過程中，不進行土倉壓力降低處理。

2.1.2 刀盤扭矩與轉速

盾構下穿施工過程中，刀盤參數主要有刀盤轉速，刀盤扭矩2個控制指標。若扭矩波動較大，則將刀盤轉速設定為1.1～1.3 r/min，刀盤扭矩恒定且不超過1 800 kN·m。

2.1.3 推進速度

推進速度控制在20～30 mm/min，下穿加油站期間須確保快速均衡通過以降低施工風險。

2.1.4 盾構機姿態

盾構機在軟土地層中掘進時，開挖面不穩定，地下水豐富，容易出現管片上浮，盾構機垂直姿態要適當下壓。但考慮到盾構機可能出現栽頭現象，盾構機垂直姿態向下偏差不宜過大，實際控制在－20～20 mm范圍以內，單環調整量＜3 mm，趨勢控制在3 mm/m以內，以避免因糾偏而造成超挖。推進油缸行程差控制在60 mm以內，盾構姿態較差需調整姿態時，行程差不得超過單環轉彎環楔形量。

2.1.5 渣土改良

1）渣土改良管理應結合地勘資料及實際推進情況綜合確定，根據勘查資料，渣土改良主要采用泡沫劑改良，輔助加水。泡沫劑原液比例為2.5%，發泡倍率為20倍，單管注入速率為150 L/min。刀盤中心1#、2#注入口必須保持注入泡沫，3#～5#注入口視情況注入改良劑。

2）盾構推進過程中需要調節泡沫劑注入參數時，應按照注入管路、注入速率、發泡倍率及原液比例的先后優先級進行調整。當渣土改良效果較差時，增加泡沫劑注入管路，或增大泡沫劑注入速率；若出現土倉壓力快速升高，但渣土改良效果未明顯變好時，在持續增加泡沫劑注入的前提下，可適當降低泡沫劑發泡倍率或提高泡沫劑原液比例。擬定泡沫劑注入管路不低于2路，注入速率不低于100 L/min，發泡倍率為10～20倍，原液比例為2%～5%。

3）每班應檢查一次泡沫劑原液的實際消耗量及發泡效果，確定是否與電腦數據匹配。渣土改良出現異常時，應立即檢查，必要時進行停機處理。

4）每環應進行不少于3次的渣土分析，要求渣樣取自皮帶運輸機上，并且應量測剛出機的渣樣溫度。結合相關地勘資料，盾構穿越區段渣土分析主要內容為顆粒級配情況、渣土性狀、渣土溫度等。顆粒級配情況主要確定渣土中的細粒比例，作為調整渣土改良劑注入參數及控制出土量的依據。渣土性狀及渣土溫度主要作為判斷渣土改良效果的依據。渣土溫度原則上控制在不得超過循環水溫度＋10 K。盾構推進過程中若發現渣土溫度持續升高，應立即調整改良劑注入參數，加大泡沫劑與水的注入速率，同時略微提升掘進速率，避免出現噴涌現象。注入速率的提升及掘進速率的提升以土倉壓力變化為控制基準。

5）泡沫注入系統在掘進過程中要保持開啟，避免堵管，影響渣土改良效果。刀盤扭矩太小時，可考慮降低泡沫流量，防止滾刀啟動扭矩不足產生偏磨。

2.1.6 盾構出土

出渣量的控制采用質量與體積雙重控制指標。結合地勘資料，盾構穿越區段洞身范圍內地層主要以粉質黏土為主。按照既有施工經驗，該類地層的松散系數較大，實際出渣量為55～58 m3/環，電瓶車每環裝渣量約為4箱。渣土稱重計算時須考慮渣土改良劑的注入量。

盾構掘進前，必須檢查每個土箱內的渣土殘余方量。盾構掘進中，每推進200 mm應檢查一次出渣方量，若出渣量超過控制值則須及時調整排土量。若200 mm行程出渣超量超過3 m3或400 mm行程出渣超量超過5 m3，則應立即停止推進并保持土倉壓力，向地面監控室匯報，并通過盾體徑向孔注入膨潤土泥漿。原始施工記錄必須詳實記錄每箱土的原剩余方量、實際出渣方量及自由水方量3個數值。

2.1.7 同步注漿

下穿加油站過程中，根據前期試驗段經驗以及現場試驗調整同步注漿漿液的配合比，為縮短凝結時間，注漿量設定為6.5～7.0 m3/環，注漿壓力0.2～0.3 MPa。若掘進過程中發現出渣量明顯低于理論出渣量，下環掘進過程中應加大同步注漿量并及時跟蹤注雙液漿，注漿參數以壓力控制為主。注漿速率與推進速率匹配，推進完成前50 mm完成同步漿液注入。若注漿速率與掘進速率匹配，但注漿壓力過低時，則應加大跟蹤注漿方量。當渣土中出現明顯漿液成分時，應及時減小注漿壓力，并同步開啟刀盤加水系統，防止刀盤或土倉結泥餅[1-2]。

2.1.8 二次注漿

為保證隧道成型質量，防止管片上浮，需進行常態化的二次注漿，每間隔1環進行1次二次注漿。如發現同步注漿量不足，或管片壁后地質雷達掃描疏松異常情況，通過管片中部的注漿孔進行二次補注漿，從而減少盾構機通過后土體的后期沉降，減輕隧道的防水壓力，提高止水效果。

二次注漿單獨配備注漿泵，注漿前鑿穿管片吊裝孔外側保護層，安裝專用注漿接頭。注漿材料采用水玻璃＋水泥砂漿雙液漿。漿液配比：水泥漿水灰比為1∶1；水玻璃與水按1∶1～1∶2進行稀釋。注入時漿液與水玻璃體積比為水泥漿∶水玻璃=3∶1，注漿壓力控制在0.2～0.3 MPa，以確保管片背后間隙填充密實。

2.1.9 深孔注漿

在下穿加油站區地段采用每環增設4個注漿孔，下穿段管片完全通過臺車后，即對該段隧道管片全環范圍內進行深孔注漿，注漿管長度3 m，采用單液漿，水灰比1∶1，注漿壓力不超過0.3 MPa。

2.1.10 地表補償注漿

盾構下穿加油站時，如果在上述方法實施后，沉降仍接近報警值，則需在地表再采取補償注漿措施。

工地現場配置柴油式100型巖芯鉆機4臺、砂漿泵2臺、雙液泵1臺及其他配套設備（柴油機、注漿器材）等，在現場待命，聽候通知進場。

1）地表沉降報警。根據現場監測數據，確定補償注漿的加固范圍（地表沉降區向外各延伸3.0 m），注漿孔徑為76 mm，間距為1.0 m，深度為4.0 m。

2）油庫沉降報警。沿儲油罐四周注漿，注漿孔徑為76 mm，間距為0.5 m，深度為6.0 m。待土體達到加固效果以及監測數據穩定后，盾構才能繼續掘進。

2.2 下穿加油站時的監測數據分析

1）監測項目：地表沉降監測、建（構）筑物沉降及傾斜、儲油罐沉降監測、管片襯砌變形監測。

2）沉降控制指標：允許沉降控制值≤10.0 mm，報警值≤8.0 mm，預警值≤7.0 mm，沉降最大速率控制值2.0 mm/d。

3）下穿加油站監測點布設：地表沉降監測縱斷面測點10個，橫斷面測點共布設了5個斷面；建筑物沉降及傾斜監測點6個；儲油罐沉降監測點4個，罩棚柱沉降監測點4個，管片襯砌變形監測共布設3個斷面。

4）監測結果：地表沉降監測最大測點累計沉降量－7.65 mm，油罐沉降監測最大測點累計沉降量－3.81 mm，建筑物沉降監測最大測點累計沉降量－3.84 mm，管片襯砌變形監測最大測點累計沉降量－3.58 mm。監測結果表明，盾構下穿加油站施工引起的沉降完全滿足規范要求。

2.3 工后措施

2.3.1 地面輔助措施

1）在盾構機通過后，即采用地質雷達對加油站段進行復測，一旦發現異常立即組織地面鉆孔注漿。

2）施工過程中加強監測，根據監測情況跟蹤注漿；在隧道正常掘進狀態，且建（構）筑物沉降＜－10 mm（＋5 mm）期間可不予采用，主要通過沉降監測數據嚴格控制隧道掘進參數，加強同步注漿及二次注漿實施保護。當建（構）筑物沉降達到報警值時（控制值的80%），迅速圍蔽并于建（構）筑物四周進行跟蹤注漿以控制沉降。

2.3.2 洞內輔助措施

盾構通過后，在成型隧道縱向布置5條測線（沿圓周均衡布置），并采用地質雷達掃描管片壁后的填充密實情況，對存在松散或有異常的位置進行跟蹤注漿。

3 結語

受軟土地層的影響，盾構掘進在下穿加油站及建（構）筑物過程中，極易引起地層的不均勻沉降，會影響油罐區基礎的承載力及建筑物基礎的結構變形、開裂等，進而導致油料滲透及房屋倒塌等重大危險。通過本項目的技術開發和創新研究，總結出一套適用于盾構下穿加油站的沉降控制施工技術成果，提高了盾構下穿加油站的安全系數，為軟土地層下穿加油站及建（構）筑物的盾構法施工提供經驗借鑒。