盾構穿越軟土運營地鐵雙圓隧道的施工技術

吳哲元

上海建浩工程顧問有限公司 上海 200030

伴隨著城市軌道交通的不斷發展，北京、上海、成都等大城市的軌道交通已經從單線運營、骨架網絡逐步發展到網絡化狀態，盾構近距離交叉穿越現象已越來越普遍。在這一情況下進行施工，施工風險大、復雜程度高、控制要求嚴，若施工不當，不僅會影響新建隧道結構，更會影響運營隧道的安全，特別是在軟土地層中，如何保證盾構穿越過程中運營地鐵隧道結構和運營安全，已越來越成為建設者們需要思考的一個重要問題[1-2]。上海軟土地區某在建軌道交通盾構連續穿越已建地下共同溝、地鐵隧道，并在仍處于其影響范圍內時便進入進洞段，以此為例，總結、探討其施工過程中的技術保護措施，以期為其他類似工程提供參考。

1 工程概況

上海某區間隧道采用盾構法施工，其外徑6 600 mm，內徑5 900 mm，上下行線均為888環，其中在833～880環之間，需連續穿越南側共同溝、已運營的地鐵雙圓盾構隧道、北側共同溝，并在未完全脫離穿越影響區域前即進入進洞段（圖1）。

圖1 盾構區間與已運營地鐵隧道及共同溝的相對位置關系

該盾構穿越區域土層多為黏土，主要分布為：第④層灰色淤泥質黏土，約占5%，第⑤1-1層灰色黏土，約占45%，第⑤1-2層灰色粉質黏土，約占50%。同時，場地內第⑦層為承壓水層，勘察資料顯示，進洞段隧道底部距透水層約4.634 m。

2 工程難點分析

2.1 工程地質及周邊環境復雜

該段隧道區間位于第④、⑤1-1、⑤1-2層中，該土層為高壓縮性和中等壓縮性土，受擾動后沉降大、上浮影響大、穩定時間長。盾構進洞區域需考慮承壓水的影響。

周邊管線和建筑較多，接收井距最近的φ200 mm燃氣管30.4 m、最遠的φ500 mm給水管線38.0 m，距最近的建筑36 m；此外，盾構進洞段上方為道路，交通較為繁忙，重型車輛較多，容易加大地面沉降。

2.2 運營地鐵保護要求極高

根據《上海市地鐵沿線建筑施工保護地鐵技術管理暫行規定》，該線路保護等級為特級監控等級。需要滿足以下技術標準：地鐵結構最終沉降量及水平位移量≤20 mm；地鐵隧道結構變形曲線的曲率半徑≥15 000 mm，相對曲率≤1/2 500；地鐵隧道橫向、豎向管徑收斂變形須控制隧道管徑伸長或縮短量的最大值≤20 mm；在地鐵隧道上方因為工程活動而產生的對地鐵隧道的附加荷載量必須要≤20 kN/m2；打樁、爆炸產生振動時對地鐵隧道引起的峰值速度應≤2.5 cm/s。根據運營單位要求，本工程采用變形控制標準的50%作為報警值。

2.3 穿越距離較近，而且小曲線近距離進洞

新建區間隧道上下行線先后近距離（5.05 m）下穿運營地鐵隧道。盾構推進過程中會對周圍土體產生一定的擾動，同時穿越運營地鐵隧道時正處于盾構進洞階段，處于緩和曲線變坡段，盾構變坡過程中必不可少地會增加土體的擾動。

2.4 雙圓盾構結構特殊，可供參考的經驗較少

工程下穿的已運營地鐵隧道采用雙圓盾構工藝施工。雙圓盾構采用輻條式刀盤，對土體切削攪拌擾動較大，地層對于土艙壓力的設定較單圓盾構的面板式刀盤也更為敏感。同時由于雙圓盾構凹槽的存在，盾殼上部常出現背土效應，深層土體先隆后沉現象也較常規的圓形隧道明顯，近距離穿越勢必進一步增加周邊土體的擾動以及對雙圓隧道的影響，此外可供參考的成功經驗相對較少。

3 穿越過程中主要施工技術及保護措施

3.1 設置試驗推進段，獲取施工參數

為保證盾構推進過程中運營地鐵隧道的結構和運營安全，應在一定的地層損失率和施工參數的條件下，對盾構施工引起的周圍建（構）筑物變形進行預判。為此，本工程穿越前設置100 m的試推段，嚴格控制推進速度（10 mm/min），并重點控制盾構方向、姿態變化，盡量減少糾偏，避免更換管片。

通過理論計算，盾構正面平衡壓力為0.19 MPa，鑒于已運營地鐵隧道已經置換了原有土層，因此穿越段適當降低土壓力，將土壓力設置為0.13 MPa。同時，由于在穿越階段掘進速度較慢，螺旋機在自動控制模式下，出土量會大于理論出土量，所以在穿越階段采用手動模式控制。

3.2 采用自動化監測，實時獲取運營隧道變形數據

盾構近距離穿越運營地鐵隧道，對環境安全監控提出了極高的要求，為確保穿越過程中運營地鐵隧道的安全，穿越前參建各方共同對已運營地鐵隧道的沉降、變形、隧道斷面收斂、軌道結構高差等參數進行復核。為避免地鐵運營期間，人工無法實時監測隧道變形情況，在已運營地鐵隧道穿越影響區段內布設可連續監測的電子水平尺，每5 min采集1次變形數據，并實時傳輸到中央控制室和盾構機操作室，適時調整正面壓力、注漿流量和壓力等施工參數，確保運營地鐵變形量控制在警戒值內。

3.3 布設深層土體位移監測點，動態指導現場施工

在盾構試驗段和穿越段分別設置多個深層土體位移監測桿（智慧桿），對地層位移、分層沉降進行自動化實時監測，分析盾構施工對地層的擾動規律，優化盾構施工參數，以指導盾構穿越已運營地鐵隧道。

3.4 嚴控同步注漿及二次注漿效果，穿越后降低運營隧道變形量

盾構推進過程中嚴格控制同步注漿效果，力求充滿盾尾后空隙并平衡地層壓力，使注漿管出口壓力基本等于隧道底部靜止土壓力，本次穿越過程中采用大密度單液漿進行同步注漿，每環注漿量約為理論空隙的125%，根據穿越后地面沉降及結構的監測，效果良好。補漿加固長度為已運營地鐵隧道兩側各11環，范圍為本項目上半圓3 m范圍的土層。注漿材料采用水泥-水玻璃雙液漿，采用注漿壓力和已運營地鐵隧道沉降變形雙控標準，即注漿壓力不大于0.5 MPa，沉降變形不超過2 mm。

4 盾構進洞施工技術措施

鑒于本工程新建隧道穿越運營地鐵隧道時正處于盾構進洞階段，處于緩和曲線變坡段，盾構在變坡過程中必不可少地會增加土體的擾動。為安全起見，盾構進洞采用水平凍結＋泡沫混凝土工藝，具體施工技術措施如下。

4.1 水平輔助凍結

根據工程設計方案，在接收井外側分別采用TRD和旋噴樁加固（圖2），旋噴樁加固深度至隧道底以下3 m，而TRD加固深度為60 m，已打穿承壓水層，故還需考慮TRD墻體及地下連續墻與高壓旋噴樁之間的縫隙滲漏水。為防止TRD墻體及地下連續墻與高壓旋噴樁之間的縫隙滲漏水，進洞區域采用盾構進洞水平輔助凍結工藝。單個盾構接收井共布置64個水平凍結孔，以洞口中心向外布置3圈，圈徑分別為2.9、3.2、5.9 m。凍結孔采用孔內串聯、組內并聯，設計積極凍結期最低鹽水溫度－30～－28 ℃，要求凍結7 d達到－18 ℃以下。根據凍結需冷量和快速凍結的要求，選用YSLG16F型冷凍機2套（1套備用）。

為減少凍結區融沉量，在洞口處10環范圍內采用融沉補償注漿。注漿時機為停凍后1個月，注漿時間約3個月。注漿順序是先下部后上部，注漿遵循多次、少量、均勻原則。當1 d地層沉降大于0.5 mm，或累計地層沉降大于3 mm時應進行補償注漿；當地層隆起達到3 mm時暫停注漿。

圖2 接收井外側土體加固示意

4.2 輕質泡沫混凝土

為防止盾構洞門封閉時地下水的溢出，在接收井內設置1個13.90 m×8.77 m的箱體，箱體內部澆筑滿泡沫混凝土（采用發泡劑及專用穩泡劑產生穩定的泡沫，并將之加入水泥和水組成的料漿中，再加入一定比例的混凝土外加劑制成的含有大量微孔輕質材料。其密度≤600 kg/m3，3 d抗壓強度≥1.0 MPa，14 d抗壓強度≥1.5 MPa，28 d抗壓強度≤2.0 MPa，標準沉降率＜3%），端部與內襯墻結構連接，使盾構在進洞后直接進入泡沫混凝土內。泡沫混凝土強度過高會對盾構的推進造成影響甚至損壞刀盤，強度過低將造成盾構在推進過程中姿態的改變。如何按設計要求控制強度極為關鍵，經現場試驗，本次泡沫混凝土采用如下質量配合比：水泥（P·O 42.5）∶水∶專用外加劑∶泡沫劑∶穩泡劑＝500∶270∶3∶1∶1。

4.3 盾構機防凍措施

為防止盾構機進入凍結區出現機頭“凍死”現象：進入凍結區之前，刀盤前齒輪油采用抗凍性專用齒輪油；在盾尾穿越冷凍體時，掘進過程和管片拼裝中，均不間斷地打入進口油脂；解除刀盤的連鎖系統，使刀盤的運轉獨立于整體系統之外，確保刀盤時刻保持轉動，不卡死；確保有一路緊急備用供電系統；鉸接活動強制脫離；當盾構機卡死時，流轉熱鹽水，對凍結壁進行強制解凍。

4.4 凍結區及泡沫混凝土段推進參數控制

當盾構機切口進入凍結加固區后，土壓控制為中心土壓控制，并根據出土量及地面監測情況緩慢調低至0.10～0.13 MPa，同步注漿量為3.2 m3/環，同步注漿壓力控制在0.4～0.5 MPa。由于正面土體土質較硬，應耐心磨削，控制刀盤油壓和轉速，盾構推進速度控制在1 cm/min以內為宜，刀盤轉速控制在1 r/min，推力≤20 000 kN，刀盤扭矩≤3 000 kN·m。在掘進至TRD墻體時，應添加膨潤土、改良泡沫劑等土體改良劑，以方便出土，同時提前打開仿形刀，確保盾構殼體注漿管外殼能夠順利通過。

當盾構機刀盤中心靠上泡沫混凝土后，采用空艙掘進的方式，推進速度在1 cm/min以內，以控制總推力為主，控制盾構機推力≤10 000 kN，刀盤轉速為1 r/min，刀盤扭矩≤2 000 kN·m。同時，添加改良劑，確保出土正常。

5 穿越過程中運營地鐵變形分析

穿越過程中，通過在運營地鐵隧道中布設電子水平尺，實時監控運營隧道變形狀況。圖3分別選擇運營地鐵高峰、平峰及列車停止運營3個階段的監測數據進行分析。

圖3 盾構穿越運營隧道典型特征點變化曲線

當刀盤切入已運營地鐵隧道投影面時，顯示已運營地鐵隧道開始產生0～1.0 mm隆起，此時盾構機土壓力設置為0.15 MPa。后根據現場實際，將土壓力回調至0.13 MPa，至切口完全脫離投影區時，已運營地鐵隧道累計最大產生3.0 mm隆起，當盾尾經過并進行同步注漿后，隆起區域產生0.5～1.0 mm的少許回落。當盾尾完全脫離已運營地鐵隧道投影區后，顯示已運營地鐵隧道產生明顯的回落，在穿越后1周，已運營地鐵隧道已產生1.0～2.0 mm沉降。在脫離已運營地鐵隧道投影區后，盾構機土壓力回調至0.15 MPa，確保地面的沉降處于安全范圍。根據穿越期間的運營地鐵隧道的變形數據分析，始終未出現運營地鐵結構變形報警現象。

6 結語

1）盾構施工參數的選取是穿越成功與否的關鍵，事前通過理論計算確定地層損失率的控制指標，同時結合試驗段的實測數據優化調整土艙壓力、推進速度、出土量等參數，對于合理指導盾構推進施工意義重大。

2）運營地鐵隧道周邊土體在其施工階段已進行過不同程度的加固和處理，與試推階段的土體性質仍有不同程度的差異。因此，在穿越過程中，應及時分析運營地鐵隧道變形監測數據，動態反饋，隨時調整施工參數。

3）穿越后土體固結時間較長，必須長期觀測，根據監測結果，選擇合理的注漿參數進行二次補償注漿。