上海軌道交通12 號線9 標盾構進洞施工技術分析與研究

蔣鈞

（上海隧道工程有限公司，上海200032）

1 工程概述

上海軌道交通12 號線9 標段工程包含龍華路站～龍漕路站、漕寶路站～龍漕路站2 段單圓盾構區間隧道。其中，龍華路站～龍漕路站區間上行線長度為960.878m，下行線長度為945.306m，引入2 臺φ6 340mm 土壓平衡盾構先后從龍華路站開始向龍漕路推進，均從龍漕路站東端頭井進洞，洞門中心標高為-8.67m，地面標高為+4.81m。漕寶路站～龍漕路站區間上行線長為873.542m，下行線長為869.221m，同樣采用2 臺φ6 340mm 土壓平衡盾構機，由漕寶路站向龍漕路站推進，區間隧道上、下行線均從龍漕路站西端頭井進洞，洞門中心標高為-8.359m，地面標高為+4.24m。

本工程盾構進洞主要涉及的土層為：①1 填土、①2 浜填土、②黏土、③淤泥質粉質黏土、③夾砂質粉土、④1 淤泥質黏土、⑤2 砂質粉土夾粉質黏土。盾構主要穿越土層為④1 淤泥質黏土，但需注意區間隧道下部的⑤2 砂質粉土夾粉質黏土，該土層滲透系數高、且含微承壓水水頭，盾構進洞需采取有效技術措施以確保周圍建構筑物和施工的安全。

2 地基加固

鑒于盾構下臥⑤2 土層進洞，施工風險極大，本工程兩區間上行線的龍漕路站端頭井地基加固以水泥系加固為主，再輔以水平凍結加固；由于兩區間的下行線進洞加固部分區域位于龍漕路現有道路上，交通繁忙，無法翻交，導致該處不能采用水泥系加固，故地基加固以垂直凍結為主、再輔以水泥系加固，進洞時采取鋼套筒及割留盾尾措施[1]。

2.1 水泥系地基加固

盾構進洞水泥系地基加固采用三軸攪拌樁結合三重管高壓旋噴樁的加固方式，加固范圍為隧道上、下、左、右各3m，由于施工場地的限制，東、西端頭井加固長度分別為8m 和9m，部分區域在圍擋外現有道路上無法施工，如圖1 所示。隧道下3m 至隧道上3m 區域為三軸攪拌樁強加固，水泥參量為20%，隧道上3m 至地面為弱加固，水泥參量為7%，攪拌樁直徑850mm，搭接長度300mm，采用梅花布樁形式，以提高樁間止水效果，成樁下沉速度控制在0.5m/min，提升速度為1.0m/min。攪拌樁與地下連續墻之間的500mm 縫隙采用三重管高壓旋噴樁進行補加固，水泥參量為570kg/m，直徑1 200mm，搭接長度300mm，樁長約19.5m，鉆桿提升速度應控制在0.1～0.15m/min。加固土體應有良好的自立性、均質性和密封性，28d 無側限抗壓強度達到0.8～1.0MPa，滲透系數小于10～8cm/s。

圖1 龍漕路站東端、西端頭井水泥系地基加固平面圖

2.2 水平凍結加固

由于施工場地的局限，為了確保地基加固質量，本工程兩區間的上行線均輔以水平凍結的加固方法，在洞口外側形成一道與工作井地連墻緊貼的凍土墻，其作用是抵抗土層側壓力的作用，防止泥沙和地下水進入隧道進洞口，保障盾構進洞安全順利。東端頭井布置外圈水平凍結孔32 個，深度7.9m，凍土帷幕有效厚度6.5m，內圈凍結孔25 個，深度2.9m，凍土帷幕有效厚度1.5m；西端頭井布置外圈水平凍結孔25 個，深度5.4m，凍土帷幕有效厚度4.0m，內圈凍結孔19 個，深度3.4m，凍土帷幕有效厚度2.0m，盾構進洞水平凍結加固凍結孔布置如圖2 所示。鹽水最低溫度設置在-28～-30℃，凍土墻擴展速度約25mm/d，積極凍結35d 后凍結壁平均溫度應不高于-10℃，洞門鑿除后凍土墻與槽壁交接區域溫度不高于-5℃，盾構進洞前必須通過測溫孔觀測計算，確定凍土墻交圈并達到設計厚度且凍土與槽壁完全膠結后，方可進行進洞施工。

圖2 東、西端頭井上行線水平凍結孔布置圖

2.3 垂直凍結加固

本工程兩區間下行線均采用垂直凍結并在隧道底部加設一排水平凍結孔的加固方法，垂直凍結施工采用非金屬PVC管作為凍結管材料，凍結完成后不用拔除，盾構可以直接切削PVC 凍結管，避免拔管時可能出現的斷管、涌沙、冒水等危害，提高盾構進洞的安全性。考慮到東端頭井加固區域在現有道路上的面積較大，垂直凍結孔布置3 排共45 個，深20.4m，在盾構切削斷面外靠現有道路側設置2 排水平凍結孔共15 個，深度3.4m，開孔間距為800mm，排距為700mm；西端頭井豎直凍結孔布置3 排共46 個，深19.5m，在切削斷面外下部設置1 排水平凍結孔共6 個，深3.7m，開孔間距為650mm，排距為700mm，東、西端頭井凍結孔布置圖如圖3 和圖4 所示。鹽水溫度設置在-28～-30℃，由于端頭井已完成水泥系輔助加固，水泥水化潛熱引起地層溫度升高，平均溫度38.7℃，為使盾構進洞時凍土帷幕達到足夠的強度，在積極凍結期前設置預凍結期，預凍結20d，凍土墻的擴展速度約13.2mm/d，由于工況條件不同，東、西端頭井下行線分別積極凍結40d 和50d 后凍土墻厚度達到2.2m，滿足加固強度和溫控的要求。

圖3 東端頭井下行線垂直免拔凍結孔平、剖面布置圖

圖4 西端頭井下行線垂直免拔凍結孔平、剖面布置圖

3 鋼套筒接收裝置

為提高盾構進洞安全性，增設安裝鋼套筒接收裝置（見圖5）。鋼套筒采用定加工的制作方式，外徑6 942mm，內徑6 710mm，分為基座、過渡環、第一、第二、第三、第四環鋼套、端板及后靠。各部件依次吊運下井安裝，定位要準確、固定要合理、焊接及密封性要保證。鋼套筒根據進洞線性要求，鋼套筒過度環與洞圈存在一定角度，需對存在間隙部分進行補充焊接，使之與洞圈密貼。在端板和井壁結構之間安裝 609mm鋼圍檁支撐后靠，采用鋼板焊接墊實并加灌水泥砂漿，使鋼套筒受力均勻、端面平整，滿足盾構進洞時的受力變形要求。鋼套筒安裝完成后應加水試壓，滿足設計壓力0.3MPa，并穩壓30min 后放水，不滿足則對滲漏處進行封堵，直至滿足密封與試壓要求。盾構進洞前在鋼套筒底部60°范圍內拌制強度為M5 的弧形水泥砂漿基座，待鑿除洞門后其余空間通過用原狀土進行填充，盾構通過洞門進入鋼套筒內可直接切削砂漿基座并采用螺旋機正常出土，保持鋼套筒內土壓力與土層壓力相平衡，降低施工風險，使盾構機安全完成接收[2]。

圖5 鋼套筒接收裝置

4 加固區推進

在加固區外推進方面，應嚴格控制切口處的平衡土壓力，并以實際土壓力為核心控制總推力、出土量、同步注漿量、刀盤轉速和扭矩等相關技術參數。為了避免出現欠挖、超挖等情況，應減少平衡壓力的波動。根據實際情況，可將平衡土壓力設定為0.18MPa，推進速度設置為1.5cm/min。在確保地面沉降與周邊建構筑物監測情況良好的狀態下，使盾構均衡勻速施工。在進洞段姿態變化過程中，應加強監控，做到細微之處加強觀察，盡量避免糾偏，減少對土體的擾動。對管片超前量進行細致檢查，預先計算好每環的楔子量，確保推進線路與隧道軸線相符合，擁有良好的進洞姿態，并采用穩坡法、緩坡法推進，避免盾構施工對地面造成不良影響[3]。

在加固區內推進方面，最大限度地均衡施工，以此減少對周圍土體產生的擾動，將推進速度控制在1cm/min 為最佳。待盾構進入凍結區后，可根據刀盤油壓與地面監測情況對土壓力值進行調整，將其控制在0.10～0.12MPa。盾構在穿越凍結區時應連續作業，減少停頓，因凍結區正面土質較硬，為了有效控制推進軸線并保護刀盤，應耐心削磨，使土體能夠被充分切削，為盾構機在加固區的順利推進提供保障。

5 同步注漿與環箍注漿

通過同步注漿的方式將建筑縫隙及時填堵，避免施工造成土體損失。采用外送商品漿進行同步注漿，注漿填充量1.7m3，為建筑空隙的100%，泵送出口壓力設置為0.3MPa。注漿量可根據注漿壓力值與地層變形及周邊環境監測數據而定。進洞段推進速度較慢時，應對漿液壓注均勻性進行合理控制，防止注漿集中或者間斷，使建筑縫隙得到有效填充。

因盾構進洞推進過程中，同步注漿填補后仍可能存在一定縫隙，漿液收縮變形也會引起地面沉降，為避免出現局部土體位移引起地表沉降，在進洞施工過程中采用環箍注漿施工工藝，環箍注漿采用雙液漿，每立方米漿液配比42.5 級水泥1 000kg、水玻璃250L，注漿量可根據地面沉降監測數據的情況及時進行調整。環箍注漿可以在已成型隧道的管片預埋注漿孔或盾構機殼體預留孔進行注漿施工，本工程區間隧道進洞段管片特意增設了預埋注漿孔，將除封頂塊以外每塊管片預埋注漿孔從1 個增加至3 個，共計16 個/環；盾構機殼上原設置2 道孔，每道6 個，共計為12 個，孔徑為 32mm，孔位避開千斤頂伸縮區域，不會對盾構推進施工造成影響，在開孔位置加裝2 寸球閥。洞門破除前，在非加固區與加固區連接的對應位置實施雙液漿環箍壓注，每環壓住約0.3m3；洞門破除后，在具備條件之處同步進行環箍施工，采用注漿量與注漿壓力雙控的方式進行調節。

6 凍結加固進洞

6.1 上行線水平凍結加固進洞

進洞之前，要將上行線盾構切削斷面范圍內的水平凍結管拔除，數量為19 根，為避免滲漏，凍結管去除后還應用水泥砂漿對孔道進行臨時封堵。拔管采用熱鹽水循環解凍5～8min 后，利用千斤頂以水平方向向外拔除凍結管，先拔中圈凍結管，內圈保持繼續冷凍，然后間隔拔除內圈凍結管，對于沒有拔除的相鄰管路保持繼續冷凍，確保凍結管在24h 內完成拔除，并及時進行回凍。因短期加熱強制式化凍的融化程度有限，在拔管后的48h 內會自然回凍，然后凍土再從外到內逐漸融化，通常在10～15d 后承載力逐漸喪失[4]。

在洞門鑿除后，盾構應盡快施工，縮短進洞時間。當盾構坐上基座導軌后，盾構機推出槽壁約6.5m，盾尾未露出，便完成第一次進洞。由于洞圈直徑與盾構外徑存在一定間隙，為了防止土體流失，此時立即設置安裝帶有注漿孔的弧形鋼板封堵洞圈，并通過預留注漿管進行雙液漿壓注填充，在隧道內盾構機后3 環處可利用二次注漿設備通過管片上的注漿孔進行壁后環箍注漿，保證進洞加固段的密封性。首次進洞壓漿完畢后，在地面沉降穩定的情況下，可實施盾構二次進洞，推進至全部管片拼裝完畢，并提前準備負環管片，利用底部5 組千斤頂將盾構機全部推出直至盾尾脫出洞圈，用設有預留注漿孔的弧形鋼板將洞圈與進洞環管片預埋鋼板焊接密封后再次進行補壓漿，此次洞圈處和隧道內均采用流動性更好、后期強度更高的單液水泥漿，保障填充注漿強度，避免水土流失。

6.2 下行線垂直凍結加固結合鋼套筒進洞

由于本工程兩區間下行線盾構進洞區域地面局部為現有道路，進洞施工風險大，部分區域水泥系加固無法實施，故采用垂直免拔凍結加固為主，水泥系加固為輔，結合鋼套筒進洞并割留盾尾的措施。在盾構掘進至距凍結區3m 范圍時，停止推進開始洞門鑿除工作，同時在隧道內盾構機后3 環處進行環箍注漿。洞門鑿除至內排鋼筋，斷開并去除盾構切削斷面位置PVC 免拔凍結管內的供液管，將其中的鹽水吹出，并用水泥砂漿將PVC 免拔凍結管回填，其余部位的垂直凍結管與鋼套筒外部的水平凍結管保持繼續冷凍。待洞門鑿除完成后，將鋼套筒內回填滿原狀土并封閉，然后盾構開始恢復推進，通過刀盤切削破除加固體內的PVC 免拔冷凍管，同樣進入鋼套筒內切削砂漿基座并正常出土，推進至將剩余管片全部拼裝完成，此時盾尾未脫出洞圈，從鋼套過渡環預留的注漿孔進行雙液漿注漿加固，填充完畢后，再利用單液漿封堵滲漏的通道，隧道內同樣進行環箍注漿施工。在注漿結束且具備一定強度的情況下，可適量出土降低鋼套筒內的土體壓力，用弧形鋼板將盾構機殼體內側與進洞環管片端面的預埋鋼板焊接密封，同時在接收井內由上至下割除鋼套筒的過渡環，每段過渡環的割除長度應與弧形鋼板長度相一致，每割除一段過渡環必須馬上進行清理并用弧形鋼板將洞圈與盾構機殼體外側焊接密封，確保焊接質量，直至所有的弧形鋼板全部與盾構機殼體焊接完成，再次填補管片與洞圈間的空隙，通過盾構機殼體兩側焊接弧形鋼板上的預留注漿孔分別進行注漿填充，漿液采用單液漿，然后割留與管片和洞圈焊接部分的盾構機殼體尾部，完成進洞施工[5]。

7 施工監測

在地面變形監測方面，根據上級單位工程風險點監測工作要求，與該工程實際情況相結合，在位于推進方向上盾構進洞段22m 范圍內，沿著軸線6.5m、11.5m、16.5m 和21.5m 處設置監測橫斷面，該斷面在軸線左右兩側分別布設2 個深層沉降點，與中線相距為3.1m 和6.2m，呈現梅花狀布設；在盾構進洞段22m 外，沿著軸線每3 環設置1 個沉降監測點，每30 環設置1 個沉降監測斷面，以軸線中心往兩側3m、6m、10m、15m和22m 處各設置1 個沉降監測點，共計11 個監測點位，每個沉降斷面設置2 個深層沉降點。在進洞段范圍內，有臨近的建構筑物（河濱大樓、萬豐盛景大廈等），應事先布設監測點，在盾構穿越過程中，只需以原測點進行監測，對監測頻率進行加密，確保此類建筑安全；在穿越區上方相鄰有多類管線，原則上盡可能采用現有管線監測點，在條件允許的情況下開挖布設直接監測點，點位數量均由現場復核而定。進洞段施工時，監測頻率至少每天2 次，如若在施工時出現地層變形量變化異常，可有針對性地增加監測頻率，并采用二次注漿等有效措施使地層變形盡快恢復正常。

8 結語

綜上所述，當前軌道交通工程規模不斷擴大，盾構進洞施工需要克服的難點隨之增加。在施工中，應堅持加強技術支撐，根據施工實際情況對各項參數進行調整，采取專項安全施工技術方案，減少和避免安全事故的發生，本工程4 臺盾構最終順利完成進洞施工，可為后續類似工程積累寶貴經驗。