復雜工況下盾構穿越的關鍵施工技術

樊應芳（上海市建設工程監理咨詢有限公司， 上海 200080）

0 引 言

上海軌道交通 2 號線西延伸工程從原 2 號線終點淞虹路站開始，到青浦區徐涇東站結束，線路長 10.86 km；先后穿越了原 2 號線北翟路車輛段出入場線、外環 A20 高速路、仙霞路隧道、虹橋機場跑道、滑行道、停機坪及 2 號航站樓、滬昆鐵路等重要建構筑物，另外還穿越了電信通訊塔及小淶港河、廠房和住宅等。

本工程穿越施工類型多，工況復雜，施工難度非常大。本文以盾構穿越原 2 號線車輛段出入場線等工程施工實踐為例，簡單介紹復雜工況條件下盾構穿越施工技術。上海軌道交通 2 號線西延伸工程線路示意圖如圖1 所示。

圖1 線路示意圖

1 工程概況

上海軌道交通 2 號線西延伸工程在施工部署、資源配置、施工管理、計劃安排等環節均做到了最優化，從開工到全線通車總工期僅 23 個月，創造了軌道交通建設史上的奇跡。

1.1 工程地質情況

本地區為軟土地層，地層成因依次為人工填土，冰?！涌?、冰海～淺海的淤泥質土，冰?！訚傻酿ね梁头凵?。地下水位高，有承壓水威脅。穿越段工程地層特征，如表1 所示。

表1 地層特征表

1.2 穿越工程工況

上海軌道交通 2 號線西延伸穿越原 2 線車輛段出入場線工程采用土壓平衡盾構法施工，穿越段主要位于 ⑤ 層灰色黏土和灰色粉砂層。施工實踐顯示，穿越段附近上部有暗浜，下部有承壓水威脅，地下水較豐富。

擬建隧道下行線 2 次從原 2 號線車輛段出入場線隧道正下方穿越，兩隧道平面呈 171.22° 斜交。第 1 次穿越在斜坡段，第 2 次穿越在豎曲線段。2 次穿越隧道結構最小垂直距離分別為 3.851 m 和 3.417 m。穿越段長度共 158.65 m。其中，豎曲線斜坡段（27.489‰ 下坡）長 35.366 m，曲線段長 123.284 m。穿越段、模擬段加影響區隧道總長約220 m，穿越周期長。穿越段附近管線較多，有電力電纜、信息電纜、煤氣管道、污水管道等，埋深約 0.5 m～3.0 m。

被穿越隧道為運營地鐵 2 號線車輛段出入場線，保護等級為一級。根據 DG/TJ08—2041—2008《地鐵隧道工程盾構施工技術規范》的要求，穿越施工引起的地鐵隧道變形最大不超過 5 mm，且不能影響地鐵正常運營。

1.3 穿越工程特點

根據以上工況分析，穿越工程有以下特點。

（1）穿越段上部有暗浜，地下水豐富，且下部有承壓水，地質條件差。

（2）穿越段上部有隧道、管線及建構筑物，被穿越隧道正常運營，環境條件差。

（3）穿越隧道與被穿越隧道之間最小間距僅 3.417 m，穿越影響長度近 220 m，穿越施工周期長。

（4）被穿越隧道地鐵正常運營，不具備加固條件，且與穿越工程間距小、長度大，兩者近于平行，環境控制與施工難度均非常大。

（5）工程工期控制要求高，不允許施工有任何閃失，對施工技術和管理均提出挑戰。

穿越工程平、剖面布置如圖2 所示。

圖2 穿越工程平、剖面布置圖

2 穿越施工主要管理措施

2.1 成立穿越施工領導小組

鑒于本工程施工難度大，工期緊，為了使工程順利進行，項目部成立了由工程建設單位、承包單位、監測單位、盾構機供應商和項目監理單位組成的領導和工作小組。工作小組每天 24 h 有人值班，每天一碰頭，每周一匯總，遇到問題及時匯報，及時解決。

2.2 建立數學模型，事先模擬工況

根據穿越工程斜交 171.22°、穿越段長 158.65 m、最小垂直距離 3.417 m、被穿越隧道上部覆土厚度約 9.6 m等工況，在工程實施前先進行了模擬分析。結合被穿越土體參數和有關工況，建立了有限元數學模型進行分析。分析結果顯示，當盾構推進時，穿越土層將產生一定地應力損失，對被穿越隧道的影響范圍約200m，最大沉降約4.5 mm，滿足運營地鐵隧道一級保護等級要求。

2.3 編制專項方案，組織專家論證

隧道穿越施工屬于危險性較大工程，必須編制專項施工方案。項目承包單位在模擬分析、充分調研和反復論證的基礎上編制了穿越施工專項施工方案。方案經過承包單位技術負責人批準、監理審核后組織專家論證，論證通過后組織實施。

2.4 模擬施工

盾構掘進施工前 100 環一般要進行模擬掘進施工，目的是收集盾構掘進相關參數。由于本次穿越施工難度相當大，除盾構始發后 100 環進行模擬施工外，在穿越施工前還進行了一次模擬穿越施工。根據模擬計算結果，本次穿越施工設置了穿越前 30 m（312 環～337 環）模擬段，穿越后 30 m（470 環～494 環）控制段，以確保盾構掘進施工不影響上面運營地鐵隧道。

2.5 信息化施工

信息化是盾構穿越隧道施工的眼睛，是確保周邊環境和運營隧道安全的保障。在工程實施前，首先在隧道推進線路地面、建構筑物及運營隧道內布置監測初始點，并測量初始值。平行于隧道軸線的地面監測每5環設置1點，垂直于隧道軸線的地面監測每 50 環設置 1 組，每組 9 點，距離隧道軸線分別為 2 m、3 m、6 m 和 9 m。在穿越實施過程中，周邊環境定期測量，運營地鐵隧道內采用美國SLOPE INDICATOR 公司的電水平尺和 CR10 自動數據采集器，進行 24 h 不間斷動態監測。監測數據第一時間反饋給盾構掘進控制臺，以隨時調整盾構掘進及注漿參數。另外，隧道掘進時及時測量盾構姿態，及時小幅度糾偏，以減少周圍土體擾動，降低對運營隧道的影響。

2.6 保駕護航

盾構出洞前經過了嚴格驗收，特別是盾尾油脂加注質量等關鍵部位。在盾構穿越前對盾構機及后配套設備、電瓶車、行車吊、壓漿設備等主要設備進行檢查保養，確保無故障。在盾構穿越掘進過程中，配置有經驗的維修人員保駕護航。同時，建立設備供應單位 24 h 聯系渠道，以便及時供應故障零件。

2.7 應急反應

應急預案在專項方案論證時一同由專家進行了論證。項目監理部根據預案要求檢查現場應急物資及相關應急措施到位情況。除穿越領導小組正常工作外，施工單位還成立了由施工項目部上級單位領導任組長的應急領導小組，一旦有應急情況發生，立即啟動應急預案。

3 穿越施工主要技術措施

3.1 土壓力設置

盾構推進時，盾構刀盤上方土體失衡后會產生地面沉降和隆起兩種情況，所以合理控制土倉壓力可有效減少地層損失。根據土壓平衡盾構理論，土倉壓力必須與開挖面水土壓力平衡。盾構推進正面水土壓力的理論值可采用以下經驗公式計算[1-4]：

式中：Pw、Pc分別是水、土壓力，單位為 kN/m2；w、2c分別是水、土容重，單位為 kN/m3；H是開挖面中心處深度，單位為 m；q是地面超載，單位為 kN/m2；K＝1－Sinφ'，其中，K是土的靜止側壓力系數、φ' 2是土的有效內摩擦角。

實際壓力要考慮土體擾動、盾構推進速度、超載狀況等取一定的調整系數，一般黏性土取 1.05～1.12，砂性土取 1.13～1.15。由于盾構穿越處土體已經被置換，穿越處的水土壓力應小于以上計算的理論值。盾構實際穿越時，穿越前后的壓力應該大于穿越時的壓力值。

根據計算結果，本工程在模擬段（312 環～337環）和穿越后控制段（470 環～494 環）土壓力設置為 0.20 MPa，在穿越區（338 環～469 環）土壓力設置為0.16 MPa。實際穿越過程中，根據監測數據實時調整，土壓力波動值控制在 ±0.01 MPa 范圍內。

3.2 推進速度設置

合理控制盾構推進速度，可有效減少盾構掘進對土體的擾動，減少地面變形。根據類似工程實踐和模擬段實踐經驗，本工程在穿越段盾構掘進速度控制在 0.5 cm/min～1.0 cm/min 之間，每掘進 0.5 m 暫停 20 min，以釋放應力。推進速度可以通過盾構機液壓系統增設節流閥、控制千斤頂進油量等方式進行控制，同時增設冷卻系統防止油溫過高。

3.3 出土量設置

出土量與土層損失緊密聯系，和土倉壓力、推進速度也緊密相關。盾構推進每環出土率理論值在 95% 左右，根據類似工程和模擬段推進實踐，本次穿越施工理論出土量為 37.8 m3/環，按照 95% 出土率計算，每環實際出土量為35.9 m3/環，而實際出土量根據監測結果及盾構參數微調略有不同。

3.4 管片拼裝

管片下井前要做好驗收，特別注意止水帶粘貼，有破損和縱向裂縫的不允許下井[5]。盾構推進時，操作人員要注意技巧。推進后不要立即回縮千斤頂進行管片拼裝，須等待 2 min～3 min，待周圍土體和盾構機固結在一起后再實施千斤頂回縮?；乜s千斤頂距離要盡量少，滿足管片拼裝即可。拼裝前要清除盾尾積水、泥漿。拼裝時杜絕野蠻擠壓，以免管片破碎。盾構司機要密切注意壓力變化，必要時可通過反轉螺旋機維持盾構機前方土體平衡。整環拼裝后及時檢查橢圓度，并擰緊螺栓。

3.5 盾構姿態控制

盾構穿越施工姿態控制非常重要，在穿越過程中要小幅度均勻糾偏，同時，及時測量掘進軸線。盾構機司機根據監測數據和測量結果，調整推進油缸，以控制盾構掘進姿態。當發現盾構掘進隧道軸線發生偏差時，應按照預定方案逐步糾偏，使盾構掘進重新回到設計軸線上去。本工程在盾構穿越過程中的姿態控制比較到位，姿態變化曲線比較緩和，且變化范圍均在允許范圍內。

3.6 注漿設置

由于盾構機外殼直徑大于管片外徑，盾尾拖出后管片與土體間會有空隙。如不及時注漿，沉降將難以控制，必須進行同步注漿。另外，管片脫離盾尾后為了控制沉降和變形還需進行二次注漿。為了有效控制地表和隧道沉降，本工程在穿越段（310 環～475 環）采用增加了注漿孔的特殊環。每環管片增加 10 個注漿孔，除封頂快外，每塊管片增加 2 個孔。

3.6.1 同步注漿

同步注漿量理論值可按下式計算：

式中：D、d 分別是盾構和管片外徑，單位為 m；lG是每環管片長度，單位為 m。

由于注漿不僅填充管片拼裝后的空隙，還要滲透到周邊土體中，所以實際注漿量應大于理論注漿量，調整系數一般為 1.3～1.8。根據類似工程實踐經驗，本次穿越在模擬區調整系數設置為 1.4，在穿越段注漿調整系數增加到1.7。實際注漿量將根據監測數據實時調整。

同步注漿采用水泥、粉煤灰、膨潤土、黃沙加水配置，配比為 1∶3.33∶0.83∶6.92∶6。注漿時應控制壓力，保證漿液滲透入管片周圍土體內，只是填充，不是劈裂。根據類似工程和模擬段施工實踐，注漿壓力設置為靜止土壓力 1.1 倍～1.2 倍，控制在 0.17 MPa～0.24 MPa內。實際注漿壓力根據監測數據和盾構掘進參數實時調整。盾構出洞前使用高質量油脂進行盾尾填充，并檢查盾構機盾尾的油脂密封性，確保漿液不泄露。

3.6.2 二次注漿

根據類似工程實踐經驗，在管片脫離盾尾 8 環～10 環后，結合監測結果及時進行了二次注漿。二次注漿可采用1∶1 的水泥單液漿或 1∶1 的水泥漿和水玻璃漿（水∶水玻璃＝3∶1）的雙液漿。本工程采用單液漿，注漿量控制在 0.5 m3/環左右，注漿壓力控制在 0.2 MPa 以內。

為減少漿液滲漏，降低注漿壓力，防止因注漿造成管片抬升過大。注漿時采用隔環跳孔施工，單環每次施工1～2 個孔，每 2 環間隔 3 環。每次注漿結束后均需清洗壓漿管道和相關設備，確保不堵塞。一旦注漿設備發生故障，應立即組織排除，并通知停止盾構推進。

4 結 語

本工程穿越施工類型多，除了穿越原 2 號線車輛段出入場線工況比較復雜外，穿越虹橋機場 2 號航站樓、滬昆鐵路等工況也較復雜。另外，外環高速路、仙霞路隧道、虹橋機場跑道、滑行道、停機坪及電信通訊塔、河流、廠房和住宅等穿越施工也各具特點，不同的工況采取的措施不同。穿越原 2 號線車輛段出入場線的實踐說明，在對既有隧道不采取加固等措施，僅靠控制施工參數和注漿等管理也能取得成功。

筆者認為，在特殊工況下，盾構穿越施工應做好以下幾點工作。

（1）做好策劃。無論是運營隧道，還是建構筑物，穿越施工前均必須做好調查研究，摸清被穿越體的工況，評估穿越施工對其的影響，制定具體保護和穿越措施。

（2）做好模擬。針對穿越體在穿越前做好模擬施工，收集穿越施工的具體參數，以便能順利穿越。對于像穿越原2號線車輛段出入場線這樣穿越周期長、沒有事先保護措施的特殊工況，應建立數學模型進行模擬分析。

（3）做好保駕護航。在穿越前一定確保穿越設備可靠。在掘進過程中，一定要做好保養，確保設備不帶病作業。

（4）做好過程控制。根據模擬施工參數及類似工程經驗，在掘進過程中做好壓力、速度、注漿、拼裝等管理，根據監測數據做好盾構姿態控制。

（5）做好信息化施工。信息化施工是穿越成功的保證，在穿越施工過程中一定要做好信息化施工。對于像穿越原2號線車輛段出入場線這樣的特殊工況，一定要使用電水平尺等自動監測設備 24 h 連續不斷動態監測，及時采集數據。

（6）做好應急預案。應急預案一定要有針對性，諸如設備故障 24 h 保修、監測報警處理等待。應急領導小組一定要由具備決策能力的人任組長，應急物資一定要落實。一旦有應急情況出現，立即啟動應急預案。