復(fù)雜地質(zhì)盾構(gòu)長(zhǎng)距離下穿城市快速路隧道施工關(guān)鍵技術(shù)研究
——以杭州至富陽(yáng)城際鐵路SGHF-11標(biāo)為例

陳亮

（中鐵十六局集團(tuán)有限公司，北京 100018）

0 引言

新建地鐵隧道下穿既有隧道的工程時(shí)有出現(xiàn)。新建隧道的工程施工會(huì)改變周?chē)馏w狀態(tài)，引發(fā)一定范圍內(nèi)的地基變化，使得既有隧道的結(jié)構(gòu)承受一定的附加應(yīng)力，甚至對(duì)既有隧道的運(yùn)營(yíng)和后期維護(hù)產(chǎn)生危害[1-4]。目前，有學(xué)者針對(duì)地鐵隧道鄰近施工問(wèn)題開(kāi)展研究。劉穎彬等[5]對(duì)雙圓隧道在前后兩次盾構(gòu)下穿過(guò)程中的變形進(jìn)行實(shí)測(cè)分析，并總結(jié)其變形特征與變化規(guī)律；朱紅霞[6]研究了在未進(jìn)行加固的承壓水細(xì)粉細(xì)砂層中，近距離下穿既有隧道的施工和量測(cè)技術(shù)；楊春山等[7]采用有限元法模擬了近距離下穿盾構(gòu)隧道的施工，得出了既有隧道在新建隧道動(dòng)態(tài)掘進(jìn)時(shí)的位移變化規(guī)律。

綜上，現(xiàn)有研究集中在采用數(shù)值模擬分析或監(jiān)測(cè)手段來(lái)研究新建隧道對(duì)既有隧道周?chē)馏w及自身結(jié)構(gòu)的主要影響區(qū)域和大小，而對(duì)諸如盾構(gòu)進(jìn)出口加固、分體始發(fā)、掘進(jìn)換刀及“上軟下硬”的復(fù)雜地質(zhì)條件對(duì)工程的不利影響等關(guān)鍵技術(shù)研究尚未完善。本文依托杭州至富陽(yáng)城際鐵路SGHF-11標(biāo)，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)下盾構(gòu)長(zhǎng)距離下穿隧道的施工關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，分析工程技術(shù)難點(diǎn)，并結(jié)合現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)和實(shí)際工程條件，提出相應(yīng)可行的應(yīng)對(duì)措施。

1 工程特點(diǎn)

1.1 工程概況

SGHF-11標(biāo)施工內(nèi)容包含受降站-高橋站區(qū)間風(fēng)井、受降站～受-高區(qū)間風(fēng)井盾構(gòu)區(qū)間、高橋站-汽車(chē)北站區(qū)間盾構(gòu)井、高-汽區(qū)間盾構(gòu)井～汽車(chē)北站盾構(gòu)區(qū)間的施工。地理位置示意見(jiàn)圖1、圖2。

圖1 受-高區(qū)間風(fēng)井平面示意圖

圖2 受-高區(qū)間風(fēng)井區(qū)間地理位置示意圖

1.2 兩隧道相對(duì)位置關(guān)系

6號(hào)隧道位于杭富線盾構(gòu)區(qū)間隧道正上方（見(jiàn)圖2、圖3），地鐵盾構(gòu)隧道于里程K16+479處進(jìn)入6號(hào)隧道下方。

圖3 地鐵盾構(gòu)隧道與6號(hào)隧道相對(duì)位置示意圖

1.3 工程地質(zhì)條件復(fù)雜

受降站-高橋站區(qū)間土層從上向下依次為耕土及素填土、粉質(zhì)黏土、全風(fēng)化粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、中等風(fēng)化粉砂巖，地質(zhì)條件復(fù)雜，壓縮模量從上向下大致趨勢(shì)為上升，泊松比大致趨勢(shì)為下降，且底層中等風(fēng)化粉砂巖的天然單軸抗壓強(qiáng)度（標(biāo)準(zhǔn)值）高達(dá)30.20MPa，呈現(xiàn)“上軟下硬”的地質(zhì)特點(diǎn)（見(jiàn)表1），施工難度高，風(fēng)險(xiǎn)大。該區(qū)間承壓水主要分布于中下部的⑨4圓礫中，含水層總厚度較大。

表1 受-高區(qū)間各土層參數(shù)對(duì)比表

2 復(fù)雜地層盾構(gòu)長(zhǎng)距離下穿城市快速路隧道施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 盾構(gòu)進(jìn)出洞加固

2.1.1 重難點(diǎn)分析

在洞門(mén)鑿除和盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出洞（見(jiàn)圖4）時(shí)，洞口周?chē)馏w可能會(huì)伴隨地下水通過(guò)洞口涌入工作井，導(dǎo)致水土流失和地面沉陷，同時(shí)造成盾構(gòu)進(jìn)洞姿態(tài)突變、盾構(gòu)出洞段軸線偏離等不良現(xiàn)象。因此，盾構(gòu)進(jìn)出洞加固是本標(biāo)段的第一個(gè)重難點(diǎn)。

圖4 盾構(gòu)進(jìn)出洞示意圖

2.1.2 應(yīng)對(duì)措施

1）將水平注漿加固工藝調(diào)整為豎向加固施工工藝，若設(shè)計(jì)不調(diào)整，須嚴(yán)格按設(shè)計(jì)要求完成進(jìn)出段端頭加固，端頭井采用素樁+降水井+袖閥管注漿加固。

2）加固完成后檢驗(yàn)加固效果，存在問(wèn)題及時(shí)處理，以保證洞門(mén)加固體質(zhì)量和完整性。做好洞門(mén)止水裝置，當(dāng)盾構(gòu)進(jìn)出洞過(guò)程中出現(xiàn)漏水漏砂時(shí)，通過(guò)向洞門(mén)周圈預(yù)埋的應(yīng)急注漿孔或盾構(gòu)機(jī)的徑向注漿孔中灌注漿進(jìn)行堵漏。

3）盾構(gòu)機(jī)頭部靠上洞門(mén)后，盾構(gòu)機(jī)前部基本位于加固體內(nèi)，從盾尾1至2環(huán)管片的注漿孔向外層的土層中注入雙液漿，形成第一道環(huán)箍擋水。

4）洞門(mén)槽壁鑿除，在洞門(mén)鋼圈上焊接雙層彈簧鋼板，在洞門(mén)鋼圈外側(cè)安裝進(jìn)洞裝置。

5）在洞圈上焊接一道特質(zhì)盾尾刷，并嵌優(yōu)質(zhì)盾尾油脂，進(jìn)一步加強(qiáng)盾構(gòu)進(jìn)洞的安全性。

2.2 盾構(gòu)分體始發(fā)

2.2.1 重難點(diǎn)分析

采用分體始發(fā)時(shí)，盾構(gòu)整套設(shè)備應(yīng)分階段下井，各階段下井對(duì)象、下井順序、掘進(jìn)工藝以及放置地面的設(shè)備如何在狹窄的始發(fā)場(chǎng)地空間內(nèi)合理布置，將影響盾構(gòu)設(shè)備的有效始發(fā)[8]，因此，盾構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)分體始發(fā)是本標(biāo)段的第二個(gè)重難點(diǎn)。

2.2.2 應(yīng)對(duì)措施

1）盾體和連接橋先行下井組裝，其余臺(tái)車(chē)放置在地面上，通過(guò)管路與井下連接，待盾構(gòu)進(jìn)洞滿(mǎn)足后續(xù)臺(tái)車(chē)下井的長(zhǎng)度后，再一次性將地面上的臺(tái)車(chē)吊裝下井。待盾構(gòu)進(jìn)洞長(zhǎng)度滿(mǎn)足要求（約90m）后，再將后配套連接上。

2）盾構(gòu)始發(fā)期間負(fù)環(huán)管片只拼裝下部大三塊，上部采取支撐形式讓出吊裝口。

2.3 盾構(gòu)掘進(jìn)換刀

2.3.1 重難點(diǎn)分析

本標(biāo)段受-高盾構(gòu)區(qū)間具有區(qū)間線路長(zhǎng)、工程地質(zhì)復(fù)雜、室內(nèi)飽和單軸抗壓強(qiáng)度高等特點(diǎn)。隨著施工進(jìn)度的推進(jìn)，刀具逐漸磨耗、破損。對(duì)刀具進(jìn)行正確配置、及時(shí)更換才能使盾構(gòu)高效地掘進(jìn)，因此，在上述地層中掘進(jìn)換刀是本工程的第三個(gè)重難點(diǎn)。

2.3.2 應(yīng)對(duì)措施

1）施工前編制開(kāi)倉(cāng)換刀專(zhuān)項(xiàng)施工方案，根據(jù)區(qū)間地質(zhì)及周邊環(huán)境情況，確定開(kāi)倉(cāng)檢查及更換刀具里程，必要時(shí)進(jìn)行預(yù)處理。

2）盾構(gòu)機(jī)始發(fā)前更換全部磨損刀具，與盾構(gòu)刀具生產(chǎn)廠家就穿越地質(zhì)及盾構(gòu)機(jī)性能參數(shù)，優(yōu)化盾構(gòu)刀具性能，提高刀具工效，減少刀具更換次數(shù)。

3）合理設(shè)置盾構(gòu)施工各項(xiàng)推進(jìn)參數(shù)，有效降低刀具磨損，減少換刀次數(shù)。

4）施工過(guò)程中加強(qiáng)監(jiān)測(cè)頻率，24小時(shí)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。對(duì)每日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)判斷換刀是否安全。

2.4 盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)周邊環(huán)境的影響

2.4.1 重難點(diǎn)分析

盾構(gòu)段線路出受降站后向西，沿320國(guó)道敷設(shè)到達(dá)區(qū)間風(fēng)井。沿線依次下穿320國(guó)道，斜交、平行下穿快速路隧道，正面穿越快速路隧道圍護(hù)樁，下穿北渠，下穿杭富線出入段線。320國(guó)道地面交通繁忙，地下管線密布，因此，故盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)環(huán)境的影響應(yīng)重視和處理。

2.4.2 應(yīng)對(duì)措施

1）施工前，制定不良地質(zhì)的預(yù)處理方案和穿越施工專(zhuān)項(xiàng)方案，并嚴(yán)格按照方案施工，在盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前建立試驗(yàn)段，對(duì)推進(jìn)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，穿越前對(duì)盾構(gòu)機(jī)操作手進(jìn)行詳細(xì)技術(shù)交底。

2）盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前，對(duì)盾構(gòu)機(jī)及后配套設(shè)備進(jìn)行檢修，保證設(shè)備性能良好，避免故障停機(jī)，確保平穩(wěn)、安全穿越。

3）詳細(xì)分析盾構(gòu)段平縱斷面圖，結(jié)合地質(zhì)補(bǔ)勘成果，了解前方遭遇地質(zhì)的相關(guān)資料。

4）密切關(guān)注各項(xiàng)推進(jìn)參數(shù)，必要時(shí)穿越前進(jìn)行刀具檢查、更換，避免穿越時(shí)因刀具磨損停機(jī)。

5）加強(qiáng)地面監(jiān)測(cè)，建立完善的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，及時(shí)反饋信息，必要時(shí)進(jìn)行跟蹤注漿或二次補(bǔ)充注漿，保證地面建（構(gòu)）筑物的結(jié)構(gòu)安全。

2.5 盾構(gòu)施工工期控制

2.5.1 重難點(diǎn)分析

現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)尺寸有限，電瓶車(chē)無(wú)法正常編組，在結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)置兩組電瓶車(chē)，1#為牽引車(chē)+漿液車(chē)+管片車(chē)，2#為牽引車(chē)+2臺(tái)渣土車(chē)，此方案需盾構(gòu)掘進(jìn)足夠長(zhǎng)度（按照此編組方案約30m），滿(mǎn)足道岔安裝條件后實(shí)施，隧道較長(zhǎng)，工期影響較大，因此，施工工期的控制是本工程的又一重點(diǎn)。

2.5.2 應(yīng)對(duì)措施

1）盾構(gòu)始發(fā)前，重點(diǎn)加強(qiáng)盾構(gòu)機(jī)及后配套設(shè)備維保、檢修力度，為盾構(gòu)施工有序、高效開(kāi)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2）合理優(yōu)化盾構(gòu)施工，科學(xué)組織，加強(qiáng)各工序之間銜接，提高工效。

3）重視盾構(gòu)機(jī)始發(fā)掘進(jìn)階段施工，盡快摸清掘進(jìn)數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)平行施工單位的施工經(jīng)驗(yàn)及以往施工經(jīng)驗(yàn)，合理設(shè)置施工參數(shù)，以確保工期。

2.6 管片拼裝質(zhì)量及隧道的滲漏水

2.6.1 重難點(diǎn)分析

盾構(gòu)區(qū)間距離長(zhǎng)，管片拼裝工作直接影響施工的外觀質(zhì)量及隧道的滲漏水，管片在施工過(guò)程中經(jīng)常發(fā)生錯(cuò)臺(tái)、破碎及滲漏水等質(zhì)量問(wèn)題，因此，管片施工質(zhì)量及隧道的滲漏水防治也是本工程的重點(diǎn)之一。

2.6.2 應(yīng)對(duì)措施

加大管片的運(yùn)輸保護(hù)，包括管片由管片廠到達(dá)施工場(chǎng)地的運(yùn)輸，場(chǎng)地內(nèi)的倒運(yùn)，管片的下井，管片運(yùn)送至盾構(gòu)機(jī)內(nèi)、盾構(gòu)機(jī)內(nèi)軌道梁和將管片吊裝至喂片機(jī)上的所有過(guò)程。對(duì)吊裝孔、管片表面、止水條和盾構(gòu)機(jī)盾尾等部件進(jìn)行清理。必須保證每環(huán)管片的第一片與上一環(huán)管片對(duì)位準(zhǔn)確。

2.7 盾構(gòu)區(qū)間“上軟下硬”地質(zhì)條件

2.7.1 重難點(diǎn)分析

在“上軟下硬”地層中，盾構(gòu)掘進(jìn)緩慢，掘進(jìn)方向易發(fā)生偏差，刀具磨損嚴(yán)重，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，因此，如何處理“上軟下硬”的地質(zhì)條件給盾構(gòu)區(qū)間帶來(lái)的不利影響是本工程的難點(diǎn)之一。

2.7.2 應(yīng)對(duì)措施

1）在“上軟下硬”地層中掘進(jìn)，最關(guān)鍵的是選擇合適的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速。對(duì)于軟巖部分，只需對(duì)掌子面進(jìn)行切割即可破壞土層，而對(duì)于硬度較高的局部巖石，硬巖處刀盤(pán)的滾刀受力較大，局部硬巖對(duì)刀盤(pán)的損傷較大，應(yīng)適當(dāng)降低刀盤(pán)轉(zhuǎn)速。

2）在軟硬兼有的地質(zhì)中，單純按照硬巖方式掘進(jìn)會(huì)造成超挖和地表沉降，掘進(jìn)時(shí)應(yīng)在全土壓平衡模式下掘進(jìn)。

3）為保護(hù)刀具，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況參數(shù)值進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，可降低刀盤(pán)扭矩，以減少刀具在連續(xù)工作時(shí)所受的沖擊力。

4）在“上軟下硬”地層中，土壓的保持非常重要。由于軟巖部分容易坍塌，而硬巖部分因硬度較高而不易切削，既要降低掘進(jìn)速度來(lái)保護(hù)刀具，又要保持較高的土壓，從而確保掌子面的穩(wěn)定性。

2.8 聯(lián)絡(luò)通道的施工

2.8.1 重難點(diǎn)分析

聯(lián)絡(luò)通道處地質(zhì)條件復(fù)雜，采用冷凍法進(jìn)行聯(lián)絡(luò)通道施工時(shí)，預(yù)留的鋼管片尺寸大，會(huì)使土體發(fā)生擾動(dòng)，破壞主隧道的穩(wěn)定，施工難度高、風(fēng)險(xiǎn)大，因此，如何做好土體加固，保持主隧道的穩(wěn)定，確保聯(lián)絡(luò)通道施工安全是本工程又一施工重難點(diǎn)。

2.8.2 應(yīng)對(duì)措施

1）凍結(jié)法加固土體。水平地層凍結(jié)加固和開(kāi)挖構(gòu)筑的施工順序是施工準(zhǔn)備、凍結(jié)孔施工、積極凍結(jié)、維護(hù)凍結(jié)和拆除凍結(jié)系統(tǒng)，其關(guān)鍵工序是凍結(jié)孔施工和凍結(jié)過(guò)程的監(jiān)測(cè)與控制。為了確保施工安全，在打第一個(gè)凍結(jié)孔時(shí)，應(yīng)對(duì)主要地層鉆進(jìn)過(guò)程的參數(shù)變化情況進(jìn)行及時(shí)分析，對(duì)地質(zhì)和水文情況進(jìn)行檢查和監(jiān)測(cè)。

2）聯(lián)絡(luò)通道采用礦山法施工。重點(diǎn)是控制土體的穩(wěn)定，確保注漿堵水加固質(zhì)量，避免大的變形和沉降。施工采用臺(tái)階法開(kāi)挖，保證掌子面穩(wěn)定。采用人工開(kāi)挖，臺(tái)階長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，以3～5m進(jìn)行控制。開(kāi)挖后及時(shí)施做初期支護(hù)和臨時(shí)支護(hù)，盡早封閉端面，控制周?chē)鼗淖冃巍４?lián)絡(luò)通道鋼筋砼達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，再拆除隧道內(nèi)臨時(shí)支撐點(diǎn)，擰緊特殊襯砌環(huán)內(nèi)所有連接螺栓。

3 結(jié)論

杭州至富陽(yáng)城際鐵路SGHF-11標(biāo)工程地質(zhì)復(fù)雜，新建盾構(gòu)隧道易影響既有隧道的安全。本文在闡述該區(qū)域工程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分析了盾構(gòu)穿越過(guò)程中遇到的技術(shù)難點(diǎn)，提出了相應(yīng)的處理措施，主要包括：

1）針對(duì)盾構(gòu)進(jìn)出洞時(shí)可能出現(xiàn)的水土流失和地面沉陷、盾構(gòu)進(jìn)洞姿態(tài)突變、盾構(gòu)出洞段軸線偏離等問(wèn)題，采取變水平注漿為豎向加固的施工工藝，形成兩道環(huán)箍擋水，加固完成后檢驗(yàn)加固效果，洞圈加焊盾尾刷，并嵌優(yōu)質(zhì)盾尾油脂，現(xiàn)場(chǎng)配備鋼封門(mén)裝置等方法，確保盾構(gòu)進(jìn)出洞的加固質(zhì)量。

2）鑒于受-高區(qū)間線路長(zhǎng)，穿越地質(zhì)復(fù)雜，室內(nèi)飽和單軸抗壓強(qiáng)度高等問(wèn)題，提出施工前編制開(kāi)倉(cāng)換刀專(zhuān)項(xiàng)施工方案，優(yōu)化盾構(gòu)刀具性能，提高刀具工效，減少刀具更換次數(shù)，合理設(shè)置盾構(gòu)施工各推進(jìn)參數(shù)，換刀作業(yè)嚴(yán)格按照施工流程操作，換刀完畢后按照刀具更換和刀盤(pán)修復(fù)表的要求對(duì)落實(shí)情況進(jìn)行檢查，確保無(wú)工具和其他雜物遺留在土倉(cāng)內(nèi)等措施。

3）考慮到盾構(gòu)施工易對(duì)繁忙的地面交通、密布的地下管線、隧道圍護(hù)樁的承載力等周邊環(huán)境產(chǎn)生影響，提出施工前制定不良地質(zhì)的預(yù)處理方案和穿越施工專(zhuān)項(xiàng)方案，盾構(gòu)機(jī)到達(dá)前，對(duì)盾構(gòu)機(jī)及后配套設(shè)備進(jìn)行檢修，保證設(shè)備性能良好，密切關(guān)注各推進(jìn)參數(shù)，避免穿越時(shí)因刀具磨損停機(jī)，以及加強(qiáng)地面監(jiān)測(cè)，建立完善的監(jiān)測(cè)網(wǎng)等措施。

4）針對(duì)管片拼裝過(guò)程中易發(fā)生的錯(cuò)臺(tái)，破碎及滲漏水等問(wèn)題，采取對(duì)管片進(jìn)行全過(guò)程的運(yùn)輸保護(hù)，對(duì)管片和盾構(gòu)機(jī)盾尾內(nèi)進(jìn)行清理，保證管片間的對(duì)位準(zhǔn)確，按要求對(duì)螺栓進(jìn)行三次復(fù)緊等措施。

5）針對(duì)高-汽區(qū)間兩個(gè)聯(lián)絡(luò)通道的冷凍法施工問(wèn)題，提出加強(qiáng)檢測(cè)與控制凍結(jié)孔施工與凍結(jié)過(guò)程，對(duì)主要地層鉆進(jìn)過(guò)程的參數(shù)變化情況、水文地質(zhì)情況等進(jìn)行及時(shí)分析和監(jiān)測(cè)，提高凍結(jié)施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，限制凍結(jié)孔向隧道內(nèi)偏斜。

6）考慮到在“上軟下硬”地層中盾構(gòu)掘進(jìn)緩慢，掘進(jìn)方向易偏差，施工風(fēng)險(xiǎn)較大，采取在局部硬巖中適當(dāng)降低刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，在軟硬兼有的地質(zhì)下以全土壓平衡模式掘進(jìn)，充分利用導(dǎo)向系統(tǒng)控制盾構(gòu)機(jī)的掘進(jìn)方向等措施。