軟硬交互地層盾構長距離小半徑曲線穿越地面復雜環境成套施工關鍵技術研究
——以杭州機場軌道快線SGJC-1標為例

賈茁

（中鐵十六局集團有限公司，北京 100018）

0 引言

地鐵盾構穿越會面臨復雜多樣的施工現場，尤其在軟硬交互地層，其力學性質差，盾構穿越后沉降差異較大。國內外學者針對這一現象進行了大量研究分析，顧問天等[1]從盾構隧道縱向設計出發，提出盾構隧道設計在軟硬交互地層中的控制要點；魏新江等[2]基于matlab軟件提出隧道變形模型，用于計算地鐵盾構隧道變形等；余占奎等[3]在理論基礎上對盾構隧道設計進行改造，有效提高隧道發生不均勻沉降或過量沉降的耐久性等；李有兵等[4]依托實際工程，在刀盤配置、盾構掘進參數、管片與盾構相對位置等方面系統總結了軟硬地層盾構施工技術。文獻研究了在軟硬交互地層中盾構施工問題，但對于在軟硬交互地層盾構長距離小半徑穿越地面復雜環境的施工技術研究較少。

本文基于杭州機場軌道快線SGJC-1標,研究盾構在穿越多條河流、多個建(構)筑物、全斷面硬巖及上軟下硬地層、長距離小轉彎半徑及與既有隧道道路交疊施工的技術。

1 工程特點

1.1 工程概況

杭州機場軌道快線工程起點苕溪站，終點靖江站，線路長58.5km，設車站15座，其中換乘站13座，最小站間距1.658km，最大站間距10.239km。地下線長度47.5km，高架段長度12.0km，其中與杭甬高速合建9.8km。全線4座高架站、11座地下站。

圖1 杭州機場軌道快線走向示意圖

圖2 本標段線路總平面圖

本標段主要包含一站、一明挖段、一區間風井及兩區間，即苕溪站、倉前車輛段出入場線明挖段、1號區間風井、苕溪站～倉前車輛段出入場線盾構區間、苕溪站～杭州西站區間。

1.2 工程地質

本工程地貌形態單元屬于河湖相沉積平原地貌。

1.2.1 苕溪站

苕溪車站基坑開挖范圍主要地質構造為雜填土、粉質黏土、砂質粉土、淤泥質黏土、圓礫。結構底板位于③2砂質粉土、⑥1淤泥質黏土層。孔隙潛水穩定水位埋深為0.4～2.1m。

1.2.2 出入段線盾構區間

出入段線盾構區間范圍主要地質構造為素填土、粉質黏土、砂質粉土、淤泥質黏土、圓礫、中砂、強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖。

1.2.3 出入段線明挖段及U型槽

明挖段及U型槽范圍主要地質構造為雜填土、粉質黏土、淤泥質黏土。

1.2.4 1號區間風井

風井基坑開挖范圍主要地質構造為素填土、淤泥質粉質黏土、淤泥質黏土、粉質黏土、含粘性土卵（礫）石層。結構底板位于⑧2砂質粉土、含粘性土卵（礫）石層，開挖基底部分為(22)a3中等風化凝灰巖。孔隙潛水穩定水位埋深為0.20～2.80m，結構抗浮水位可取設計室外地坪標高下0.5m。

1.2.5 苕溪站～杭州西站區間

苕杭區間掘進主要穿越淤泥質粉質黏土、粉質黏土、圓礫、中砂、中風化凝灰巖。

2 軟硬交互地層盾構長距離小半徑曲線穿越地面復雜環境成套施工關鍵技術

2.1 盾構安全下穿多條河流施工

本工程盾構區間所處區域的地表水屬東苕溪、太湖水系，場地地貌單元為湖沼積平原，地表水系發達，河網交錯，區間沿線多次穿越河流。采取如下措施：

1）盾構頂距河床沖刷線的距離保持1D（洞徑）左右。

2）設計時在管片各分塊均預留注漿管，盾構施工結束后再對管片頂部土體進行加固處理，以提高隧道的穩定性。

3）始發時洞門密封裝置需完好，防止涌砂涌水進入盾構井。

4）盾構施工過程中，嚴格按照設計軸線掘進施工，盡可能減少糾偏量，減少地層的擾動及損失。

5）進入河底前預先調整好盾構姿態，以較好的姿態下穿河底。在掘進過程中，盾構駕駛員根據測量偏差及時調整盾構掘進方向，盡可能減少糾偏。

6）操作手要時刻關注土倉內壓力變化及排除碴土的變化情況，若發現碴土含水量過大，要立即上報，并分析原因，避免盲目出土造成超挖。

7）加強同步注漿管理，減少盾尾通過后隧道周圍形成的建筑空隙，減少隧道周圍土體的超挖量。

8）加快管片運輸及拼裝，減少不必要的停機時間。

9）為防止盾尾發生漏泥、漏水，定期、定量、均勻地壓注盾尾油脂。

10）制定相應的應急預案，保證險情發生時有章可循，及時處理。

11）現場配備一定數量的搶險物資，如沙袋、木板、型鋼、注漿機、花管等，保證出現險情及時處理。

12）加強監測頻率，確定合理施工參數，信息化管理指導盾構推進施工，控制隧道軸線偏移量，減少對周圍環境的影響。

2.2 盾構安全下穿或側穿多個建（構）筑物

隧道掘進引起的地面沉降包括盾構隧道橫斷面方向及縱向的沉降，在不同程度上影響隧道沿線地面建筑物和地下管線的安全。盾構在穿越建筑物、臨近建構筑物施工時，應加強掘進參數的調整和盾構姿態的控制，進行信息化施工和管理。采取如下措施：

1）優化并匹配盾構施工參數，減小盾構施工時對周圍土體的擾動程度。盾構各施工參數并非相互獨立，許多參數是相互聯系、連鎖改變的。因此，要對盾構的施工參數進行調整、優化和匹配。

①由于地鐵隧道臨近建構筑物，盾構的土艙壓力直接影響建構筑物變形，在盾構穿越過程中，嚴格控制土艙壓力和與土艙壓力有關的施工參數，如推進速度、出土量等，以保持盾構掘進面的穩定和平衡。

②嚴格控制同步注漿量和漿液質量，通過同步注漿及時填充建筑空隙，減少施工過程中土體的變形。

③嚴格控制盾構的姿態，盾構姿態的變化不宜過大、過頻，以降低土層的損失和對周圍土體的擾動，減少建構筑物和隧道本身的沉降。

④在變形影響控制較好的情況下，使盾構保持均衡施工，在最短的時間內穿越建構筑物，減少盾構施工對建構筑物的影響。

2）信息化施工技術。在地鐵穿越過程中，通過全面及時的監測反饋分析來實行信息化施工。盾構掘進穿越時，建構筑物的變形對其反應靈敏。對鄰近建筑物布設監測點，在施工時實時監控，根據監測數據及時調整盾構掘進參數，以確定是否采取地面加固措施。

3）低層房屋抗變形能力差，盾構施工中嚴格控制相關參數，推進前進行房屋鑒定，保證上部房屋建筑的安全，并制定緊急疏散預案。

4）盾構穿越建（構）筑物施工時，管片預留全環注漿孔，根據地面監測情況，若有必要可采取壁后二次注漿進行補壓漿，壓漿量的控制根據變形信息確定。

2.3 盾構機長距離穿越全斷面硬巖及上軟下硬地層

區間出1 號風井后穿越巖層,在里程約K2+790～K3+800 處為土巖結合面或全斷面基巖，長度范圍約1010m，基巖主要為(22)a3中等風化凝灰巖，屬較硬巖，巖體較完整，基本質量等級為Ⅳ級。合理控制硬巖段盾構機姿態，合理控制硬巖段盾構機參數，減少換刀次數，保證成型管片質量和施工進度要求是本工程盾構施工的一個重點。采取如下措施：

1）對該區域進行地質補勘，勘探點位加密，更加精準掌握地層資料。

2）以詳勘及補勘資料中巖體的強度及各項參數作為刀盤選型的依據。

3）根據刀盤各項技術指標，制定掘進過程中的推進速度、推力、刀盤轉速、刀盤扭矩，并在施工中嚴格控制。

4）合理控制掘進參數，延長刀具的使用壽命，減少開倉次數，降低換刀風險，提高施工進度。

5）刀具配置符合巖層硬度要求，按照本區間巖層最大硬度111.7MPa考慮，設計破巖能力為150～180MPa。

2.4 盾構機長距離小轉彎半徑施工

苕溪站～倉前車輛段區間里程RDK0+844至貫通平面轉彎半徑R=305（出段線R=310），接收段坡度為34.8‰，盾構機開挖面屬淤泥質黏土，盾構選型至關重要。保證盾構機姿態要求及管片質量是本工程盾構施工的一個重點。采取如下措施：

1）施工過程中加強掘進管片的選型工作，選擇合適的管片進行拼裝，確保盾尾間隙，減少糾偏。

2）管片姿態要先行于盾構姿態，即管片姿態要有一定的超前量，一般超前9m左右（盾構機盾體長度），確保轉彎順利，避免管片與盾構機卡死的情況。

3）若需要糾偏，要緩糾、勤糾，不要猛糾，否則易出現碎裂、滲漏等。

2.5 盾構區間與待建3號線隧道上下交疊及留祥路隧道施工

區間快線與3號線北沿交疊區域前后15m，全環管片等級加強并增設預留注漿孔，同時進行長管注漿，注漿范圍半徑為3.94m。機場快線與規劃留祥路隧道在交叉重疊區域及前后10環15m范圍，全環管片等級加強并增設預留注漿孔，共計84環，注漿范圍半徑為3.5m。

1）對快線盾構區間加固范圍全環增設注漿孔，對管片上半環進行長管注漿加固。

2）盾構施工中嚴格控制施工參數，合理控制推進速度，保證連續均衡施工，嚴格控制土倉壓力及出土量，防止盾構的超挖和欠挖，并做好如下技術措施：

①疊落隧道盾構施工過程中，對兩條隧道重疊范圍內盾尾管片與土體間的建筑孔隙壓注緩凝漿液，漿液1d的強度大于周圍加固土體強度。

②上部盾構穿越前，下部隧道通過預留注漿孔對周圍土體進行二次分層注漿加固。

③上部盾構穿越前，應對下部已施工機場快線隧道進行穿越施工安全評估，提出相應安全施工方案、監測方案及正線隧道變形控制值。

④上部隧道施工時，管片應預留全環注漿孔進行二次長管注漿，上部盾構施工時，通過對下部隧道內的監測數據反饋，調整上部盾構的推進參數、注漿量、注漿壓力。

⑤上部盾構穿越后，預留注漿孔進行補壓漿，壓漿工作需待上部隧道沉降穩定后才能停止。

3）機場快線與北延3號線疊交段，在3號線上跨施工過程中對機場軌道快線進行監測：

①全自動化監測及人工監測。一是全自動化監測，要求采用全站儀自動化系統實時監測，人工復測，7天/次，現場指揮中心根據監測數據決定是否調整開挖時序；二是人工監測，需監測隧道收斂、軌道沉降（兼隧道結構沉降）。

②所有測點布置應避開區間設備位置、隧道內電線電纜、接觸網等。如快線隧道運營，監測時段應利用運行空余時段，進行監測作業前均需清點，保證作業安全。

③施工監測應有可靠的基準點系統，水準基點不少于2個，基準點系統應定期校核。

④盾構機配備兩臺注漿泵，能注厚漿，注漿材料采用中粗砂、水泥、水，不得采用細沙，盾構機上安裝自動導向測量系統,以更好控制隧道軸線。

3 結論

1）鑒于盾構施工區域地表水系發達，下穿多條河流，施工前應確保洞門密封裝置完好，調整盾構姿態，施工時嚴格按設計要求，減少糾偏量等，并結合信息化管理，確保盾構安全進行。

2）盾構下穿或側穿對建（構）筑物安全造成一定影響，應對盾構參數進行優化并匹配，減少盾構施工對周邊土體的應力狀態的影響；采用信息化施工與管理，對盾構掘進參數及盾構姿態進行實時調整和控制。

3）盾構機長距離穿越軟弱交互地層，要合理控制盾構機參數，制定刀盤的各項技術指標，減少開倉換刀風險，按施工進度計劃完工。

4）在本工程條件下，盾構選型對于盾構機長距離小轉彎半徑施工至關重要，通過加強盾構掘進管片選型、保證盾構機姿態要求、及時糾偏等措施，達到施工質量、安全、工期等要求。

5）針對盾構區間與既有隧道交疊施工難點，對盾構區間加固范圍采用全環增設注漿孔進行加固，嚴格控制施工參數，進行全自動化與人工共同監測，保證施工質量。