超大斷面土壓-泥水盾構隧道下穿敏感城區施工安全風險控制研究

來瓊

（中鐵二局集團新運工程有限公司，四川 成都 610031）

快速鐵路隧道采用土壓-泥水雙模法超大斷面下穿敏感城區，對城市居民生活、交通、建（構）物安全勢必造成一定影響，采取符合實際的針對性措施是風險管理取得成功的關鍵。姚曉明等[1]對新建盾構隧道近距離下穿既有地鐵線提出了安全控制技術，張潤峰等[2]對下穿既有建筑期間盾構施工參數進行了分析，本文針對首次在快速鐵路隧道采用雙模法盾構進行復雜和敏感環境下穿越進行風險控制研究，以期科學指導類似工程施工[3]。

1 工程概況

成蒲鐵路西環線增建二線工程北起安靖站，經成都西站、紅牌樓站，最終接入成都南站，是“鐵路城市公交化”重要的組成部分，其中紅牌樓至成都南區間涉及一座1.3 km 的紫瑞隧道，是實現樞紐環線全線雙向貫通的最后關鍵環節，建成后將極大提高成都市鐵路樞紐疏解能力，對提升成都鐵路樞紐地位和實現環線公交化運營具有重要意義。設計隧道為單洞雙線，盾構法施工，隧道全長1 326 m，外徑12.4 m，內徑11.3 m，最大縱坡為25.5‰。隧頂最小埋深8.6 m，最大埋深21.75 m，紫瑞隧道地理位置如圖1 所示。

圖1 紫瑞隧道地理位置示意圖

2 地質水文條件

隧道位于成都沖積平原區，地勢開闊平坦，地面高程490～502 m，既有建筑、鐵路、公路、地鐵等市政工程密集，主要穿越地層為粗圓礫土、W3 強風化泥巖夾砂巖、W2 強風化泥巖夾砂巖。

整個隧道穿越區卵石土、粗圓礫土層較厚，且分布范圍大，其間賦存有大量的空隙潛水。地下水靜止水位埋深3.0～10.6 m，含水層厚10～25 m，主要受線路附近工程降水施工的影響，地下水的年變化幅度多在1.0～3.0 m 之間。

3 穿跨越重難點分析

本隧道始于神仙樹南路東側，止于既有紅牌樓場站內，線路依次下穿肖家河、地鐵5 號線神仙樹站主體結構底板、地鐵7 號線神仙樹站C 號出入口底板、神仙樹高架橋群、成雅高速橋等建構筑物，盾構隧道穿跨越構筑物平面圖如圖2 所示。在如此敏感環境下，盾構隧道穿跨越既有構筑物時如何降低對既有構筑物的影響是該項技術關注的重難點，同時如何確保盾構施工過程中環境的穩定性及安全風險控制是該項技術實施的關鍵點。

圖2 盾構隧道穿跨越構筑物平面圖

4 風險分析

隧道正穿肖家河，底處隧道埋深約8 m，下穿期間引起河床塌陷，引發透水和周邊建筑物的基礎沉降或主體倒塌。

隧道正穿營運地鐵5 號線車站和7 號線C 出入口，下穿期間存在地鐵沉降超限，車站結構變形，地鐵停運的風險；下穿神仙樹高架橋群和成雅高速高架橋，部分橋樁距隧道結構水平凈距為2.67～10 m，側穿引起路基沉降、橋梁變形，造成交通中斷等風險。

5 施工準備

5.1 建（構）筑物調查

委托檢測咨詢公司對盾構隧道需穿跨越的建構筑物進行鑒定，所有相關的建構筑物結構完好，無變形、沉降、傾斜等病害，處于正常使用狀態，未見結構性損傷，結構整體穩定。

5.2 施工影響計算與結果分析

根據現場實際情況，以成雅高架橋為例進行相關計算與結果分析，下穿成雅高架橋計算模型如圖3 所示，其他建（構）筑物比照進行。

圖3 下穿成雅高架橋計算模型圖

采集結構、尺寸、相關距離等相關參數輸入Midas軟件進行三維建模。通過計算分析，成雅高速橋的樁基礎在穿越工況下，樁由原始的最大軸力5 465.5 kN和最大彎矩335.3 kN·m 變化為5 050 kN 和121.4 kN·m，豎向最大變形為0.06 mm，水平向最大變形為1.6 mm；同時穿越區域地表最大沉降4.06 mm，最大隆起2.25 mm。根據計算結果，盾構隧道穿越成雅高架橋時，底層擾動引起樁基變形，變形以水平變形為主，導致樁基產生附加彎矩，樁基水平并及豎向變形均滿足5 mm 控制值的要求。

5.3 施工管理及技術準備

本工程盾構設備采用土壓-泥水雙模盾構機，在穿跨越既有構筑物時采用適應性更好、穩定性更強、掘進效率更高的泥水平衡模式通過，穿越各建構筑物前設置30～50 m 試驗段，以試驗段作為參考優化盾構推進參數。

穿越過程中對構筑物密切觀測，充分做好應急預案；穿越后，持續進行后沉降觀測，及時進行二次注漿。在盾構穿越前、中、后期全過程進行風險管控，降低施工風險。

6 盾構掘進參數控制

盾構機在穿越各重要構筑物前，對盾構設備進行檢修，確保穿越期間不停機，滿足一次性通過條件。根據同類地質情況盾構掘進參數類比分析，以及穿越期期間對盾構掘進參數的調整及分析，總結主要關鍵盾構掘進合理參數如下。

6.1 下穿河流

肖家河寬約15 m，流量不大，受季節變化影響，冬季水量較小，夏季水量相對較多。河道位置兩側地下水位約7.49 m（河道范圍水位較高為4 m），土層分布如下：人工填土、粉質黏土、粉土、粗圓礫石。河道范圍內最上層為0.24 m 厚硅酸鹽砌塊，往下依次為黏土、粉土、粗圓礫土。掘進速度30～35 mm/min，推力70 481～72 098.8 kN（河道范圍為53 332.1 kN），扭矩34 22 3.1 ～34 99 8.3 kN·m（河道范圍為26 707.2 kN·m），刀盤鉆速1.2～1.4 r/min，土倉壓力1.43～1.49 bar。

6.2 下穿地鐵

盾構下穿成都地鐵5 號線和7 號線，在地鐵線路范圍內主要下伏地層為粗圓礫石，上部為人工填土，地下水位線在7.04～7.12 m 之間。掘進速度30～35 mm/min，推力75 585.4～78 662.3 kN，扭矩36 802.6～38 350.5 kN·m，刀盤鉆速1.1～1.3 r/min，土倉壓力1.53～1.60 bar。

6.3 下穿橋梁

盾構隧道側穿神仙樹高架橋群和成雅高速高架橋，該地段水位在7.31～8.21 m 之間，上覆土層依次為人工填土、粉質黏土、粉土、粗圓礫土。掘進速度30～40 mm/min，推力89 472.5～100 015.7 kN，扭矩43 769.1～48 683.1 kN·m，刀盤鉆速1.2～1.4 r/min，土倉壓力2.12～2.3 bar。

7 建（構）筑物注漿加固

盾構隧道穿跨越建（構）筑物地段采取的加固措施為袖閥管預注漿加固及隔離加固，本工程盾構隧道穿越建構筑物注漿加固方式如下。

7.1 下穿河流

盾構穿越肖家河對河底板進行預注漿加固，加固深度為河底6 m，寬度為隧道兩側各5 m，袖閥管注漿加固孔位間距200 mm×200 mm 梅花形布置，下穿肖家河注漿加固斷面如圖4 所示。考慮肖家河水流量大，加固分2 次進行，加固前先采用圍堰進行河水分流，第一次進行靠小里程約5.3 m 區域圍堰施工，圍堰施工完成后進行預注漿加固及中水管探挖；第二次進行剩余約4.2 m 區域圍堰及預注漿加固施工。

圖4 下穿肖家河注漿加固斷面圖

7.2 下穿地鐵

盾構隧道穿越地鐵5、7 號線時，該段落內分別設置有玻璃纖維筋抗拔樁及圍護樁，盾構機穿越樁過程中，嚴格控制切口壓力，保持盾構機姿態穩定；嚴格控制盾構糾偏量，在確保盾構正面沉降控制良好的情況下，使盾構均衡勻速施工，減少盾構施工對土體的擾動和地層損失。同步注漿系統及時充填空隙，待盾構通過后及時二次注漿，進一步控制滯后沉降。

7.3 下穿橋梁

主要采取施作隔離樁保護自身橋基和微型鋼管樁進行加隔離加固。其中隔離樁直徑1 000 mm，樁長為盾構隧道底部2 m，樁身距離隧道邊線大于1 m，主要應用于神仙樹高架橋群，如圖5 所示。微型鋼管樁采用直徑150 mm 鋼管，樁長22 m，樁位沿是隧道掘進方向間隔300 mm 布置，與橋梁水平凈控制在2.5～4.3 m，主要應用于成雅高速高架橋，如圖6 所示。

圖5 神仙樹高架橋群橋墩加固斷面

圖6 鋼管樁加固剖面示意圖

8 盾構穿越期間監控量測

8.1 出土量及隧道注漿控制

本工程大斷面盾構隧道每環（1.5 m 管片）出土量控制在233 m3左右，對出土量差異較大節段，從出土類型、實際出土方量結合地表沉降觀測數據等方面進行綜合評估分析，查找原因，以采取控制措施。

同步注漿采用注漿壓力與注漿量雙控標準，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa 之間，注漿量控制在19.62～26.16 m3以內。在該段掘進時采用多孔加強型管片，根據觀測分析結果在豎向坡道及水平方向變化較大時，結合監測數據，采用二次補強注漿，壓力控制在0.5～0.6 MPa 范圍內。

8.2 沉降監控

盾構下穿河流、地鐵和橋梁時，主要監測項目為建構筑物豎向位移（全部接近段落）、地表豎向位移（全線）、隧道拱頂下沉及凈空收斂（下、側穿建構筑）、區間分層豎向位移（穿越河流、路口、房屋）。監測頻率滿足規范要求，如發現異常，則加密監測頻次并及時通知相關各方，及時采取防范措施。

在盾構隧道全部穿跨越建構筑物后，經施工單位監測穩定后，再由第三方鑒定單位對建筑物進行鑒定，并與通過前的鑒定報告進行對比，確定盾構通過是否對建筑物結構造成影響。

9 應急管理

在盾構隧道穿跨越既有建（構）筑物時出現整體沉降或傾斜超過警戒值或出現明顯裂縫等情況時，立即停止現場該部位附近的大型機械施工和挖土作業，通知業主、監理、設計和設備管理單位，密切觀測變形發展的情況和趨勢，同時應立即啟動應急預案，協助疏散交通和周圍住戶。

同時對建（構）筑物地基加固，啟動袖閥管注漿應急方案，進行地面跟蹤注漿。在建筑物體周圍注漿進行加固土體，地面注漿材料采用純水泥漿，正常注漿壓力為0.4～0.8 MPa，注漿壓力控制在1.0 MPa 以內，并由下而上逐漸減小，同步對洞內進行二次注漿，多方位穩固地面和建（構）筑物穩定。

10 結語

本項目大斷面盾構隧道已順利完成，穿跨越各建構筑物期間均安全可控，未發生任何安全生產事故。通過嚴格的風險分析，制定完善的加固及穿跨越方案，調整有效的盾構掘進參數，切實貫徹長效監控機制，有效控制了盾構隧道穿跨越建構筑物作業安全風險，得到了建設單位的高度評價，提高了企業形象，可為類似工程施工提供借鑒和參考。