地鐵隧道盾構掘進施工關鍵技術

臧馬立

（中鐵十六局集團北京軌道交通工程建設有限公司，北京 101149）

0 引言

某市已建成3條地鐵，線路總運營里程60km，1、2號線分別呈南北和東西走向，已建成長度為21km和16km。地鐵主要建設范圍在距離地表20m以下，該市淺層土為第四紀沉積層，屬淤泥質黏性土層。此類土層顆粒微細、固結度低、溶水性高、壓縮性高、滲透性低、易塑流。采用土壓平衡盾構掘進機對地鐵區間隧道進行施工，不僅能提升施工機械化程度和速度，也不易對地面建筑物產生影響。本文結合具體實例，分析了地鐵隧道盾構施工掘進技術，同時對盾構下穿建筑物質量控制措施進行了相應研究。

1 地鐵隧道結構形式

地鐵隧道通常為圓形，由內徑5.5m的拼裝式管片組成，分為獨立的上、下行線。隧道外徑為6.2m，主要由6塊高精度混凝土管片拼裝組成，其中管片厚度為0.35m，環寬1m，管片與管片間的環向連接通常依靠12個M30mm×400mm的螺栓完成，縱向則依靠16個M30mm×985mm的螺栓完成。管片間的接縫使用821BF遇水膨脹橡膠防水密封條，防止出現滲漏而影響工程質量。

2 盾構掘進施工關鍵技術

2.1 土壓力的管理

在軟土土體環境中盾構掘進時，應確定土壓平衡，一般情況下土壓力的P0根據靜止土壓力為中心范圍進行取值，取值的上限不得超過水壓力和被動土壓力之和，下限不得低于水壓力和主動水壓力之和，同時在施工過程中應動態跟蹤P0數值，結合覆土深度和地基變化監測的數據靈活調整。針對難以建立土壓的承壓水地層，施工人員通過壓注高壓空氣和壓注泡沫的方式管理土倉，建立適當的土壓平衡。

2.2 出渣量計算及排土管理

（1）土壓平衡狀態下，對比實際土壓測值P1與P0，若與設計要求不相符合，可通過調整螺旋輸送機轉速和盾構機推進速度，以此管理土壓和排土量。

（2）非土壓平衡狀態下，根據控制壓力差對出土量進行管理，并增加螺旋輸送機轉速，提高出土效率，擴大土倉的有效進土空間。若盾構機刀盤正面土體的穩定性和自立性較好，施工人員可往土倉加氣，改善螺旋輸送機的排土能力，避免出現“泥餅”現象，或者可降低盾構機大刀盤扭矩的方式，提高盾構掘進速度。

（3）出渣量控制，每環理論出渣量（實方）計算見下式：

式中：

D——盾構切削外徑，取6.44m；

L——管片每環長度，取1.2m；

λ——渣土松散系數，一般軟土的松散系數為1.2，泥巖為1.5。

代入計算得V=46.88m3∕環；考慮土體松散系數為1.3，在運輸組織設計中，均按1.3×48.86=63.518m3考慮。采用容量為18m3的運輸渣土車，數量為4 臺，總運輸能力為72m3，可滿足施工運輸的需要。

施工中每一循環進尺，應檢查掘進施工的出土量并如實做好記錄，根據出土量判斷是否出現了超欠挖情況。

2.3 同步注漿、二次注漿、深孔注漿

導致地表變形和沉降的因素較為復雜，主要有盾構施工引起的地層損失、盾構施工干擾周圍圍巖、地下水的滲透等。因此，為控制地表沉降量，應在隧道盾構掘進施工時，在脫出盾尾襯砌管片背后注入足量的漿液材料，以填充空隙。

（1）同步注漿。在隧道盾構掘進施工中，應遵循隨進隨注的原則，同步向盾尾建筑空隙中注入漿液[1]。具體通過盾構機自設的同步雙泵四管路（四注入點）對稱注漿，改善支撐結構，避免隧道洞身穿越地層變形，埋下巨大安全隱患[2-3]。同步注漿施工方案如圖1所示。

圖1 同步注漿施工方案

（2）二次注漿。經過同步注漿后，隧道盾尾空隙得到有效改善，地層變形和地表沉降量也得到了控制。但檢查同步注漿施工質量后發現，凝固漿液存在局部分布不均勻和收縮問題，為保證背部襯砌注漿層的性能，應進行二次注漿，覆蓋不均勻和收縮空隙，使得漿液面層的防水性能和密實度達到設計要求[4]。綜合分析地表沉降監測信息和隧洞內超聲波探測監測的結構，確定隧道襯砌背后是否存在空洞，管片襯砌是否存在嚴重的滲漏問題，若出現了以上問題，即可采取二次注漿。

（3）深孔注漿。深孔注漿應采用雙液漿，體積比例為1∶1，注漿施工結束28d后，隧道襯砌的土體抗壓強度應保持在1MPa以上。

2.4 主要參數

（1）注漿壓力。在注漿時應加強注漿壓力的控制，避免出現過大或過小的問題。若注漿壓力過小，管片襯砌周圍土體填充量將無法滿足施工要求，導致地表變形量加大；若注漿壓力過大，漿液會對管片襯砌周圍土體造成干擾，并且容易導致跑漿缺陷。綜合考慮相關影響因素，同步注漿壓力控制范圍為0.2～0.4MPa。

（2）注漿量。同步注漿的根本目的是填充盾尾建筑空隙，實際的注漿作業中應根據漿液滲透、盾構糾偏等因素調整注漿量，以保證襯砌加固效果。注漿量可用下式進行計算：

式中：

Q——注漿量，m3；

V——盾尾建筑空隙，m3；

λ——注漿率，取1.5～1.8。

式中：

D——盾構切削土體直徑，取6.44m；

d——管片外徑，取6.2m；

L——管片寬度，取1.5m。

則：V=3.57m3。

經計算，Q為5.36～6.68m3。根據杭州市地方標準要求，每環實際注漿量應為理論注漿量的150%～250%，故線路注漿量控制值為8.04～14.01m3。

控制注漿壓力，檢查注漿量，并根據不同的地層環境調整注漿結束標準。如果是在正常地層土體環境中，每循環的注漿量應保持在5.36m3以上，但如果是粉砂土、曲線段和黏土層應適當調整，具體情況如下：（1）若盾構掘進的土層為粉砂層，應增加注漿量，維持注漿量與注漿壓力的平衡；（2）若在隧道曲線段實施盾構掘進施工時，應根據出土量增加注漿量，避免出現超欠挖情況；（3）若盾構掘進的土層為自穩能力差的黏土地層，同時注漿量小于注漿壓力時，應增加注漿量直至注漿壓力的上限，接著實施二次注漿，增加襯砌結構的抗壓強度。

3 盾構穿越構筑物沉降控制實例

3.1 盾構穿越廠房的沉降特點

塑料廠廠區約30m×30m，隧道軸線從中部偏西穿越，有兩幢東西向橫臥于隧道上方的廠房。從施工規劃來看，塑料廠區分為南北兩個廠房結構，其中北廠房為獨立的混凝土框架結構，下部還有一條東西走向的防空洞，防空洞的長度為3～4m，上行線和下行線隧道掘進兩次從廠房底部穿越；而南廠房為條型基礎的磚混結構。

為避免隧道盾構掘進施工干擾塑料廠的生產作業和保證廠房的安全性，應加強對廠房地表沉降的檢測，全過程動態跟蹤盾構掘進施工，并輔助雙液注漿，控制廠房沉降[5]。

根據實測資料的反饋，發現塑料廠廠房的沉降變化較為復雜，會受到超載作業的影響，主要呈現以下特點：（1）在隧道盾構施工前，地表無隆起；（2）盾尾建筑空隙同步注漿復雜，注漿量大；（3）施工后沉降量大；（4）沉降周期長，范圍廣，是普通地表沉降的1.5倍。

3.2 盾構穿越密集建筑群的沉降控制

根據施工規劃的設計，地鐵1號線將穿越人民廣場和附近商圈，人民廣場站至黃陂路站區間地鐵隧道全長1200m，并且該區間是整個地鐵隧道施工中構筑物最多的區間，多住宅、商業店鋪、學校和一些結構性較差的房屋結構，盾構掘進環境復雜，對施工技術的要求較高。

盾構施工將繼續從人民廣場站南端推進，盾構施工穿越的土體多為淤泥質黏土，覆蓋土層的厚度基本在10～16m。通過分析其他區間隧道盾構掘進施工的經驗，總結了土壓、注漿量、注漿壓力及盾構機轉速等參數設置的規律和特點，并配合智能化控制和精細化管理，經檢測施工沉降控制均符合工程規定表面，構筑物最大地表沉降量不超出30mm，裂縫缺陷出現概率較小，只在施工后期出現2處短且無害的裂縫。

4 動載條件下盾構穿越地鐵施工技術

4.1 工程簡況

人民公園站至河南路站區間隧道的施工過程中，在出洞位置處，盾構需下穿運營中的1號線。完成出洞后，盾構要在與1號線隧道間隔12m處與其呈85°斜交，同時保證1號線隧道底部和2號線隧道頂部間距控制在1m，且保證隧道埋深為17.5m。

（1）在整個2號線車站建設中，2號線隧道存在不同程度下沉，最大數值為12mm，累計沉降量未超過15mm。因此，沉降3mm是下穿1號線隧道時允許出現的最大沉降量。

（2）在整體施工完成且投入運營后，已通過雙液漿、聚氨酯、旋噴注漿以及分層注漿等多種方法對1號線隧道底部進行加固，但因漿液無法均勻分布，盾構機在掘進時也就無法有效保證隧道控制軸線的穩定性。

（3）盾構在出洞后會立即進入到加固區，且會同時受到現有隧道與附近商業建筑的影響，從而增大施工難度。

4.2 主要施工技術

（1）基于技術條款規定的質量要求，優化洞門混凝土吊除方案，提高施工效率，降低正面土體的流失量。

（2）多次試驗調優施工參數，盾構出洞時的土壓宜設置為0.23MPa，每一循環的出土量應控制為理論值的95%，具體出土量為30m3∕環，勻速盾構掘進，掘進速度保持在1cm∕min。若在盾構掘進過程中遭遇加固區，應調整刀盤扭矩，充分切削破碎加固土體，降低工后沉降量。

（3）如有需要，可在刀盤中添加潤滑劑（如發泡劑、水），降低刀盤所受扭矩，改善掘進環境。

（4）全過程信息化監測盾構掘進施工，地鐵1號線選擇應用高精度邊通管邊監測的方法，監測間隔10min，自動收集隧道變形情況，并通過系統將數據傳輸到后臺，為技術人員判斷地表變形量和調整施工參數提供數據參考。同時，在上、下行線隧道內各裝置了一個巴塞特收斂系統量測環，共設計20組測點，用于收集1號線路的徑向變形信息。

（5）巴塞特收斂系統量測環具有高分辨率、高精度及高靈敏性等優點，根據其反饋的數據調整優化同步注漿量，能夠有效保證盾尾建筑空隙的填充效果。另外，考慮到同步注漿所采用的單液惰性漿液易產生泌水和離隙現象，因而在同步注漿結束后應檢查1號線隧道下沉和2號線隧道上浮的情況，輔助雙液漿補強加固，控制隧道工后沉降量，確保沉降量不超過3mm。

5 結束語

總而言之，在對地鐵隧道工程進行施工時，盾構施工具有安全性和效率高等優于其他施工方式的特點，因而被廣泛應用在地鐵施工中。本文結合具體實例，討論分析了地鐵隧道盾構施工掘進技術，同時對盾構下穿建筑物沉降控制進行了相應研究。希望本文的研究成果和觀點能為盾構施工的順利開展和后續的發展提供一定借鑒與參考。