中心城區復合地層條件下超大直徑盾構法隧道重難點分析

江 帆

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市 200092）

0 引言

某隧道主體為單管雙層雙向四車道盾構隧道。受用地條件限制，隧道沿線需側穿或下穿施工中地鐵車站、已運營地鐵車站、規劃地鐵區間、河道、橋梁、火車站等眾多建構筑物，周邊環境極其復雜。

隧道全長4.55 km，其中盾構段長3.5 km。

1 線路設計

（1）線路平面設計

線路起點為了避讓人行天橋和立交橋梁樁基，線位向北側偏移（明挖圍護樁外邊緣與橋梁樁基平面距離控制到2.2 m），在現狀立交橋東側設置盾構工作井。出工作井之后線路進入盾構段，避讓立交匝道橋梁樁基，避讓在建地鐵車站及其區間隧道（平面距離該車站地下連續墻最近處約3.4 m），然后避讓立交橋梁和河道現狀小橋，穿越河道后，設置一小半徑平曲線（R-300 m）以避讓43層高層建筑，下穿6層停車場、幼兒園以及3棟6層混凝土房屋后，繼續下穿規劃地鐵區間段、火車站站房和已運營地鐵明挖車站，然后避讓邊檢大樓、現狀地下通道和高層建筑，下穿高架匝道橋梁樁基礎，與現狀高架橋梁共線，出高架橋影響范圍后設置工作井，最后以明挖暗埋段接現狀道路到達終點。

平面線形盡可能避讓橋梁樁基、地鐵車站（區間）以及建（構）筑物，采用小半徑平曲線。盾構隧道需穿越橋梁、高層（多層）、地鐵車站區間、火車站、地下通道等建（構）筑物，施工條件苛刻，但加強施工控制也具有實施可行性。

（2）線路縱斷面設計

線路縱斷面主要控制條件：隧道縱坡主要受兩端接線道路銜接標高，下穿的地鐵站出入口、河道規劃、規劃地鐵區間段、火車站基礎及樁基、已運營地鐵站明挖段等標高，隧道抗浮安全，工作井位置和盾構進出洞覆土深度，橫向道路管線敷設深度等條件控制，同時縱斷面設計還應滿足最小和最大縱坡的要求。

本項目線路在起點以4.7%的縱坡接入隧道，然后下穿在建地鐵站出入口通道（隧道頂距離地下通道底板底按5 m控制），在河道處，隧道頂距離河床底約14.2 m，之后以0.8%的緩坡下穿多層混凝土房屋，在火車站處避讓火車站樁基、在已運營地鐵站處避讓車站結構及圍護墻（保證不小于1 m凈距）。過火車站后以0.7%的緩坡逐漸向上爬升，在進入終點工作井前以4.4%的縱坡接入現狀道路。在河道處有14.2 m覆土深度（0.98D，D為隧道外徑14.5 m，下同），能確保施工期間和運營期間的安全。起點和終點工作井處，隧道埋深分別為11.5 m（0.79D）和 9.65 m（0.67D），覆土深度均大于0.6D，進出洞覆土深度均能滿足加固和安全要求，并具有良好的施工條件。

（3）橫斷面布置

本工程隧道段按快速路60 km/h設計車速標準設計，主線采用雙向四車道，不設硬路肩，單向寬度為8.0 m，布置為0.5 m（左側路緣帶）＋2×3.5 m（機動車道）＋0.5 m（右側路緣帶）[1]。盾構橫斷面布置見圖1。

圖1 盾構橫斷面布置（單位：mm）

根據建筑限界及設備布置綜合考慮，隧道內徑為13.3 m，管片外徑為14.5 m。

3 盾構機選型

盾構機的選型是否合理，是盾構施工成敗的關鍵。選擇盾構類型時，除應考慮施工區段的地質條件、地面情況、隧道長度、隧道平面、工期和使用條件等各種因素外，還應結合開挖和襯砌的施工問題，選擇可以安全經濟地進行施工的盾構類型。

本工程盾構機要穿越礫質粘性土、強風化變質砂巖、中風化變質砂巖、微風化變質砂巖。根據地質條件和工程經驗，復合式泥水平衡盾構機和復合式土壓平衡盾構機均適用于本工程。本項目施工場地受限，復合式土壓平衡盾構機不需要泥漿處理場，施工場地較小，更適合本項目。因此，從工程實施的場地條件、安全性、盾構來源等方面綜合考慮，建議采用復合式土壓平衡盾構機。

無論采用新制或改制盾構機，本工程所選盾構機需滿足在覆土24.2 m（隧道底最大埋置深度38.7 m）、水壓0.4 MPa條件下的推進要求。同時，盾構機需根據工程實施進度要求及時到達施工現場，且推進速度應滿足項目總工期的要求。

4 重難點分析及對策[1-4]

（1）周邊建(構)筑物密集，建設條件復雜

本項目位于城市中心區內，項目周邊已經完成城市開發，周邊建筑物非常密集，道路沿線有橋梁、河道、鐵路、地鐵、建筑物等眾多制約因素，隧道的建設條件復雜。

隧道平面設計中明挖段避開了天橋和立交橋的橋樁，基坑開挖采取保護措施，確保施工過程中天橋的安全使用。

隧道縱面設計中使盾構盡量在較為均一的地層中穿越，在穿越居民區、火車站及地鐵站區段，適當加大隧道埋深，最大限度地減少盾構施工的影響。

（2）復合地層條件下超大直徑盾構長距離掘進

隧道沿線穿越地層變化很大,盾構在上軟下硬地層掘進時，由于刀盤受力不均，盾構本身的姿態容易改變，盾構姿態控制及掘進方向控制較困難。為適應復合地層條件下的隧道掘進，應選用復合型盾構機。該盾構穿越區間巖石抗壓強度多在80 MPa以下，采用現有盾構機施工，對大部分地層是適應的，但在極硬巖及軟硬不均地層施工，現有盾構機刀盤不適應，施工風險較大，必須新購盾構機或對現有的盾構進行改造，使之能夠適應該盾構區間的地質條件。

在設計階段要進一步探明工程地質情況，設計選線時應盡量避開軟硬不均地層，使隧道位于均勻地質中，以降低盾構施工的風險。必要時在盾構機通過前，對沿線一些不良地質條件地段進行地基加固，如壓力灌漿，以有效控制地下水壓力下降并減少地面和周邊建筑物的沉降。

（3）超大直徑盾構隧道掘進對鄰近超高層建筑影響分析及對策

隧道近距離側穿43層高層建筑、28層高層、21層高層、33層高層等。高層建筑樁基均為端承樁，盾構從其側邊穿過，避開結構樁基。

盾構施工時，擬從以下方面采取保護措施：a.盾構推進保護措施：檢查盾構機設備狀態，調整盾構施工各參數；嚴格控制盾構推進軸線，避免超挖；盾構通過高層建筑時，應放慢施工速度，但不得停止推進；盾構通過高層建筑樁基后，應根據地層變形監測數據進行二次注漿。b.工程措施：根據需要采取隔離樁或加固等工程措施來保護高層建筑樁基。c.變形監測：在盾構穿越期間，須對建筑物進行沉降監測，將監測數據及時、準確地反饋給中央控制室，中央控制室正確判斷地面所反映的情況，及時調整施工參數，確保盾構順利穿越。穿越后仍須進行觀測并及時反饋，以便進行后期補壓漿的控制和調整，直到地面沉降穩定。

（4）超大直徑盾構隧道下穿現狀火車站分析及對策

盾構需要下穿火車站鐵路股道、火車站站房。根據盾構隧道穿越火車站鐵路股道的加固原理和施工案例，盾構隧道下穿鐵路的加固技術一般分三種：地基加固、洞內加固和扣軌加固。綜合鐵路股道實際情況，從施工安全角度考慮，本盾構隧道下穿鐵路股道的加固方案為：地面袖閥管注漿+洞內加固相結合的方案，扣軌加固作為施工應急預案時采用。

盾構穿越站房結構應盡量在其樁基下方穿過，見圖2。在盾構下穿火車站前，對所有設備進行徹底的檢查和維修（刀具、注漿系統、盾尾刷等），確保盾構機以最佳狀態下穿，在自動檢測系統反饋的檢測數據指導下，采用向盾體周圍注入膨潤土的方式，土壓平衡模式通過。及時注漿，盡快填充環形間隙使管片盡早支撐地層。

圖2 盾構穿越站房結構

（5）超大直徑盾構隧道下穿已運營地鐵車站分析及對策

隧道需下穿已運營的地鐵1號線車站（見圖3）。

圖3 盾構下穿已運營地鐵車站

在縱斷面設計時，盾構外緣距離車站圍護樁底不小于1 m，并盡量加大隧道埋深，避免切割車站圍護樁，減少盾構施工對地鐵的影響。

下穿既有線，沉降控制是本節點的最大難點，施工前開展地鐵保護方案專項評審，施工中采取周密措施確保將沉降變形控制在允許范圍內，確保地鐵不減速運營[2]。

（6）超大直徑盾構隧道下穿橋梁樁基分析及對策

線位在K2+600處，為了避開3棟地上33層超高層建筑，將下穿高架匝道橋4個橋墩樁基礎。

在盾構掘進至橋下前，新建托換樁基，將上部結構荷載轉變至托換樁基上，在盾構推進過程中可維持原橋面交通[3]。

本工程托換結構采用全預應力混凝土托換承臺的受力體系。在托換承臺兩側各布置直徑1.8 m和1.2 m鉆孔灌注樁（要求樁底注漿），并對現有承臺進行接長、加寬、加厚處理，新托換承臺支承于兩側新建的樁基上，并通過在樁帽上頂升千斤頂來控制既有老橋上部結構的變形，待結構預應力張拉后，鋸除老橋樁基礎，并利用千斤頂控制托換承臺高程，穩定后澆注樁頂混凝土，完成老橋基礎托換，見圖4。

圖4 盾構下穿橋梁樁基

（7）超大直徑盾構隧道長距離掘進對鄰近橋梁樁基影響分析及對策

該處高架橋基礎為樁基+承臺，樁長深入基巖，為端承型樁。盾構從其側邊穿過，對承載力影響不大，但對其水平變形要加以控制[4]。為了減小對樁基的擾動，對注漿壓力與注漿量雙控，使漿液盡快填充空隙，保證盾尾后方整個影響區域的壓力平衡。

圖5 盾構長距離掘進對鄰近橋梁樁基加固

盾構穿越樁基，開始推進和結束推進時，應逐步提高與降低掘進速度，防止千斤頂軸力突變。在推進過程中應適當加快推進速度，盡量保持推進速度的恒定，保證切力與推力的穩定，做到推進速度與推力的雙控。

在盾構推進中對上部橋梁和墩柱監測，并采用經濟合理的工程加固措施：

a.動態調整施工參數，嚴格控制地層損失率、同步注漿和泥土平衡壓力，降低推進速度,延長壁后注漿時間。

b.對墩柱頂變形實時監測,做好在墩頂或臨時支架上設千斤頂將橋梁上部頂起以調整連續箱梁變形的預案。

c.樁基部位預先埋設注漿管，根據監測資料進行跟蹤注漿。

5 結語

本文以城市中心區超大直徑盾構隧道工程為背景，通過對隧道沿線周邊環境進行踏勘梳理，對隧道平縱線形進行優化，并根據地質條件、場地條件等因素進行盾構機選型，最后分析本項目重難點并提出針對性對策措施：

（1）隧道平面線形盡可能避讓橋梁、地鐵、建構筑物，條件特別受限時采用小半徑曲線；隧道縱斷面避讓地鐵出入口、河道、火車站樁基以及地鐵站圍護樁等，并適當加大隧道埋深，使隧道位于較均勻地質中。

（2）盾構機穿越復合地層，軟有粘性土，硬至微風化巖，根據地質條件和場地情況，建議選用復合式土壓平衡盾構機。

（3）隧道側穿超高層建筑，下穿現狀火車站、已運營地鐵車站和橋梁樁基礎，并長范圍近距離側穿高架橋梁樁基，從預先加固、盾構施工、實時監測、事后檢測和應急預案等方面提出了控制措施。