安通街棚戶區盾構機超淺埋掘進技術

張迎堂 中交二航局第三工程有限公司

1.工程概況

哈爾濱地鐵3號線二期出入段線采用明挖+盾構兩個工藝施工。盾構段采用單洞雙線隧道形式，左線長1702m，右線長1841m，隧道外徑6.0m，最小轉彎半徑300m。兩臺土壓平衡盾構機從明挖段盾構井出發，進入紅星路，棚戶區、信義溝，下穿鐵路橋，轉入安通街接收井。

盾構始發井設置在明挖段端頭DK2+684.929m，盾構機始發后掘進263m，在DK2+410.542m進入棚戶區正下方。盾構機從DK2+410.542至DK1+500下穿紅星村棚戶區，共計長910m。盾構隧道頂覆土為2.3～23m。

紅星村棚戶區房屋為農民自建民居，修建時代為20世紀八九十年代，基礎為條基或無基礎，1～3層不等、房屋整體性差、從外觀查看房屋不同程度均存在裂縫。部分房屋為增加空間，在室內開挖有地下室，在房頂進行了二次接高。房屋的穩定性受到進一步的破壞。

2.工程地質及周邊環境情況

盾構穿越的棚戶區，地勢兩端高中間低，承V字型，地面高程介于138.7～167.7m之間，自然高差較大。線路設計時以中間最低點作為控制高程，在保證線路控制坡度的同時與兩端相接。線路埋深按照6.0m（一倍洞涇）進行控制。根據地勘報告，盾構穿越地層為4-2層可塑～硬塑粉質黏土層和5-1層可塑～硬塑狀粉質黏土層。

5-1粉質黏土：黃褐色～褐黃色、灰褐色，可塑，含鐵錳結核和銹斑、黑色斑點，局部含少量淺白色斑紋，夾少量粉土層，中壓縮性土，層底深度約10.00～37.20m，平均厚度約5.13m。

4-2粉質黏土：褐黃色～黃褐色，可塑，含鐵錳質結核和少量黑色條紋，局部可見少量菌絲，偶見孔隙，局部夾粉土薄層，中壓縮性土，層底深度約2.60～19.00m，平均厚度4.03m。

地下水類型主要有第四系孔隙承壓轉無壓水。孔隙潛水穩定水位埋深為23.10～47.80m（高程范圍110.78～127.38m），位于區間隧道下方，對盾構隧道無影響。

3.盾構掘進方案

通過現場調查和風險評級，棚戶區共有風險源258處，其中一級風險源房屋3處（該處房屋地下室底至盾構隧道頂厚度不足3m），二級風險源174處。在以人為本，人民生命安全為第一位的今天，鑒于如此多的風險，建議將棚戶區拆遷后再進行隧道施工。項目將拆遷后施工的方案和地方政府多次協調未果，最終決定按照設計方案進行盾構掘進。埋深不足一倍洞徑盾構，為淺埋盾構，此項目盾構埋深最小2.3m為超淺埋盾構隧道。為了保證人民的生命安全，盾構掘進至建筑物前40m前對盾構影響范圍內的住戶進行騰遷，待掘進通過、地層穩定后再遷回。

4.技術措施

4.1 盾構機

盾構機采用2臺φ6140 mm 土壓平衡盾構機。盾構機開挖直徑6170mm，刀盤采用開口率50%的輻條式刀盤，最大推力36750kN，扭矩最大7527kN·m，采用主動鉸接系統。

4.2 開展棚戶區環境調查

項目開工前為對棚戶區域進行詳細調查。共排查了棚戶區中256間房屋，其中下穿的有176間，側穿房屋80間。居民生活對該區域地質構造改變極大，特別是線路頂部的覆土層。雜填土層范圍和厚度變化大，私建的地下室開挖深度達3.0m，破壞了地層的連線性，降低了線路的覆土厚度。線路覆土最薄處約為2.3m。居民開挖的排水管井、排水管道、水井零星分布在線路上，距離隧道頂最少的為2.04m。盾構下穿建（構）筑物具體情況如下：

（1）棚戶區：盾構區間連續約1km下穿棚戶區，垂直距離2.32～15m不等。棚戶區多為簡易民房、商鋪，基礎為自然基礎，高度1～3層不等，一級風險源3處、二級風險源174處、三級風險源79處；

表1 盾構掘進參數表

（2）信義溝：盾構區間下穿信義溝，垂直距離約3.5m。覆土厚度淺，雨季水位較高，地質可能存在斷層，為二級風險源；

（3）污水管道：位于盾構區間正上方，垂直距離約2.04m。φ1200mm污水混凝土管道，距離隧道近，由于管道時間久遠，可能存在滲漏，周圍存在水囊，長期浸泡造成周圍土體不穩，施工危險系數高，為三級風險源。

4.3 始發段參數確定

盾構機進入棚戶區前有一段263m的空地，空地表面裸露，地層分部和棚戶區無過大差異。充分利用這段空地，結合信息化施工手段，測試了不同的掘進參數組合產生的地面沉降反應，從而選擇最優的參數組合。

根據穿越地層為可塑-硬塑的粉質黏土層的特點，確定小推力，低扭矩，保壓掘進方案，每天進行渣樣塌落度實驗，時刻監控土倉壓力變化。如表1所示：

盾構掘進在34.5‰大坡度下坡上，為避免由于盾體自重引起盾構下沉，將刀盤軸線提高50mm。

二次注漿在盾構機拖出盾尾5環后，每5環為一個單位，針對大坡度施工實際情況，二次注漿前每5環施做封水環，防止二次注漿漿液流向刀盤位置，已施工區段管片二次注漿不密實。封水環采用水泥水玻璃雙液漿通過管片拼裝孔6個點位環向注入，效果良好。

4.4 堆載反壓

盾構機到達房屋前30m（25環），將住戶人員及影響范圍內房屋住戶人員臨時騰遷，并采用沙袋堆滿地下室（有條件時對房屋周圍2m米范圍內）進行反壓；待盾構機通過1個月后且變形穩定后，進行沙袋卸載。

對棚戶區調查出的19戶埋深不足5m的正穿、側穿所有地下室及部分房屋外側利用沙袋進行了反壓。

對下穿埋深不足5m滲井、菜窖，在盾構推至前30環前，利用粘土回填，待施工完成1個月，地面監控量測穩定后進行清理恢復。

4.5 高頻度監控量測

棚戶區房屋密集，連成片，主體房屋前后多為簡易搭建房屋，對布點影響較大。為確保監測點能有效反應房屋變形情況，測點盡量入戶布置，大部分獨立房屋布點不少于3處。臨街門面房、胡同兩側、沿街、新舊建筑物接縫兩側及伸縮縫等有差異的位置均進行了監測點布設。房屋裂縫監測，采用貼片布點的方式，更便捷、直觀反應出了裂縫變化程度。

地表沉降共計布設199個點位，建筑物監測點共計布設204個點位，裂縫觀測布設150處。

施工監測班組在現場租賃辦公室專人負責，24h值班。加密監測頻次：地表點1次/12h、建筑物1次/4h。

4.6 采用克泥效進行渣土改良

克泥效是由合成鈣基黏土礦物、纖維素衍生劑、膠體穩定劑和分散劑構成。將高濃度的泥水材料與塑強調整劑（即水玻璃）兩種液體分別通過盾構機徑向孔注入到盾體周邊，對盾構機上方土體形成填充進而控制地表沉降。混合后的流動塑性膠化體具有一定強度，不易受水稀釋，且其黏性也不隨時間而變化。

5.盾構掘進效果

通過技術措施保證和現場嚴格執行，盾構機順利穿越棚戶區，施工過程中未發生不可控事件、事故。

地表沉降控制較好，199個點位，沉降超限1個累計沉降值為-37mm。建筑物變形可控，未出現傾斜和倒塌事件。建筑物監測204個點位，變形超限36個（涉及6棟建筑物），變形累計最大值-52mm。

6.結束語

盾構機可以在適當的地層中安全快速的建設隧道，在淺埋深，地表結構物復雜的區域，在地質條件允許的情況下，通過一些極端的措施可以完成隧道的掘進。盾構機巨大的重量，掘進過程中對地層產生的巨大擾動，以及巨大的體積均表明其不太適合在埋深較淺的地層中進行掘進。類似淺埋深，穿越棚戶區的盾構隧道，建議在棚戶區拆遷后進行實施。