富水礫卵石地層中盾構下穿地鐵隧道的施工控制技術

許劍波 蘇長毅 李子碩 劉燦光

中建三局基礎設施建設投資有限公司 湖北 武漢 430073

隨著城市化進程的加速，地下空間得到進一步的開發利用。在地下隧道施工過程中，不可避免地會遇到與既有運營地鐵線路產生相互交叉的情況。在盾構下穿過程中，一旦操作不當，就有可能導致既有地鐵隧道沉降，進而影響地鐵列車行車安全。因此，尋找合理有效的辦法控制地層沉降或隆起，減少盾構掘進過程中對既有地鐵線路的影響十分有必要[1-5]。本文重點研究了盾構下穿過程中采用的施工技術控制要點，分析了下穿過程中的監控量測數據，可為今后的類似工程提供借鑒。

1 工程概況

武漢大東湖核心區污水傳輸系統工程主隧全長17.5 km，包含9個盾構區間，其中2#—1#區間（以下簡稱“深隧”）在羅家港和沙湖港交匯處下穿武漢地鐵4號線鐵羅區間（圖1），交角為80°。2#—1#區間全長2 261 m，隧道底埋深為27.7～33.6 m，采用外徑3.9 m、內徑3.4 m、厚250 mm的C50預制混凝土管片結構。

圖1 區間下穿關系平面

下穿區段位于沙湖港下，水深約2 m，地鐵覆土深度為3.4 m，深隧覆土深度為22.3 m，地鐵隧道外壁距深隧結構外壁垂直距離12.9 m（圖2），下穿前后盾構機在中風化泥質細粉砂巖、強風化泥質細粉砂巖和礫卵石中掘進，其中穿越礫卵石地層長度為1 300 m。

2 深隧下穿地鐵隧道影響分析

在盾構下穿前，對深隧施工影響進行安全評估。通過建立模型數值模擬施工工況進行有限元分析，如圖3所示。計算結果顯示：污水深隧工程隧道掘進施工前后，地鐵4號線鐵羅區間隧道豎向位移變化較小，隧道的軸力、彎矩和剪力無較大變化。評估結論為：深隧規范化的施工對地鐵4號線隧道影響較小，在可控范圍內，不影響地鐵的安全運營。

圖2 區間下穿關系剖面

圖3 數值模擬計算網格

但隧道穿越地層位于透水性強的礫卵石層，施工過程中極易引起地層擾動，同時穿越區地表為港渠水體且存在原地鐵4號線施工的上覆頂板，原設計MJS（全方位高壓噴射）工法樁加固不具備施工條件，只能通過良好的施工控制，確保盾構下穿施工的安全。

3 施工控制要點

盾構下穿分為4個階段：下穿前60 m試驗段、下穿前50 m、正穿22 m、穿越后50 m，如圖4所示。通過分階段采取相應措施，保證地鐵運營安全。盾構下穿地鐵4號線區域前后施工控制要點及安全技術措施如下。

圖4 下穿區域地質縱斷面

3.1 提前更換刀具措施

下穿區段地層中石英含量較高，為提高刀具的耐磨性，減少因偏磨造成的對地層的擾動，將原來高155 mm雙聯滾刀（1#—8#）替換成高140 mm撕裂刀，原高155 mm單刃滾刀（9#—28#）替換成高155 mm單刃鑲齒敷焊滾刀，其他刀具不變。選擇在穿越前盾構機刀盤進入中風化泥質細粉砂巖地層時進行開倉檢查及常壓換刀，如圖5所示。

圖5 刀具更換示意

3.2 洞內更換盾尾刷措施

本區間盾構機在盾構選型設計中設置了4道盾尾刷，考慮在下穿前已連續掘進2.5 km，長距離盾構掘進對盾尾刷有一定的磨損，選擇在地層穩定且含水量少的位置進行第1、2道盾尾刷的更換。

在拼裝完最后一環管片且油缸行程達到1 560 mm后，進行停機保壓。在掘進停止后，在盾尾后方采用雙液漿注止水環，同時在盾體的徑向孔中注入聚氨酯，形成盾體外臨時封閉環。

更換盾尾刷之前，在倒數第3環管片吊裝孔上開孔檢查管片背部漏水情況。若背部水流較大且持續，則繼續進行二次注漿封堵，在保證止水效果后，開始盾尾刷更換。

3.3 盾構糾偏措施

在正式進入試驗段前，提前做好盾構姿態調整復核。進入試驗段之后，確保盾構姿態沿設計線路掘進，避免穿越地鐵期間發生大的糾偏動作，施工中嚴格控制每環糾偏量不大于4 mm（高程、平面），以減少盾構施工對地層的擾動。

3.4 土壓力控制

1）根據水土分算原理計算掘進期間土倉壓力理論值為0.25 MPa，在實際掘進過程中，掘進上部土壓力控制在0.25～0.30 MPa，具體值需根據試驗段掘進情況確定。

2）在試驗段掘進開始時就必須嚴格保持土壓模式掘進，不得欠壓掘進。

3.5 推進速度控制

在穿越影響區的122 m范圍內，盾構機推進速度控制在20～30 mm/min，并根據實際情況及時調整，盾構推進時應力求均勻連續，嚴禁非故障停機。

3.6 出土量控制

試驗段做好每環出渣量統計，嚴格要求龍門吊對每環出渣量進行稱重記錄。在進入下穿段后，嚴禁超挖，每掘進30 cm統計一次出渣量，每環掘進完畢后利用龍門吊進行稱重計量。掘進出土量應控制在理論出土量的97%～100%之間，出渣量異常時立即降低螺旋機出渣速度，迅速查明原因。

3.7 注漿和漿液質量控制

自進入試驗段掘進后，應加強同步注漿，保證足量及時，同步注漿漿液稠度控制在12 cm左右，初凝時間根據掘進和電瓶車運輸工效確定，考慮到區間運輸距離較長，可適當提高初凝時間。漿液注入率根據該段穿越的不同地層和現場實際情況按2.0～2.5考慮，計算理論注漿量為5.38～6.73 m3/環，根據設計資料及以往的施工經驗，注漿壓力暫設定為0.25～0.30 MPa。為確保盾構穿越后地層不發生沉降，在進入試驗段后，在盾構正常掘進、同步注漿的同時，利用同步注漿系統分出一路管路，在脫出盾尾第5環（設備橋附近）進行補漿作業，確保注漿充填密實，如圖6所示。為防范分出管路堵管風險，在隧道內應備一套管路，發生堵管時應及時更換。

圖6 補漿位置示意

完成穿越后，對下穿影響區及時進行二次注漿作業，通過預留的多孔管片進行二次注漿加固地層，注漿漿液采用水泥-水玻璃雙液漿，配比為1∶1，凝固時間控制在30 s，注漿壓力為0.2～0.3 MPa。

二次注漿時必須指派專人負責，對注漿位置、注漿量、壓力值均作詳細記錄，并根據地層變形監測信息及時調整，確保壓漿工序的施工質量。

3.8 渣土改良與噴涌處理

正常掘進時渣土改良應以使用泡沫為主。下穿期間穿越礫卵石地層，地層含水量高且具備承壓性，在盾構掘進噴涌段，首先使用高分子聚合物進行渣土改良，再視改良后掘進出土情況，在螺旋機前部注入膨潤土，提高螺旋機內土的塑性，形成土塞，防止噴涌。后方來水較大時，還需及時施作環箍止水，減小土倉內水的流入。

3.9 保障連續掘進措施

在正式進入試驗段前，應尋找合適的地層停機檢查盾構機的各部件工作情況，尤其是盾構機的密封和保壓裝置（鉸接、盾尾、螺旋機），需由維保工程師檢查并形成記錄報工區領導審批。同時做好同步注漿及二次注漿系統清洗，確保通暢。對單梁、雙梁、拼裝機鏈條等故障多發位置要重點檢查，易損件須進行備件，確保下穿過程中不出現因設備故障而導致的停機。

正式穿越前，應及時將渣土池中的土方全部外運，做好土方外運的保障措施，避免因外運不及時影響盾構掘進。

3.10 試驗段記錄與分析總結

盾構司機在試驗段填寫盾構掘進記錄表時，應重點記錄出土量/渣重、土倉壓力、掘進速度、刀盤扭矩、螺旋機轉速、同步注漿量。試驗段前20環上部存在部分礫卵石層，為礫卵石/強/中風化泥質粉砂巖交接層，可作為正穿22 m區域/穿越后50 m區域各掘進參數的參考依據；后30環為強/中風化泥質粉砂巖交接層，可作為穿越前50 m區域各掘進參數的參考依據。下穿前須完成對試驗區段數據前20環與后30環的掘進分析，得出該地層合理的掘進參數范圍，指導下穿施工。

3.11 建立聯動機制

下穿前與地鐵部門、建設單位及其他相關單位建立聯動機制，配合地鐵部門建立暢通有效的溝通及應急機制，一旦發現異常，及時溝通、協商。同時，按地鐵部門要求設聯絡人員，在盾構下穿地鐵期間邀請地鐵工務段人員現場聯合辦公。

4 自動化監測

地鐵運營期間無人員進洞條件，為隨時掌握施工過程中隧道的動態變化，項目采用自動化信息監測，在地鐵隧道管片及道床上設置監測點進行監測。監測內容包括隧道結構拱頂沉降、隧道結構水平位移、隧道結構凈空收斂、隧道結構道床豎向位移等。

隧道內主要影響區每隔5 m布設1個斷面，次要影響區每隔10 m布設1個斷面，雙線共計28個監測斷面。每個監測斷面設置5個監測點，即道床2個、側壁2個、拱頂1個，如圖7所示。

圖7 自動化監測斷面

本次地鐵監測范圍為施工影響區域內的地鐵4號線鐵羅區間的雙線隧道結構（主要影響區）及兩端各延伸50 m（次要影響區），監測區域約122 m。

地鐵隧道結構水平位移、沉降、凈空收斂（測量機器人自動化監測）采取24 h不間斷監測。

監測工作的全面啟動從盾構進入地鐵影響范圍開始，當下穿地鐵隧道施工結束3個月，地鐵隧道變形無異常，且監測數據趨于穩定（以連續3個月變化速度小于0.6 mm/月視為穩定）后，監測工作即告結束。

深隧在穿越地鐵4號線過程中，各點監測值始終小于控制值，為盾構掘進提供了有利的數據支持，保證了地鐵4號線處于安全可控的狀態，監測數據如表1所示。

表1 自動化監測實測值

5 結語

在下穿既有地鐵線路施工中，合理的施工組織、精細化的盾構參數選擇、實時的監測數據、高效的聯動機制等是保證既有地鐵安全的關鍵。

本工程通過將下穿施工分為4個階段，于各個階段分別采取相應的對策，通過設備維保措施、盾構糾偏措施、掘進參數控制措施、自動化監控措施等，保障了深隧施工和地鐵運營的安全，其相關思路和措施可供類似盾構施工參考。