某地鐵盾構穿越紅砂巖特殊地層風險管控措施研究分析

袁 斌

（蘭州市軌道交通有限公司，甘肅 蘭州 730000）

目前，隨著城市軌道交通施工項目規模和難度的增大、項目數量的增加，盾構施工風險管控措施備受社會各界人士的密切關注，同時盾構施工過程中的風險管控措施直接影響人民群眾的生命、財產安全。因此，盾構穿越特殊地層前需制定科學、合理、全面、可行的風險管控措施是進行風險管理的重中之重。

1 公定區間工程概況

某城市軌道交通2 號線一期工程公交五公司站～定西路站區間左線長733m、右線長828m。隧道埋深10.4～24.5m，線間距14.0～81.7m，地下水位9.6～16.4m，區間最小曲線半徑為350m，區間縱斷面最大縱坡29.5‰，采用盾構法施工。設置聯絡通道兼泵房一處。

盾構隧道穿越地層以強風化粉砂巖及中風化粉砂巖為主，局部為卵石。

水位高程1510.96～1513.91m，粉砂巖透水性較差，但強風化粉砂巖及中風化粉砂巖由于成巖性較差，裂隙較發育，層內存在裂隙水，并與潛水相連通。同時該區間范圍內紅砂巖地層裂隙較發育，盾構掘進過程中正常擾動易使圍巖迅速產生液化、呈流塑狀，易出現螺旋機噴涌及超方現象，嚴重威脅地面人員、建筑安全。

2 風險源辨識

根據本盾構區間施工的特點及周邊地質情況，充分考慮到施工技術難度極其不利條件等，綜合評價和分析，確定本盾構區間的重大危險源，如盾構穿越障礙物、機械傷害、隧道涌水、臨時用電、毗鄰建（構）筑物保護、管線保護、起重吊裝、重大環境污染等。

1）盾構施工風險。勘探揭露，區間地層自上而下依次由第四系全新統人工填土、沖積黃土狀粉土、粉細砂、卵石及下第三系砂巖等構成。根據巖土的時代成因、地層巖性和工程性能，場地地層自上而下可劃分為8 個工程地質層，各層土的巖性特征及埋藏條件詳見表1。

表1 地層巖性及埋藏條件

根據勘察及區域地質資料，含水層主要為卵石層，潛水含水層厚度為2.9～14.7m。區間含水層為2-1-2 層黃土狀土（粉土）、2-5 層粉細砂、2-10 層卵石、4-2-1 層強風化砂巖和4-2-2 中風化砂巖。其中2-10 層卵石厚度大、透水性好、賦水性強，為場地主要含水層；第三系砂巖透水性較小，賦水性弱，可視為相對隔水層。但區間隧道主要在雜填土和強風化巖中穿行，強風化巖砂巖遇水或長期暴露在空氣當中，易風化，進而出現崩塌現象，可能引起盾構掘進困難、隧道涌水涌砂、地表沉陷等風險。特別是盾構接收時土體會受到強大的向外推力，同時盾構端頭有較大的臨空面，施工時處理不到極易發生重大安全事故。

2）周邊環境風險。區間左線在公交五公司站后向東下穿晟佳公司家屬院、金信小區后下穿現況排洪溝，并沿排洪溝東岸平行敷設，下穿省銀廈建筑設備公司后，再次下穿現況排洪溝至溝西側后，到達定西路站；區間右線出公交五公司站后沿排洪南路向東敷設，下穿現況排洪溝后折向北，經過甘南花園西區、七建安裝公司、匯成服裝大廈后，再次下穿現況排洪溝，至定西路站止。通過周邊環境調查發現盾構區間還存在大量舊民房（無基礎、磚混結構、大量沉降裂縫、地面無加固條件）、老舊建筑（整體性差、自身缺陷嚴重)，兩側有多棟多層和小高層建筑物，金信小區、蘭州海蘭天龍商貿有限公司、甘南花園(西區)3 棟住宅樓、省建七公司第一安裝公司6 棟層住宅樓、甘肅建工建設機械制造有限公司6 號樓及大量1-2 層民宅。區間隧道穿越停車場出入線暗挖隧道（拱頂距暗挖隧道最小垂直凈距為2.03m）以及4 次穿越排洪溝（漿砌片石護坡、錯臺開裂嚴重、溝內污水、雜物較多）。

由上表2 可知，沿線路方向存在部分較接近的重要建筑設施及一層自建民房，盾構掘進可能導致上部建筑基礎沉降、結構變形開裂；同時沿排洪南路布設多條市政管線，盾構施工可能造成道路不均勻沉降，進而造成地下管線不均勻沉降，甚至發生斷裂、泄露。

表2 公定區間沿線建（構）筑物梳理表

（續表2）

3 風險管控措施研究分析

盾構掘進施工前，通過周邊環境調查、地質核查、專家評估等對風險源進一步評估，研究確定了棚戶區拆除、緊急避險、優化盾構掘進參數等風險控制措施。

1）管理措施。對建（構）筑物進行現狀調查，對有風險建筑物進行危房鑒定（見表3），并針對建（構）筑物現存裂縫進行公證，為后期施工監控測量提供依據；然后，采用雷達掃描、鉆孔等方法在各風險源處進行地質補勘，與地勘圖紙進行比對，結合以往盾構推進經驗分析地質特性，優化盾構掘進參數；其次，多次組織多領域專家進行咨詢論證，完善了《公定區間盾構風險源穿越安全專項施工方案》，確保了方案的針對性和實操性；最后，與政府溝通協調對大部分棚戶區進行拆除，因特殊原因無法拆除的，采用緊急避險措施。

2）技術措施。盾構施工過程中，結合現場實際情況動態調整盾構掘進參數，嚴格控制推進速度和盾構姿態，正常推進時速度在25～45mm/min 之間，單環掘進時間45～55min 之間，若速度小于20mm/min，應分析原因，避免盲目掘進導致出土量過大致使地面沉降。盾構姿態控制現場以校核自動導向系統的測量數據并復核盾構機的位置、姿態，確保盾構掘進方向的正確。同時通過渣土改良有效控制出渣量，每環理論出渣量＝π×L×D2/4＝π×6.4562×1.2/4＝39.26m3/環，根據某城市地鐵1 號線經驗，紅砂巖松散系數在1.2～1.35 之間，由此可推斷紅砂巖復合地層松散系數在1.25～1.3 之間；估全斷面紅砂巖地層每環出土量=39.26m3/環×1.3=51m3/環盾構推進出渣量控制為51±3m3/環；出渣量是前方地層穩定與否的直觀反映，在泡沫與水注入正常的情況下，每環的出渣量不超過計算高限值，遇到發生容易坍塌的地層，出渣量往往偏大。因此，在掘進過程中的出土量是重點盯控項目。加強同步注漿及二次注漿，保證盾體和地層之間縫隙填充飽滿，有效的控制減少對地層擾動和地層損失。渣土改良：①利用泡沫劑、膨潤土對刀盤前面的掌子面原土進行改良；②在土倉內利用注入膨潤土、水對渣土進行二次改良；③在螺旋機筒壁上設置的泡沫和膨潤土注入口，注入泡沫劑、膨潤土或分散劑對渣土進行再次改良。同步注漿及二次注漿，同步注漿速度應與掘進速度相匹配，按盾構完成一環掘進的時間內完成當環注漿量來確定其平均注漿速度。采用注漿壓力和注漿量雙指標控制標準，即當注漿壓力達到設定值，注漿量達設計值的90%以上時，即可認為達到了質量要求。注漿壓力相當于區間埋深處的地層應力時，對減少地層損失和地表沉降量效果最為顯著，但不能過大，過大會產生“劈裂現象”，即造成注漿層切入地基的情況。考慮到注漿時的壓力損失，為保證達到對環向空隙的有效充填，同時又能確保管片結構不因注漿產生變形和損壞，根據計算和經驗，注漿壓力一般取值為0.2～0.3MPa。

注漿量根據經驗公式：Q=[π(D12-D22)/4]·L·α

D1—理論掘削半徑，為6456mm；

D2—管片外徑，為6200mm；

m—行程長度，1.2m；

α—注入率，根據地質情況和實踐總結，一般取1.5～2；可計算得每環注漿量：1.2m 管片Q=4.58～6.1m3，本工程施工時每環不少于6m3。本工程現場采用“153 法”即每5 環進行二次注漿，第1、5 環采用雙液漿，第3 環采用單液漿。超前地面探孔：盾構掘進方向前50m 范圍內，間隔5m 進行地面探孔，孔深5m，探測地表是否存在空腔、松散體等，以便提前處置可能出現的塌方、超標沉降等有風險事件，同時預埋注漿管。盾構掘進過程中發生監測黃色預警累計4 次，橙色預警2 次，通過地表深孔注漿、洞內二次注漿及徑向環箍注漿，有效控制了地面建（構）物沉降。

盾構掘進完成后，在盾構掘進后采取洞內徑向環箍注漿措施（在管片外部1.5m 范圍內形成環箍），經監測數據顯示，本區間地層累計沉降量控制在5mm 以內。此外，對掘進后區域進行地質雷達掃描，經數據顯示地層中無松散及空洞情況。

3）環境措施。針對區間沿線老舊建構筑物，在盾構下穿前采取地面加固施工，地面加固措施采用地表注漿預加固結合跟蹤注漿；同時盾構隧道與暗挖隧道平行約45m，間距2.75～7.94m，右線下穿停車場出入線暗挖隧道，拱頂距暗挖隧道最小垂直凈距為2.03m。為保證順利下穿暗挖隧道，暗挖隧道需二襯施工完成，砼達到設計強度后進行盾構下穿施工。暗挖與盾構平行段為防止盾構施工中對暗挖區間隧道影響，在兩條隧道之間施作隔離樁51 根（樁深約25m,樁徑0.8m,樁間距1.4m)，同時在暗挖隧道內采用套拱加橫撐及徑向注漿的方式進行了加固處理。盾構掘進過程中經監測數據顯示，地表累計沉降量均在規范及設計圖紙要求范圍內。

4 風險管控效果

目前，通過事前、事中、事后等控制措施，政府協調拆除約9500m2老舊民房，已順利穿越3 次排洪溝，15 處老舊建筑，約4000m2老舊民房，雖發生地層沉降黃色預警4 次，橙色預警2 次，預警發生后立即組織召開預警分析會，分析施工安全風險并研究制定處置措施，通過地表預留注漿孔進行地表深孔注漿、洞內二次注漿及徑向環箍注漿等措施，地層累計沉降量控制在5mm 以內，未產生建（構）物沉降、傾斜、開裂等風險事件。截至目前，雙線已順利通過暗挖隧道下穿段及并行段，并且盾構機順利接收。

5 結論

通過該區間盾構掘進情況及結合工程周邊自身風險因素，盾構在穿越特殊地層及段落的風險管控措施尤為關鍵，施工過程中除盾構機選型要注意配置耐磨度及尺寸合適的刀盤外，同時要嚴格控制推進速度和推進壓力，避免對周圍土體產生擾動、擠壓變形，進而引起地面變形或坍塌、地面噴漿冒砂現象；在穿越卵石、粉砂巖交錯位置時，需調整盾構參數，防止偏心，嚴格控制施工中的偏差量；建議管片背后及時注漿回填，避免產生沉陷；若有過大變形，應及時找出原因，采取有效措施阻止變形的進一步發展，避免出現重大險情。

本區間盾構掘進過程中，雖通過對危房鑒定、裂縫公證、地下松散土體和空洞探測、組織召開專家咨詢論證會等方式方法提前對周邊環境及風險源進行了充分辨識，同時結合地質情況對盾構掘進參數進行了優化，但仍發生黃色預警4 次，橙色預警2 次，現場根據預警分析會確定的方案進行處置，確保了雙線順利貫通。在后續施工中應結合本次掘進經驗，嚴格控制推進速度和盾構姿態，進一步優化掘進參數，減少預警頻率，以便指導施工。