紹興地鐵1號線盾構支線與主線上下平行疊交施工控制研究

邸濱友

（中鐵二十二局集團軌道工程有限公司，北京 100040）

0 引言

紹興地鐵1號線群賢路站～站前大道站區間支線隧道約YK25+354.500～YK25+629.800范圍與鏡水路站～站前大道站區間正線隧道上下平行疊交后依次下穿橫江、現狀魚塘、鯊魚江，最后接入站前大道站，疊交段總長約280米，豎向最小凈距約2.42米。主線在下，埋深約22米，先行施工。支線在上，深約12米，后續施工。隧道穿越的主要地層為淤泥質軟土層，局部下層有黏質粉土層，土層滲透系數及無側限抗壓強度均無法滿足疊交區盾構隧道的變形量要求，而且下部隧道的彈性模量無法完全承載上部隧道盾構施工產生的附加應力，施工風險較大，如不采取土層改良加固措施，會給平行疊交區盾構施工帶來很大的風險[1]。要想保障平行疊交區隧道盾構施工順利地完成，必須對盾構通過該區段的施工技術和控制措施提出相當高的要求。

1 上部隧道盾構推進對下部隧道變形的控制標準

上部支線隧道盾構推進對下部主線隧道引發的附加變形應該在允許值范圍之內，否則會造成管片開裂、管片錯動，導致隧道滲水與管片連接失效的嚴重后果。

1.1 疊交區隧道推進的變形控制標準

表1 隧道推進的變形控制標準

1.2 非疊交區盾構施工沉降控制標準

非疊交區地面觀測點日變量控制值黃色預警為+3/-4mm，橙色預警+4/-6mm，紅色預警+6/-8mm或連續3天超過+3/-4mm；累計控制值黃色預警為+7/-21mm，橙色預警+8.5/-25mm，紅色預警+10/-30mm。

可以看出，疊交區盾構施工控制標準要標準比較高，對下部隧道變形量的控制更加嚴格，給疊交區盾構施工帶來很大難度和挑戰[2]。

2 盾構施工對周圍土層應力狀態的影響分析

盾構機的開挖過程，使周圍地層的應力狀態發生變化：土艙壓力、總推力和推進速度、出土量和刀盤轉速、注漿壓力和注漿量均會對周邊地層產生附加應力，使周圍土體在開挖過程中發生變形。

（1）盾構機在掘進過程中，開挖面前方土體的應力變化：盾構機在隧道掘進過程中，當盾構機千斤頂推力大于地層阻力和設備阻力，盾構機前方土體將受到擠壓，使前方土體處于被動應力狀態。當盾構機在掘進過程中出現盾構支護力不足（例如千斤頂發生故障或盾構機前方土體發生超挖）盾構機前方的土體松動產生卸荷，從而使前方土體處于主動應力的狀態中。

（2）盾構機在掘進過程中，開挖面上方土體的應力變化：盾構機的刀盤對前方土體進行切削，由于盾構機的刀盤外徑＞管片外徑，所以在盾構掘進過程中開挖面和管片之間會形成一定的建筑間隙。盾構通過后，原來受盾構機外殼支承的土體脫出盾尾，建筑空隙會被周圍土壤迅速填充，產生較大的向隧道內的變形，從而引起盾構隧道上方土體的松動、塌落，導致地表下沉[3]。

（3）盾構機掘進過程中，開挖面下方土體的應力變化：一方面，盾構機掘進的過程中，開挖面的土體不斷卸荷，盾構下方土體可能在上方土體的不斷卸荷的作用下出現微量隆起變形；另一方面，盾構下方土體在襯砌結構及盾構機的自身重力的壓載作用下產生下沉。

3 疊交區上部盾構施工對下部隧道的影響分析

紹興地鐵1號線盾構支線與主線上下疊交施工，豎向最小凈距僅為2.42 米，原有地層的滲透系數高和無側限抗壓強度低，上部支線盾構施工時，由于開挖面的應力釋放，導致這部分土體的應力重分布，會產生較大的縱向撓曲變形和剪力作用，對下部主線隧道產生較大的附加應力，又因盾構管片結構的抗壓強度與抗拉強度差別很大，受拉管片容易產生開裂，也容易損害管片之間的螺栓連接，造成結構破壞。縱向剪切作用會使結構變形縫與管片連接處產生應力集中，從而可能造成管片錯動，可能導致隧道滲水與管片連接失效。支線與主線隧道側向的位置關系，也會使主線隧道發生水平位移。另一方面，下部隧道盾構施工會使上部土體會發生位移和沉降，上部土體應力狀態會發生改變，上部土體應力分布不均，會使得上部支線盾構掘進中不確定因素增多。為保證盾構疊交區施工的安全，應采取更加有效的地層加固措施減少地層變形及沉降，如不采取地層加固措施，疊交區上下層隧道盾構勢必無法保證施工的安全。

4 疊交區盾構施工采取的主動保護措施

（1）地層加固的技術措施。為保證疊交區上部支線及下部主線的盾構施工安全，應對立交段地層預先進行加固處理，并將加固區域分為強加固區和弱加固區，在大幅降低滲透系數、提高無側限抗壓強度的同時，節省成本。可采用水泥攪拌樁對地層進行加固，具體要求如下：用水泥為固化劑，采用三軸攪拌樁機，將固化劑和淤泥質軟土層進行拌和，通過水化反應使盾構穿越的地層結成具有整體性、穩定性和具有一定強度的樁體。開挖區域周邊弱加固區水泥摻量宜為7%，水泥土加固體28天齡期無側限抗壓強度不小于0.5 MPa；開挖區域強加固區土體加固區水泥摻量宜為20%。采用P42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比宜為1.2至1.5，水泥土加固體28天齡期無側限抗壓強度不小于1MPa。

（2）盾構掘進過程中，加密設置地表監測點。主線在下，先行施工，支線在上，后續施工，上部支線隧道盾構施工時，應對下部主線隧道進行實時監測，通過測量數據的反饋，確保及時調整盾構施工的掘進參數，控制隧道變形[4]。

（3）對下部主線隧道設置預應力鋼支撐，控制隧道變形。采用水泥土加固之后，疊交區上部支線盾構施工中，對下部主線隧道影響將會減輕，但是為了保證下部隧道在土體壓力下不發生變形，還在應力影響較大的主線隧道設置預應力鋼支撐，控制隧道變形，在應力影響較小的主線隧道管片每環之間安裝縱向拉緊聯系裝置，增加隧道整體抗變形能力。

5 盾構掘進中采取的控制措施

（1）盾構掘進時，需加強對盾構與襯砌間的環行空隙同步注漿的管理，減少盾尾通過后隧道外周圍形成的建筑空隙，減少隧道周圍土體的水平位移及因此而產生的對樁基的負摩阻力。同步注漿量應根據監測數據動態調整，要求填充率≥200%，管片采用可全斷面注漿的定制管片，確保管片圍巖間隙及時充填密實。

（2）在盾構掘進過程中，降低推進速度，增加刀盤轉速，減小盾構推進過程中對土體的剪切擠壓作用；同時嚴格控制盾構推進姿態，嚴格控制盾構方向和一次糾偏量≤2mm，以避免對土體的超挖和擾動。

（3）嚴格控制出渣量：盾構掘進時，應嚴格控制加氣保壓，使土倉內的壓力值保持恒定，以確保開挖面的穩定；并嚴格控制出土量，避免碴土的少出或多出，施工人員應根據以往施工經驗及現有地層特點嚴格控制出渣量，避免超挖或欠挖，導致前方土體產生擠壓或塌陷[5]。

（4）控制均勻掘進速度：在進行平行疊交區盾構時，要嚴格控制盾構掘進速度，勻速通過，避免出現速度的較大波動，將對地層的擾動降至最小，因此盾構掘進時速度應保持在35mm～45mm/min為宜。眾所周知，在隧道盾構開挖過程中，洞身圍巖塑性區的發展是具有一定滯后性的。換言之，在圍巖塑性區得到完全發展之前迅速通過后，隨即向尚未被軟土變形所填充的管片背后的建筑空隙中充分注漿，如此一來可有效控制隧道上方覆土沉降。然而要引起重視的是快速的通過并不是指單純地加大盾構推力，加快掘進速度，而是指通過快速地完成管片拼裝的方式來減少盾構機停留的時間。

（5）土體改良：為了使盾構機前方土壓計反映的土壓更加準確，改善渣土的流塑性和減少刀盤扭矩，確保螺旋機出土順暢，利用刀盤上的加泥孔，向前方土體加入膨潤土和泡沫劑，并根據掘進情況及時調整加入量，泡沫注入量宜為60L/環，或膨潤土注入量為出土量的30%為宜。

6 采取地層加固措施前后，施工沉降最終觀測數值對比

為了驗證采取地層加固措施及盾構掘進控制措施的效果，采用普通盾構區間及采取加固措施后的疊交區的地面沉降觀測數據進行對比，對比數據見下表。

表2 采取地層加固措施前后，施工沉降最終觀測數值對比表

7 結語

紹興地鐵1號線平行疊交區盾構工程在淤泥質軟土層中進行上下平行疊交盾構施工，并依次下穿橫江、現狀魚塘、鯊魚江，施工難度極大，通過對平行疊交區淤泥質軟土地層進行水泥攪拌樁進行加固的方法，同時加強盾構掘進中的控制措施，解決了采用盾構的方法在淤泥質軟土地層中進行上下平行疊交施工的問題。對以后在類似地層，地鐵盾構工程穿越既有隧道施工或上下兩層盾構隧道疊交施工有借鑒意義。