郑州地铁1号线盾构隧道穿越人防隧道施工技术

李培增 杨红军

(1.中铁中原投资发展有限公司，河南郑州 450016;2.中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450003)

郑州市轨道交通1号线(火车站站—中原东路站)区间从火车站至京广北路沿着中原东路下穿过金水河桥到中原东路站。郑州火车站盾构区间隧道端头处下部有人防隧道，人防隧道与区间隧道在设计位置上形成严重干涉，必须在隧道修筑前对人防隧道进行处理。根据对现场情况的踏勘，人防隧道建于20世纪70年代。该人防隧道顶部为混凝土结构，两侧为砖混结构，埋深约20m，内部灌满污水，结构尺寸及其他状况不详，给区间隧道施工带来隐患，需对该处进行处理，才能进行盾构隧道施工，确保隧道后期安全。具体位置见图1。

图1 盾构隧道人防隧道的平面关系

1 人防隧道处理

1.1 人防隧道探测

该人防隧道修建年代久远，且属于废弃的带军事性质的设施，无法找到详细的平面位置和结构图。通过人防隧道通风口发现，人防隧道内全是水，初步计划在合适的位置将人防隧道截断，通过通风口将人防隧道内的水抽干，然后人员进入其中，详细确认隧道的结构形式。截断人防隧道后，用2台100m3/h的水泵抽了一周，水位基本上没有变化，初步判断该人防通道内的水与地下水相通，通过沿线加密地质钻孔取芯探测人防隧道位置和形式，探测到并详细确认了人防隧道的基本空间位置和深度:人防隧道两侧为砖结构，顶板为无筋混凝土结构(2m×2.8m)。位置及结构如图2。

图2 人防与盾构隧道的关系

1.2 人防隧道处理

(1)地面截断开孔

根据现有掌握的人防隧道情况，在合适地段设置人防隧道截断位置，截断位置内用冲击钻在人防隧道顶部位置成3个直径为1.2m孔，孔中心距离1.4m。并用冲击钻将人防隧道顶部破除。待孔打穿后立即下入连接好的φ50注浆管(在盾构隧道方位外用钢花管)。

(2)填料

地面开孔完成、φ50注浆管安装完成后，利用自制料斗向孔内填入级配良好，含泥量较小的碎石、砂，填入高度为人防隧道顶面1m以上，灌碎石时应注意保护注浆管不被破坏。在盾构隧道范围内注浆管采用塑料管。

(3)人防隧道截断处注浆

当碎石填止规定高程后，在碎石处注双液浆，直至形成截断人防隧道的止水帷幕。

(4)抽水

人防隧道两端封堵完成，且达到截断、封闭人防隧道的要求后，在火车站站内人防隧道出口处下入水泵将截断的人防隧道内的水抽干，派专人下去了解人防隧道的内部情况。然后在人防隧道与区间隧道平面位置相交处人工填沙袋，以提高人防隧道的承载力，确保区间隧道的施工安全。

(5)填料

根据现场抽水情况和后期详细勘测情况看，由于人防隧道修建年代久远，且两侧为砖结构，人防隧道内的水已经与地下水连通，人员无法下去。

因此，在截断内的人防隧道部位上方用冲击钻重新开孔，该孔沿人防隧道轴线间隔3m布置，开孔深度为地面至人防隧道底部，开孔完成后用φ250 mm导管从孔口部位填入级配良好的砂石料。

(6)注浆

待人防隧道内砂石料填充完成后，在填充砂石料的孔内，沿人防隧道轴线，在人防隧道位置间隔1m、梅花形布置(人防隧道横向布置2个)，使用KBY-50双液注浆机(必要时可使用大功率的水泥单液注浆机)通过袖阀管(主要利用其可重复多次注浆原理)向人防隧道内压密注浆。先注双液浆，后注单液浆(纯水泥浆)。将人防隧道填充密实，周围土体加固。

1.3 处理效果检查

待回填、注浆完成，盾构机通过前，需要对该人防隧道在现场多方见证下检查其处理效果，检查使用地质钻进行钻孔、取芯、取样，并检查其强度。根据盾构施工需要，人防回填处理后需能打到原状土状态，无侧限抗压强度不小于100 kPa。在人防隧道处理范围内，每个盾构隧道范围内现场随机抽取3个点，钻孔、取芯、送检(第三方有资质的监测机构)，均达到设计要求。

2 盾构隧道掘进

2.1 掘进过程

主要是针对左线8～16环，右线11～17环、21～31环掘进，如图3所示。

图3 盾构穿越人防隧道平面示意

(1)土仓压力选定

土仓压力值应与地层的土压力和静水压力应相平衡，穿越人防段掘进，土仓中部压力应建立在1.5～1.6 bar左右，可使刀盘前方地表略有隆起，隆起量控制在2～3 mm为宜。

(2)碴土改良

穿越人防段掘进主要向刀盘、土仓、螺旋机内添加泡沫剂(泡沫比例2%，掘进一环泡沫原液使用量为30～40 L)和水，对碴土进行改良，将土体尽量的改良呈牙膏状。

(3)出碴量的控制

本盾构区间单环管片设计长度为1.5m，刀盘设计外径为6.28m，每环理论出碴量(实方)为46.4m3，施工过程中可根据碴车的储存量(每节碴车的容量为18m3)及碴土的松散系数综合评估，每环实际出碴量为3～3.5节碴车(60m3左右)，掘进过程中主司机根据推进油缸行程进行分析，1节碴车需掘进400～450 mm。

(4)推进速度、刀盘扭矩及推力控制

穿越人防段掘进速度控制在20～30 mm/min，匀速推进，刀盘扭矩最高峰值不得大于150 bar，总推力小于1000 t;推进过程中根据现场实际情况可做适当调整。

(5)刀盘转速及旋转方向的控制

盾构掘进过程中刀盘转速控制在1.5～1.8转/min，以低档位掘进。

刀盘转速主要以掘进左线介绍:第4～7环掘进时刀盘转向尽可能的选用逆时针(根据主机滚动角度必要时选用顺时针)，以加大掘进方向右侧的土压力;第8～12环掘进刀盘转向尽可能的选用顺时针(根据主机滚动角度必要时选用逆时针)，以加大掘进方向左侧的土压力;第13～17环掘进刀盘转速仍控制在1.8转/min低档位掘进，刀盘旋转方向根据主机滚动角度主司机自行控制;

(6)盾构轴线、地表沉降要求

盾构轴线偏离设计轴线不大于±50 mm，推进过程中根据导向系统测量数据及时调整各组油缸推进力，确保盾构姿态偏差在允许范围内，穿越人防段可将盾构姿态控制在设计轴线以上40～50 mm，地面隆陷控制在+10～-30 mm。

(7)盾构姿态纠偏控制

穿越人防段，线路平面4～9环为直线段，10～17环为右转缓和曲线，线路纵断面为+2‰的上坡逐渐变化至10‰下坡，盾构处于凸曲线上，掘进过程中将盾构主机姿态控制在2‰的上坡，使盾构处于上坡的趋势，防盾构通过人防时出现叩头现象，原则上盾构机每环的纠偏趋势不大于2‰。值班人员应做好管片的选型工作，上下、左右方向油缸行程差控制在40 mm以内，同时还应保证盾尾间隙适中。

(8)同步注浆

第4环掘进开始进行同步注浆作业，同步注浆时压注速度不可过快，如帘布橡胶密封不严时出现大量漏浆，利用第1环吊装孔，压注水泥、水玻璃双液浆进行封堵。

同步注浆压力应控制0.2～0.3 MPa，管片二次注浆压力为0.3～0.5 MPa。注浆量为理论注浆量的1.5～2.0倍，并应通过地面变形观测数据及时调整;初始注浆量设为5～6m3/环，掘进过程中根据地表沉降情况及时调整。

(9)监控量测

盾构穿越人防段期间，加强地表的沉降观测工作，每天观测次数为3次，早中晚各一次，监测小组每天早上7：00、下午16：00和晚上11：00前提交监测成果，根据监测成果指导盾构掘进参数。

2.2 应急预案

(1)盾构穿越人防时叩头

盾构机在通过人防隧道时，由于人防隧道顶部回填不够密实或者承载力不够，盾构机出现叩头现象，预防措施:

①抬高盾构机姿态，将盾构姿态抬高轴线40～50 mm，使盾构主机仰头掘进。

②管片选型时减小上下组油缸的行程差，使管片姿态处于2‰～3‰的上坡趋势，管片底部需有一定的超量。

过程控制:

掘进过程中如盾构土仓压力减小失压，盾构高程姿态下沉，下沉量达到10 mm，应降低刀盘转速至1.0～1.5转/min，同时加大盾构底部油缸组推力，减小顶部油缸组推力。

如下沉量累计达到20 mm，刀盘转速控制在1.0～1.5转/min，将底部油缸推力调至最大，将盾构上半断面部分推进油缸电磁阀拆除，采取减油缸，减推力的方式抬高盾构姿态。

如下沉量累计达到30 mm，刀盘转速控制在1.0～1.3转/min，将底部油缸推力调至最大，将盾构上半断面部分推进油缸电磁阀拆除，采取减油缸，减推力的方式抬高盾构姿态。另外通过安装转弯环管片增加管片底部超前量，如超前量无法跟上，在底部6～10组油缸和管片之间增加型钢垫块，增加管片超前量。另外:将下半部分的铰接油缸伸长，上半部分铰接油缸缩短，便于姿态的调整。

(2)人防顶部混凝土结构卡刀盘

过程控制:掘进过程中刀盘切削到人防顶部混凝土时，如刀盘扭矩突然增大，主司机应立即停止推进，继续旋转刀盘，采用慢磨的方法进行推进，推进速度在20～30 mm之间。

2.3 掘进过程注意事项

为确保盾构施工能够顺利的通过人防隧道，在盾构掘进前后还应注意如下内容:

①穿越人防通道前对盾构、门吊、电瓶车、搅拌站等设备进行一次全面的检修及保养，确保穿越人防隧道期间不发生机械故障，造成停机。

②掘进过程中应向刀盘面板、土仓和螺旋输送机内添加泡沫剂，减小刀盘扭矩及螺旋输送机扭矩。

③每环掘进前先将刀盘正反向各旋转2转，掘进完成停机前刀盘正反向各旋转2转，将刀盘前方碴土切削下来，防止卡机，停机前还应将螺旋输送机反转将螺旋输送机内的部分碴土反转至土仓内，避免下环掘进出现卡机。

④穿越人防前盾构机上的膨润土罐内储备拌制好的膨润土，如人防结构被破坏后人防内的污水涌入土仓出现突泥涌水现象，可向刀盘内添加膨润土，对土体进行改良，确保盾构能正常推进。

⑤管片拼装完毕，主司机应及时将土仓力建立起来。

⑥推进过程中主司机应对盾尾密封刷内及时补充盾尾油脂。

⑦在掘进过程中，技术人员要仔细观察碴土的性状、盾构机掘进状态、各项掘进参数等，出现异常情况时及时通知相关人员后按照既定的应急预案处理。

⑧盾构通过后要继续监测管片，并通过管片壁后注浆，确保盾构隧道后期安全。

3 结束语

人防隧道处理完成后，盾构隧道掘进过程中发生过局部地段盾构机推力减小，出碴量减小，同步注浆量增加，碴土中水量增加等情况，但按照既定的技术方案，左、右线盾构隧道均已顺利通过了人防隧道(左线于2010年2月掘进通过，右线于2010年6月掘进通过)，盾构通过后对该异常段进行了二次补强注浆处理，盾构掘进完成后对盾构隧道穿越人防隧道段地面和盾构隧道内管片等进行长时间的监测，均无异常情况出现。

［1］GB 50446—2008 盾构法隧道施工与验收规范［S］.

［2］竺维彬，鞠世健，等.复合地层中盾构施工技术［M］.北京:中国科学技术出版社，2006

［3］陈世明.地铁盾构隧道沿线障碍桩冲桩破除施工技术［J］.隧道建设，2010(2)

［4］姚先力.南京地铁2号线拔桩施工中套管钻进拔桩法的应用［J］.隧道建设，2010(2)

［5］刘磊，等.郑州地铁1号线火车站站人防隧道处理施工技术方案［Z］.洛阳:中铁隧道股份有限公司，2009