西安地铁盾构隧道联络通道施工风险分析与对策探讨

温克兵，杨晓强

（西安市地下铁道有限责任公司，陕西西安710018）

西安地铁盾构隧道联络通道施工风险分析与对策探讨

温克兵，杨晓强

（西安市地下铁道有限责任公司，陕西西安710018）

文章通过对西安地铁盾构隧道联络通道在高水位地层、砂质地层、饱和软黄土地层以及复杂施工环境下的施工风险阐述，从地质因素、设计因素、施工因素以及其他方面对联络通道施工产生的风险进行了分析，并针对设计阶段和施工阶段联络通道的施工风险提出了相应的控制措施，以期为今后类似工程提供借鉴和参考。

地铁；盾构隧道；联络通道；风险分析

1 西安地区工程地质水文概况

西安市地势总体东南高西北低，从南向北依次为黄土台塬、冲湖积台地、渭河阶地、皂河阶地、浐灞河阶地。西安城市轨道交通线网呈“棋盘+放射式”网状结构布局，预计到2021年将形成7条运营线路，总长243.2 km 的轨道交通网络。线网穿越不同的地貌单元，其底板埋深一般15～30 m，穿越的土层主要为黄土地层，包括全新统黄土状土、上更新统风积黄土、上更新统残积古土壤层、中更新统风积黄土、中更新统残积古土壤，部分为砂、砾、卵石层，局部夹薄层粉质黏土及粉土，部分黄土梁洼区地层含饱和软黄土。

西安地区含水层底板埋深50～80 m，属于第四系孔隙潜水，随着地貌单元的分布，潜水位埋深变化较大，黄土台塬区水位埋深较大，一般大于30 m；渭河、皂河以及浐灞河一级阶地水位埋深较浅，一般埋深5～15 m；其余大部分地区水位埋深在10～20 m。

联络通道施工，尤其是带泵房的联络通道施工是盾构隧道施工的难点之一，在已经建设的1号、2号、3号线盾构区间联络通道施工过程中，因地质条件、施工环境复杂等因素影响，多次发生涌水涌砂、沉降过大等险情，给地铁建设安全生产、经济损失和工期压力都带来一定影响。

2 联络通道设计方案

西安地铁盾构隧道占地铁隧道总量的75% 以上，2条单线区间隧道设联络通道，联络通道设计方案一般为，在盾构施工前对联络通道及泵房施工范围内采用双重管高压旋喷加固方式加固地层，φ800 mm 旋喷桩布置间距600 mm、咬合200 mm，为梅花形，加固范围为开挖范围外3 m（图1、图2）。加固体指标qu28≥0.8 MPa，渗透系数≤10 cm/sec。待隧道修建完成后，拆除联络通道处2环特殊管片，开口处先安装2榀钢架，然后施作洞口环梁，再采用矿山法边开挖边实施临时支护建造联络通道兼泵房。

3 不同条件下联络通道施工风险

3.1 高水位地质条件下联络通道施工风险

1号线北大街站—五路口站区间1号联络通道位于北新街与西五路十字路口下方，与废水泵房合建。该位置地层由上至下主要为素填土、新黄土（饱和）、古土壤、老黄土和粉质黏土，局部含有中砂层及粉土透镜体，地下水位埋深5.2 m。联络通道拱顶埋深16 m，通道底板埋深20.4 m，废水泵房底板埋深22.9 m，位于中砂层。

图1 联络通道兼泵房加固平、剖面图（单位：mm）

图2 加固区旋喷桩平面布置图（单位：mm）

按设计要求，盾构隧道施工前对联络通道范围内土体采用旋喷桩加固，加固深度为地面以下11.5～25.9 m，桩长14.41 m。在联络通道开挖前，为减小破除洞门带来的风险，从右线隧道对通道待开挖范围内及外侧注浆。联络通道施工从隧道左线向右线分上下2个导洞进行开挖，上导洞开挖贯通后，在开挖下导洞第1榀格栅时，过大的地下水压力击穿因开挖变薄的加固体隔水层，而出现涌水、涌砂（图3），现场测定涌水量约350 m3/h，且泥沙含量大。由于水压和涌水量太大，根据承压水的流向及开挖过程揭露地层状况，通过优化WSS 注浆孔位、加大注浆压力、调整浆液配比、历时15天才完成止水工作，并且由于注浆压力过大致使部分管片破损。

图3 联络通道开挖及涌水位置图

为避免因涌砂造成地面沉降，从地面探孔查找因涌水涌砂造成的空洞并浇注混凝土填实。堵水结束后，针对联络通道施工中的问题，根据堵漏现场情况，经论证，在原设计联络通道位置向小里程方向30 m 处重新施作新的联络通道和泵房，并对已经开挖的通道按设计方案回填封堵；新联络通道采取洞内注浆加固，从左、右线隧道同时向联络通道内采用 WSS 深孔注浆；加固完成后，在联络通道及盾构隧道两侧打设降水井，联络通道二次开挖前开始降水，降低周边地下水位，使联络通道结构顺利完成，工期6个月。

3.2 砂质地层条件下联络通道施工风险

2号线行政中心站—凤城五路站区间联络通道与废水泵站联合设计，泵房有效容积为25 m3。联络通道兼泵房位于未央大道上，道路下方的2条隧道中间、联络通道上方有2根φ400 mm 给水管道。联络通道部分位于古土壤层，地下水位埋深约12.90 m，拱顶埋深14.12 m，泵房底板位于中砂层中。

除管道影响区域外，按设计要求对地层进行加固。联络通道部分施工顺利，泵房即将开挖至基础设计标高时，从泵房底部开始涌水，并有少量泥沙流出，施工单位及时进行了反压回填。

针对施工现状，重新对方案进行了论证和调整。在对隧道排水反复核算后减小泵房容积，将底板抬高500 mm；对泵房部分地层进行洞内注浆加固；地面增加降水措施，待水位降至泵房底板以下时，重新进行开挖并将结构施工完毕，工期近4个月。

3.3 饱和软黄土地质条件下联络通道施工风险

3号线咸宁路站—长乐公园站区间设置1座联络通道，地面位置为金花南路主干道，通道上方有 DN400铸铁管、DN1200、DN300混凝土排水管等多条管道。通道拱顶埋深9.7 m，地下水位埋深8 m。通道上部位于饱和软黄土层，下部位于古土壤层。

鉴于地面交通繁忙与地下管线较多，联络通道加固方法由地面高压旋喷加固变更为洞内注浆加固，在进洞门范围内采用 WSS 加固，加固范围为开挖轮廓线外3 m（图4）。加固时，分别从左、右线打孔注浆，注浆孔按照一短一长间隔布置，长孔覆盖整个加固区，短孔对管片上部和下部进行加强。加固完成后对加固范围打设探孔探测，无明水流出。

图4 联络通道开挖及涌水位置图（单位：mm）

联络通道由左线向右线施工，切除洞门管片后进洞开挖第1榀约50 cm 时，拱部出现突然涌泥现象，涌泥量约30 m3，经分析、论证，确认洞口处开挖面与管片背后加固存在盲区所致，通过加大通道开挖加固范围，重新进行注浆加固，有效保证开挖顺利进行，工期近3个月。

3.4 复杂施工环境下联络通道施工风险

1号线汉城路站—开远门站盾构区间1号联络通道与泵房合建，位于大庆路下方，地下埋设φ400 mm 给水管、DN600污水管、天然气等管道以及电力、通信等各种线缆，纵横交错。联络通道位于粉质黏土地层，地下水位埋深9.6～10.3 m。通道拱顶埋深20.4 m，带废水泵房高4.7 m，泵房底板位于粉质黏土层与中粗砂层分界位置。

由于地面管线和交通疏导影响，仅对联络通道中心线以北区域进行了旋喷加固，并增加了3口降水井。为保证施工安全，经多方论证，采取洞内 WSS（无收缩）注浆工艺对联络通道范围内土体进行加固。加固完成后，经开孔探测无明水外流后，采用矿山法进行通道和泵房施工，在泵房开挖至设计标高时，基坑底部出现涌水涌砂现象，经过及时反压回填，二次补充 WSS（无收缩）注浆加固，快速施工泵房才开挖完成，工期近3个月。

4 联络通道施工风险因素分析

4.1 地质条件

地质条件是地下工程施工的基础，也是地下工程施工风险的赋存条件，地下水是造成地下工程施工风险的主要原因。联络通道设计方案要求在施工前进行土体加固，无论采用地面高压旋喷加固还是洞内注浆加固，其主要目的通过改良地质条件，降低渗透系数，提供稳定作业面。但对于不同的地层岩性，由于联络通道埋深、地下水径流、不同注浆工艺等因素的影响，加固效果差别较大。

砂层相对于粉质黏土、黄土等土层，其透水性非常好，如果加固效果不好，在地下水压的作用下，容易出现渗流、管涌，尤其在中砂、细砂和粉细砂地层在水压作用下随地下水快速涌出形成空洞，并逐渐向纵深和地面扩展，在地表反映出沉降过大甚至坍塌；另一方面，即使地层加固效果较好，或者联络通道与泵房位于弱透水层中，随着开挖深度的增加，联络通道开挖面的土压力和水头压力逐渐增大，尤其在开挖泵房时，过大的水压力易造成涌水涌砂险情。

位于联络通道拱部或拱顶上部的饱和软黄土由于其地层没有自稳性，当联络通道开挖破坏其压力平衡、产生泄压通道时，在其自重作用下，从拱顶涌出甚至拱顶坍塌，危及地面交通安全。

4.2 加固方法

联络通道地层加固设计方案大多采用地面高压旋喷加固，从理论上来说，旋喷加固适应于黄土、粉质黏土以及砂类土等地质条件，但实际加固效果并不理想，尤其在砂砾石地层或黏聚力较大的黏土地层、加固深度20 m 以上的地层中，加固效果较差。从施工过程中土体开挖揭露来看，加固体一般呈上粗下细不规则柱状或不连续块状，加固体间未形成有效咬合。另外，由于联络通道位置所处地面交通繁忙，给地面组织施工带来很大的困难，且上部市政管线复杂，迁改协调难度大，即使避开管线进行加固，也难以满足桩体咬合、达到加固止水的目的。对于采用洞内加固的设计方案，由于管片与加固钻孔在洞门附近容易形成加固盲区或加固薄弱点，在联络通道施工尤其是泵房开挖时易出现险情。在高水位地层施工联络通道，仅依靠土体加固进行止水而未采取降水、泄压等辅助措施，施工过程中的涌水、涌砂风险依然较大。

4.3 加固施工质量

联络通道作为隧道的附属工程，其工程造价相对较低，工期较短，无法像车站结构施工那样进行交通疏导和管线迁改，因此从地面进行加固相对比较困难。在进行地面旋喷加固过程中，由于对地层认识程度的不同、施工经验工艺水平的高低，如钻杆提升速度、注浆压力控制以及浆液配比等因素，对加固质量影响较大，尤其对于深度20 m 以上的地层，由于钻杆的倾斜、钻杆在地下的摆动，更是难以保证地层的加固质量。

4.4 其他因素

对联络通道部位地质的了解程度差异也是造成联络通道施工风险的因素之一。对于地下工程，无论设计还是施工，其对地质条件的认识均来自于岩土工程勘察提供的资料，但对于复杂的地质条件下，依靠钻探很难完全准确揭露地层的三维构成和岩性，尤其对于砂层或砂层透镜体，由于勘察阶段的误差，会为后面的设计和施工埋下隐患。对联络通道施工的重视程度也是造成施工风险的因素之一。

5 联络通道施工风险控制措施

5.1 设计阶段的风险控制

（1）选择合适的联络通道位置。在设计阶段，应综合考虑隧道长短、地质条件、地面情况以及地下管线分布等因素，在规范允许的范围内，选择合适的联络通道位置。

（2）针对性的方案设计。每个区间的联络通道所处的环境、地质等各不相同，应根据实际情况做针对性的、合理的加固设计。对于水位较浅的联络通道，应首先考虑降水措施，以满足无水作业要求，或降低水头压力减小施工风险；埋深较浅、地面环境相对简单的联络通道，可以采取地面旋喷加固；埋深较深（≥20 m），特别是存在承压水砂层或透镜体地层、地面环境复杂的联络通道，宜选择洞内 WSS 加固，由于洞内加固容易在洞门附近产生盲区，因此应适当加大加固范围。对于兼做泵房的联络通道，在联络通道开挖完成后，对泵房地层进行二次加固。

5.2 施工阶段的风险控制

（1）地层加固。施工单位在地层加固前应充分掌握加固区域的地质水文情况、地面交通以及地下管线分布情况，制定施工方案，必要时进行专家论证，选择具有丰富经验的施工队伍，严格控制施工质量，在加固完成后要进行必要的检测。

（2）降水施工。在地下水位较高、且具备降水井施工的条件下，联络通道施工应优先采用降水措施，其方案应根据地质水文条件以及施工环境来确定并注意施工顺序；宜在地层加固完成后实施降水井施工，如果在加固前实施，则加固的浆液会堵塞距加固较近的降水井井管，影响降水效果，甚至降水失效。

（3）结构施工。对于兼做泵房的联络通道，为确保施工安全，其结构施工可分2个阶段进行，即先施工通道，在通道二衬完成后，对拟开挖泵房地层进行二次注浆加固，然后再进行泵房土体开挖，施作泵房结构。

6 结束语

尽管联络通道是隧道的附属结构，工程规模较小，但施工过程中产生的风险不容忽视。在不同的施工环境、地质水文条件下产生不同的施工风险，应对其风险因素进行充分的分析研究，进行针对性的设计，严格控制施工过程工艺和参数，以规避或降低联络通道的施工风险。

[1] GB50157-2013地铁设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2013.

[2] 竺维彬，鞠世健. 地铁盾构施工风险源及典型事故的研究[M]. 广东广州：暨南大学出版社，2009.

[3] 刘丹. 西安地铁洞内WSS注浆加固区间联络通道[J].隧道建设，2012，32（增1）.

[4] 白云，肖晓春，胡向东.国内外重大地下工程事故与修复技术[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2012.

[5] 西安市地下铁道有限责任公司. 西安市轨道交通二号线施工图设计文件[G]. 陕西西安：西安市地下铁道有限责任公司，2007.

[6] 西安市地下铁道有限责任公司. 西安市轨道交通一号线施工图设计文件[G]. 陕西西安：西安市地下铁道有限责任公司，2009.

[7] 西安市地下铁道有限责任公司. 西安市轨道交通三号线施工图设计文件[G]. 陕西西安：西安市地下铁道有限责任公司，2011.

责任编辑 朱开明

Construction Risks Analysis and Countermeasures Discussion of Shield Tunnel Connecting Passage in

Xi'an Metro
Wen Kebing, Yang Xiaoqiang

Based on the Xi'an metro shield tunnel connecting passage in high water level strata, sand layer, saturated soft loess stratum and construction risk of complicated construction environment, the paper makes analysis of the risks occurred in the connecting passage construction from the aspects of geological factors, design factors, construction factors and other aspects of the construction risks. For the connecting passage in stage of design and construction, some corresponding control measures are taken, providing references for the similar project in the future.

metro, shield tunnel, connecting tunnel, risk analysis

U231.3

2016-03-15

温克兵（1978—），男，高级工程师