地铁盾构下穿加油站时的沉降控制技术研究与应用

阮珊珊 吴志平

1. 武汉地铁地产联合置业有限公司 湖北 武汉 430000；2. 中国葛洲坝集团基础工程有限公司 湖北 宜昌 443002

1 工程简介

武汉地铁纸坊线盾构区间双线沿文化大道由南往北至新路村站，右线全长2 133.925 m，左线全长2 125.254 m，盾构需下穿中国石油湖北武汉销售分公司文化路加油站油库区域，加油站油库长13.80 m，宽9.80 m，储油罐基础底埋深5.35 m，盾构隧道与油罐罐室基础净距约9.70 m，油罐处隧道覆土厚度约15.05 m。区间隧道左右线间距为13.0～22.3 m，线路平面最小曲线半径为400 m，最小竖曲线半径为3 000 m，隧道最大纵坡为2.5%。

该加油站为二类加油站，站内设有30 m3卧式油罐4个，其中汽油罐3个、柴油罐1个，总储量105 m3，设双油品四枪加油机4台。加油岛的上方设有罩棚，罩棚柱基础采用独立基础，基础尺寸为2.4 m×2.4 m，埋深最大为4.5 m，持力层为粉质黏土，地基承载力特征值90 kPa。油罐室位于罩棚下方，底板为C25混凝土，厚0.5 m，平面尺寸为13.84 m×9.80 m，地板下为厚0.1 m的C15素混凝土垫层，基础持力层为砂石垫层，厚度为1.0 m（地基承载力特征值90 kPa）；罐室侧墙采用MU10灰砂砖、M10水泥砂浆砌筑。油罐为圆柱形钢结构，直径2.4 m，长度为7.1 m，油罐间及油罐与侧墙间净距为0.5 m，罐体周围采用砂分层均匀填实。

2 盾构下穿加油站时的掘进技术研究及应用

为确保盾构下穿文化路加油站的安全顺利通过，综合考虑盾构隧道的埋深、地质情况，结合盾构掘进试验段经验，决定在加油站不停止营业的条件下，采用优化后的掘进参数及智能化监测技术进行盾构下穿，并在施工过程中密切关注地面沉降监测，及时调整盾构掘进参数，减少对加油站的影响，将施工后的沉降量控制在最小范围内。

2.1 不停业条件下盾构下穿加油站施工技术

为减小左、右线2个盾构施工的叠加影响，本次工程先进行右线盾构掘进施工，再进行左线的盾构施工，两者间距相差289环，即434 m，时间间隔64 d，以保证右线土体的注浆加固效果，进而减小2个盾构区间的干扰和影响。

2.1.1 土仓压力

在软土地层掘进时土仓保持半仓快速掘进，为防止出现刀盘扭矩过高、速度慢以及结泥饼现象，顶部土仓压力设定在0.11～0.13 MPa范围内。施工过程中，土仓压力波动控制在－0.02～0.02 MPa范围内，土仓压力控制标准首要调整值为顶部土仓压力。同时根据1#～5#土压传感器读数判定土仓状态。当监控量测数据反馈需调整土仓压力时，以0.01 MPa的梯度逐步调整土压，严禁快速降压或升压，停机过程中，不进行土仓压力降低处理。

2.1.2 刀盘扭矩与转速

盾构下穿施工过程中，刀盘参数主要有刀盘转速，刀盘扭矩2个控制指标。若扭矩波动较大，则将刀盘转速设定为1.1～1.3 r/min，刀盘扭矩恒定且不超过1 800 kN·m。

2.1.3 推进速度

推进速度控制在20～30 mm/min，下穿加油站期间须确保快速均衡通过以降低施工风险。

2.1.4 盾构机姿态

盾构机在软土地层中掘进时，开挖面不稳定，地下水丰富，容易出现管片上浮，盾构机垂直姿态要适当下压。但考虑到盾构机可能出现栽头现象，盾构机垂直姿态向下偏差不宜过大，实际控制在－20～20 mm范围以内，单环调整量＜3 mm，趋势控制在3 mm/m以内，以避免因纠偏而造成超挖。推进油缸行程差控制在60 mm以内，盾构姿态较差需调整姿态时，行程差不得超过单环转弯环楔形量。

2.1.5 渣土改良

1）渣土改良管理应结合地勘资料及实际推进情况综合确定，根据勘查资料，渣土改良主要采用泡沫剂改良，辅助加水。泡沫剂原液比例为2.5%，发泡倍率为20倍，单管注入速率为150 L/min。刀盘中心1#、2#注入口必须保持注入泡沫，3#～5#注入口视情况注入改良剂。

2）盾构推进过程中需要调节泡沫剂注入参数时，应按照注入管路、注入速率、发泡倍率及原液比例的先后优先级进行调整。当渣土改良效果较差时，增加泡沫剂注入管路，或增大泡沫剂注入速率；若出现土仓压力快速升高，但渣土改良效果未明显变好时，在持续增加泡沫剂注入的前提下，可适当降低泡沫剂发泡倍率或提高泡沫剂原液比例。拟定泡沫剂注入管路不低于2路，注入速率不低于100 L/min，发泡倍率为10～20倍，原液比例为2%～5%。

3）每班应检查一次泡沫剂原液的实际消耗量及发泡效果，确定是否与电脑数据匹配。渣土改良出现异常时，应立即检查，必要时进行停机处理。

4）每环应进行不少于3次的渣土分析，要求渣样取自皮带运输机上，并且应量测刚出机的渣样温度。结合相关地勘资料，盾构穿越区段渣土分析主要内容为颗粒级配情况、渣土性状、渣土温度等。颗粒级配情况主要确定渣土中的细粒比例，作为调整渣土改良剂注入参数及控制出土量的依据。渣土性状及渣土温度主要作为判断渣土改良效果的依据。渣土温度原则上控制在不得超过循环水温度＋10 K。盾构推进过程中若发现渣土温度持续升高，应立即调整改良剂注入参数，加大泡沫剂与水的注入速率，同时略微提升掘进速率，避免出现喷涌现象。注入速率的提升及掘进速率的提升以土仓压力变化为控制基准。

5）泡沫注入系统在掘进过程中要保持开启，避免堵管，影响渣土改良效果。刀盘扭矩太小时，可考虑降低泡沫流量，防止滚刀启动扭矩不足产生偏磨。

2.1.6 盾构出土

出渣量的控制采用质量与体积双重控制指标。结合地勘资料，盾构穿越区段洞身范围内地层主要以粉质黏土为主。按照既有施工经验，该类地层的松散系数较大，实际出渣量为55～58 m3/环，电瓶车每环装渣量约为4箱。渣土称重计算时须考虑渣土改良剂的注入量。

盾构掘进前，必须检查每个土箱内的渣土残余方量。盾构掘进中，每推进200 mm应检查一次出渣方量，若出渣量超过控制值则须及时调整排土量。若200 mm行程出渣超量超过3 m3或400 mm行程出渣超量超过5 m3，则应立即停止推进并保持土仓压力，向地面监控室汇报，并通过盾体径向孔注入膨润土泥浆。原始施工记录必须详实记录每箱土的原剩余方量、实际出渣方量及自由水方量3个数值。

2.1.7 同步注浆

下穿加油站过程中，根据前期试验段经验以及现场试验调整同步注浆浆液的配合比，为缩短凝结时间，注浆量设定为6.5～7.0 m3/环，注浆压力0.2～0.3 MPa。若掘进过程中发现出渣量明显低于理论出渣量，下环掘进过程中应加大同步注浆量并及时跟踪注双液浆，注浆参数以压力控制为主。注浆速率与推进速率匹配，推进完成前50 mm完成同步浆液注入。若注浆速率与掘进速率匹配，但注浆压力过低时，则应加大跟踪注浆方量。当渣土中出现明显浆液成分时，应及时减小注浆压力，并同步开启刀盘加水系统，防止刀盘或土仓结泥饼[1-2]。

2.1.8 二次注浆

为保证隧道成型质量，防止管片上浮，需进行常态化的二次注浆，每间隔1环进行1次二次注浆。如发现同步注浆量不足，或管片壁后地质雷达扫描疏松异常情况，通过管片中部的注浆孔进行二次补注浆，从而减少盾构机通过后土体的后期沉降，减轻隧道的防水压力，提高止水效果。

二次注浆单独配备注浆泵，注浆前凿穿管片吊装孔外侧保护层，安装专用注浆接头。注浆材料采用水玻璃＋水泥砂浆双液浆。浆液配比：水泥浆水灰比为1∶1；水玻璃与水按1∶1～1∶2进行稀释。注入时浆液与水玻璃体积比为水泥浆∶水玻璃=3∶1，注浆压力控制在0.2～0.3 MPa，以确保管片背后间隙填充密实。

2.1.9 深孔注浆

在下穿加油站区地段采用每环增设4个注浆孔，下穿段管片完全通过台车后，即对该段隧道管片全环范围内进行深孔注浆，注浆管长度3 m，采用单液浆，水灰比1∶1，注浆压力不超过0.3 MPa。

2.1.10 地表补偿注浆

盾构下穿加油站时，如果在上述方法实施后，沉降仍接近报警值，则需在地表再采取补偿注浆措施。

工地现场配置柴油式100型岩芯钻机4台、砂浆泵2台、双液泵1台及其他配套设备（柴油机、注浆器材）等，在现场待命，听候通知进场。

1）地表沉降报警。根据现场监测数据，确定补偿注浆的加固范围（地表沉降区向外各延伸3.0 m），注浆孔径为76 mm，间距为1.0 m，深度为4.0 m。

2）油库沉降报警。沿储油罐四周注浆，注浆孔径为76 mm，间距为0.5 m，深度为6.0 m。待土体达到加固效果以及监测数据稳定后，盾构才能继续掘进。

2.2 下穿加油站时的监测数据分析

1）监测项目：地表沉降监测、建（构）筑物沉降及倾斜、储油罐沉降监测、管片衬砌变形监测。

2）沉降控制指标：允许沉降控制值≤10.0 mm，报警值≤8.0 mm，预警值≤7.0 mm，沉降最大速率控制值2.0 mm/d。

3）下穿加油站监测点布设：地表沉降监测纵断面测点10个，横断面测点共布设了5个断面；建筑物沉降及倾斜监测点6个；储油罐沉降监测点4个，罩棚柱沉降监测点4个，管片衬砌变形监测共布设3个断面。

4）监测结果：地表沉降监测最大测点累计沉降量－7.65 mm，油罐沉降监测最大测点累计沉降量－3.81 mm，建筑物沉降监测最大测点累计沉降量－3.84 mm，管片衬砌变形监测最大测点累计沉降量－3.58 mm。监测结果表明，盾构下穿加油站施工引起的沉降完全满足规范要求。

2.3 工后措施

2.3.1 地面辅助措施

1）在盾构机通过后，即采用地质雷达对加油站段进行复测，一旦发现异常立即组织地面钻孔注浆。

2）施工过程中加强监测，根据监测情况跟踪注浆；在隧道正常掘进状态，且建（构）筑物沉降＜－10 mm（＋5 mm）期间可不予采用，主要通过沉降监测数据严格控制隧道掘进参数，加强同步注浆及二次注浆实施保护。当建（构）筑物沉降达到报警值时（控制值的80%），迅速围蔽并于建（构）筑物四周进行跟踪注浆以控制沉降。

2.3.2 洞内辅助措施

盾构通过后，在成型隧道纵向布置5条测线（沿圆周均衡布置），并采用地质雷达扫描管片壁后的填充密实情况，对存在松散或有异常的位置进行跟踪注浆。

3 结语

受软土地层的影响，盾构掘进在下穿加油站及建（构）筑物过程中，极易引起地层的不均匀沉降，会影响油罐区基础的承载力及建筑物基础的结构变形、开裂等，进而导致油料渗透及房屋倒塌等重大危险。通过本项目的技术开发和创新研究，总结出一套适用于盾构下穿加油站的沉降控制施工技术成果，提高了盾构下穿加油站的安全系数，为软土地层下穿加油站及建（构）筑物的盾构法施工提供经验借鉴。