某地铁盾构区间越江施工风险设计与控制

韩　丹

(中铁隧道局集团有限公司，广东 广州 511458)

城市地铁建设是城市基础设施建设的重要内容，是便捷城市生活，扩大城市生活半径的重要交通设施。地铁连接江河两岸多采用盾构隧道形式穿越江河，如上海、广州、南京地铁建设等。地铁盾构的施工工艺与安全程度有别于矿山法，但因穿越江河不定因素多，施工风险依然很大，所以在设计阶段就需高度重视，对地铁穿江风险的研究与控制，也显得较为有意义[1-4]。

1　工程概况

本段区间设计起始里程为SK13+833.128 m～SK15+739.117 m，区间总长度为1 905.989 m(右线),左右线中心间距为12～17 m，其中SK14+105.412 m～SK15+294.372 m(共计1 188.96 m)为江面水低段，隧顶覆土厚度为9～25m。该段区间设置3条联络通道，其中线路最低处的1条泵房兼联络通道，南岸江堤为新修防洪大堤，大堤中设置了钢闸板防渗墙。区间线路出始发站后，以R400 m曲线向东方向偏转，穿越过某斜拉桥后以R800 m曲线转向东南方向，之后为直线段，最后以R-450 m向东偏转至接收站，如图1所示。

2　工程地质与水文地质

2.1　工程地质

本区间隧道主要穿越的地层分为河漫滩区和江底区，漫滩区海拔高度117.42～128.04 m，地形平缓，起伏不大。地层主要由人工填土层、淤泥质粉质粘土、中砂、白垩系嫩江组沉积岩等组成。隧道穿越区间地质主要以中砂为主。江底段地层主要由砂层与粉质粘土构成，隧道主要在砂层中穿越。

图1　区间平面示意图

2.2　水文地质

根据勘探揭示，河漫滩区地下水分为潜水、微承压水和承压水。

潜水含水层由人工填土、淤泥、淤泥质粉质黏土、粉质粉土构成，主要补给液为大气降水。

微承压水含水层由粉砂、中砂构成，相对隔水底板为粉质粘土。该含水层与其上潜水含水层有密切的水力联系，主要补给来源为地下径流以及上层孔隙潜水的越流补给，以地下径流为主要排泄方式。地下水位随季节不同有升降变化，其年变幅较潜水小，约为0.5 m左右。

承压含水层由中砂、粉质粘土层构成，在其上部的相对隔水顶板为粉质粘土，相对隔水底板为强风化粉砂质泥岩。该含水层主要补给来源为地下径流补给，以地下径流为主要排泄方式。地下水位基本不随季节变化。

3　风险源辨识

依据《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》(GB50652-2011)中定级标准来判定，并结合已有工程的实际经验来综合分析确定。按照轨道交通风险发生的概率和损失等级，将地下工程风险等级分为Ⅰ～Ⅳ级，其中Ⅰ级风险最高，Ⅳ级风险最低，同时给出了针对不同等级风险的接受准则及风险控制处置措施。通过LEC评分法，并组织专家会议进行分析，确定I级风险源如表1所示。

表1　区间主要风险源(风险工程)汇总表

4　风险应对设计措施

4.1　盾构下穿江面水域

1)对于富含地下水的砂层，考虑到地下水的含量及水压，以及土的塑性流动及透水性等问题，推荐采用泥水盾构机。

2)河漫滩区域地下水位较高，在过砂层之前对盾构机进行全面检查及维修保养，要求盾构刀盘密封和盾尾密封能抵抗地层的水压并具有一定的安全系数，以确保盾构施工安全。

3)合理确定渣土的松散系数，严格控制出土量，对土体添加聚合物进行改良，做好同步注浆和二次注浆工作。

4)合理选择掘进模式和掘进参数，在进入江中段前，根据实际地质条件选择掘进参数，对泥水平衡模式与间接控制模式进行合理选择，并设置不小于100 m的试验段，收集合理的掘进参数。

5)高度重视监控量测工作，及时根据反馈监测信息，调整盾构施工参数。

4.2　江中联络通道暗挖施工

1)区间设置了3个联络通道，最大施工风险为江中的联络通道施工，该通道采用暗挖法施工，结合周边环境，需要采用冷冻法对开挖范围进行加固，并合理选择冷冻法施工机械，并严格控制施工的精度，保证冷冻效果。

2)联络通道加固区域为顶、底板不小于3 m范围，带泵房的联络通道加固范围为顶板不小于3 m、底板以下不小于2 m。

3)采用盐水冰冻法施工时，严格控制盐水冰冻时的最低温度、养护时间。冻土强度达到设计强度指标后方可进行施工。

4)施工过程中应加强对冰冻土体强度及变形的监测，当冻土强度降低、变形增大时立即停止开挖，分析原因，补强后复工。

5)施工完毕后应采取有效的措施进行封堵，防止出现渗漏水现象。

4.3　穿越南岸江堤

4.3.1江堤变形与稳定性计算分析

1)模型建立情况。 为了分析盾构下穿江堤下桩基时对堤坝的影响，采用有限元分析软件PLAXIS进行计算，本次采用HS计算模型(如图2所示)，主要参数包含江堤钢闸板桩基础、地铁隧道的几何特征、地层分布等，采用的地质参数为地勘报告参数以及部分经验参数。本次模拟计算主要为盾构下穿过程中对周边土体扰动引起堤坝沉降以及对装配式活动钢闸板桩基础的影响[5-9]。

图2　盾构下穿江堤有限元计算模型

2)钢闸板桩基础内力、变形。 根据有限元沉降计算结果可知，区间下穿江堤钢闸板桩基础处的地层沉降最大值为8.48 mm，发生在拱顶。钢闸板桩基础顶冠梁处的地层沉降值为4 mm，小于盾构下穿过程中的钢闸板桩基础允许不均匀沉降值5 mm。

盾构下穿钢闸板桩基础设计控制工况为：盾构下穿钢闸板的基础只承受水平力，仅需要验算钢闸板桩基础的水平承载能力。通过数值计算可得引起的钢闸板桩基础附加弯矩值为18.77 kN·m，远小于正常配筋的800 mm钻孔灌注桩桩身承载力。因此盾构下穿引起的钢闸板桩基础附加弯矩在桩基础承载能力范围内。

区间下穿江堤钢闸板桩基础里程处的桩基础水平变形为1.46 mm，桩基础竖向变形为3.94 mm，小于盾构下穿过程中的钢闸板桩基础允许变形值。

根据上述有限元模拟计算结果可知，在地铁盾构区间正常设计、正常施工的条件下，堤坝及其钢闸板桩基础竖向沉降值小于沉降允许值，能保证桩、梁、柱不被破坏，钢闸板能安装，无需采取专门的加固措施[10-13]。

4.3.2设计措施

1)对该部位隧道周围土体采用φ600@450 mm旋喷桩加固，加固深度为隧道上方3 m，隧道下方1 m。

2)待旋喷桩达到设计强度后，在其中间进行袖阀管注浆。

3)盾构施工过程中，采用同步注浆工艺，确保浆液填充满盾尾管片与加固后土体间的建筑空隙。

4)在盾构到达防渗墙前，降低推进速度，严格控制盾构方向，根据监测到的数据及分析的反馈信息，及时调整盾构推进参数，确保盾构机的平稳穿越。

5)盾构通过后，为防止后期沉降产生空隙，须进行二次注浆，将管片与地层的空隙填满，完全切掉渗流路径。

4.4　施工监控量测

根据盾构区间穿江的各种工况及一级风险源情况，加强盾构机穿江时江面的巡查、对穿越的江堤进行监测、对联络通道施工进行重点监测[14-16]。主要测试的项目有：管片沉降与收敛、地面沉降、江堤(含钢闸板)沉降与倾斜等。根据各项监测情况，对盾构的施工进行动态调整，实现信息化施工，保证施工安全。

1)从盾构始发掘进阶段数据进行分析，砂层的地表沉降变形控制在2.48～-50.22 mm，地面略微抬升，脱出盾尾后，逐渐沉降加剧，随着二次注浆加固的施工，沉降逐渐稳定，砂层中纵向沉降槽长度为10～45 m；

2)管片沉降与姿态控制、压力控制等掘进参数对施工影响较大，尤其数据离散型较大时，但二次注浆的及时性与施工规范性对沉降与收敛有很大抑制作用；

3)江堤(含钢闸板)沉降与倾斜主要受到旋喷桩加固施工的影响，此段施工过程中的沉降为3.1～-4.8 mm，倾斜变化比较大，最大为0.28%。盾构快速穿越，泥水平衡，盾构能够很好地满足变形控制要求，河堤处于安全范围内。

5　结论与总结

1)高度重视越江风险分析，采用多种方式对风险源进行辨识，结合理论建模的计算结果，合理制定越江风险控制措施；

2)盾构穿江时，要根据地质情况，合理进行盾构选型，在穿越砂层时，优选采用泥水盾构；

3)盾构越江时，两侧堤岸的安全直接影响周边环境安全，为此，需要对堤岸的安全进行重点研究，要对堤岸的结构进行分析，并制定合理的控制标准，结合信息化施工手段，加强监测，以保证周边环境安全。

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