粉砂地层盾构机下穿航油管和高速公路施工技术

巩立青

(中铁三局集团天津建设工程有限公司，天津 300350)

0 引言

盾构法由于具有施工速度快、安全、质量好、对周围环境影响小等优点，越来越多地在城市地铁隧道施工中得到应用。 在不同的地质环境中，盾构施工的风险性各有不同，盾构施工参数需要根据不同的环境进行动态调整。 在盾构施工周边环境中，高危建筑、深大河流和地下管线的变形沉降控制变得更加重要。 肖明等[1]用三维数值分析方法探讨了盾构隧道下穿昆明机场飞行跑道引起的沉陷问题，该场地盾构穿越地层为粘土和粉土，埋深12 ～21m。 张云等[2]用经验公式法分析了盾构隧道引起的地表变形分布规律，在概述引起地表变形原因的基础上，将盾尾空隙大小、注浆充填程度、隧道壁面土体受扰动程度及范围等因素概化为—均质、等厚的等代层，以此分析地表变形对等代层参数的敏感性。 张若霖等[3]结合上海电工桥综合交通枢纽工程中，隧道下穿机场跑道引起地表沉降控制的实际需求，探讨了隧道埋深、结构设计、接缝防水、变形控制等关键问题。段剑峰等[4]针对上海轨道交通10 号线盾构穿越虹桥机场跑道问题用数值分析法探讨了软土地层盾构施工过程引起的地表沉降，提出了减少地层扰动影响的措施。 由于地层土壤、隧道埋深、盾构直径等因素的改变会对地表沉降产生很大影响，为更好地控制地表沉降提供丰富的施工案例，本文以天津地铁4 号线民航大学站-新兴村站盾构区间为背景，针对下穿航油管线和高速公路为重点，通过试验段施工、管片施工控制、盾构机参数控制、注浆等工艺，摸索了地层沉降控制经验，实现了盾构机顺利通过航油管和高速公路等建构物。

1 基本信息

1.1 工程概况

民航大学站-新兴村站(简称民-新)盾构左线区间长1783.5m，右线区间长1708.9m。 区间盾构施工线路位置如图1 所示。 民-新区间先后侧穿蓝海苑泵站、民航大学雨污水泵站、民航大学天桥以及下穿航油管、津滨高速公路收费站(图2，图3)、地下管廊、津滨高速公路、热水管及一般市政地下管线等。

1.2 隧道衬砌设计

区间隧道衬砌由外径6.2m、内径5.5m、厚度0.35m，环宽1.5m 和1.2m 的预制钢筋混凝土管片装配而成，管片混凝土强度等级C50、抗渗等级P10。 衬砌接缝防水采用弹性橡胶密封垫。 管片块型包括封顶块F，邻接块L 和标准块B。 为适应圆曲线段、缓和曲线段以及施工纠偏等需要，采用标准环管片，对不同的缓和曲线、圆曲线段均以经计算优选的最佳衬砌布置方案拟合(一般拟合误差≤10mm，局部≤20mm)。 环纵缝均采用M36高强弯螺栓连接，螺栓的机械性能等级为5.8 级。

图1 新兴村站-民航大学站区间平面示意图Fig.1 Plan of Xinxing village station to Civil Aviation University Station

图2 盾构与下穿高速公路平面关系Fig.2 Plane diagram of the relationship between shield and underpass expressway

图3 盾构下穿高速公路横断面关系图Fig.3 Cross section diagram of shield and underpass expressway

1.3 工程地质条件

隧道工程场址位于天津市东丽区，属海河冲洪积平原，地势平坦，第四纪覆盖层平均厚度在100m 以上，属于典型的软土场地。 隧道穿越的土层结构描述如下。

杂填土:松散，层厚2.0m；

粉质粘土:褐色，可塑，稍湿，高压缩性，层厚3.0m；

淤泥质粘土:深褐色，可塑，湿润，高压缩性，层厚2.0m；

砂质粉土:褐黄色，可塑，稍湿，中压缩性，层厚4.0m；

粉砂和粉质粘土:褐黄色，可塑，稍湿，中压缩性，层厚5.0m。

根据地基土的岩性分层、相邻车站现场抽水实验结果，场地可划分为2 个含水层。

(1)潜水含水层

勘察期间测得场地地下潜水水位如下。 初见水位埋深1.2 ～3.0m，相当于标高0.95 ～1.21m。静止水位埋深0.8 ～2.6m，相当于标高1.10 ～1.87m。 本场区潜水水位一般年变幅在0.50～1.00m。

(2)承压含水层

该层为第Ⅱ陆相河床-河漫滩相冲击层，其中砂质粉土层(含粉沙透镜体)透水性好，为承压含水层。 以其下透水性较差的粉质黏土层作为承压含水层隔水底板。 该承压水水头埋深4.00m，相对于大沽标高-1.50m。

本场地环境类型按Ⅱ类考虑，在有干湿交替作用时，本场地承压水对混凝土结构具弱腐蚀性，腐蚀介质为硫酸根离子。 按地层渗透性判别:承压水对混凝土结构具微腐蚀性；在长期浸水条件下，承压水对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性。 本场地承压水对钢结构具有中等腐蚀性。

2 施工过程盾构参数控制

初始下穿航油管段盾构覆土为7.53m，正常固结土层压力为15.0kPa。 参考盾构始发后正常推进参数设置经验[5]，土压力初始设定为6.3(倍)×15.0kPa ＝95kPa ＝0.95bar，推进速度设定为40mm/min。 土量控制为理论值的98%，刀盘转速设定为1.0r/min，同步注浆量控制为4.5m3，注浆压力0.3MPa；初始下穿津滨高速段盾构覆土为11.1m，土压力初始设定为1.09bar，推进速度设定为40mm/min，出土量设定为理论值的98%，刀盘转速设定为1.0r/min，同步注浆量控制为5.0 立方米，注浆压力0.3MPa。

3 关键地段施工过程地表变形监控

3.1 下穿航油管监测情况

下穿航油管段依照图1 所示地铁线路走向图，在线路中线地表投影线上均匀地布设了7 处地表变形监测点。 监测点自穿越前至穿越后一段时间的地表沉降随日期变化如图4 所示。 穿越前，各监测点受刀盘土压影响均有小幅度隆起；穿越之后，衬砌管片脱出盾尾，随着盾尾同步注浆填充，地表出现沉降趋势，但总体沉降不明显；同步注浆浆液凝固后，开始出现较大速率的沉降，此时现场二次注双液浆进行再次填充，随着少量多次注浆后，沉降趋势逐渐平稳，最大沉降值小于10mm。

图4 下穿航油管段地表变形监测结果Fig.4 Surface deformation monitoring results of underpass navigation oil pipe

3.2 下穿高速公路监测情况

下穿高速公路段根据施工前专家论证会通过的专项方案，在线路中线地表投影线上均匀布设5 处地表监测点，采用粘贴反射片及油漆做出明显标示。 根据道路实际情况，对测点间距进行了适当调整，尽量使测点位于分道线或中分带等区域，避免车辆碾压损坏。 各监测点自穿越前至穿越后沉降随日期变化如图5 所示。 开始有4mm 以内的隆升，之后出现10mm以内的沉降。

图5 下穿高速公路段地表变形监测结果Fig.5 Surface deformation monitoring results of underpass expressway

3.3 地表变形监测结果分析

穿越前，各监测点受刀盘土压影响均有小幅度隆起；穿越后，衬砌管片脱出盾尾，盾尾同步注浆强度无法快速上升，围岩出现松弛，地表初现沉降趋势，但总体沉降不明显。 同步注浆浆液凝固后，围岩出现被加固与原状的分层，层间由于重力作用而挤密，地表开始出现较大速率的沉降，此时现场二次注双液浆进行再次填充。 随着长期跟进少量多次注浆后，沉降趋势逐渐趋于平稳。 最大隆升量不大于4mm，最大沉降量不大于10mm。

4 主要施工控制措施

(1)控制盾构姿态，减少对航油管和高速公路的沉降影响。

在盾构机进入影响区之前，尽量将盾构机的姿态调整至最佳，严禁超量纠偏，蛇行摆动[8]。盾构机前后端和设计轴线偏差控制在30mm 以内，避免盾构机频繁或大幅度调整姿态。 在高速公路下纠偏坡度控制在±1‰之内，一次纠偏量不超过4mm，确保盾构机的平稳推进。

在穿越期间加强盾构姿态的测量，勤测勤纠，杜绝过大纠偏，同时关闭超挖刀。 穿越时严格控制盾构正面土压力。

(2)对开挖面土体进行改良，降低对土层的扰动。

开挖面扰动过大，可能会对路基及路面结构造成过大沉降量，或出现裂缝等风险。 为减小对开挖面的土体扰动，对开挖面土体进行改良，在盾构的刀盘正面压注泡沫或膨润土来改善开挖面土体的和易性，从而降低刀盘扭矩，减小地层扰动保证盾构穿越时有均衡的推进速度。

同时改良土仓内的土体，有助于螺旋机顺利出土。 加泡沫或膨润土时严格控制注入量和压力，避免土体在过多的泡沫或膨润土量和较高的压力下形成定向贯通的介质裂缝，造成渗水通道，严重影响到隧道的安全状况和土层稳定性。

(3)减少超、欠挖，防止地面的沉降或隆起。

盾构穿越过程中，由于覆土厚度随着掘进里程不断变化，故而需要及时的调整施工参数，并严格控制各项掘进参数(同时观测各项掘进参数是否有异常变化)。 推进速度控制在30～40mm/min(保持匀速、快速)；土仓压力变化值范围不超过0.2bar；刀盘扭矩不超过2000kN·m；出土量不超过设计值98%，可适量欠挖。

(4)做好二次注浆，确保被扰动地层沉降的长期稳定。

及时跟进二次注浆(一般为盾尾后5 ～8 节管片)，二次注浆采用双液浆，多次少量方式，注浆压力控制在0.3～0.4MPa。 如发现地层含水量加大，每隔5 ～7 节增加环箍注浆以封堵后方地下水。

5 结论

下穿航油管及高速公路的盾构施工实践表明，在富水软弱地层，穿越对沉降变形要求较高的地段时，需要对盾构机的各项控制措施严格把控，精准控制推进各项参数，并及时根据沉降监测结果，进行合理微调，完全可以实现沉降控制目标，降低施工风险。 另外，穿越施工时，灵活合理运用二次注浆，可有效降低软弱地层被扰动后的长期变化。