地铁盾构隧道穿越高速公路及桥梁变形控制施工技术

龚清华

摘 要： 近年来，我国的交通行业有了很大进展，地铁工程建设越来越多。以某地铁盾构区间隧道下高速路、大桥为工程背景，对盾构隧道穿越风险源的变形控制措施进行了详细论述。盾构设备下穿风险源前，选取100m试验段，通过试验分析，确定了盾构掘进参数，包括刀盘扭矩、盾构推力、土压力、掘进速度、同步注浆量、注浆压力、浆液配合比以及二次注浆的频率等。监测结果表明，该施工技术有效控制了盾构施工对高速路和大桥的影响。工程实践验证了施工方法的有效性，可为类似工程提供一定的借鉴和参考。

关键词： 地铁;盾构隧道;穿越高速公路;穿越桥梁;变形控制

【中图分类号】TU311.4     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.29.056

引言：地铁隧道的施工方法虽然很多，但人们经常采用明挖法，主要是基于施工的经济性和工程的安全性来考虑。该方法多用于施工现场空旷、地下建筑拆除修建而需要将地面挖开的情况。在我国，可以利用计算机对地铁隧道基坑和围护结构进行力学模拟，分析施工对结构的稳定性影响，进而做出准确预测和报告，在实际施工中意义重大。

1 地铁盾构隧道施工的概述

地铁工程在施工过程中，通常采用两种隧道施工方式，一种是矿山法，对隧道进行暗挖施工，另外一种是盾构法，此施工过程中都在地下进行。对于一些大中型城市而言，地铁线路在规划过程中，势必经过商业的繁华区域以及人口的居住密集区域，如果采用矿山法进行施工，会给民众的出行带来极大的不便，而且增加了地铁隧道施工的成本。相较于矿山法，盾构法的核心是采用构造复杂的盾构机来完成隧道作业，实现了地铁大部分施工是地下施工，有效降低了施工对城市的影响，是当前应用最为广泛的施工方式。

2 工程简介

某地铁10号线隧道采用明挖、盾构、矿山法施工。右线里程K29+694.513—K31+807.890为盾构隧道，采用2台盾构机从明挖配线段始发，在里程K30+897位置下穿高速路路基，同时开始侧穿某大桥桥桩，到达区间盾构井接收。区间隧道管片外径6m、厚0.3m，穿越处线间距约15m。穿越区域隧道线路由直线段、缓和曲线段及曲线段构成，缓和曲线段及曲线段转弯半径为600m。

3 同步注浆施工艺原理

盾构法在地铁隧道的施工过程中被广泛使用，其需要盾构机进行辅助实施，盾构机在向前挖掘的时候，会造成拼接成功的管片出现滑落并逐步掉至盾构机尾部，进而在盾构机尾部形成一个环形空隙，环形空隙会造成土体出现临空面，最终发生变形。为了避免出现地面变形，需要借助同步注浆技术来进行缝隙填充，浆液不但会自动固定成型填充到盾构机尾部空隙处，而且能增强地层压力，抑制地层变形。需要注意的是，以下两部分内容会对同步注浆施工技术造成干扰：（1）盾构管片的盾壳掉落之后，管片周围出现空隙，就会造成管片周围的土体不稳，同时伴随着地应力的产生，最终造成土体卸荷现象;（2）在进行同步注浆操作时，浆液会对盾尾周围的泥土产生压迫，造成土体变形移动，促使注浆的扰动。

4 盾构穿越施工风险分析及应对措施

4.1 开挖面失稳

地铁隧道工程的盾构施工作业开展过程中经常会出现开挖面失稳等相关问题，究其根本原因是因为工作人员在实施盾构开挖作业时受到管涌或流砂等客观因素的影响而导致盾构机设备发生突沉的情况，从而导致开挖面失稳。若盾构开挖隧道中若出现一些地层孔洞，也会在一定程度上影响盾构机设备开挖路线，从而引发路线偏移、设备沉陷、隧道塌方等造成开挖面失稳的安全事故。此外，有些情况下盾构机设备会存在开挖过程中突然出现超浅覆土的情况，从而引起盾构设备冒顶，或盾构机设备在开挖时受到隧道内地下水的影响而造成较大范围内的塌方，这也是造成开挖面失稳的重要原因。

4.2 双线盾构施工风险分析

区间为双线平行盾构隧道，双线盾构掘进过程中，盾构的二次扰动加剧了地表及风险源的最终变形，需严格控制左、右线盾构掘进距离。施工过程中，如果对掘进速度和出土量控制不严格，可能造成盾构机停滞不前，隧道上方的砂土源源不断地流入开挖面，出土量大量增加，致使周边地层松散，最后在隧道上方形成空洞，严重时导致地面坍塌。

4.3 坍塌事故

在盾构施工作业进展的过程中，不可避免地会出现局部塌方等安全事故，造成坍塌事故的原因有以下两点：第一，由地下水引起的塌方;第二，盾构机施工所引起的塌方。工作人员可以从上述引起坍塌事故的两方面原因作为出发点，制定有效地施工方案来减少坍塌事故的发生，避免因坍塌事故对施工企业造成不必要的伤亡和损失。

5 主要应对措施

5.1 盾构法隧道施工的機械安全管理

（1）盾构选型。在本工程施工过程中，机械设备的选择尤为关键。相关施工单位必须结合施工现场的实际情况，对可能存在的各种安全风险加以识别，并以此为依据，选择最佳的盾构配置，包括盾构的主轴承等关键部件，以提高施工效率，减少设备的故障频次，降低设备维护费用支出，保障施工的安全。（2）压气作业。盾构设备均配备的压气系统，通过注入无油空气来提高盾构刀盘组件的压力，确保其与施工阶段外侧土层的压力保持一致。该操作过程中，受到施工作业空间以及空气中杂质的影响，存在一定的安全问题。因此在本工程压气作业过程中，首先，应当结合地质环境的变化，来合理进行刀盘的更换，降低压气作业的难度;其次，要求相关操作人员必须具有较高的身体素质，且每天的压气作业时间不超过240min;最后，做好相关的应急措施，配备必要的流动医疗舱，应对潜在的安全风险。（3）盾构刀具更换。在刀具进行更换过程中，首先，需要关注更换作业时所处的地质环境情况，采取必要的加固措施，避免出现岩石脱落、坠物等问题，导致作业人员失稳被滚刀伤害;其次，需要做好必要的安全措施，通过搭设稳定的支架和作业平台，提供充足的照明灯，确保更换作业的顺利进行;最后，为避免刀盘非期望转动导致人员出现伤害，在启动盾构设备之前，必须确认现场是否存在人员逗留或者不应存在的工具设备。

5.2 针对开挖面失稳

为了可以有效地减少盾构机设备施工过程中可能会出现的开挖面失稳的情况，工作人员可以采取以下安全管理措施：第一，对地铁隧道工程所处地区的地势环境进行全面地勘察，采取施工区域内的渣土进行相应的改良试验，从止水性和流动性两个方面对渣土进行优化，通过这种方式来制定合理地开挖计划，尽可能地减少开挖面失稳状况的发生;第二，从控制地铁隧道内土层所承受压力的角度来避免开挖面失稳等情况;第三，工作人员还应在盾构施工过程中控制好盾构设备的推进速度，并结合推进速度合理地排出隧道内多余渣土，尽可能地保证地铁隧道内开挖量和排出渣土量的平衡性，从而有效地降低了开挖面失稳等安全事故发生的概率。

5.3 高速路和某大桥风险控制

①东南侧桥台与隧道之间采取隔离桩措施，对相应桩基础进行保护。②施工前在某大桥部分脱空支座处加入楔形钢块，使其受力均匀，并加强对桥梁支座的巡视。③对高速路和某大桥变形控制指标进行左右线分解，加强对桥梁及地表变形的监测、巡视，结合控制指标，及时调整盾构施工参数。

5.4 支护施工

为保护地下结构和周边环境安全，当施工到达一道支撑的位置时，要根据其与围护桩的距离快速安装，施工过程中要将快凝早强砂浆层置于起接触面，使其更加严密，保证后续施工顺利。继续施工时也要密切观察，严格把关，必须做到支撑稳固后再进行后续施工，必须按照规划进行施工，及时予以加固支撑。

结语：综上所述，盾构下穿高速路和某大桥桥桩为双一级风险源，通过施工前风险源周边环境调查及风险评估，选取100m范围作为盾构施工试验段，确定了盾构掘进参数，包括土压力、掘进速度、同步注浆量、注浆压力、浆液配合比以及二次注浆的频率等，在技术上为盾构安全穿越风险源奠定了基础。双线盾构隧道下穿高速路和某大桥，因区间隧道左线先行施工，盾构施工对地层存在扰动，右线后施工，受群洞效应影响，最大沉降发生在左线隧道拱顶上方。参考类似工程及隧道影响线对变形控制指标进行分解，实现了盾构穿越高速路施工变形控制要求。

参考文献

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