上海轨交14 号线盾构穿越工程风险分析与控制管理

卢红舟

0 引言

根据上海地区的地质特点，目前上海地铁区间隧道主要采用盾构法施工，其中最常采用土压平衡式盾构机械施工。盾构法作业是在钢壳体保护下完成隧道掘进、出渣、管片拼装等作业，由主机和后配套设备组成的全断面机电一体化推进式设备进行全机械化施工的方法。地铁盾构法隧道施工技术难度大、质量要求高、不可预测的风险多。

1 工程概况

上海轨道交通14 号线是目前路网中继1、2 号线之后的一条A 型车8 节编组大运量的东西向的市区级的轨道交通线路。线路全长38.514 km，均为地下线，共设31 座车站，平均站间距1.273 km。本工程为上海轨道交通14 号线21 标工程盾构区间工程，包括锦绣东路站～金港路站、金港路站～金粤路站、金粤路站～桂桥路站三个盾构区间及五个联络通道土建工程，设计里程为CK34+446.485～CK38+034.486。 区间设计均为双线圆形隧道，隧道内径为5.9 m、外径为6.6 m、管片宽度为1.2 m，分为6 块。

2 盾构区间施工环境风险分析

2.1 盾构穿越建（构）筑物

1）金粤路站～桂桥路站区间盾构下穿许家沟桥，与桥梁基础最小距离约2.9 m，隧道顶端到桥梁底部最小净距离5.3 m，属于浅覆土穿越，盾构推力控制不好容易对桥梁结构造成损害。

（1）沉降引起桥梁底板和侧墙开裂风险。

本段隧道施工，如果盾构推力以及土压力控制不好，容易造成土体隆起，引起桥梁底板和侧墙变形，易造成结构开裂。

（2）引起桥梁不均匀沉降风险。

许家沟桥宽20 m，长42 m，盾构机本体长7.66 m，直径6.76 m，穿越位置位于桥体中间位置，主要沉隆影响范围为轴线左右各15 m，这样会对桥体造成不均匀沉降影响。

（3）浅覆土施工盾构穿越后引起隧道上浮的风险。

区间顶部至桥梁底部净距离为5.3 m，盾构直径为6.76 m，不足1 倍D 的覆土要求属于浅覆土掘进，成型的隧道具有上浮的危险。

2）盾构穿越中环线高架。

锦绣东路站～金港路站区间穿越中环线高架，高架桩基采用钻孔灌注桩，桩长约50 m、桩径φ800 mm，承台与隧道边线水平净距最小约12 m，隧道顶距承台底最小垂直静距约8 m。且承台桩基与隧道上、下行线的位置分别为74～82 环及92～99 环之间。在盾构推进过程中若施工措施不当，容易发生以下风险。

（1）在盾构大刀盘动力作用下，极易破坏土体结构，使土体强度骤然降低，从而降低地基承载力，使得土层沉降变形量增加，导致紧邻的桩基出现沉降、倾斜等风险。

（2）由于盾构距离桩基较近，盾构大刀盘推力、盾构土压力、出土量、同步注浆量、纠偏等均会对桩基产生影响。

2.2 盾构穿越重要地下管线

金港路站～金粤路站盾构区间需穿越原水管线，该原水管分布于申江路西侧锦绣东路道路下，横穿锦绣东路，钢管2 根，直径Φ3 600 mm，管底高程为-8.8 m，盾构区间从原水管下垂直穿越，盾构顶部与原水管底部最小竖向净距约4.22～4.31 m。

原水管道作为城市大型供水基础设施，其重要性不言而喻，因此施工过程中对原水管渠的保护及安全监测显得非常重要。盾构推进挤压土体而产生的超孔隙水压力，可能引起地面局部隆起；盾构通过后的土体应力及孔隙水压力减弱，会引起顺隧道轴线方向产生一定程度的沉降带，由此可诱发隧道上方地面发生局部沉降或差异沉降，造成地下管线变形开裂风险。

3 盾构掘进影响分析

3.1 施工影响范围计算

盾构施工对周边环境的影响范围采用Peck 经验公式和相关修正的Peck 公式，预测隧道施工影响范围和地表沉降分布规律。由于Peck 假定的是不考虑土层降水情况下的地面沉降，因此地层损失的体积就等于沉降槽体积且地层损失均匀分布在隧道长度上。

3.2 地表变形的规律

根据盾构施工特点，地表隆陷变化过程可分为五个阶段。

（1）盾构到达前，若土仓压力较大、出土量较少，则地表隆起；反之，呈沉降状态。

（2）盾构到达时，地表变化速率增大，变形规律同第一阶段，地表隆陷出现最大值。

（3）盾构通过时，地表一般会发生沉降；但如果此阶段及时注浆且充填率大于200%时，地表易隆起。

（4）盾尾通过时，最容易发生地表突沉现象，沉降量可达30 mm；为有效控制突沉甚至上隆，此阶段可及时注浆，随后待浆液固结收缩后会有少量下沉情况。

（5）盾尾通过后，地表沉降速率减缓并趋于稳定。此阶段沉降量主要由土体固结和次固结沉降引起，相对较小且持续时间较长。

3.3 地表沉降因素

隧道穿越引起的地表沉降主要有两方面因素。主要因素是盾构蛇行纠偏引起的土体损失、开挖面土压不平衡引起的土体损失、盾尾与衬砌环之间的空间未能及时充填引起的土体损失；次要因素是注浆材料固结收缩、隧道渗漏水造成土体的排水固结、衬砌环变形和隧道纵向沉降、土体扰动后重新固结[1]。

3.4 确定地表变形的控制标准

根据国、内外盾构施工经验，结合本工程周边实际环境情况，本工程盾构穿越的地表隆陷控制标准如下，单点隆陷范围：土层损失率控制在5‰；单次隆陷≤3 mm，累计沉降±10 mm。

4 技术、风险管控要点

4.1 施工准备阶段

盾构掘进前，全面调查沿线施工影响范围内的地下管线及许家沟桥、中环高架等重要建（构）筑物，详细收集并整理保护对象的名称、位置（里程）、结构类型等相关参数及资料；按设计、规范及权属部门要求，确定单次及最大沉降量、不均匀沉降标准及沉降预警值，全程做好保护对象和土体监测各项准备工作。

4.2 施工穿越阶段

4.2.1 控制盾构正面土压力

土仓中心土压力值要根据埋深及土层情况设定，压力波动偏差范围±0.02 Mpa。盾构穿越时的土压值要结合地表监测结果及模拟段施工时获取的最佳参数来确定，同时要根据地面监测信息及时调整土压力及出土量，最大限度减小土体的位移和扰动。

4.2.2 控制推进速度

千斤顶的推进速度是通过土压传感器的数据来控制，并匹配好刀盘转速、推进速度、出土速度和注浆速度，按照2-3 cm/min 的速度匀速推进；穿越过程按每日6 环左右推进。

4.2.3 控制出土量

在盾构穿越时，将实际出土量控制在理论值的95%以下，以使盾构切口上方土体微量隆起（不超过1 mm），这样后期土体部分沉降量可被抵消，最大限度减少土体沉降量。

4.2.4 控制同步注浆

盾尾通过后，首先采用同步注浆来及时对管片与土体之间的空隙进行充填，需做好以下控制：（1）使用和易性好，泌水性小的可硬性浆液，做好浆液配比设计及优化。（2）同步注浆量须严格把控、一般控制在空隙的150%～200%范围，同时注浆压力按0.3 MPa 左右控制。（3）注浆孔位、浆液用量及注浆压力要结合前一阶段用量及监测数据进行动态跟踪、合理调整，并保证同步注浆的连续、匀速压注，推进未结束不得停止注浆。

4.2.5 控制盾构姿态及纠偏量

同步注浆及二次补浆是控制地面沉降的主要因素，穿越时良好的盾构姿态、均匀的盾尾间隙是盾构顺利推进和穿越的基本保障，否则易发生盾尾处漏浆、引起地面沉降。另外为防止浆液通过盾尾流失，可加大压注盾尾油脂量。对于盾构平面或高程的每环纠偏量控制在10 mm 以内、变坡不超过1‰，否则将会增加建筑空隙及超挖现象，增大对地层的扰动。

4.3 穿越后的措施

4.3.1 二次注浆

同步注浆后，浆液可能会沿土层裂隙渗透，导致仍然存在一定的间隙。浆液收缩变形也会带来一定程度的土体侧向位移和地面变形，土体受扰动后会造成地面沉降。此阶段可在管片脱出盾尾5 环后，根据监测数据采用二次注浆的方法填充管片后空隙。二次注浆根据地层情况选择浆液材料及配比，注浆量及注浆压力结合地面监测情况随时调整。浆液可采用双液浆、配比可为:水泥浆水灰比为0.8∶1（质量比）、水玻璃溶液配比为水玻璃:水 0.6∶1（体积比）、水泥浆液:水玻璃溶液 1∶1（体积比）；注浆压力 0.3 MPa～0.5 MPa。

4.3.2 地面注浆加固

完成穿越后继续对保护对象及周边环境进行监测及24h巡视，一旦发现异常现象、及时采取地面注双液浆的方式加固。具体的浆液配合比、注浆量及压力通过现场试验确定，同时也应加强各方面监测、以便指导注浆。

4.4 监测技术

主要开展的监测项目有地表沉降，建筑物（地下管线）沉降、水平位移、倾斜、裂缝。监测点布置按设计要求及监测规范进行。监测频率，一般情况下掘进面前后＜20 米时1～2 次/天；掘进面前后＜50 米时 1 次/2 天；掘进面前后＞50 米时 1 次/1 周；当盾构穿越重要地段需要加强的地方可以适当加强测试次数及频率，并根据实际变形情况进行适当的调整。变形控制标准要求地表沉降≤30 m、地表隆起≤10 m、建筑物倾斜≤2‰；当隧道施工推进通过一倍洞径时，变位速率≤5 mm/d，并结合相关权属单位的要求。本工程按二等监测精度要求进行。根据同类工程经验，以控制基准的2/3 作为报警值，实际以管理单位提供数据为准。

5 结束语

盾构穿越过程中，由于严格控制了切口土压力以及相关的推进速度、总推力、出土量等参数，尽量减少土压力的波动；及时调整盾构施工参数，严格控制盾构纠偏量，减少盾构的超挖和欠挖、减少盾构施工对土体的扰动和地层损失，在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，使盾构均衡匀速施工，及时进行合理的同步注浆及二次注浆等措施、充填盾构推进留下的空隙，减少了地层损失、从而避免对桩基础、结构、地下管线及周边环境等造成破坏，本工程三个盾构区间隧道均按计划顺利圆满贯通，为今后盾构穿越工程施工积累了一定的经验数据和管控方法。