复杂工况下盾构穿越的关键施工技术

樊应芳（上海市建设工程监理咨询有限公司， 上海 200080）

0 引 言

上海轨道交通 2 号线西延伸工程从原 2 号线终点淞虹路站开始，到青浦区徐泾东站结束，线路长 10.86 km；先后穿越了原 2 号线北翟路车辆段出入场线、外环 A20 高速路、仙霞路隧道、虹桥机场跑道、滑行道、停机坪及 2 号航站楼、沪昆铁路等重要建构筑物，另外还穿越了电信通讯塔及小涞港河、厂房和住宅等。

本工程穿越施工类型多，工况复杂，施工难度非常大。本文以盾构穿越原 2 号线车辆段出入场线等工程施工实践为例，简单介绍复杂工况条件下盾构穿越施工技术。上海轨道交通 2 号线西延伸工程线路示意图如图1 所示。

图1 线路示意图

1 工程概况

上海轨道交通 2 号线西延伸工程在施工部署、资源配置、施工管理、计划安排等环节均做到了最优化，从开工到全线通车总工期仅 23 个月，创造了轨道交通建设史上的奇迹。

1.1 工程地质情况

本地区为软土地层，地层成因依次为人工填土，冰海～河口、冰海～浅海的淤泥质土，冰海～沼泽的黏土和粉砂。地下水位高，有承压水威胁。穿越段工程地层特征，如表1 所示。

表1 地层特征表

1.2 穿越工程工况

上海轨道交通 2 号线西延伸穿越原 2 线车辆段出入场线工程采用土压平衡盾构法施工，穿越段主要位于 ⑤ 层灰色黏土和灰色粉砂层。施工实践显示，穿越段附近上部有暗浜，下部有承压水威胁，地下水较丰富。

拟建隧道下行线 2 次从原 2 号线车辆段出入场线隧道正下方穿越，两隧道平面呈 171.22° 斜交。第 1 次穿越在斜坡段，第 2 次穿越在竖曲线段。2 次穿越隧道结构最小垂直距离分别为 3.851 m 和 3.417 m。穿越段长度共 158.65 m。其中，竖曲线斜坡段（27.489‰ 下坡）长 35.366 m，曲线段长 123.284 m。穿越段、模拟段加影响区隧道总长约220 m，穿越周期长。穿越段附近管线较多，有电力电缆、信息电缆、煤气管道、污水管道等，埋深约 0.5 m～3.0 m。

被穿越隧道为运营地铁 2 号线车辆段出入场线，保护等级为一级。根据 DG/TJ08—2041—2008《地铁隧道工程盾构施工技术规范》的要求，穿越施工引起的地铁隧道变形最大不超过 5 mm，且不能影响地铁正常运营。

1.3 穿越工程特点

根据以上工况分析，穿越工程有以下特点。

（1）穿越段上部有暗浜，地下水丰富，且下部有承压水，地质条件差。

（2）穿越段上部有隧道、管线及建构筑物，被穿越隧道正常运营，环境条件差。

（3）穿越隧道与被穿越隧道之间最小间距仅 3.417 m，穿越影响长度近 220 m，穿越施工周期长。

（4）被穿越隧道地铁正常运营，不具备加固条件，且与穿越工程间距小、长度大，两者近于平行，环境控制与施工难度均非常大。

（5）工程工期控制要求高，不允许施工有任何闪失，对施工技术和管理均提出挑战。

穿越工程平、剖面布置如图2 所示。

图2 穿越工程平、剖面布置图

2 穿越施工主要管理措施

2.1 成立穿越施工领导小组

鉴于本工程施工难度大，工期紧，为了使工程顺利进行，项目部成立了由工程建设单位、承包单位、监测单位、盾构机供应商和项目监理单位组成的领导和工作小组。工作小组每天 24 h 有人值班，每天一碰头，每周一汇总，遇到问题及时汇报，及时解决。

2.2 建立数学模型，事先模拟工况

根据穿越工程斜交 171.22°、穿越段长 158.65 m、最小垂直距离 3.417 m、被穿越隧道上部覆土厚度约 9.6 m等工况，在工程实施前先进行了模拟分析。结合被穿越土体参数和有关工况，建立了有限元数学模型进行分析。分析结果显示，当盾构推进时，穿越土层将产生一定地应力损失，对被穿越隧道的影响范围约200m，最大沉降约4.5 mm，满足运营地铁隧道一级保护等级要求。

2.3 编制专项方案，组织专家论证

隧道穿越施工属于危险性较大工程，必须编制专项施工方案。项目承包单位在模拟分析、充分调研和反复论证的基础上编制了穿越施工专项施工方案。方案经过承包单位技术负责人批准、监理审核后组织专家论证，论证通过后组织实施。

2.4 模拟施工

盾构掘进施工前 100 环一般要进行模拟掘进施工，目的是收集盾构掘进相关参数。由于本次穿越施工难度相当大，除盾构始发后 100 环进行模拟施工外，在穿越施工前还进行了一次模拟穿越施工。根据模拟计算结果，本次穿越施工设置了穿越前 30 m（312 环～337 环）模拟段，穿越后 30 m（470 环～494 环）控制段，以确保盾构掘进施工不影响上面运营地铁隧道。

2.5 信息化施工

信息化是盾构穿越隧道施工的眼睛，是确保周边环境和运营隧道安全的保障。在工程实施前，首先在隧道推进线路地面、建构筑物及运营隧道内布置监测初始点，并测量初始值。平行于隧道轴线的地面监测每5环设置1点，垂直于隧道轴线的地面监测每 50 环设置 1 组，每组 9 点，距离隧道轴线分别为 2 m、3 m、6 m 和 9 m。在穿越实施过程中，周边环境定期测量，运营地铁隧道内采用美国SLOPE INDICATOR 公司的电水平尺和 CR10 自动数据采集器，进行 24 h 不间断动态监测。监测数据第一时间反馈给盾构掘进控制台，以随时调整盾构掘进及注浆参数。另外，隧道掘进时及时测量盾构姿态，及时小幅度纠偏，以减少周围土体扰动，降低对运营隧道的影响。

2.6 保驾护航

盾构出洞前经过了严格验收，特别是盾尾油脂加注质量等关键部位。在盾构穿越前对盾构机及后配套设备、电瓶车、行车吊、压浆设备等主要设备进行检查保养，确保无故障。在盾构穿越掘进过程中，配置有经验的维修人员保驾护航。同时，建立设备供应单位 24 h 联系渠道，以便及时供应故障零件。

2.7 应急反应

应急预案在专项方案论证时一同由专家进行了论证。项目监理部根据预案要求检查现场应急物资及相关应急措施到位情况。除穿越领导小组正常工作外，施工单位还成立了由施工项目部上级单位领导任组长的应急领导小组，一旦有应急情况发生，立即启动应急预案。

3 穿越施工主要技术措施

3.1 土压力设置

盾构推进时，盾构刀盘上方土体失衡后会产生地面沉降和隆起两种情况，所以合理控制土仓压力可有效减少地层损失。根据土压平衡盾构理论，土仓压力必须与开挖面水土压力平衡。盾构推进正面水土压力的理论值可采用以下经验公式计算[1-4]：

式中：Pw、Pc分别是水、土压力，单位为 kN/m2；w、²c分别是水、土容重，单位为 kN/m3；H是开挖面中心处深度，单位为 m；q是地面超载，单位为 kN/m2；K＝1－Sinφ'，其中，K是土的静止侧压力系数、φ' ²是土的有效内摩擦角。

实际压力要考虑土体扰动、盾构推进速度、超载状况等取一定的调整系数，一般黏性土取 1.05～1.12，砂性土取 1.13～1.15。由于盾构穿越处土体已经被置换，穿越处的水土压力应小于以上计算的理论值。盾构实际穿越时，穿越前后的压力应该大于穿越时的压力值。

根据计算结果，本工程在模拟段（312 环～337环）和穿越后控制段（470 环～494 环）土压力设置为 0.20 MPa，在穿越区（338 环～469 环）土压力设置为0.16 MPa。实际穿越过程中，根据监测数据实时调整，土压力波动值控制在 ±0.01 MPa 范围内。

3.2 推进速度设置

合理控制盾构推进速度，可有效减少盾构掘进对土体的扰动，减少地面变形。根据类似工程实践和模拟段实践经验，本工程在穿越段盾构掘进速度控制在 0.5 cm/min～1.0 cm/min 之间，每掘进 0.5 m 暂停 20 min，以释放应力。推进速度可以通过盾构机液压系统增设节流阀、控制千斤顶进油量等方式进行控制，同时增设冷却系统防止油温过高。

3.3 出土量设置

出土量与土层损失紧密联系，和土仓压力、推进速度也紧密相关。盾构推进每环出土率理论值在 95% 左右，根据类似工程和模拟段推进实践，本次穿越施工理论出土量为 37.8 m3/环，按照 95% 出土率计算，每环实际出土量为35.9 m3/环，而实际出土量根据监测结果及盾构参数微调略有不同。

3.4 管片拼装

管片下井前要做好验收，特别注意止水带粘贴，有破损和纵向裂缝的不允许下井[5]。盾构推进时，操作人员要注意技巧。推进后不要立即回缩千斤顶进行管片拼装，须等待 2 min～3 min，待周围土体和盾构机固结在一起后再实施千斤顶回缩。回缩千斤顶距离要尽量少，满足管片拼装即可。拼装前要清除盾尾积水、泥浆。拼装时杜绝野蛮挤压，以免管片破碎。盾构司机要密切注意压力变化，必要时可通过反转螺旋机维持盾构机前方土体平衡。整环拼装后及时检查椭圆度，并拧紧螺栓。

3.5 盾构姿态控制

盾构穿越施工姿态控制非常重要，在穿越过程中要小幅度均匀纠偏，同时，及时测量掘进轴线。盾构机司机根据监测数据和测量结果，调整推进油缸，以控制盾构掘进姿态。当发现盾构掘进隧道轴线发生偏差时，应按照预定方案逐步纠偏，使盾构掘进重新回到设计轴线上去。本工程在盾构穿越过程中的姿态控制比较到位，姿态变化曲线比较缓和，且变化范围均在允许范围内。

3.6 注浆设置

由于盾构机外壳直径大于管片外径，盾尾拖出后管片与土体间会有空隙。如不及时注浆，沉降将难以控制，必须进行同步注浆。另外，管片脱离盾尾后为了控制沉降和变形还需进行二次注浆。为了有效控制地表和隧道沉降，本工程在穿越段（310 环～475 环）采用增加了注浆孔的特殊环。每环管片增加 10 个注浆孔，除封顶快外，每块管片增加 2 个孔。

3.6.1 同步注浆

同步注浆量理论值可按下式计算：

式中：D、d 分别是盾构和管片外径，单位为 m；lG是每环管片长度，单位为 m。

由于注浆不仅填充管片拼装后的空隙，还要渗透到周边土体中，所以实际注浆量应大于理论注浆量，调整系数一般为 1.3～1.8。根据类似工程实践经验，本次穿越在模拟区调整系数设置为 1.4，在穿越段注浆调整系数增加到1.7。实际注浆量将根据监测数据实时调整。

同步注浆采用水泥、粉煤灰、膨润土、黄沙加水配置，配比为 1∶3.33∶0.83∶6.92∶6。注浆时应控制压力，保证浆液渗透入管片周围土体内，只是填充，不是劈裂。根据类似工程和模拟段施工实践，注浆压力设置为静止土压力 1.1 倍～1.2 倍，控制在 0.17 MPa～0.24 MPa内。实际注浆压力根据监测数据和盾构掘进参数实时调整。盾构出洞前使用高质量油脂进行盾尾填充，并检查盾构机盾尾的油脂密封性，确保浆液不泄露。

3.6.2 二次注浆

根据类似工程实践经验，在管片脱离盾尾 8 环～10 环后，结合监测结果及时进行了二次注浆。二次注浆可采用1∶1 的水泥单液浆或 1∶1 的水泥浆和水玻璃浆（水∶水玻璃＝3∶1）的双液浆。本工程采用单液浆，注浆量控制在 0.5 m3/环左右，注浆压力控制在 0.2 MPa 以内。

为减少浆液渗漏，降低注浆压力，防止因注浆造成管片抬升过大。注浆时采用隔环跳孔施工，单环每次施工1～2 个孔，每 2 环间隔 3 环。每次注浆结束后均需清洗压浆管道和相关设备，确保不堵塞。一旦注浆设备发生故障，应立即组织排除，并通知停止盾构推进。

4 结 语

本工程穿越施工类型多，除了穿越原 2 号线车辆段出入场线工况比较复杂外，穿越虹桥机场 2 号航站楼、沪昆铁路等工况也较复杂。另外，外环高速路、仙霞路隧道、虹桥机场跑道、滑行道、停机坪及电信通讯塔、河流、厂房和住宅等穿越施工也各具特点，不同的工况采取的措施不同。穿越原 2 号线车辆段出入场线的实践说明，在对既有隧道不采取加固等措施，仅靠控制施工参数和注浆等管理也能取得成功。

笔者认为，在特殊工况下，盾构穿越施工应做好以下几点工作。

（1）做好策划。无论是运营隧道，还是建构筑物，穿越施工前均必须做好调查研究，摸清被穿越体的工况，评估穿越施工对其的影响，制定具体保护和穿越措施。

（2）做好模拟。针对穿越体在穿越前做好模拟施工，收集穿越施工的具体参数，以便能顺利穿越。对于像穿越原2号线车辆段出入场线这样穿越周期长、没有事先保护措施的特殊工况，应建立数学模型进行模拟分析。

（3）做好保驾护航。在穿越前一定确保穿越设备可靠。在掘进过程中，一定要做好保养，确保设备不带病作业。

（4）做好过程控制。根据模拟施工参数及类似工程经验，在掘进过程中做好压力、速度、注浆、拼装等管理，根据监测数据做好盾构姿态控制。

（5）做好信息化施工。信息化施工是穿越成功的保证，在穿越施工过程中一定要做好信息化施工。对于像穿越原2号线车辆段出入场线这样的特殊工况，一定要使用电水平尺等自动监测设备 24 h 连续不断动态监测，及时采集数据。

（6）做好应急预案。应急预案一定要有针对性，诸如设备故障 24 h 保修、监测报警处理等待。应急领导小组一定要由具备决策能力的人任组长，应急物资一定要落实。一旦有应急情况出现，立即启动应急预案。