软硬交互地层盾构长距离小半径曲线穿越地面复杂环境成套施工关键技术研究——以杭州机场轨道快线SGJC-1标为例

贾茁

（中铁十六局集团有限公司，北京 100018）

0 引言

地铁盾构穿越会面临复杂多样的施工现场，尤其在软硬交互地层，其力学性质差，盾构穿越后沉降差异较大。国内外学者针对这一现象进行了大量研究分析，顾问天等[1]从盾构隧道纵向设计出发，提出盾构隧道设计在软硬交互地层中的控制要点；魏新江等[2]基于matlab软件提出隧道变形模型，用于计算地铁盾构隧道变形等；余占奎等[3]在理论基础上对盾构隧道设计进行改造，有效提高隧道发生不均匀沉降或过量沉降的耐久性等；李有兵等[4]依托实际工程，在刀盘配置、盾构掘进参数、管片与盾构相对位置等方面系统总结了软硬地层盾构施工技术。文献研究了在软硬交互地层中盾构施工问题，但对于在软硬交互地层盾构长距离小半径穿越地面复杂环境的施工技术研究较少。

本文基于杭州机场轨道快线SGJC-1标,研究盾构在穿越多条河流、多个建(构)筑物、全断面硬岩及上软下硬地层、长距离小转弯半径及与既有隧道道路交叠施工的技术。

1 工程特点

1.1 工程概况

杭州机场轨道快线工程起点苕溪站，终点靖江站，线路长58.5km，设车站15座，其中换乘站13座，最小站间距1.658km，最大站间距10.239km。地下线长度47.5km，高架段长度12.0km，其中与杭甬高速合建9.8km。全线4座高架站、11座地下站。

图1 杭州机场轨道快线走向示意图

图2 本标段线路总平面图

本标段主要包含一站、一明挖段、一区间风井及两区间，即苕溪站、仓前车辆段出入场线明挖段、1号区间风井、苕溪站～仓前车辆段出入场线盾构区间、苕溪站～杭州西站区间。

1.2 工程地质

本工程地貌形态单元属于河湖相沉积平原地貌。

1.2.1 苕溪站

苕溪车站基坑开挖范围主要地质构造为杂填土、粉质黏土、砂质粉土、淤泥质黏土、圆砾。结构底板位于③2砂质粉土、⑥1淤泥质黏土层。孔隙潜水稳定水位埋深为0.4～2.1m。

1.2.2 出入段线盾构区间

出入段线盾构区间范围主要地质构造为素填土、粉质黏土、砂质粉土、淤泥质黏土、圆砾、中砂、强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩。

1.2.3 出入段线明挖段及U型槽

明挖段及U型槽范围主要地质构造为杂填土、粉质黏土、淤泥质黏土。

1.2.4 1号区间风井

风井基坑开挖范围主要地质构造为素填土、淤泥质粉质黏土、淤泥质黏土、粉质黏土、含粘性土卵（砾）石层。结构底板位于⑧2砂质粉土、含粘性土卵（砾）石层，开挖基底部分为(22)a3中等风化凝灰岩。孔隙潜水稳定水位埋深为0.20～2.80m，结构抗浮水位可取设计室外地坪标高下0.5m。

1.2.5 苕溪站～杭州西站区间

苕杭区间掘进主要穿越淤泥质粉质黏土、粉质黏土、圆砾、中砂、中风化凝灰岩。

2 软硬交互地层盾构长距离小半径曲线穿越地面复杂环境成套施工关键技术

2.1 盾构安全下穿多条河流施工

本工程盾构区间所处区域的地表水属东苕溪、太湖水系，场地地貌单元为湖沼积平原，地表水系发达，河网交错，区间沿线多次穿越河流。采取如下措施：

1）盾构顶距河床冲刷线的距离保持1D（洞径）左右。

2）设计时在管片各分块均预留注浆管，盾构施工结束后再对管片顶部土体进行加固处理，以提高隧道的稳定性。

3）始发时洞门密封装置需完好，防止涌砂涌水进入盾构井。

4）盾构施工过程中，严格按照设计轴线掘进施工，尽可能减少纠偏量，减少地层的扰动及损失。

5）进入河底前预先调整好盾构姿态，以较好的姿态下穿河底。在掘进过程中，盾构驾驶员根据测量偏差及时调整盾构掘进方向，尽可能减少纠偏。

6）操作手要时刻关注土仓内压力变化及排除碴土的变化情况，若发现碴土含水量过大，要立即上报，并分析原因，避免盲目出土造成超挖。

7）加强同步注浆管理，减少盾尾通过后隧道周围形成的建筑空隙，减少隧道周围土体的超挖量。

8）加快管片运输及拼装，减少不必要的停机时间。

9）为防止盾尾发生漏泥、漏水，定期、定量、均匀地压注盾尾油脂。

10）制定相应的应急预案，保证险情发生时有章可循，及时处理。

11）现场配备一定数量的抢险物资，如沙袋、木板、型钢、注浆机、花管等，保证出现险情及时处理。

12）加强监测频率，确定合理施工参数，信息化管理指导盾构推进施工，控制隧道轴线偏移量，减少对周围环境的影响。

2.2 盾构安全下穿或侧穿多个建（构）筑物

隧道掘进引起的地面沉降包括盾构隧道横断面方向及纵向的沉降，在不同程度上影响隧道沿线地面建筑物和地下管线的安全。盾构在穿越建筑物、临近建构筑物施工时，应加强掘进参数的调整和盾构姿态的控制，进行信息化施工和管理。采取如下措施：

1）优化并匹配盾构施工参数，减小盾构施工时对周围土体的扰动程度。盾构各施工参数并非相互独立，许多参数是相互联系、连锁改变的。因此，要对盾构的施工参数进行调整、优化和匹配。

①由于地铁隧道临近建构筑物，盾构的土舱压力直接影响建构筑物变形，在盾构穿越过程中，严格控制土舱压力和与土舱压力有关的施工参数，如推进速度、出土量等，以保持盾构掘进面的稳定和平衡。

②严格控制同步注浆量和浆液质量，通过同步注浆及时填充建筑空隙，减少施工过程中土体的变形。

③严格控制盾构的姿态，盾构姿态的变化不宜过大、过频，以降低土层的损失和对周围土体的扰动，减少建构筑物和隧道本身的沉降。

④在变形影响控制较好的情况下，使盾构保持均衡施工，在最短的时间内穿越建构筑物，减少盾构施工对建构筑物的影响。

2）信息化施工技术。在地铁穿越过程中，通过全面及时的监测反馈分析来实行信息化施工。盾构掘进穿越时，建构筑物的变形对其反应灵敏。对邻近建筑物布设监测点，在施工时实时监控，根据监测数据及时调整盾构掘进参数，以确定是否采取地面加固措施。

3）低层房屋抗变形能力差，盾构施工中严格控制相关参数，推进前进行房屋鉴定，保证上部房屋建筑的安全，并制定紧急疏散预案。

4）盾构穿越建（构）筑物施工时，管片预留全环注浆孔，根据地面监测情况，若有必要可采取壁后二次注浆进行补压浆，压浆量的控制根据变形信息确定。

2.3 盾构机长距离穿越全断面硬岩及上软下硬地层

区间出1 号风井后穿越岩层,在里程约K2+790～K3+800 处为土岩结合面或全断面基岩，长度范围约1010m，基岩主要为(22)a3中等风化凝灰岩，属较硬岩，岩体较完整，基本质量等级为Ⅳ级。合理控制硬岩段盾构机姿态，合理控制硬岩段盾构机参数，减少换刀次数，保证成型管片质量和施工进度要求是本工程盾构施工的一个重点。采取如下措施：

1）对该区域进行地质补勘，勘探点位加密，更加精准掌握地层资料。

2）以详勘及补勘资料中岩体的强度及各项参数作为刀盘选型的依据。

3）根据刀盘各项技术指标，制定掘进过程中的推进速度、推力、刀盘转速、刀盘扭矩，并在施工中严格控制。

4）合理控制掘进参数，延长刀具的使用寿命，减少开仓次数，降低换刀风险，提高施工进度。

5）刀具配置符合岩层硬度要求，按照本区间岩层最大硬度111.7MPa考虑，设计破岩能力为150～180MPa。

2.4 盾构机长距离小转弯半径施工

苕溪站～仓前车辆段区间里程RDK0+844至贯通平面转弯半径R=305（出段线R=310），接收段坡度为34.8‰，盾构机开挖面属淤泥质黏土，盾构选型至关重要。保证盾构机姿态要求及管片质量是本工程盾构施工的一个重点。采取如下措施：

1）施工过程中加强掘进管片的选型工作，选择合适的管片进行拼装，确保盾尾间隙，减少纠偏。

2）管片姿态要先行于盾构姿态，即管片姿态要有一定的超前量，一般超前9m左右（盾构机盾体长度），确保转弯顺利，避免管片与盾构机卡死的情况。

3）若需要纠偏，要缓纠、勤纠，不要猛纠，否则易出现碎裂、渗漏等。

2.5 盾构区间与待建3号线隧道上下交叠及留祥路隧道施工

区间快线与3号线北沿交叠区域前后15m，全环管片等级加强并增设预留注浆孔，同时进行长管注浆，注浆范围半径为3.94m。机场快线与规划留祥路隧道在交叉重叠区域及前后10环15m范围，全环管片等级加强并增设预留注浆孔，共计84环，注浆范围半径为3.5m。

1）对快线盾构区间加固范围全环增设注浆孔，对管片上半环进行长管注浆加固。

2）盾构施工中严格控制施工参数，合理控制推进速度，保证连续均衡施工，严格控制土仓压力及出土量，防止盾构的超挖和欠挖，并做好如下技术措施：

①叠落隧道盾构施工过程中，对两条隧道重叠范围内盾尾管片与土体间的建筑孔隙压注缓凝浆液，浆液1d的强度大于周围加固土体强度。

②上部盾构穿越前，下部隧道通过预留注浆孔对周围土体进行二次分层注浆加固。

③上部盾构穿越前，应对下部已施工机场快线隧道进行穿越施工安全评估，提出相应安全施工方案、监测方案及正线隧道变形控制值。

④上部隧道施工时，管片应预留全环注浆孔进行二次长管注浆，上部盾构施工时，通过对下部隧道内的监测数据反馈，调整上部盾构的推进参数、注浆量、注浆压力。

⑤上部盾构穿越后，预留注浆孔进行补压浆，压浆工作需待上部隧道沉降稳定后才能停止。

3）机场快线与北延3号线叠交段，在3号线上跨施工过程中对机场轨道快线进行监测：

①全自动化监测及人工监测。一是全自动化监测，要求采用全站仪自动化系统实时监测，人工复测，7天/次，现场指挥中心根据监测数据决定是否调整开挖时序；二是人工监测，需监测隧道收敛、轨道沉降（兼隧道结构沉降）。

②所有测点布置应避开区间设备位置、隧道内电线电缆、接触网等。如快线隧道运营，监测时段应利用运行空余时段，进行监测作业前均需清点，保证作业安全。

③施工监测应有可靠的基准点系统，水准基点不少于2个，基准点系统应定期校核。

④盾构机配备两台注浆泵，能注厚浆，注浆材料采用中粗砂、水泥、水，不得采用细沙，盾构机上安装自动导向测量系统,以更好控制隧道轴线。

3 结论

1）鉴于盾构施工区域地表水系发达，下穿多条河流，施工前应确保洞门密封装置完好，调整盾构姿态，施工时严格按设计要求，减少纠偏量等，并结合信息化管理，确保盾构安全进行。

2）盾构下穿或侧穿对建（构）筑物安全造成一定影响，应对盾构参数进行优化并匹配，减少盾构施工对周边土体的应力状态的影响；采用信息化施工与管理，对盾构掘进参数及盾构姿态进行实时调整和控制。

3）盾构机长距离穿越软弱交互地层，要合理控制盾构机参数，制定刀盘的各项技术指标，减少开仓换刀风险，按施工进度计划完工。

4）在本工程条件下，盾构选型对于盾构机长距离小转弯半径施工至关重要，通过加强盾构掘进管片选型、保证盾构机姿态要求、及时纠偏等措施，达到施工质量、安全、工期等要求。

5）针对盾构区间与既有隧道交叠施工难点，对盾构区间加固范围采用全环增设注浆孔进行加固，严格控制施工参数，进行全自动化与人工共同监测，保证施工质量。