某地铁盾构穿越红砂岩特殊地层风险管控措施研究分析

袁 斌

（兰州市轨道交通有限公司，甘肃 兰州 730000）

目前，随着城市轨道交通施工项目规模和难度的增大、项目数量的增加，盾构施工风险管控措施备受社会各界人士的密切关注，同时盾构施工过程中的风险管控措施直接影响人民群众的生命、财产安全。因此，盾构穿越特殊地层前需制定科学、合理、全面、可行的风险管控措施是进行风险管理的重中之重。

1 公定区间工程概况

某城市轨道交通2 号线一期工程公交五公司站～定西路站区间左线长733m、右线长828m。隧道埋深10.4～24.5m，线间距14.0～81.7m，地下水位9.6～16.4m，区间最小曲线半径为350m，区间纵断面最大纵坡29.5‰，采用盾构法施工。设置联络通道兼泵房一处。

盾构隧道穿越地层以强风化粉砂岩及中风化粉砂岩为主，局部为卵石。

水位高程1510.96～1513.91m，粉砂岩透水性较差，但强风化粉砂岩及中风化粉砂岩由于成岩性较差，裂隙较发育，层内存在裂隙水，并与潜水相连通。同时该区间范围内红砂岩地层裂隙较发育，盾构掘进过程中正常扰动易使围岩迅速产生液化、呈流塑状，易出现螺旋机喷涌及超方现象，严重威胁地面人员、建筑安全。

2 风险源辨识

根据本盾构区间施工的特点及周边地质情况，充分考虑到施工技术难度极其不利条件等，综合评价和分析，确定本盾构区间的重大危险源，如盾构穿越障碍物、机械伤害、隧道涌水、临时用电、毗邻建（构）筑物保护、管线保护、起重吊装、重大环境污染等。

1）盾构施工风险。勘探揭露，区间地层自上而下依次由第四系全新统人工填土、冲积黄土状粉土、粉细砂、卵石及下第三系砂岩等构成。根据岩土的时代成因、地层岩性和工程性能，场地地层自上而下可划分为8 个工程地质层，各层土的岩性特征及埋藏条件详见表1。

表1 地层岩性及埋藏条件

根据勘察及区域地质资料，含水层主要为卵石层，潜水含水层厚度为2.9～14.7m。区间含水层为2-1-2 层黄土状土（粉土）、2-5 层粉细砂、2-10 层卵石、4-2-1 层强风化砂岩和4-2-2 中风化砂岩。其中2-10 层卵石厚度大、透水性好、赋水性强，为场地主要含水层；第三系砂岩透水性较小，赋水性弱，可视为相对隔水层。但区间隧道主要在杂填土和强风化岩中穿行，强风化岩砂岩遇水或长期暴露在空气当中，易风化，进而出现崩塌现象，可能引起盾构掘进困难、隧道涌水涌砂、地表沉陷等风险。特别是盾构接收时土体会受到强大的向外推力，同时盾构端头有较大的临空面，施工时处理不到极易发生重大安全事故。

2）周边环境风险。区间左线在公交五公司站后向东下穿晟佳公司家属院、金信小区后下穿现况排洪沟，并沿排洪沟东岸平行敷设，下穿省银厦建筑设备公司后，再次下穿现况排洪沟至沟西侧后，到达定西路站；区间右线出公交五公司站后沿排洪南路向东敷设，下穿现况排洪沟后折向北，经过甘南花园西区、七建安装公司、汇成服装大厦后，再次下穿现况排洪沟，至定西路站止。通过周边环境调查发现盾构区间还存在大量旧民房（无基础、砖混结构、大量沉降裂缝、地面无加固条件）、老旧建筑（整体性差、自身缺陷严重)，两侧有多栋多层和小高层建筑物，金信小区、兰州海兰天龙商贸有限公司、甘南花园(西区)3 栋住宅楼、省建七公司第一安装公司6 栋层住宅楼、甘肃建工建设机械制造有限公司6 号楼及大量1-2 层民宅。区间隧道穿越停车场出入线暗挖隧道（拱顶距暗挖隧道最小垂直净距为2.03m）以及4 次穿越排洪沟（浆砌片石护坡、错台开裂严重、沟内污水、杂物较多）。

由上表2 可知，沿线路方向存在部分较接近的重要建筑设施及一层自建民房，盾构掘进可能导致上部建筑基础沉降、结构变形开裂；同时沿排洪南路布设多条市政管线，盾构施工可能造成道路不均匀沉降，进而造成地下管线不均匀沉降，甚至发生断裂、泄露。

表2 公定区间沿线建（构）筑物梳理表

（续表2）

3 风险管控措施研究分析

盾构掘进施工前，通过周边环境调查、地质核查、专家评估等对风险源进一步评估，研究确定了棚户区拆除、紧急避险、优化盾构掘进参数等风险控制措施。

1）管理措施。对建（构）筑物进行现状调查，对有风险建筑物进行危房鉴定（见表3），并针对建（构）筑物现存裂缝进行公证，为后期施工监控测量提供依据；然后，采用雷达扫描、钻孔等方法在各风险源处进行地质补勘，与地勘图纸进行比对，结合以往盾构推进经验分析地质特性，优化盾构掘进参数；其次，多次组织多领域专家进行咨询论证，完善了《公定区间盾构风险源穿越安全专项施工方案》，确保了方案的针对性和实操性；最后，与政府沟通协调对大部分棚户区进行拆除，因特殊原因无法拆除的，采用紧急避险措施。

2）技术措施。盾构施工过程中，结合现场实际情况动态调整盾构掘进参数，严格控制推进速度和盾构姿态，正常推进时速度在25～45mm/min 之间，单环掘进时间45～55min 之间，若速度小于20mm/min，应分析原因，避免盲目掘进导致出土量过大致使地面沉降。盾构姿态控制现场以校核自动导向系统的测量数据并复核盾构机的位置、姿态，确保盾构掘进方向的正确。同时通过渣土改良有效控制出渣量，每环理论出渣量＝π×L×D2/4＝π×6.4562×1.2/4＝39.26m3/环，根据某城市地铁1 号线经验，红砂岩松散系数在1.2～1.35 之间，由此可推断红砂岩复合地层松散系数在1.25～1.3 之间；估全断面红砂岩地层每环出土量=39.26m3/环×1.3=51m3/环盾构推进出渣量控制为51±3m3/环；出渣量是前方地层稳定与否的直观反映，在泡沫与水注入正常的情况下，每环的出渣量不超过计算高限值，遇到发生容易坍塌的地层，出渣量往往偏大。因此，在掘进过程中的出土量是重点盯控项目。加强同步注浆及二次注浆，保证盾体和地层之间缝隙填充饱满，有效的控制减少对地层扰动和地层损失。渣土改良：①利用泡沫剂、膨润土对刀盘前面的掌子面原土进行改良；②在土仓内利用注入膨润土、水对渣土进行二次改良；③在螺旋机筒壁上设置的泡沫和膨润土注入口，注入泡沫剂、膨润土或分散剂对渣土进行再次改良。同步注浆及二次注浆，同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构完成一环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当注浆压力达到设定值，注浆量达设计值的90%以上时，即可认为达到了质量要求。注浆压力相当于区间埋深处的地层应力时，对减少地层损失和地表沉降量效果最为显著，但不能过大，过大会产生“劈裂现象”，即造成注浆层切入地基的情况。考虑到注浆时的压力损失，为保证达到对环向空隙的有效充填，同时又能确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，根据计算和经验，注浆压力一般取值为0.2～0.3MPa。

注浆量根据经验公式：Q=[π(D12-D22)/4]·L·α

D1—理论掘削半径，为6456mm；

D2—管片外径，为6200mm；

m—行程长度，1.2m；

α—注入率，根据地质情况和实践总结，一般取1.5～2；可计算得每环注浆量：1.2m 管片Q=4.58～6.1m3，本工程施工时每环不少于6m3。本工程现场采用“153 法”即每5 环进行二次注浆，第1、5 环采用双液浆，第3 环采用单液浆。超前地面探孔：盾构掘进方向前50m 范围内，间隔5m 进行地面探孔，孔深5m，探测地表是否存在空腔、松散体等，以便提前处置可能出现的塌方、超标沉降等有风险事件，同时预埋注浆管。盾构掘进过程中发生监测黄色预警累计4 次，橙色预警2 次，通过地表深孔注浆、洞内二次注浆及径向环箍注浆，有效控制了地面建（构）物沉降。

盾构掘进完成后，在盾构掘进后采取洞内径向环箍注浆措施（在管片外部1.5m 范围内形成环箍），经监测数据显示，本区间地层累计沉降量控制在5mm 以内。此外，对掘进后区域进行地质雷达扫描，经数据显示地层中无松散及空洞情况。

3）环境措施。针对区间沿线老旧建构筑物，在盾构下穿前采取地面加固施工，地面加固措施采用地表注浆预加固结合跟踪注浆；同时盾构隧道与暗挖隧道平行约45m，间距2.75～7.94m，右线下穿停车场出入线暗挖隧道，拱顶距暗挖隧道最小垂直净距为2.03m。为保证顺利下穿暗挖隧道，暗挖隧道需二衬施工完成，砼达到设计强度后进行盾构下穿施工。暗挖与盾构平行段为防止盾构施工中对暗挖区间隧道影响，在两条隧道之间施作隔离桩51 根（桩深约25m,桩径0.8m,桩间距1.4m)，同时在暗挖隧道内采用套拱加横撑及径向注浆的方式进行了加固处理。盾构掘进过程中经监测数据显示，地表累计沉降量均在规范及设计图纸要求范围内。

4 风险管控效果

目前，通过事前、事中、事后等控制措施，政府协调拆除约9500m2老旧民房，已顺利穿越3 次排洪沟，15 处老旧建筑，约4000m2老旧民房，虽发生地层沉降黄色预警4 次，橙色预警2 次，预警发生后立即组织召开预警分析会，分析施工安全风险并研究制定处置措施，通过地表预留注浆孔进行地表深孔注浆、洞内二次注浆及径向环箍注浆等措施，地层累计沉降量控制在5mm 以内，未产生建（构）物沉降、倾斜、开裂等风险事件。截至目前，双线已顺利通过暗挖隧道下穿段及并行段，并且盾构机顺利接收。

5 结论

通过该区间盾构掘进情况及结合工程周边自身风险因素，盾构在穿越特殊地层及段落的风险管控措施尤为关键，施工过程中除盾构机选型要注意配置耐磨度及尺寸合适的刀盘外，同时要严格控制推进速度和推进压力，避免对周围土体产生扰动、挤压变形，进而引起地面变形或坍塌、地面喷浆冒砂现象；在穿越卵石、粉砂岩交错位置时，需调整盾构参数，防止偏心，严格控制施工中的偏差量；建议管片背后及时注浆回填，避免产生沉陷；若有过大变形，应及时找出原因，采取有效措施阻止变形的进一步发展，避免出现重大险情。

本区间盾构掘进过程中，虽通过对危房鉴定、裂缝公证、地下松散土体和空洞探测、组织召开专家咨询论证会等方式方法提前对周边环境及风险源进行了充分辨识，同时结合地质情况对盾构掘进参数进行了优化，但仍发生黄色预警4 次，橙色预警2 次，现场根据预警分析会确定的方案进行处置，确保了双线顺利贯通。在后续施工中应结合本次掘进经验，严格控制推进速度和盾构姿态，进一步优化掘进参数，减少预警频率，以便指导施工。