地铁隧道盾构掘进施工关键技术

2022-06-27臧马立

四川水泥 2022年6期

臧马立

（中铁十六局集团北京轨道交通工程建设有限公司，北京 101149）

0 引言

某市已建成3条地铁，线路总运营里程60km，1、2号线分别呈南北和东西走向，已建成长度为21km和16km。地铁主要建设范围在距离地表20m以下，该市浅层土为第四纪沉积层，属淤泥质黏性土层。此类土层颗粒微细、固结度低、溶水性高、压缩性高、渗透性低、易塑流。采用土压平衡盾构掘进机对地铁区间隧道进行施工，不仅能提升施工机械化程度和速度，也不易对地面建筑物产生影响。本文结合具体实例，分析了地铁隧道盾构施工掘进技术，同时对盾构下穿建筑物质量控制措施进行了相应研究。

1 地铁隧道结构形式

地铁隧道通常为圆形，由内径5.5m的拼装式管片组成，分为独立的上、下行线。隧道外径为6.2m，主要由6块高精度混凝土管片拼装组成，其中管片厚度为0.35m，环宽1m，管片与管片间的环向连接通常依靠12个M30mm×400mm的螺栓完成，纵向则依靠16个M30mm×985mm的螺栓完成。管片间的接缝使用821BF遇水膨胀橡胶防水密封条，防止出现渗漏而影响工程质量。

2 盾构掘进施工关键技术

2.1 土压力的管理

在软土土体环境中盾构掘进时，应确定土压平衡，一般情况下土压力的P0根据静止土压力为中心范围进行取值，取值的上限不得超过水压力和被动土压力之和，下限不得低于水压力和主动水压力之和，同时在施工过程中应动态跟踪P0数值，结合覆土深度和地基变化监测的数据灵活调整。针对难以建立土压的承压水地层，施工人员通过压注高压空气和压注泡沫的方式管理土仓，建立适当的土压平衡。

2.2 出渣量计算及排土管理

（1）土压平衡状态下，对比实际土压测值P1与P0，若与设计要求不相符合，可通过调整螺旋输送机转速和盾构机推进速度，以此管理土压和排土量。

（2）非土压平衡状态下，根据控制压力差对出土量进行管理，并增加螺旋输送机转速，提高出土效率，扩大土仓的有效进土空间。若盾构机刀盘正面土体的稳定性和自立性较好，施工人员可往土仓加气，改善螺旋输送机的排土能力，避免出现“泥饼”现象，或者可降低盾构机大刀盘扭矩的方式，提高盾构掘进速度。

（3）出渣量控制，每环理论出渣量（实方）计算见下式：

式中：

D——盾构切削外径，取6.44m；

L——管片每环长度，取1.2m；

λ——渣土松散系数，一般软土的松散系数为1.2，泥岩为1.5。

代入计算得V=46.88m3∕环；考虑土体松散系数为1.3，在运输组织设计中，均按1.3×48.86=63.518m3考虑。采用容量为18m3的运输渣土车，数量为4 台，总运输能力为72m3，可满足施工运输的需要。

施工中每一循环进尺，应检查掘进施工的出土量并如实做好记录，根据出土量判断是否出现了超欠挖情况。

2.3 同步注浆、二次注浆、深孔注浆

导致地表变形和沉降的因素较为复杂，主要有盾构施工引起的地层损失、盾构施工干扰周围围岩、地下水的渗透等。因此，为控制地表沉降量，应在隧道盾构掘进施工时，在脱出盾尾衬砌管片背后注入足量的浆液材料，以填充空隙。

（1）同步注浆。在隧道盾构掘进施工中，应遵循随进随注的原则，同步向盾尾建筑空隙中注入浆液[1]。具体通过盾构机自设的同步双泵四管路（四注入点）对称注浆，改善支撑结构，避免隧道洞身穿越地层变形，埋下巨大安全隐患[2-3]。同步注浆施工方案如图1所示。

图1 同步注浆施工方案

（2）二次注浆。经过同步注浆后，隧道盾尾空隙得到有效改善，地层变形和地表沉降量也得到了控制。但检查同步注浆施工质量后发现，凝固浆液存在局部分布不均匀和收缩问题，为保证背部衬砌注浆层的性能，应进行二次注浆，覆盖不均匀和收缩空隙，使得浆液面层的防水性能和密实度达到设计要求[4]。综合分析地表沉降监测信息和隧洞内超声波探测监测的结构，确定隧道衬砌背后是否存在空洞，管片衬砌是否存在严重的渗漏问题，若出现了以上问题，即可采取二次注浆。

（3）深孔注浆。深孔注浆应采用双液浆，体积比例为1∶1，注浆施工结束28d后，隧道衬砌的土体抗压强度应保持在1MPa以上。

2.4 主要参数

（1）注浆压力。在注浆时应加强注浆压力的控制，避免出现过大或过小的问题。若注浆压力过小，管片衬砌周围土体填充量将无法满足施工要求，导致地表变形量加大；若注浆压力过大，浆液会对管片衬砌周围土体造成干扰，并且容易导致跑浆缺陷。综合考虑相关影响因素，同步注浆压力控制范围为0.2～0.4MPa。

（2）注浆量。同步注浆的根本目的是填充盾尾建筑空隙，实际的注浆作业中应根据浆液渗透、盾构纠偏等因素调整注浆量，以保证衬砌加固效果。注浆量可用下式进行计算：

式中：

Q——注浆量，m3；

V——盾尾建筑空隙，m3；

λ——注浆率，取1.5～1.8。

式中：

D——盾构切削土体直径，取6.44m；

d——管片外径，取6.2m；

L——管片宽度，取1.5m。

则：V=3.57m3。

经计算，Q为5.36～6.68m3。根据杭州市地方标准要求，每环实际注浆量应为理论注浆量的150%～250%，故线路注浆量控制值为8.04～14.01m3。

控制注浆压力，检查注浆量，并根据不同的地层环境调整注浆结束标准。如果是在正常地层土体环境中，每循环的注浆量应保持在5.36m3以上，但如果是粉砂土、曲线段和黏土层应适当调整，具体情况如下：（1）若盾构掘进的土层为粉砂层，应增加注浆量，维持注浆量与注浆压力的平衡；（2）若在隧道曲线段实施盾构掘进施工时，应根据出土量增加注浆量，避免出现超欠挖情况；（3）若盾构掘进的土层为自稳能力差的黏土地层，同时注浆量小于注浆压力时，应增加注浆量直至注浆压力的上限，接着实施二次注浆，增加衬砌结构的抗压强度。

3 盾构穿越构筑物沉降控制实例

3.1 盾构穿越厂房的沉降特点

塑料厂厂区约30m×30m，隧道轴线从中部偏西穿越，有两幢东西向横卧于隧道上方的厂房。从施工规划来看，塑料厂区分为南北两个厂房结构，其中北厂房为独立的混凝土框架结构，下部还有一条东西走向的防空洞，防空洞的长度为3～4m，上行线和下行线隧道掘进两次从厂房底部穿越；而南厂房为条型基础的砖混结构。

为避免隧道盾构掘进施工干扰塑料厂的生产作业和保证厂房的安全性，应加强对厂房地表沉降的检测，全过程动态跟踪盾构掘进施工，并辅助双液注浆，控制厂房沉降[5]。

根据实测资料的反馈，发现塑料厂厂房的沉降变化较为复杂，会受到超载作业的影响，主要呈现以下特点：（1）在隧道盾构施工前，地表无隆起；（2）盾尾建筑空隙同步注浆复杂，注浆量大；（3）施工后沉降量大；（4）沉降周期长，范围广，是普通地表沉降的1.5倍。

3.2 盾构穿越密集建筑群的沉降控制

根据施工规划的设计，地铁1号线将穿越人民广场和附近商圈，人民广场站至黄陂路站区间地铁隧道全长1200m，并且该区间是整个地铁隧道施工中构筑物最多的区间，多住宅、商业店铺、学校和一些结构性较差的房屋结构，盾构掘进环境复杂，对施工技术的要求较高。

盾构施工将继续从人民广场站南端推进，盾构施工穿越的土体多为淤泥质黏土，覆盖土层的厚度基本在10～16m。通过分析其他区间隧道盾构掘进施工的经验，总结了土压、注浆量、注浆压力及盾构机转速等参数设置的规律和特点，并配合智能化控制和精细化管理，经检测施工沉降控制均符合工程规定表面，构筑物最大地表沉降量不超出30mm，裂缝缺陷出现概率较小，只在施工后期出现2处短且无害的裂缝。

4 动载条件下盾构穿越地铁施工技术

4.1 工程简况

人民公园站至河南路站区间隧道的施工过程中，在出洞位置处，盾构需下穿运营中的1号线。完成出洞后，盾构要在与1号线隧道间隔12m处与其呈85°斜交，同时保证1号线隧道底部和2号线隧道顶部间距控制在1m，且保证隧道埋深为17.5m。

（1）在整个2号线车站建设中，2号线隧道存在不同程度下沉，最大数值为12mm，累计沉降量未超过15mm。因此，沉降3mm是下穿1号线隧道时允许出现的最大沉降量。

（2）在整体施工完成且投入运营后，已通过双液浆、聚氨酯、旋喷注浆以及分层注浆等多种方法对1号线隧道底部进行加固，但因浆液无法均匀分布，盾构机在掘进时也就无法有效保证隧道控制轴线的稳定性。

（3）盾构在出洞后会立即进入到加固区，且会同时受到现有隧道与附近商业建筑的影响，从而增大施工难度。

4.2 主要施工技术

（1）基于技术条款规定的质量要求，优化洞门混凝土吊除方案，提高施工效率，降低正面土体的流失量。

（2）多次试验调优施工参数，盾构出洞时的土压宜设置为0.23MPa，每一循环的出土量应控制为理论值的95%，具体出土量为30m3∕环，匀速盾构掘进，掘进速度保持在1cm∕min。若在盾构掘进过程中遭遇加固区，应调整刀盘扭矩，充分切削破碎加固土体，降低工后沉降量。

（3）如有需要，可在刀盘中添加润滑剂（如发泡剂、水），降低刀盘所受扭矩，改善掘进环境。

（4）全过程信息化监测盾构掘进施工，地铁1号线选择应用高精度边通管边监测的方法，监测间隔10min，自动收集隧道变形情况，并通过系统将数据传输到后台，为技术人员判断地表变形量和调整施工参数提供数据参考。同时，在上、下行线隧道内各装置了一个巴塞特收敛系统量测环，共设计20组测点，用于收集1号线路的径向变形信息。

（5）巴塞特收敛系统量测环具有高分辨率、高精度及高灵敏性等优点，根据其反馈的数据调整优化同步注浆量，能够有效保证盾尾建筑空隙的填充效果。另外，考虑到同步注浆所采用的单液惰性浆液易产生泌水和离隙现象，因而在同步注浆结束后应检查1号线隧道下沉和2号线隧道上浮的情况，辅助双液浆补强加固，控制隧道工后沉降量，确保沉降量不超过3mm。