地铁盾构施工穿越工程难点分析及相应措施

崔广芹 张成志 张航 王迪 张正 贺睿

1.内蒙古科技大学建筑与土木工程学院 包头014017

2.中国建筑第四工程局有限公司 佛山510700

引言

随着我国经济的持续发展，各大城市的地铁建设也日益增加。截至2020 年底，我国内地累计有40 个城市开通城轨交通运营，运营线路达7978.19km［1］，其中地铁6302.79km，占比79.00%，占主导地位［2］。有时城市多条线路同时施工，多条盾构隧道并行施工穿越既有建筑物，这难免会对周围建筑物造成影响。尽管我国在盾构法方面有着大量的实际工程经验和理论知识［3］，但是，水文地质的不确定性和差异性，施工附近环境复杂性等因素的影响［4］，导致盾构机穿越新旧建筑物地表以下会遇到各种各样问题。其次，我国地下空间还处于高速发展阶段，有一部分城市在发展前期未能确保落实地下空间发展规划［5］，前期建设的工程对后续工程项目的施工带来不必要的难点。再有，我国对于小转弯半径曲线盾构的研究还只限于技术方面，在复杂环境下小转弯半径曲线施工土层受力特征的研究还很少［6］。

地铁盾构施工中经常会因为地质状况、已有工程和地表建筑物等因素的差异，遇到各种各样的工程难题。本文对佛山市地铁三号线工程的难点和应对措施进行归纳总结，为同类型的盾构穿越工程难点提供参照分析和相应措施，对于提升地下工程建设技术水平、保障施工安全与环境安全具有重要意义和参考价值。

1 工程背景

1.1 工程概况

佛山市城市轨道交通三号线南海广场站～叠滘站区间（以下简称“南叠区间”）采用盾构法施工，左线起止里程ZDK54+018.305～ZDK55 +718.263，长1683.549m（短链16.409m），采用中船重装53 号土压平衡盾构机掘进施工。右线起止里程YDK54+018.305～YDK55 +718.263，长1699.958m，采用中船重装52 号土压平衡盾构机掘进施工。南叠区间左右线均从南海广场站大里程段始发，在叠滘站小里程段接收，左线先始发。隧道拱顶覆土10.2m～36.5m。

南叠区间线路首先沿南海大道向北敷设，穿越基坑锚索区（右线），下穿人行天桥，而后线路往西北方向逐渐在竖向上拉开距离，变为叠线（左线在下右线在上），最后沿着海三路向西敷设到达叠滘站。叠线里程段为DK54 +940～DK55+718.263，长度约780m。南叠区间线路与建筑物平面示意如图1 所示。南叠区间共设置2 处联络通道，2 处独立废水泵房，其中，1 号联络通道里程为YDK54 +586，2 号竖向联络通道里程为YDK55 +129，左线独立废水泵房里程为ZDK54 +937.000，右线独立废水泵房里程为YDK54 +677.504。

图1 南海广场站～叠站区间平面示意Fig.1 Schematic plan from Nanhai square station to Diejiao station

1.2 气候特征与地质条件

佛山主要气象灾害中对地铁施工影响较大的为台风、暴雨等，这些气候现象会增加盾构施工洪涝灾害的风险，导致涌砂、渗漏甚至是塌方等问题，增加了地铁施工的难度。

南叠区间地下水水位埋藏变化较小，主要为第四系松散孔隙水及基岩裂隙水，地下水位普遍较浅，实测钻孔静止水位埋深一般为0.65m～4.60m，平均埋深为2.39m，高程为-2.40m～2.32m，平均高程为-0.06m。

2 穿越工程难点

2.1 南叠区间下穿复杂密集建筑群

南叠区间下穿人行天桥、工厂综合楼、厂房建筑群、丽雅苑球场、拟开发场地以及商品住宅区等，建筑物结构及基础形式多样、复杂，且隧道拱顶离建筑物基坑桩端较近，最小竖向净距为3.7m，施工难度较大。

应对措施：

（1）施工前详细调查南叠区间建筑物结构及基础形式，事先进行留置影像及评估、备案，必要时请有资质的鉴定单位进行鉴定。

（2）施工前在建筑物周边地面及建筑结构上布置监测点，及时了解建筑物变形情况，动态调整盾构掘进参数，做到信息化施工。

（3）在建筑物周边预埋袖阀管，变形超标时及时注浆，控制变形进一步发展。

（4）加强土压平衡控制，确保土仓压力平衡稳定，加强同步注浆，控制浆液初凝时间在4h～6h，并及时补充注浆，同时，根据监测数据反馈及时调整优化施工参数，避免建筑物发生不均匀沉降。

（5）根据地表及建筑物监测情况，选择是否需要通过盾构机的径向孔往地层里注入惰性浓浆。

2.2 穿越基坑锚索区

建筑物的上部结构已施工完成并投入使用，基坑已回填，建筑物基坑支护锚索3 道，长度分别为34m、33m、30m，入射角30°，右线区间约130m范围，第二、三道锚索侵入隧道范围（考虑到±5°施工误差），如图2 所示。必须在盾构机到达前处理妥当，否则将会影响推进速度。首先，锚索缠住盾构刀盘，引起盾构机推力加大，刀盘扭矩增大，土体内部应力不稳定，从而造成管线和地面变形，更严重的会损坏盾构机，造成较大经济损失。其次锚索不便大面积地面处理，一旦缠住螺旋输送机，进而无法顺利运出土渣。

应对措施：

（1）盾构施工前，采用φ1200@1000mm旋挖桩绞断锚索，并设置盾构开仓点。

（2）盾构到达锚索区前对设备进行系统检查，确保设备完好。

（3）盾构掘进过程中合理控制参数：①速度不宜过快，控制在10mm/min 左右；②推力应适当提高，但不应过高，总体上与正常段掘进相差不应过大；③扭矩不易过大，控制在2000kN·m～2500kN·m；④转速设定在1.0r/min；④锚索段掘进时土仓压力较正常段低0.2bar；⑤保证足够的同步注浆量及合理的注浆压力，注浆量7m3/环，注浆压力2.5bar～3bar。

（4）加密地表加测点及监测频率，及时反馈数据。

（5）做好各环掘进参数的统计与分析，根据参数情况判别是否进行开仓检查刀具、清除锚索。

（6）掘进过程中，加密对土仓压力的设置、观测，因拽拉、切割锚索势必会对地层的扰动、松动，可能出现土仓泄压情况。因此，如遇此种情况可以向土仓内注入一定量的膨润土泥浆，适当增设土仓压力，同时加强对地面巡视巡查。

左线区间在平面上已经避开锚索，右线区间与锚索冲突段在盾构施工前采用旋挖桩绞断锚索。在盾构机掘进过程中，依据参数判断是否遇到锚索段，在采取地层加固等措施后，开仓检查盾构机刀具的损伤，并将绞断的长约5m 的锚索清理出仓。

2.3 小半径圆曲线盾构掘进施工

南叠区间左右线最小圆曲线半径分别为350m、360m，属于小半径圆曲线，而该区间所用的中船重装盾构机设计最小转弯半径为400m。直线区段和转弯区段连接处土体会受到较大的扰动，极易发生土体失稳。其次盾构尾部同步注浆处，土体也易受力不均失稳变形。

应对措施：

（1）把控盾构掘进方向，提前使盾构机有向右转弯的趋势。

（2）掘进过程中严格参数控制，速度不宜过快，匀速掘进，合理控制推进油缸及铰接系统。

（3）量测盾尾间隙，合理选择管片拼装点位。

（4）及时复测管片姿态，根据复测数据调整盾构掘进姿态。

盾构施工时难免会对地表建筑物和既有交通线路造成不利影响，在城市中心区需要采取小半径转弯来避开建筑物密集区。由于受到盾构机设备的限制，转弯半径不能太小，否则也会引起管片开裂渗漏等问题。佛山地铁3 号线工程左右线分别采用中船重装53 号和52 号土压平衡盾构机，盾构机中间的铰链装置减小了固定段长度，可以很好地控制曲线隧道的施工曲线以及纠偏灵敏度，减少土体扰动。

小半径圆曲线盾构施工中，应当时刻控制好推进速度、纠偏量、泥水压力和注浆量等参数，对于管片与盾尾间隙应当设置一定的预偏量，对螺栓进行复紧等，尽可能减少小半径施工困难的影响。

2.4 盾构穿越2 号竖向联络通道

联络通道是联通地铁上行与下行区间的意外逃生通道，因设置在区间最低点，故施工的风险高。南叠区间2 号竖向联络通道采用明挖顺筑法施工，围护结构为地连墙+环框梁形式，基坑深41.6m，此处左右线隧道为上下重叠隧道（左线在下，右线在上），隧道间竖向净距3.8m。

施工工序为：施做2 号联络通道围护结构→基坑开挖→施做底板及部分侧墙→施工主体结构上方临时侧墙→基坑内填砂（填至右线隧道拱顶以上4m）→盾构过站，拼装混凝土管片（左右线）→清砂，拆除管片（区间双线贯通后进行）→施做内部结构→封闭顶板→基坑回填，为相关施工示意如图3 所示。

图3 2 号联络通道施工工序示意Fig.3 Schematic diagram for construction process of No.2 connecting passage

应对措施：

（1）盾构穿越前，务必做好2号联络通道东西两侧的端头加固，加固方式为水泥搅拌桩+双管旋喷桩。加固完成后，钻孔抽芯检测其加固效果。

（2）盾构到达2 号联络通道前100m 必须做好盾构姿态控制，根据实测洞门位置进行调整、纠偏，确保盾构机准确穿越2 号联络通道东西两侧洞门。

（3）加强同步及二次注浆。盾构穿越2 号联络通道时，站外10 环、站内2 环加强同步注浆（7～8m3/环）以达到止水目的，同时采用双液补充注浆技术，加宽止水范围。

（4）严格控制掘进参数，以小推力、低转速、低贯入度切削地连墙。

（5）加强地表、围护结构及周边建筑物的监测。盾构掘进2 号联络通道里程段时，需选择合适的管片拼装点位（最好将管片K 块拼装在1 点或11 点位置），以方便后期管片拆除。

其中对2 号联络通道两侧的端头，采用水泥搅拌桩+双管旋喷桩的方法进行加固，加固至不透水层。所采用的施工工艺有一定的改进，要求搅拌桩的垂直偏差不超过1%，桩位偏差不大于50mm，提升速度控制为0.5m/min，重复搅拌提升速度在0.8m/min～1.0m/min，停浆面标高应高于设计标高0.5m。旋喷桩要求水泥浆液压力大于30MPa，注浆采用42.5 级以上的普通硅酸盐水泥。端头加固设置有两处降水井，降水井深度在隧道地下1m 范围内。加固效果具有良好的工程适宜性。

2.5 盾构叠线施工

南叠区间近叠滘站约780m 隧道上下交叠，左右线隧道竖向净距最小为2.4m～3m，小于0.5 倍盾构直径，如图4 所示，属于小净距隧道施工，施工难度大，其施工质量对整个工程质量有着重要的影响地位。

图4 南海广场站～叠站区间叠线段纵断面示意Fig.4 Vertical section of overlapping section from Nanhai square station to Diejiao station

应对措施：

（1）采用先下后上（先左线后右线）施工顺序。

（2）严格控制盾构掘进参数，对盾构机的推进速度、土仓压力、出渣量和注浆压力等严格控制，加强掘削面的稳定控制技术。

（3）对既有隧道加强监测，做好地表监控量测，根据监测结果调整盾构机推进速度、掘进参数以及加强注浆技术，确保加固区地表沉降控制在允许范围内。

（4）对砂质夹层进行洞内注浆加固处理。

（5）在下方先施工完成隧道内假设钢支撑，以控制地层和隧道变形。

（6）盾构掘进过程中，加强对管线的监测，尤其是右线盾构掘进时，严格控制掘进参数并加密管线监测点、提高监测频率，避免盾构对土层的二次扰动而出现沉降叠加。

（7）端头处地层性质较差，特别是右线到达端头均为砂层，因此务必严格控制端头加固施工，提高施工质量，并对加固效果进行钻孔取芯及水平探孔检测。

2.6 富水砂层掘进施工

南叠区间右线近叠滘站段约有200m隧道洞身地层为淤泥质中粗砂和淤泥质粉细砂，此段隧道拱顶埋深10m～15m。土压平衡盾构机在此段掘进时对周边土体扰动较大，沉降控制较难。

应对措施：

（1）严格控制掘进参数，尤其是土仓压力设置、同步注浆及渣土改良的控制；渣土改良能提高土仓内渣土的抗渗透能力避免掌子面失水而产生地面沉降；降低土仓内渣土及掌子面土体的内摩擦角，降低刀盘扭矩；提高渣土可塑性。

（2）严格管片拼装质量，防止因错台而产生漏水。

（3）加强对渗漏管片处的二次补注浆，防止地面沉降发生。

（4）加密地表监测点及其监测频率。

（5）做好应急预案，提前储备应急设备及物资（注浆机、水泥、水玻璃等）。

2.7 地层喷涌

南叠区间隧道洞身范围内地层主要为中风化砂岩、强风化砂岩和微风化砂岩，部分地段穿越中粗砂。地下水主要为第四系松散孔隙水及基岩裂隙水，地下水位普遍较浅，实测钻孔静止水位埋深一般为0.65m～4.6m，平均埋深为2.39m。由于地下裂隙水发育，盾构在该地层掘进中易发生喷涌现象。

应对措施：

（1）利用现有设备针对防喷涌作了三方面的针对性设计：第一，螺旋机前部设置前闸门，当出现紧急情况时可迅速关闭前闸门；第二，在出土口设置2 个闸门，交替开启以降低喷涌压力；第三，预留聚合物注入接口，必要时可向螺旋机内及土舱底部注入聚合物，以团絮化泥浆，缓解喷渣压力。

（2）可向土仓加注高分子聚合物，提高土仓渣土黏稠度，提升流塑性防喷涌、防涌水。

（3）若出现喷涌现象，立即关闭螺旋输送机的后门，适当向前掘进，使土仓内建立平衡通过刀盘的转动，将土仓内的土体搅拌均匀。然后才将螺旋输送机的后门慢慢打开，开门度为30%，边掘边出土，始终保持土仓内压力稳定。

（4）在喷涌发生地段，应对土仓内水的来源进行判定。一般分为掌子面来水及盾构机机后来水，掌子面来水可通过增加土仓内土含量，减少气量，采用土压平衡模式掘进，用较高的水土压力，减少掌子面涌水量；盾构机机后来水，通过二次注浆，将管片与土体间间隙进行填充封闭，减少机后来水量。

（5）做好盾构机及后配套设备的保障后勤工作，减少非正常停机时间，保持连续快速推进，不能因盾构机后配套设备故障而影响掘进。

（6）加强对管片背后注浆情况检查，如果管片背后浆液凝固效果较差，注浆不充分。应加强二次注浆作业，以便尽快封堵隧道背后的汇水通道。

2.8 管片上浮

南叠区间左右线隧道掘进地层主要为：中风化砂岩、强风化砂岩和微风化砂岩。盾构掘进过程中，隧道的成型质量较好，围岩沉降量相对较小，均在可控范围内。由于开挖轮廓与成型管片外轮廓间的盾尾间隙的存在，当同步注浆浆液低强度或未及时填充该间隙时，无法对成型管片提供有效的约束作用，相反会使管片悬浮于同步注浆浆液中，必然会使管片产生上浮。

应对措施：

（1）选择合适的同步注浆浆液及方法。如调整注浆部位、注浆量、配制快凝及提高早期强度的浆液等。

（2）加强管片及盾构姿态的测量工作，及时复核导向系统显示姿态与实际人工测量姿态是否一致，管片姿态是否预警，以指导盾构机姿态调整。

（3）垂直姿态控制在-20mm～-30mm，抵消管片垂直上浮量。

（4）在掘进过程中多次进行螺栓复紧，保证管片整体性，适当增加土仓压力，使管片挤紧，更有利于管片螺旋的连接复紧。

（5）利用台车上的二次注浆设备，加强二次注浆频率，在上浮严重区段，进行环环二次注浆施工。

3 结语

南海广场站～叠滘站区间盾构法挖掘隧道工程具有复合地层条件下，城市建成区地下工程建设风险的典型特征，对该工程施工中相应的措施与经验的分析和总结，可以为同类型的地铁盾构隧道提供参照。关于地铁盾构隧道在施工中遇到的难点及相应的措施，应具体问题具体分析。施工过程中对衬砌结构造成的影响和区域内土体的水平、竖向位移应当及时监测与控制，保证隧道开挖的安全。文中的数据对计算分析研究也有一定的参考价值和科学研究的意义。