超大直径盾构穿越地铁站施工变形控制

刘 平

（上海三维工程建设咨询有限公司，上海 200000）

1 引言

本次穿越为国内首次采取超大直径盾构直接切削车站地连墙。地铁站已完成轨道铺设，且左线盾构先行穿越对土体造成扰动，新建隧道下穿施工将二次扰动土体，加剧土体的变形和沉降，若防护措施不力，将导致既有隧道出现衬砌破坏或者变形过大，影响既有车站的安全。如何采用合适的施工方式新建隧道下穿车站，将风险控制在合理范围内，是施工时必须解决的首要问题。

2 工程概况

建宁西路过江通道隧道土建施工项目A2 标段为越江隧道右线盾构段、江南盾构接收井及明挖段土建工程施工。工程范围：穿越长江隧道右线盾构段、右线隧道江中废水泵房、疏散口等土建工程；江南盾构接收井及井后明挖段土建工程、风井和出入口工程（含配套市政设施工程）、雨水泵房施工。其中，越江盾构段长2 361.782m，隧道外径14.5m，内径13.3m。采用1 台Ф15.07m泥水气压平衡复合盾构机施工。盾构机从江北工作井始发，完成右线隧道推进后，在江南工作井接收。盾构自1 127 环开始切削地铁站地连墙，至1 146 环盾构机完全穿过地铁5 号线建宁路地铁站。穿越车站时，平面曲线为右曲R=3 460，纵断面线形为4.5%上坡，平面隧道与车站夹角约为93°，纵断面隧道与地墙垂直夹角约为85°。地墙纵筋采用Ф28 螺纹钢筋，横筋采用Ф20 螺纹钢筋，地墙混凝土强度等级为C40。车站底板以下2.432m 至墙底标高范围内，连续墙配筋采用全螺纹玻璃纤维增强筋，以等直径原则代替钢筋。临时立柱混凝土强度等级为C40，立柱主筋为Ф16 钢筋，桁架钢筋为Ф20 钢筋，箍筋为Ф8钢筋。盾构穿越地铁5 号线建宁路地铁站时，土层由上到下为：杂填土、淤泥质粉质黏土夹粉砂、淤泥质粉质黏土夹粉砂、粉质黏土夹粉砂、粉砂。盾构穿越断面内地层为：淤泥质粉质黏土夹粉砂、粉质黏土夹粉砂。

3 施工风险

本次穿越为国内首次采取超大直径盾构直接切削车站地连墙。地铁站已完成轨道铺设，且左线盾构先行穿越，已经对土体造成扰动，因此，对右线穿越提出更高的要求。下穿段处于淤泥质粉质黏土加粉土、粉砂地层，地质条件较差，若穿越过程中参数设置不合理，主体结构容易出现裂缝、渗漏水等情况，或对铺设轨道造成较大影响，如沉降过大、水平位移过多等，致使经济损失大、修复困难，因此，需要采取正确的施工控制措施，确保盾构穿越任务顺利完成。穿越过程需切削地连墙和立柱桩，因此，刀具至关重要，需采用针对性的刀具，以保证在完成切削任务的同时，减小对地铁站的扰动。同时，施工时的泥水压力直接关系到地铁站的整体沉降，泥水压力偏大挤压前方土体会造成车站底板隆起，而泥水压力偏小又会造成车站整体下沉，依据试验段参数总结，采用0.9～1.1 倍静止土压力系数计算泥水压力，依据实时监测值及时调整。盾尾注浆是在盾构机主体通过后补充建筑空隙的关键点，采取注浆量和注浆压力双控机制，通过注浆完成对车站变形量的二次控制。

4 施工控制措施

4.1 穿越地铁站设计改良措施

本工程盾构机的泥水平衡盾构压力波动比较敏感，在气泡舱内，通过调节器调节压缩空气压力来补偿泥水液位压力差值，调节精度为±0.005MPa，便于控制正面压力平衡，对地铁站变形控制精度较高；采取常压，可更换全盘滚刀，以应对切削地连墙和临时立柱桩。其中，圆刃滚刀高度225mm，常压刮刀高度185mm，普通刮刀和边刮刀高度165mm。盾尾密封系统采用4 道螺栓钢丝刷+1 道钢板束+1 道止浆板，配置4×18个油脂压注孔，以保证砂性地层中的盾尾密封，再采用自动测量系统实时提供盾构姿态，便于盾构操作人员控制好盾构姿态。盾构注浆系统采用单液注浆方式，注浆管路能够满足双液浆压注需求，在始发段、浅覆土段及特殊地层段，可压注双液浆，以控制成型隧道稳定。采用10 点注浆，盾构机同步浆液系统具备双液浆压注功能。1 号车架处配备2 个20m3容积的浆桶，配备5 台100m3/h 的高压KSP20 柱塞式注浆泵，单点单管压注；2 号车架处配备1 个4m3容积的速凝剂浆桶，配备10 台10m3/h 的螺杆泵，单点单管压注，以实现同步双液浆压注。施工中，为有效支撑地层变形、减少隧道上浮、防止壳体段泥水后窜等，可结合各项监测数据，在掘进中，通过盾体预留孔进行壳体注浆。考虑本工程工况的特殊性，刀盘超挖、盾体锥度、小曲率施工等因素，盾构机配备1 套海纳泵设备，盾体预留2 道注浆孔。在不影响拼装机移动的前提下，在1 号车架与拼装机的空处搭设钢结构注浆平台，以利于及时对脱出盾尾管片进行二次注浆，加快成型管片稳定。最后，通过盾构机车架新浆系统及时对开挖面补充新浆，提高泥膜质量。新浆系统配备浆桶5个，大流量高压注入泵1 台。新浆材料组成包括HS-1、HS-2、HS-3、水等。管片设计改良，可全线设置剪力销，以有效控制管片拼装过程中的错台，每处环缝共设置28 个。全线管片预埋有注浆孔、标准块和邻接块，每块预埋2 个，封顶块预埋1 个，每环共19 个，以保证盾构穿越后，根据地表和管线沉降情况，及时、足量地进行补压浆。

4.2 穿越阶段施工措施

原则上根据隧道上部覆土厚度和荷载变化，计算盾构机切口到达前15 环（30m）和盾尾通过后10 环（20m）切口水压值。实际施工中，按照地面沉降结果进行调整，最终穿越过程中，依监测报表实时调整。推进过程中，将气泡仓液位控制在中心位置-0.5m～+0.5m 范围内，尽量减少液位波动，平稳掘进施工。若切口前地面沉降，则需调高压力设定值，反之调低；若盾尾后部地面沉降，则需增加同步注浆量，反之减少。下穿建宁路地铁站段施工时，为减少对周围土体的扰动，避免在途中耽误时间，推进速度一般控制在15～20mm/min 之间，在切削车站地墙和临时立柱桩时，控制速度为5～10mm/min；为了控制盾构正前方的地面沉降，必须降低刀盘的转速，正常情况下控制在0.8r/min，切削车站地墙和临时立柱桩时，调整至1.2r/min，以降低贯入度，充分切削，减少对地铁站的影响；通过计算理论总推力为100 000kN，推进时总推力控制在100 000±10 000kN；根据软土地层推进经验值，刀盘扭矩应控制在2～3MNm，若刀盘扭矩出现异常波动，需检查、更换抽刀；泥比重过高与过低，会破坏泥水的输送能力和开挖面的稳定，特泥水比重应控制在1.15～1.25g/cm3，下限为1.15g/cm3，同时可考虑重浆，比重为1.25～1.3g/cm3。通过同步注浆及时充填建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。本隧道盾构施工采用10 点注浆法，理论注浆量为26.46m3，注浆作业按一般充填系数1.1～1.3 压注，应严格控制同步注浆量和浆液质量。注浆时，采取注浆压力及注浆量双控。当注浆压力达到设计压力，注浆量达到设计注浆量的80%以上时，应结束注浆，防止压力过大造成负面影响。同时，依据实时监测数据，实时调整注浆总量，以控制沉降量。根据路面变形情况，确定新的施工参数和注浆量等信息、指令，并传递给盾构推进面，并及时作相应调整，最后通过监测确定效果，反复循环、验证、完善，以保证隧道施工质量。

4.3 穿越参数分析

盾构穿越地铁站时，遵循快速穿越原则。未开始切削任务时，推进速度保持在15～20mm/min，刀盘转速0.8r/min，快速通过，以减小对车站的影响；而在切削地墙和立柱桩时，刀盘转速提高至1.2r/min，推进速度降低至5～10mm/min，通过降低贯入度充分切削地墙和立柱桩。图1中切削左侧地墙时，扭矩略有增大，由于立柱桩仅有3 根，在降低贯入度后，扭矩显著减小，对地铁站影响较小；而在切削右侧地墙时，扭矩有明显增大现象，后泥水泵压力异常，除清理出混凝土块外，还有螺纹钢筋、钢丝绳卡扣、大铁链，因第二道地墙处存在大量异物，导致切削时扭矩增大。

图1 推进参数历时曲线图

5 施工监测

穿越过程中对建宁路站主体结构左、右线侧墙沉降、立柱沉降、附属结构沉降、隧道与附属结构连接处差异沉降，保持24h 车站及地面巡查，2h 车站监测。其中，附属结构累计最大沉降量F7变化1.5mm，整体均在1.5mm 以内；而车站主体与附属结构连接处累计最大沉降量JGK9-2 变化1.2mm，整体均在1.5mm 以内；盾构穿越地铁站时，刀盘于1 132～1 133 环首先切削Ф800 地连墙，左侧地墙点位变化最大为ZC22 隆起1.9mm，左侧地墙整体变化在2mm 以内。左侧地墙竖向位移如图2 所示。

图2 左侧地墙竖向位移

盾构切削Ф800 地连墙后，于1 137 环切削3根Ф1 000 立柱桩，立柱桩点位变化最大为LZ13隆起1.4mm，立柱桩整体变化在1.5mm 以内。立柱竖向位移如图3 所示。

图3 立柱竖向位移

盾构穿过立柱桩后，于1 143 环切削右侧Ф800 地连墙，右侧地连墙点位变化最大为YC17沉降1.8mm，右侧地连墙变化在2mm 以内。右侧地墙竖向位移如图4 所示。

图4 右侧地墙竖向位移

6 结语

穿越地铁站前25 环作为试验段进行经验总结，试推进阶段的施工参数为之后穿越过程提供了有效支撑，同步注浆采取注浆压力和注浆量双指标控制，同时，严格控制同步浆质量，根据实施监测数据，及时调整施工参数，最终地铁站穿越任务圆满完成，各项监测沉降量均远低于控制值，保证了地铁站与建宁西路隧道的施工安全，且该工程有效控制了下穿过程中的风险点，成为超大直径盾构切削地铁站地连墙首个成功案例，希望为此类工程提供经验积累，完善隧道施工技术。