盾構區間近距離下穿既有市政隧道施工案例簡介

佰明虎

摘 要：隨著城市軌道交通建設的日益完善，規模逐漸的增大，盾構施工遇到的困難種類也越來越多，在南京地區盾構施工過程中已經出現了下穿古城墻、下穿秦淮河、下穿既有高鐵運營線以及下穿市政隧道。本文就盾構區間近距離下穿既有市政隧道施工做一案例簡介。

關鍵詞：盾構施工;下穿;市政隧道

一、工程概況

（一）工程簡介

邁皋橋站～曉莊站盾構區間下穿現有市政緯一路隧道MW-13段，MW-13段長43m，寬度約28.7m，高度約8m，兩端設變形縫，圍護結構為工法樁且型鋼已拔出，隧道底板下布置工程排樁，與區間西側6根基底樁的凈距為0.76～1.88m，與區間東側6根基底樁的凈距為0.75～0.94m。緯一路隧道底板與盾構頂板凈距8m～8.5m，緯一路隧道下方盾構穿越范圍內預留既有坑底加固，加固寬度為23.7m，加固深度為緯一路隧道底板下8m左右。

（二）工程地質、水文地質

1、工程地質

盾構區間下穿緯一路隧道段為復合地層，區間中部及以上至緯一路隧道底板主要為④層可塑～硬塑粉質黏土層，下部穿越地層為侏羅系象山群J1-2xn泥質砂巖，巖面起伏較大。

2、水文地質

區間地下水類型主要為松散巖類孔隙潛水和基巖裂隙水。潛水含水層為淺部填土層及②層粉質黏土、黏質粉土層中，主要受大氣降水及居民生活用水排放補給，水位動態變化較大，水量較小，以蒸發的形式排泄?；鶐r裂隙水主要賦存在泥質砂巖中，受周圍裂隙水補給，埋藏較深，逕流一般較滯緩，因受制于基巖節理裂隙的發育狀況，富水性差異較大。

二、設計方案及控制措施

（一）緯一路隧道保護標準

考慮緯一路隧道運營期的變形，其沉降控制值采用9mm，隧道結構上浮控制值為5mm;隧道差異沉降控制值為0.04%L。非加固區段地層損失率為0.8%，加固區段地層損失為0.5%。

（二）盾構區間下穿緯一路隧道影響計算分析

1、 緯一路隧道抗浮驗算

盾構下穿緯一路隧道MW-13區段，該區段長43m，寬28.7m，總共布置28根Φ800抗拔樁，樁長17m。通過計算，盾構掘進過程中，緯一路隧道抗浮系數1.35>1.15滿足要求。

2、 Peck公式計算分析

依據派克（Peck）地層損失的概念和估算方法，當地層損失率為0.8%時，單線貫通后地表最大沉降為0.24mm，雙線貫通后地表最大沉降為0.42mm;當地層損失率為0.5%時，單線貫通后地表最大沉降為0.15mm，雙線貫通后地表最大沉降為0.26mm。兩種地層損失率，地表最大沉降均小于0.5mm，緯一路隧道的變形則更小，滿足沉降控制9mm的要求。

3、數值計算分析

利用巖土有限元軟件PLAXIS 3D建立三維有限元模型，對盾構掘進工況進行計算分析。取MW-13區段盾構正上方的緯一路隧道底板變形值，計算得盾構掘進過程中盾構正上方的底板隆起量最大達到0.26mm，最小隆起量為0.16mm，不超過5mm。底板豎向變形差異值為0.1mm，差異變形為0.005‰，不超過0.04%，變形較小。盾構掘進完成后，緯一路隧道底板沉降值最大為-1.07mm，沉降值最小為-1.0mm，底板豎向變形差異值為0.07mm，差異變形不超過0.005‰。并從模型中提取緯一路隧道斷面的彎矩值，根據隧道頂底板的配筋，反算出緯一路隧道頂底板的裂縫均未超過0.2mm，滿足緯一路隧道工程裂縫寬度的要求。

（三）下穿緯一路隧道技術措施及建議

1、盾構施工地層損失率控制

根據計算及類似工程經驗，盾構區間穿越緯一路隧道地層損失率需控制在0.5%以內，以有效控制軌道交通施工對隧道的影響。

2、穿越段管片預留注漿孔

盾構掘進過程中，應合理調整施工參數，做好同步注漿和二次注漿，減小施工對隧道的影響。根據監測必要時可進行二次補充注漿，通過預留注漿孔對周邊土體進行注漿加固以控制沉降與變形進一步發展。

3、穿越段管片加強配筋

線路下方及兩側各20m范圍內的鋼筋混凝土管片采用加強型配筋，穿越段管片采用8.8級螺栓進行加強。

（四）盾構施工參數控制要求及建議

1、為便于加強盾構施工過程的風險安全管理，本區間盾構穿越緯一路隧道段縱向控制區劃分為A、B區，A、B區之外為一般控制區。A區定義為盾構穿越隧道前10環、盾構穿越隧道后管片脫出盾尾10環和隧道本身寬度之和。B區定義為盾構穿越隧道前10環到前20環間的范圍（12m）。盾構進入控制區B區前10環之前應進行盾構檢查驗收，而后方可進行穿越控制區施工，穿越過程中盾構機應避免停機。

2、為達到盾構穿越隧道變形控制的要求，盾構推進施工過程控制是最重要的環節，應在盾構距離隧道20～100環范圍內做試驗段，采集相關盾構掘進參數，作為穿越隧道段施工參數設計的依據。

3、嚴格同步注漿及二次注漿技術標準

4、盾構設備要求

應選用與工程地質匹配的盾構機型，盾構機的性能應滿足區間推進施工長度和線性要求，選擇對周圍環境影響小的機型，具體要求如下：

（1）盾構機額定扭矩大于4000KN·m，額定推力大于3200t;（2）盾構機刀盤為面板式或復合式。開口率在28～43%;（3）具備超前注漿的功能（刀盤上布置有超前探測孔）;（4）螺旋輸送機有2道防水閘門;（5）土艙內有3個及以上的土壓計;（6）刀盤上有4個及以上添加劑注入口;（7）盾尾密封3道及以上，密封刷質量高（盾構始發時全部更換為的密封刷）;（8）盾構切削外徑與管片外徑之間的距離不宜過大;（9）如采用鉸接式盾構，在鉸接處必須具有1MPa及以上防水能力;（10）各區域推進千斤頂最大伸長量相等。

5、盾構機掘進的控制技術標準

為達到盾構穿越隧道變形控制的要求，盾構推進施工過程控制是最重要環節。土壓平衡盾構施工的主要影響因素包括正面土體壓力、刀盤和土倉壓力、排土量和掘進速度、螺旋輸送機轉速、千斤頂總推力、盾構姿態等，過程控制是否合理的直接反映就是盾構掘進過程中的緯一路隧道沉降和隆起，具體要求如下：

（1）盾構機狀態：盾構機在進入穿越建筑物段前需對盾構機進行檢修，盾構機始發前必須更換3道新的高質量盾尾刷。（2）掘進速度：盾構應勻速掘進，2cm/min≤掘進速度≤3 cm/min。（3）盾構姿態控制：盾構姿態應控制盾首或盾尾的垂直及水平偏差絕對值在一定范圍之內，同時需控制盾首和盾尾偏差絕對值之和。（4）盾尾油脂：盾尾油脂應采用高質量產品，用量為≥35kg/環。（5）渣土改良：采用泡沫劑對渣土進行改良，并向土倉及掌子面加適量水調整渣土的流動性。根據經驗，泡沫劑原液與水的用量之比為1：35，發泡率為12～15，每環泡沫使用量一般為35L～40L，渣土改良效果較好。

（五）盾構下穿緯一路廣場隧道監測控制

1、 監測項目

2、下穿緯一路廣場隧監測報警值及監測頻率

三、盾構機選型

綜合考慮區間地層情況及穿越建筑物的安全性和可靠性，結合類似工程經驗，本工程采用鉸接型土壓平衡盾構——德國海瑞克。盾構機總長約80米，盾體總重量約520t，車架重量約145t，總配置功率1200kW;刀盤最大扭矩5215kN·m，刀盤轉速2.5轉/分鐘;最大推進力為35180kN，最大掘進速度可達80mm/分鐘，最小水平轉彎半徑300m。其具有以下特點：

（1）滿足以粘質粉土、粉質黏土層為主的土壓式平衡盾構。（2）刀盤配備為復合刀盤，開口率大（36%），強度高、剛性好，能適應軟土地層中土壓平衡掘進時扭矩、推力切削排土要求工況，同時配備6把周邊滾刀，滿足穿越巖層要求。（3）推進油缸和鉸接油缸布置具備良好的糾偏和爬坡能力，保證在大坡度掘進中的軸線控制。（4）具備高精度的盾構機導向測量系統——VMT SLS-T APD自動定位隧道導向系統，以保證線路方向的準確。（5）具有良好的泡沫和添加劑注入系統，用于開挖面、土倉及螺旋機中土體的改良。（6）具備人員和材料進出用的氣壓人行閘，并且配有土倉自動調壓裝置，以適應軟弱圍巖掘進的要求。（7）盾構機主機的密封裝置在壓力狀態下具有良好的防水功能。（8）盾構機有防噴涌措施的設計。（9）由于盾構施工是在盾體內及土壓平衡的力學穩定條件下施工，盾體的剛度必須有足夠的土壓及水壓承載能力。

四、盾構下穿緯一路緯一路廣場隧道施工控制與管理

（一） 試驗段選取及目的

根據穿越段地層情況，選取地層相似的前20環～100環作為本次下穿緯一路緯一路隧道廣場試驗段，以便收集數據，調整盾構機參數。

試驗段施工過程中，主要以控制地面及建筑物沉降變形為目標，從以下幾個方面進行了試驗研究：

（1）研究粉質黏土層、強風化泥巖地層盾構正常掘進引起的隆起和沉降變形特征;（2）研究掘進參數對地表隆起和沉降變形的影響;（3）摸索盾構機在該地質條件盾構姿態和管片拼裝變化規律;（4）摸索適合于該地質條件的同步注漿（砂漿）配合比;（5）研究砂漿的注入參數對隆起和沉降的影響;（6）研究二次注漿對地表隆起和沉降變形的影響;（7）研究盾構機穿越已有隧道的技術控制措施;（8）統計各項參數與地表沉降相應關系，控制地層損失率在0.5%以內。

通過試驗段內地表沉降及地表建（構）物監測情況，及時優化施工參數，為正式下穿提供可靠依據。

（二）盾構施工參數設定與調整

參考試驗段掘進參數，根據以往施工經驗擬定出盾構下穿緯一路緯一路廣場隧道段施工參數控制，如下：

1、掘進控制

（1）推進速度：勻速推進，推進速度控制在20～30mm/min。每班平均推進3環，日進度控制在6環，保持平穩推進。（2）土倉壓力：1#：1.0～1.2bar，2#、3#：1.4～1.6bar，4#、5#：1.8～2.0bar。（3）推力、扭矩：推力控制在13000～15000KN即1300T～1500T，扭矩控制在2000KN·m以下。（4）刀盤轉速：控制在1.0～1.2rpm。（5）盾構機姿態：穿越段處于直線上，盾構機姿態水平姿態-5～+5，水平趨向控制在0～+1，垂直姿態-10～-20，垂直趨向控制在0～+2。（6）管片拼裝：根據管片排環表，注意沿線管片分布情況，選擇管片型號。（7）同步注漿：穿越段采用硬性漿，注漿壓力控制在3～4bar，注漿量保證每環實際不少于5.0m3?？筛鶕軜嫏C運行情況和地表監測情況，對注漿參數進行調整。（8）盾尾油脂：盾尾油脂注漿泵壓力控制在20～22bar左右，每環均勻注入，每環注入量保證不小于40kg（每桶油脂注入5～6環）。（9）渣土改良：根據掘進情況，采用泡沫劑改良：泡沫劑原液與水的用量之比為1：35，發泡率為12～15，每環泡沫使用量一般為35L～40L。（10）出土量控制，推進單環理論出土量控制在4～6m3。（11）加強盾構司機、技術員、拼裝手交流和配合，能更好控制盾構姿態，確保盾尾間隙和管片拼裝質量。

2、二次補漿

根據地表沉降及管片姿態情況，在進穿越段前十環和出穿越段后十環的位置注雙液漿環箍，每處注漿量4～5m3，注漿壓力控制在5～6bar，以注漿壓力為主要控制條件，以隔斷管片外壁過水通道，減少穿越段漿液流失。

在下穿段內，根據地表及建筑物監測情況，針對性注入單液漿，注漿壓力控制在2～3bar，主要在管片上部180°范圍內開孔。

下穿段參數根據試驗段掘進監測情況，適當優化。

（三）盾構穿越緯一路緯一路廣場隧道施工管理

（1）盾構工程師跟班作業，緊盯現場。對各班組進行嚴格管理，對施工各工序進行質監督。（2）每日由盾構工程師下達技術指令，班組嚴格按照技術指令設定的參數和要求進行施工。（3）由盾構工程師牽頭，利用交班時間與掘進班長、拼裝班長就前一班施工中出現的問題進行討論并得出解決方案，確保思想統一，推進、拼裝方法協調一致。（4）盾構工程師每環對推進千斤頂油缸、盾尾間隙、超前量進行量測，根據量測結果與盾構姿態結合分析和比對，指導盾構機司機推進。（5）盾構工程師要根據施工現場實際情況對盾構掘進的技術參數進行調整，確保推進系統的合理性。（6）測量人員定期對已成型隧道軸線進行復測，同時對盾構機測量系統進行校核，確保盾構測量系統工作正常。

五、結語

盾構下穿市政既有隧道，施工難度大，影響因素多，在嚴格控制施工管理的同時，也要制定并完善施工時的安全保證措施，盡最大的努力，保證施工順暢、人員安全，既有隧道受影響程度最小。

作者簡介：柏明虎，男，漢族，江蘇南京人，南京地鐵建設有限責任公司，高級工程師。