中心城區(qū)復(fù)合地層條件下超大直徑盾構(gòu)法隧道重難點分析

江 帆

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市 200092）

0 引言

某隧道主體為單管雙層雙向四車道盾構(gòu)隧道。受用地條件限制，隧道沿線需側(cè)穿或下穿施工中地鐵車站、已運營地鐵車站、規(guī)劃地鐵區(qū)間、河道、橋梁、火車站等眾多建構(gòu)筑物，周邊環(huán)境極其復(fù)雜。

隧道全長4.55 km，其中盾構(gòu)段長3.5 km。

1 線路設(shè)計

（1）線路平面設(shè)計

線路起點為了避讓人行天橋和立交橋梁樁基，線位向北側(cè)偏移（明挖圍護(hù)樁外邊緣與橋梁樁基平面距離控制到2.2 m），在現(xiàn)狀立交橋東側(cè)設(shè)置盾構(gòu)工作井。出工作井之后線路進(jìn)入盾構(gòu)段，避讓立交匝道橋梁樁基，避讓在建地鐵車站及其區(qū)間隧道（平面距離該車站地下連續(xù)墻最近處約3.4 m），然后避讓立交橋梁和河道現(xiàn)狀小橋，穿越河道后，設(shè)置一小半徑平曲線（R-300 m）以避讓43層高層建筑，下穿6層停車場、幼兒園以及3棟6層混凝土房屋后，繼續(xù)下穿規(guī)劃地鐵區(qū)間段、火車站站房和已運營地鐵明挖車站，然后避讓邊檢大樓、現(xiàn)狀地下通道和高層建筑，下穿高架匝道橋梁樁基礎(chǔ)，與現(xiàn)狀高架橋梁共線，出高架橋影響范圍后設(shè)置工作井，最后以明挖暗埋段接現(xiàn)狀道路到達(dá)終點。

平面線形盡可能避讓橋梁樁基、地鐵車站（區(qū)間）以及建（構(gòu)）筑物，采用小半徑平曲線。盾構(gòu)隧道需穿越橋梁、高層（多層）、地鐵車站區(qū)間、火車站、地下通道等建（構(gòu)）筑物，施工條件苛刻，但加強(qiáng)施工控制也具有實施可行性。

（2）線路縱斷面設(shè)計

線路縱斷面主要控制條件：隧道縱坡主要受兩端接線道路銜接標(biāo)高，下穿的地鐵站出入口、河道規(guī)劃、規(guī)劃地鐵區(qū)間段、火車站基礎(chǔ)及樁基、已運營地鐵站明挖段等標(biāo)高，隧道抗浮安全，工作井位置和盾構(gòu)進(jìn)出洞覆土深度，橫向道路管線敷設(shè)深度等條件控制，同時縱斷面設(shè)計還應(yīng)滿足最小和最大縱坡的要求。

本項目線路在起點以4.7%的縱坡接入隧道，然后下穿在建地鐵站出入口通道（隧道頂距離地下通道底板底按5 m控制），在河道處，隧道頂距離河床底約14.2 m，之后以0.8%的緩坡下穿多層混凝土房屋，在火車站處避讓火車站樁基、在已運營地鐵站處避讓車站結(jié)構(gòu)及圍護(hù)墻（保證不小于1 m凈距）。過火車站后以0.7%的緩坡逐漸向上爬升，在進(jìn)入終點工作井前以4.4%的縱坡接入現(xiàn)狀道路。在河道處有14.2 m覆土深度（0.98D，D為隧道外徑14.5 m，下同），能確保施工期間和運營期間的安全。起點和終點工作井處，隧道埋深分別為11.5 m（0.79D）和 9.65 m（0.67D），覆土深度均大于0.6D，進(jìn)出洞覆土深度均能滿足加固和安全要求，并具有良好的施工條件。

（3）橫斷面布置

本工程隧道段按快速路60 km/h設(shè)計車速標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，主線采用雙向四車道，不設(shè)硬路肩，單向?qū)挾葹?.0 m，布置為0.5 m（左側(cè)路緣帶）＋2×3.5 m（機(jī)動車道）＋0.5 m（右側(cè)路緣帶）[1]。盾構(gòu)橫斷面布置見圖1。

圖1 盾構(gòu)橫斷面布置（單位：mm）

根據(jù)建筑限界及設(shè)備布置綜合考慮，隧道內(nèi)徑為13.3 m，管片外徑為14.5 m。

3 盾構(gòu)機(jī)選型

盾構(gòu)機(jī)的選型是否合理，是盾構(gòu)施工成敗的關(guān)鍵。選擇盾構(gòu)類型時，除應(yīng)考慮施工區(qū)段的地質(zhì)條件、地面情況、隧道長度、隧道平面、工期和使用條件等各種因素外，還應(yīng)結(jié)合開挖和襯砌的施工問題，選擇可以安全經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行施工的盾構(gòu)類型。

本工程盾構(gòu)機(jī)要穿越礫質(zhì)粘性土、強(qiáng)風(fēng)化變質(zhì)砂巖、中風(fēng)化變質(zhì)砂巖、微風(fēng)化變質(zhì)砂巖。根據(jù)地質(zhì)條件和工程經(jīng)驗，復(fù)合式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)和復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)均適用于本工程。本項目施工場地受限，復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)不需要泥漿處理場，施工場地較小，更適合本項目。因此，從工程實施的場地條件、安全性、盾構(gòu)來源等方面綜合考慮，建議采用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

無論采用新制或改制盾構(gòu)機(jī)，本工程所選盾構(gòu)機(jī)需滿足在覆土24.2 m（隧道底最大埋置深度38.7 m）、水壓0.4 MPa條件下的推進(jìn)要求。同時，盾構(gòu)機(jī)需根據(jù)工程實施進(jìn)度要求及時到達(dá)施工現(xiàn)場，且推進(jìn)速度應(yīng)滿足項目總工期的要求。

4 重難點分析及對策[1-4]

（1）周邊建(構(gòu))筑物密集，建設(shè)條件復(fù)雜

本項目位于城市中心區(qū)內(nèi)，項目周邊已經(jīng)完成城市開發(fā)，周邊建筑物非常密集，道路沿線有橋梁、河道、鐵路、地鐵、建筑物等眾多制約因素，隧道的建設(shè)條件復(fù)雜。

隧道平面設(shè)計中明挖段避開了天橋和立交橋的橋樁，基坑開挖采取保護(hù)措施，確保施工過程中天橋的安全使用。

隧道縱面設(shè)計中使盾構(gòu)盡量在較為均一的地層中穿越，在穿越居民區(qū)、火車站及地鐵站區(qū)段，適當(dāng)加大隧道埋深，最大限度地減少盾構(gòu)施工的影響。

（2）復(fù)合地層條件下超大直徑盾構(gòu)長距離掘進(jìn)

隧道沿線穿越地層變化很大,盾構(gòu)在上軟下硬地層掘進(jìn)時，由于刀盤受力不均，盾構(gòu)本身的姿態(tài)容易改變，盾構(gòu)姿態(tài)控制及掘進(jìn)方向控制較困難。為適應(yīng)復(fù)合地層條件下的隧道掘進(jìn)，應(yīng)選用復(fù)合型盾構(gòu)機(jī)。該盾構(gòu)穿越區(qū)間巖石抗壓強(qiáng)度多在80 MPa以下，采用現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)施工，對大部分地層是適應(yīng)的，但在極硬巖及軟硬不均地層施工，現(xiàn)有盾構(gòu)機(jī)刀盤不適應(yīng)，施工風(fēng)險較大，必須新購盾構(gòu)機(jī)或?qū)ΜF(xiàn)有的盾構(gòu)進(jìn)行改造，使之能夠適應(yīng)該盾構(gòu)區(qū)間的地質(zhì)條件。

在設(shè)計階段要進(jìn)一步探明工程地質(zhì)情況，設(shè)計選線時應(yīng)盡量避開軟硬不均地層，使隧道位于均勻地質(zhì)中，以降低盾構(gòu)施工的風(fēng)險。必要時在盾構(gòu)機(jī)通過前，對沿線一些不良地質(zhì)條件地段進(jìn)行地基加固，如壓力灌漿，以有效控制地下水壓力下降并減少地面和周邊建筑物的沉降。

（3）超大直徑盾構(gòu)隧道掘進(jìn)對鄰近超高層建筑影響分析及對策

隧道近距離側(cè)穿43層高層建筑、28層高層、21層高層、33層高層等。高層建筑樁基均為端承樁，盾構(gòu)從其側(cè)邊穿過，避開結(jié)構(gòu)樁基。

盾構(gòu)施工時，擬從以下方面采取保護(hù)措施：a.盾構(gòu)推進(jìn)保護(hù)措施：檢查盾構(gòu)機(jī)設(shè)備狀態(tài)，調(diào)整盾構(gòu)施工各參數(shù)；嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)軸線，避免超挖；盾構(gòu)通過高層建筑時，應(yīng)放慢施工速度，但不得停止推進(jìn)；盾構(gòu)通過高層建筑樁基后，應(yīng)根據(jù)地層變形監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行二次注漿。b.工程措施：根據(jù)需要采取隔離樁或加固等工程措施來保護(hù)高層建筑樁基。c.變形監(jiān)測：在盾構(gòu)穿越期間，須對建筑物進(jìn)行沉降監(jiān)測，將監(jiān)測數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確地反饋給中央控制室，中央控制室正確判斷地面所反映的情況，及時調(diào)整施工參數(shù)，確保盾構(gòu)順利穿越。穿越后仍須進(jìn)行觀測并及時反饋，以便進(jìn)行后期補(bǔ)壓漿的控制和調(diào)整，直到地面沉降穩(wěn)定。

（4）超大直徑盾構(gòu)隧道下穿現(xiàn)狀火車站分析及對策

盾構(gòu)需要下穿火車站鐵路股道、火車站站房。根據(jù)盾構(gòu)隧道穿越火車站鐵路股道的加固原理和施工案例，盾構(gòu)隧道下穿鐵路的加固技術(shù)一般分三種：地基加固、洞內(nèi)加固和扣軌加固。綜合鐵路股道實際情況，從施工安全角度考慮，本盾構(gòu)隧道下穿鐵路股道的加固方案為：地面袖閥管注漿+洞內(nèi)加固相結(jié)合的方案，扣軌加固作為施工應(yīng)急預(yù)案時采用。

盾構(gòu)穿越站房結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量在其樁基下方穿過，見圖2。在盾構(gòu)下穿火車站前，對所有設(shè)備進(jìn)行徹底的檢查和維修（刀具、注漿系統(tǒng)、盾尾刷等），確保盾構(gòu)機(jī)以最佳狀態(tài)下穿，在自動檢測系統(tǒng)反饋的檢測數(shù)據(jù)指導(dǎo)下，采用向盾體周圍注入膨潤土的方式，土壓平衡模式通過。及時注漿，盡快填充環(huán)形間隙使管片盡早支撐地層。

圖2 盾構(gòu)穿越站房結(jié)構(gòu)

（5）超大直徑盾構(gòu)隧道下穿已運營地鐵車站分析及對策

隧道需下穿已運營的地鐵1號線車站（見圖3）。

圖3 盾構(gòu)下穿已運營地鐵車站

在縱斷面設(shè)計時，盾構(gòu)外緣距離車站圍護(hù)樁底不小于1 m，并盡量加大隧道埋深，避免切割車站圍護(hù)樁，減少盾構(gòu)施工對地鐵的影響。

下穿既有線，沉降控制是本節(jié)點的最大難點，施工前開展地鐵保護(hù)方案專項評審，施工中采取周密措施確保將沉降變形控制在允許范圍內(nèi)，確保地鐵不減速運營[2]。

（6）超大直徑盾構(gòu)隧道下穿橋梁樁基分析及對策

線位在K2+600處，為了避開3棟地上33層超高層建筑，將下穿高架匝道橋4個橋墩樁基礎(chǔ)。

在盾構(gòu)掘進(jìn)至橋下前，新建托換樁基，將上部結(jié)構(gòu)荷載轉(zhuǎn)變至托換樁基上，在盾構(gòu)推進(jìn)過程中可維持原橋面交通[3]。

本工程托換結(jié)構(gòu)采用全預(yù)應(yīng)力混凝土托換承臺的受力體系。在托換承臺兩側(cè)各布置直徑1.8 m和1.2 m鉆孔灌注樁（要求樁底注漿），并對現(xiàn)有承臺進(jìn)行接長、加寬、加厚處理，新托換承臺支承于兩側(cè)新建的樁基上，并通過在樁帽上頂升千斤頂來控制既有老橋上部結(jié)構(gòu)的變形，待結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力張拉后，鋸除老橋樁基礎(chǔ)，并利用千斤頂控制托換承臺高程，穩(wěn)定后澆注樁頂混凝土，完成老橋基礎(chǔ)托換，見圖4。

圖4 盾構(gòu)下穿橋梁樁基

（7）超大直徑盾構(gòu)隧道長距離掘進(jìn)對鄰近橋梁樁基影響分析及對策

該處高架橋基礎(chǔ)為樁基+承臺，樁長深入基巖，為端承型樁。盾構(gòu)從其側(cè)邊穿過，對承載力影響不大，但對其水平變形要加以控制[4]。為了減小對樁基的擾動，對注漿壓力與注漿量雙控，使?jié){液盡快填充空隙，保證盾尾后方整個影響區(qū)域的壓力平衡。

圖5 盾構(gòu)長距離掘進(jìn)對鄰近橋梁樁基加固

盾構(gòu)穿越樁基，開始推進(jìn)和結(jié)束推進(jìn)時，應(yīng)逐步提高與降低掘進(jìn)速度，防止千斤頂軸力突變。在推進(jìn)過程中應(yīng)適當(dāng)加快推進(jìn)速度，盡量保持推進(jìn)速度的恒定，保證切力與推力的穩(wěn)定，做到推進(jìn)速度與推力的雙控。

在盾構(gòu)推進(jìn)中對上部橋梁和墩柱監(jiān)測，并采用經(jīng)濟(jì)合理的工程加固措施：

a.動態(tài)調(diào)整施工參數(shù)，嚴(yán)格控制地層損失率、同步注漿和泥土平衡壓力，降低推進(jìn)速度,延長壁后注漿時間。

b.對墩柱頂變形實時監(jiān)測,做好在墩頂或臨時支架上設(shè)千斤頂將橋梁上部頂起以調(diào)整連續(xù)箱梁變形的預(yù)案。

c.樁基部位預(yù)先埋設(shè)注漿管，根據(jù)監(jiān)測資料進(jìn)行跟蹤注漿。

5 結(jié)語

本文以城市中心區(qū)超大直徑盾構(gòu)隧道工程為背景，通過對隧道沿線周邊環(huán)境進(jìn)行踏勘梳理，對隧道平縱線形進(jìn)行優(yōu)化，并根據(jù)地質(zhì)條件、場地條件等因素進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)選型，最后分析本項目重難點并提出針對性對策措施：

（1）隧道平面線形盡可能避讓橋梁、地鐵、建構(gòu)筑物，條件特別受限時采用小半徑曲線；隧道縱斷面避讓地鐵出入口、河道、火車站樁基以及地鐵站圍護(hù)樁等，并適當(dāng)加大隧道埋深，使隧道位于較均勻地質(zhì)中。

（2）盾構(gòu)機(jī)穿越復(fù)合地層，軟有粘性土，硬至微風(fēng)化巖，根據(jù)地質(zhì)條件和場地情況，建議選用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。

（3）隧道側(cè)穿超高層建筑，下穿現(xiàn)狀火車站、已運營地鐵車站和橋梁樁基礎(chǔ)，并長范圍近距離側(cè)穿高架橋梁樁基，從預(yù)先加固、盾構(gòu)施工、實時監(jiān)測、事后檢測和應(yīng)急預(yù)案等方面提出了控制措施。