盾構隧道穿越已施工風井工程風險分析及應對措施討論

張曉春

（長沙市軌道交通集團有限公司，湖南 長沙410011）

1 概 述

1.1 平面概況

阜埠河站—靈官渡站區(qū)間是長沙市軌道交通3 號線一期工程的第六個區(qū)間，區(qū)間線路正線出阜埠河站后向東北方向前穿行在天馬路下，然后橫跨瀟湘中路，橫跨湘江西汊、橘子洲和湘江東汊，橫穿湘江中路，最后進入靈官渡站。區(qū)間于湘江的東、西岸各設置一座區(qū)間風井。東岸風井位于湘江東岸沿江綠化帶地塊內(nèi)、湘江中路和勞動路交叉口以西、靈官渡泵站以南，鄰近湘江大堤，地面較平坦。東岸區(qū)間風井里程為YDK16+845.497 ～YDK16+858.582，為地下五層雙跨框架結構，全長13 m，寬28.8 m。東岸區(qū)間風井穩(wěn)定水位埋深為4.1 m，水位標高34.9 m，位于雜填土層。該工程重要性等級屬一級工程，場地復雜程度為二級場地（中等復雜場地），工程周邊環(huán)境風險等級為一級（見圖1）。

東岸區(qū)間風井采用明挖順作法施工。主體基坑深約32.5 m，基坑圍護結構采用厚度1000 mm的地下連續(xù)墻，與內(nèi)襯墻一起形成疊合墻結構。主體結構的環(huán)梁及縱梁既作為施工階段圍護結構支撐體系使用，又作為正常使用階段永久結構（見圖2）。

圖1 東岸風井位置及周邊環(huán)境

圖2 東岸風井環(huán)梁及縱梁支撐體系

1.2 工程地質(zhì)條件

地質(zhì)資料采用廣東省地質(zhì)物探工程勘察院《長沙市軌道交通3 號線一期工程KC-1 標段詳細勘察階段阜埠河路站至書院路站區(qū)間東岸風井巖土工程勘察報告》。阜書區(qū)間東岸風井地層層序自上而下依次為：

（1）雜填土層（Q4ml）。組成物主要為人工堆填的黏性土、中粗砂、碎石及磚塊、混凝土塊等建筑垃圾等。位于地表，層頂標高為36.39～39.15 m，層頂埋深為0 m，厚度為8.00～12.70 m，平均厚度9.78 m。

（2）淤泥質(zhì)土層（Q4al）。主要由黏粒及有機質(zhì)組成，為抗剪強度低、高靈敏度、高壓縮性軟土。層頂標高為25.53～29.42 m，層頂埋深為8.00～10.90 m，厚度為1.00～2.70 m，平均厚度1.97 m。

（3）沖積中砂層（Q4al）。中密狀，飽和，含少量黏粒，級配差。層頂標高為30.15 m，層頂埋深9.00 m，厚度10.60 m。

（4）沖積礫砂層（Q4al）。稍密狀，飽和，含少量粗砂，級配差。層頂標高為28.42 m，層頂埋深9.00 m，厚度3.20 m。

（5）沖積圓礫層（Q4al）。中密狀，飽和，含較多礫砂及卵石。層頂標高為25.22 m，層頂埋深12.20 m，厚度1.80 m。

（6）沖積卵石層（Q4al）。中密至密實狀，飽和，含少量黏土及砂，級配差。層頂標高為23.42～25.39 m，層頂埋深為11.00～14.00 m，厚度為0.70～4.10 m，平均厚度2.40 m。

（7）中風化泥質(zhì)粉砂巖。粉細粒狀結構，中厚層狀構造，裂隙較發(fā)育，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ級。層頂標高為0.69 ～24.18 m，層頂埋深12.70～36.00 m，揭露層厚0.90～5.71 m，平均揭露厚度3.01 m。

（8）中風化礫巖。礫狀結構，中厚層狀構造，泥質(zhì)及鈣質(zhì)膠結，巖質(zhì)較軟，裂隙較發(fā)育巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ級。層頂標高為4.59～24.69 m，層頂埋深11.70～31.80 m，揭露層厚0.50～2.30 m，平均揭露厚度1.30 m。

東岸風井地質(zhì)斷面如圖3 所示。

1.3 水文地質(zhì)條件

阜靈區(qū)間東岸風井勘察所揭露的地下水水位埋藏深淺不一，根據(jù)勘察期間測得各鉆孔的穩(wěn)定水位及場地周邊地形，建議該場地地下水位采用標高34.90 m。地下水位的變化與地下水的賦存、補給及排泄關系密切，并受季節(jié)變化影響，年變化幅度2～5 m。根據(jù)場地地形條件、勘察期間測量的水位以及長沙市年水位變化幅度綜合考慮抗浮水位，抗浮水位標高為36.50 m，平現(xiàn)狀湘江中路。據(jù)湘江長沙水文站觀測資料，最高洪水位39.18 m。

圖3 東岸風井地質(zhì)斷面圖

2 設計方案

東岸風井為地下五層結構，原設計采用先站后隧，主體結構明挖順作施工，環(huán)梁及縱梁作為支撐系統(tǒng)，計劃于2016 年4 月開始施工，2017 年1月完成底板施工具備盾構到達接收條件。而在風井進行導墻施工期間發(fā)現(xiàn)南北走向污水管道位于東岸風井站址范圍內(nèi)且不具備遷改條件，嚴重制約了圍護結構的實施，風井位置需適當調(diào)整，由此洞通節(jié)點工期受到影響。為保證洞通的時間要求，區(qū)間風井由“先站后隧”方案調(diào)整為“先隧后站”。

2.1 存在的問題

區(qū)間風井由先站后隧方案調(diào)整為先隧后站方案對豎井的施工存在如下問題：

（1）隧道先于基坑開挖施工，隧道范圍內(nèi)的四幅圍護結構地連墻在地下五層被切斷，影響風井端頭圍護結構基坑開挖時的穩(wěn)定性和防水效果。

（2）基坑內(nèi)有成型的盾構隧道，為保證既成隧道管片的完好，減小基坑開挖對管片的影響，隧頂上方1 m 至隧底范圍內(nèi)的土方開挖無法采用機械施工，隧道兩側土方開挖作業(yè)面狹隘，施工困難。

（3）管片拆除帶來的施工難點。管片拆除時必須保證既成隧道的整體受力穩(wěn)定，由于基坑內(nèi)作業(yè)空間不足，各工序間干擾較大，且單塊管片尺寸和重量均較大，給施工帶來一定困難。

2.2 解決措施

原設計圍護結構為五道環(huán)梁+ 縱梁作為支撐體系，由于地連墻被截斷，嵌固深度發(fā)生變化，需重新計算校核原支護體系的安全性。對應盾構范圍按基坑24.7 m 深計算，連續(xù)墻嵌固深度取0.3 m（見圖4）。

圖4 計算模式圖（單位：m）

取不利地質(zhì)斷面進行基坑安全及穩(wěn)定性計算得出，對于巖層結構基坑整體穩(wěn)定性能滿足要求。鑒于連續(xù)墻為后期與主體組成疊合結構，是主體結構的一部分，作為永久結構，其耐久性應滿足規(guī)范要求。經(jīng)過計算負四層結構開挖至基底，施作中四板環(huán)梁及內(nèi)撐系統(tǒng)時連續(xù)墻處在最大受力狀態(tài)，最大彎矩約810 kN·m，裂縫已經(jīng)開展，并超過規(guī)范要求的0.2 mm，對此應有相應的措施對原有結構或體系進行適當調(diào)整（見圖5）。

圖5 計算位移及內(nèi)力圖

2.2.1 圍護結構安全及穩(wěn)定性處理方案

2.2.1.1 對地質(zhì)進行加固改良

計算模型中地層自身的強度及透水性對圍護結構影響最大，且隨著基坑深度的增加，水土合算或分算引起的結果差異更大。根據(jù)地層的分布特點，一般是強透水層或強風化巖層處對應范圍圍護結構內(nèi)力較大，主要是由于該范圍透水性較強一般采取分算的計算模式。通過對圍護結構外側地層進行注漿處理，對該工程而言尤其是加強對強風化地層注漿，封堵裂隙，當巖層的透水系數(shù)滿足要求后可采取合算模式，將大大減小圍護結構內(nèi)力。

因此對于圍巖條件較好、結構整體穩(wěn)定性滿足要求的基坑可以采用。

2.2.1.2 修復原有圍護結構

既成隧道影響范圍內(nèi)圍護結構補強，待隧道施工完成后，通過植筋方式將盾構破掉的四幅地連墻進行修補，中間留2 m 行車空間。為后期運輸拆除的管片以及應急處理預留通道。植筋選擇直徑比原地連墻破除鋼筋高一型號的鋼筋，植筋深度為植筋直徑的20 倍。根據(jù)隧道施工工期倒排東岸風井施工工期，確保風井施工完第三道環(huán)梁繼續(xù)開挖時，地連墻已經(jīng)修補完成。避免出現(xiàn)基坑開挖到此處時，停工長期等待地連墻修補工序（見圖6）。

圖6 既有盾構范圍連續(xù)墻修復圖

對于圍巖條件較差、結構整體穩(wěn)定性難以滿足要求的基坑建議采用。

2.2.1.3 管片增加注漿孔

風井進出洞處管片增加注漿孔，每環(huán)管片在原來注漿孔基礎上增加10 個注漿孔。增加范圍為風井東西兩端頭左右線靠近區(qū)間隧道的10 環(huán)管片（包括洞口管片），共40 環(huán)，如圖7 所示。

圖7 預留注漿孔圖

2.2.1.4 管片背后二次注漿止水

為保證隧道管片背后環(huán)形間隙的止水效果，防止地下水通過管片背后環(huán)形間隙流入基坑，在基坑開挖前向管片背后進行二次注漿止水。風井施工完成后再次向管片背后進行注漿止水。開挖前再次緊固隧道管片連接螺栓，確保管片間連接緊密。加固范圍為風井東西兩端頭左右線靠近區(qū)間隧道的10 環(huán)管片（包括洞口管片），共40 環(huán)。加固方法為打開管片的注漿孔，每環(huán)管片注漿孔數(shù)量為16 個，向管片背后注水泥漿液。水泥采用42.5 級普通硅酸鹽水泥，水泥漿液水灰比1∶1，注漿壓力0.5 MPa。為保證補注漿效果，補漿時采用從中心向兩側逐環(huán)多孔補注，孔位保持對稱，壓力從小到大逐步遞增。補注漿后，最少間隔等強1d，方可進行下步工序。

2.2.2 其他處理措施

2.2.2.1 止水措施

基坑開挖前對風井進出洞端頭進行端頭加固，加固區(qū)域沿線路10 m，區(qū)間上下左右外擴3 m。增加管片背后二次注漿，防止圍巖中的地下水通過管片背后環(huán)形間隙流入基坑。

2.2.2.2 土方開挖

既成隧道上方1 m 以上土體人工輔助機械正常施工，為保證土方開挖過程中盾構管片的穩(wěn)定性，到達既成隧道上方1 m 后采用多人工、少機械開挖，減小對管片穩(wěn)定性的影響。同時在開挖過程中采取從上到下、左右對稱的方法開挖管片左右兩側土體，保證管片側向受力均勻。

2.2.2.3 管片拆除措施

施作完第五道環(huán)梁并且第五道環(huán)梁達到設計強度時，逐步拆除管片，再順作法施工風井。為防止基坑開挖后由于水土壓力變化導致風井范圍內(nèi)盾構隧道發(fā)生失穩(wěn)、變形，考慮采取如下措施：開挖前做好排水工作，將地下水位降至車站底板以下1 m，并且保證排水的連續(xù)性，以有效保護基坑及既成隧道的穩(wěn)定性；開挖前應將風井與隧道接口處的兩環(huán)管片的連接螺栓拆除，以防止在拆除過程中管片可能發(fā)生的上浮變形帶動既成其他管片產(chǎn)生向上的位移或結構破損；在開挖時從上到下、左右對稱地開挖管片左右兩側土體，保證管片側向受力均勻，開挖到管片中線位置，拆除吊裝上部管片，繼續(xù)開挖以下土體，拆除剩余管片。首先拆除大里程端的一環(huán)管片，將整個隧道的應力釋放出來，然后才按由東向西的順序逐步拆除管片；為保證基坑開挖和管片拆除的施工安全，在整個開挖過程中加強監(jiān)控和檢測，記錄隧道在各個開挖階段產(chǎn)生的位移和變形，如遇問題及時停止施工，通知參建各方，采取及時有效的應急措施。

2.2.2.4 支護方案

為保證隧道管片背后環(huán)形間隙的止水效果，防止地下水通過管片背后環(huán)形間隙流入基坑，在基坑開挖前向管片背后進行二次注漿止水。開挖前再次緊固隧道管片連接螺栓，確保管片間連接緊密；加固范圍為風井東西兩端頭左右線靠近區(qū)間隧道的10 環(huán)管片（包括洞口管片），共40 環(huán)。加固方法為打開管片的注漿孔，每環(huán)管片注漿孔數(shù)量為16 個，向管片背后注水泥漿液。水泥采用P.O32.5 普通硅酸鹽水泥，水泥漿液水灰比1∶1，注漿壓力0.5 MPa。為保證補注漿效果，補漿時采用從中心向兩側逐環(huán)多孔補注，孔位保持對稱，壓力從小到大逐步遞增。補注漿后，最少間隔等強1 d，方可進行下步工序。

3 結 語

結合長沙地鐵3 號線阜埔河站—靈官渡站區(qū)間工程，“先隧后站”即先于地鐵車站或區(qū)間豎井前完成區(qū)間隧道的穿越，而后施工車站主體或區(qū)間豎井基坑及主體結構，提出相應的總結及建議。

（1）一般情況下，地鐵車站或區(qū)間風井與區(qū)間隧道建設先后順序的調(diào)整往往引起圍護結構的重大變化，對于先隧后站的基坑需克服圍護結構嵌固深度變化可能引起的安全性問題、地下水沿盾構管片縱向滲透至基坑的問題及基坑土方開挖、盾構管片拆卸吊裝等問題。其中最重要的問題就是盾構范圍內(nèi)圍護結構被切斷基坑開挖時的安全、穩(wěn)定性問題。

（2）技術上加強措施包括采用既成隧道影響范圍內(nèi)圍護結構補強，待隧道施工完成后，通過植筋方式將盾構破掉的四幅地連墻進行修補；對圍護結構外側地層進行注漿處理，尤其是加強對強風化地層注漿，封堵裂隙；在基坑開挖前向管片背后進行二次注漿止水，風井施工完成后再次向管片背后進行注漿止水。

（3）施工上減小風險的措施包括采用多人工、少機械開挖，減小對管片穩(wěn)定性的影響；施作完第五道環(huán)梁并且第五道環(huán)梁達到設計強度時，逐步拆除管片，再順作法施工風井；在基坑開挖前向管片背后進行二次注漿止水，開挖前再次緊固隧道管片連接螺栓，確保管片連接緊密。