安通街棚戶(hù)區(qū)盾構(gòu)機(jī)超淺埋掘進(jìn)技術(shù)

張迎堂 中交二航局第三工程有限公司

1.工程概況

哈爾濱地鐵3號(hào)線二期出入段線采用明挖+盾構(gòu)兩個(gè)工藝施工。盾構(gòu)段采用單洞雙線隧道形式，左線長(zhǎng)1702m，右線長(zhǎng)1841m，隧道外徑6.0m，最小轉(zhuǎn)彎半徑300m。兩臺(tái)土壓平衡盾構(gòu)機(jī)從明挖段盾構(gòu)井出發(fā)，進(jìn)入紅星路，棚戶(hù)區(qū)、信義溝，下穿鐵路橋，轉(zhuǎn)入安通街接收井。

盾構(gòu)始發(fā)井設(shè)置在明挖段端頭DK2+684.929m，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)后掘進(jìn)263m，在DK2+410.542m進(jìn)入棚戶(hù)區(qū)正下方。盾構(gòu)機(jī)從DK2+410.542至DK1+500下穿紅星村棚戶(hù)區(qū)，共計(jì)長(zhǎng)910m。盾構(gòu)隧道頂覆土為2.3～23m。

紅星村棚戶(hù)區(qū)房屋為農(nóng)民自建民居，修建時(shí)代為20世紀(jì)八九十年代，基礎(chǔ)為條基或無(wú)基礎(chǔ)，1～3層不等、房屋整體性差、從外觀查看房屋不同程度均存在裂縫。部分房屋為增加空間，在室內(nèi)開(kāi)挖有地下室，在房頂進(jìn)行了二次接高。房屋的穩(wěn)定性受到進(jìn)一步的破壞。

2.工程地質(zhì)及周邊環(huán)境情況

盾構(gòu)穿越的棚戶(hù)區(qū)，地勢(shì)兩端高中間低，承V字型，地面高程介于138.7～167.7m之間，自然高差較大。線路設(shè)計(jì)時(shí)以中間最低點(diǎn)作為控制高程，在保證線路控制坡度的同時(shí)與兩端相接。線路埋深按照6.0m（一倍洞涇）進(jìn)行控制。根據(jù)地勘報(bào)告，盾構(gòu)穿越地層為4-2層可塑～硬塑粉質(zhì)黏土層和5-1層可塑～硬塑狀粉質(zhì)黏土層。

5-1粉質(zhì)黏土：黃褐色～褐黃色、灰褐色，可塑，含鐵錳結(jié)核和銹斑、黑色斑點(diǎn)，局部含少量淺白色斑紋，夾少量粉土層，中壓縮性土，層底深度約10.00～37.20m，平均厚度約5.13m。

4-2粉質(zhì)黏土：褐黃色～黃褐色，可塑，含鐵錳質(zhì)結(jié)核和少量黑色條紋，局部可見(jiàn)少量菌絲，偶見(jiàn)孔隙，局部夾粉土薄層，中壓縮性土，層底深度約2.60～19.00m，平均厚度4.03m。

地下水類(lèi)型主要有第四系孔隙承壓轉(zhuǎn)無(wú)壓水?？紫稘撍€(wěn)定水位埋深為23.10～47.80m（高程范圍110.78～127.38m），位于區(qū)間隧道下方，對(duì)盾構(gòu)隧道無(wú)影響。

3.盾構(gòu)掘進(jìn)方案

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)，棚戶(hù)區(qū)共有風(fēng)險(xiǎn)源258處，其中一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源房屋3處（該處房屋地下室底至盾構(gòu)隧道頂厚度不足3m），二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源174處。在以人為本，人民生命安全為第一位的今天，鑒于如此多的風(fēng)險(xiǎn)，建議將棚戶(hù)區(qū)拆遷后再進(jìn)行隧道施工。項(xiàng)目將拆遷后施工的方案和地方政府多次協(xié)調(diào)未果，最終決定按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)。埋深不足一倍洞徑盾構(gòu)，為淺埋盾構(gòu)，此項(xiàng)目盾構(gòu)埋深最小2.3m為超淺埋盾構(gòu)隧道。為了保證人民的生命安全，盾構(gòu)掘進(jìn)至建筑物前40m前對(duì)盾構(gòu)影響范圍內(nèi)的住戶(hù)進(jìn)行騰遷，待掘進(jìn)通過(guò)、地層穩(wěn)定后再遷回。

4.技術(shù)措施

4.1 盾構(gòu)機(jī)

盾構(gòu)機(jī)采用2臺(tái)φ6140 mm 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)開(kāi)挖直徑6170mm，刀盤(pán)采用開(kāi)口率50%的輻條式刀盤(pán)，最大推力36750kN，扭矩最大7527kN·m，采用主動(dòng)鉸接系統(tǒng)。

4.2 開(kāi)展棚戶(hù)區(qū)環(huán)境調(diào)查

項(xiàng)目開(kāi)工前為對(duì)棚戶(hù)區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查。共排查了棚戶(hù)區(qū)中256間房屋，其中下穿的有176間，側(cè)穿房屋80間。居民生活對(duì)該區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造改變極大，特別是線路頂部的覆土層。雜填土層范圍和厚度變化大，私建的地下室開(kāi)挖深度達(dá)3.0m，破壞了地層的連線性，降低了線路的覆土厚度。線路覆土最薄處約為2.3m。居民開(kāi)挖的排水管井、排水管道、水井零星分布在線路上，距離隧道頂最少的為2.04m。盾構(gòu)下穿建（構(gòu)）筑物具體情況如下：

（1）棚戶(hù)區(qū)：盾構(gòu)區(qū)間連續(xù)約1km下穿棚戶(hù)區(qū)，垂直距離2.32～15m不等。棚戶(hù)區(qū)多為簡(jiǎn)易民房、商鋪，基礎(chǔ)為自然基礎(chǔ)，高度1～3層不等，一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源3處、二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源174處、三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源79處；

表1 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)表

（2）信義溝：盾構(gòu)區(qū)間下穿信義溝，垂直距離約3.5m。覆土厚度淺，雨季水位較高，地質(zhì)可能存在斷層，為二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源；

（3）污水管道：位于盾構(gòu)區(qū)間正上方，垂直距離約2.04m。φ1200mm污水混凝土管道，距離隧道近，由于管道時(shí)間久遠(yuǎn)，可能存在滲漏，周?chē)嬖谒遥L(zhǎng)期浸泡造成周?chē)馏w不穩(wěn)，施工危險(xiǎn)系數(shù)高，為三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源。

4.3 始發(fā)段參數(shù)確定

盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入棚戶(hù)區(qū)前有一段263m的空地，空地表面裸露，地層分部和棚戶(hù)區(qū)無(wú)過(guò)大差異。充分利用這段空地，結(jié)合信息化施工手段，測(cè)試了不同的掘進(jìn)參數(shù)組合產(chǎn)生的地面沉降反應(yīng)，從而選擇最優(yōu)的參數(shù)組合。

根據(jù)穿越地層為可塑-硬塑的粉質(zhì)黏土層的特點(diǎn)，確定小推力，低扭矩，保壓掘進(jìn)方案，每天進(jìn)行渣樣塌落度實(shí)驗(yàn)，時(shí)刻監(jiān)控土倉(cāng)壓力變化。如表1所示：

盾構(gòu)掘進(jìn)在34.5‰大坡度下坡上，為避免由于盾體自重引起盾構(gòu)下沉，將刀盤(pán)軸線提高50mm。

二次注漿在盾構(gòu)機(jī)拖出盾尾5環(huán)后，每5環(huán)為一個(gè)單位，針對(duì)大坡度施工實(shí)際情況，二次注漿前每5環(huán)施做封水環(huán)，防止二次注漿漿液流向刀盤(pán)位置，已施工區(qū)段管片二次注漿不密實(shí)。封水環(huán)采用水泥水玻璃雙液漿通過(guò)管片拼裝孔6個(gè)點(diǎn)位環(huán)向注入，效果良好。

4.4 堆載反壓

盾構(gòu)機(jī)到達(dá)房屋前30m（25環(huán)），將住戶(hù)人員及影響范圍內(nèi)房屋住戶(hù)人員臨時(shí)騰遷，并采用沙袋堆滿(mǎn)地下室（有條件時(shí)對(duì)房屋周?chē)?m米范圍內(nèi)）進(jìn)行反壓；待盾構(gòu)機(jī)通過(guò)1個(gè)月后且變形穩(wěn)定后，進(jìn)行沙袋卸載。

對(duì)棚戶(hù)區(qū)調(diào)查出的19戶(hù)埋深不足5m的正穿、側(cè)穿所有地下室及部分房屋外側(cè)利用沙袋進(jìn)行了反壓。

對(duì)下穿埋深不足5m滲井、菜窖，在盾構(gòu)推至前30環(huán)前，利用粘土回填，待施工完成1個(gè)月，地面監(jiān)控量測(cè)穩(wěn)定后進(jìn)行清理恢復(fù)。

4.5 高頻度監(jiān)控量測(cè)

棚戶(hù)區(qū)房屋密集，連成片，主體房屋前后多為簡(jiǎn)易搭建房屋，對(duì)布點(diǎn)影響較大。為確保監(jiān)測(cè)點(diǎn)能有效反應(yīng)房屋變形情況，測(cè)點(diǎn)盡量入戶(hù)布置，大部分獨(dú)立房屋布點(diǎn)不少于3處。臨街門(mén)面房、胡同兩側(cè)、沿街、新舊建筑物接縫兩側(cè)及伸縮縫等有差異的位置均進(jìn)行了監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)。房屋裂縫監(jiān)測(cè)，采用貼片布點(diǎn)的方式，更便捷、直觀反應(yīng)出了裂縫變化程度。

地表沉降共計(jì)布設(shè)199個(gè)點(diǎn)位，建筑物監(jiān)測(cè)點(diǎn)共計(jì)布設(shè)204個(gè)點(diǎn)位，裂縫觀測(cè)布設(shè)150處。

施工監(jiān)測(cè)班組在現(xiàn)場(chǎng)租賃辦公室專(zhuān)人負(fù)責(zé)，24h值班。加密監(jiān)測(cè)頻次：地表點(diǎn)1次/12h、建筑物1次/4h。

4.6 采用克泥效進(jìn)行渣土改良

克泥效是由合成鈣基黏土礦物、纖維素衍生劑、膠體穩(wěn)定劑和分散劑構(gòu)成。將高濃度的泥水材料與塑強(qiáng)調(diào)整劑（即水玻璃）兩種液體分別通過(guò)盾構(gòu)機(jī)徑向孔注入到盾體周邊，對(duì)盾構(gòu)機(jī)上方土體形成填充進(jìn)而控制地表沉降?；旌虾蟮牧鲃?dòng)塑性膠化體具有一定強(qiáng)度，不易受水稀釋?zhuān)移漯ば砸膊浑S時(shí)間而變化。

5.盾構(gòu)掘進(jìn)效果

通過(guò)技術(shù)措施保證和現(xiàn)場(chǎng)嚴(yán)格執(zhí)行，盾構(gòu)機(jī)順利穿越棚戶(hù)區(qū)，施工過(guò)程中未發(fā)生不可控事件、事故。

地表沉降控制較好，199個(gè)點(diǎn)位，沉降超限1個(gè)累計(jì)沉降值為-37mm。建筑物變形可控，未出現(xiàn)傾斜和倒塌事件。建筑物監(jiān)測(cè)204個(gè)點(diǎn)位，變形超限36個(gè)（涉及6棟建筑物），變形累計(jì)最大值-52mm。

6.結(jié)束語(yǔ)

盾構(gòu)機(jī)可以在適當(dāng)?shù)牡貙又邪踩焖俚慕ㄔO(shè)隧道，在淺埋深，地表結(jié)構(gòu)物復(fù)雜的區(qū)域，在地質(zhì)條件允許的情況下，通過(guò)一些極端的措施可以完成隧道的掘進(jìn)。盾構(gòu)機(jī)巨大的重量，掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)地層產(chǎn)生的巨大擾動(dòng)，以及巨大的體積均表明其不太適合在埋深較淺的地層中進(jìn)行掘進(jìn)。類(lèi)似淺埋深，穿越棚戶(hù)區(qū)的盾構(gòu)隧道，建議在棚戶(hù)區(qū)拆遷后進(jìn)行實(shí)施。