上海軌道交通12 號線9 標(biāo)盾構(gòu)進(jìn)洞施工技術(shù)分析與研究

蔣鈞

（上海隧道工程有限公司，上海200032）

1 工程概述

上海軌道交通12 號線9 標(biāo)段工程包含龍華路站～龍漕路站、漕寶路站～龍漕路站2 段單圓盾構(gòu)區(qū)間隧道。其中，龍華路站～龍漕路站區(qū)間上行線長度為960.878m，下行線長度為945.306m，引入2 臺φ6 340mm 土壓平衡盾構(gòu)先后從龍華路站開始向龍漕路推進(jìn)，均從龍漕路站東端頭井進(jìn)洞，洞門中心標(biāo)高為-8.67m，地面標(biāo)高為+4.81m。漕寶路站～龍漕路站區(qū)間上行線長為873.542m，下行線長為869.221m，同樣采用2 臺φ6 340mm 土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，由漕寶路站向龍漕路站推進(jìn)，區(qū)間隧道上、下行線均從龍漕路站西端頭井進(jìn)洞，洞門中心標(biāo)高為-8.359m，地面標(biāo)高為+4.24m。

本工程盾構(gòu)進(jìn)洞主要涉及的土層為：①1 填土、①2 浜填土、②黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、③夾砂質(zhì)粉土、④1 淤泥質(zhì)黏土、⑤2 砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土。盾構(gòu)主要穿越土層為④1 淤泥質(zhì)黏土，但需注意區(qū)間隧道下部的⑤2 砂質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土，該土層滲透系數(shù)高、且含微承壓水水頭，盾構(gòu)進(jìn)洞需采取有效技術(shù)措施以確保周圍建構(gòu)筑物和施工的安全。

2 地基加固

鑒于盾構(gòu)下臥⑤2 土層進(jìn)洞，施工風(fēng)險極大，本工程兩區(qū)間上行線的龍漕路站端頭井地基加固以水泥系加固為主，再輔以水平凍結(jié)加固；由于兩區(qū)間的下行線進(jìn)洞加固部分區(qū)域位于龍漕路現(xiàn)有道路上，交通繁忙，無法翻交，導(dǎo)致該處不能采用水泥系加固，故地基加固以垂直凍結(jié)為主、再輔以水泥系加固，進(jìn)洞時采取鋼套筒及割留盾尾措施[1]。

2.1 水泥系地基加固

盾構(gòu)進(jìn)洞水泥系地基加固采用三軸攪拌樁結(jié)合三重管高壓旋噴樁的加固方式，加固范圍為隧道上、下、左、右各3m，由于施工場地的限制，東、西端頭井加固長度分別為8m 和9m，部分區(qū)域在圍擋外現(xiàn)有道路上無法施工，如圖1 所示。隧道下3m 至隧道上3m 區(qū)域為三軸攪拌樁強(qiáng)加固，水泥參量為20%，隧道上3m 至地面為弱加固，水泥參量為7%，攪拌樁直徑850mm，搭接長度300mm，采用梅花布樁形式，以提高樁間止水效果，成樁下沉速度控制在0.5m/min，提升速度為1.0m/min。攪拌樁與地下連續(xù)墻之間的500mm 縫隙采用三重管高壓旋噴樁進(jìn)行補(bǔ)加固，水泥參量為570kg/m，直徑1 200mm，搭接長度300mm，樁長約19.5m，鉆桿提升速度應(yīng)控制在0.1～0.15m/min。加固土體應(yīng)有良好的自立性、均質(zhì)性和密封性，28d 無側(cè)限抗壓強(qiáng)度達(dá)到0.8～1.0MPa，滲透系數(shù)小于10～8cm/s。

圖1 龍漕路站東端、西端頭井水泥系地基加固平面圖

2.2 水平凍結(jié)加固

由于施工場地的局限，為了確保地基加固質(zhì)量，本工程兩區(qū)間的上行線均輔以水平凍結(jié)的加固方法，在洞口外側(cè)形成一道與工作井地連墻緊貼的凍土墻，其作用是抵抗土層側(cè)壓力的作用，防止泥沙和地下水進(jìn)入隧道進(jìn)洞口，保障盾構(gòu)進(jìn)洞安全順利。東端頭井布置外圈水平凍結(jié)孔32 個，深度7.9m，凍土帷幕有效厚度6.5m，內(nèi)圈凍結(jié)孔25 個，深度2.9m，凍土帷幕有效厚度1.5m；西端頭井布置外圈水平凍結(jié)孔25 個，深度5.4m，凍土帷幕有效厚度4.0m，內(nèi)圈凍結(jié)孔19 個，深度3.4m，凍土帷幕有效厚度2.0m，盾構(gòu)進(jìn)洞水平凍結(jié)加固凍結(jié)孔布置如圖2 所示。鹽水最低溫度設(shè)置在-28～-30℃，凍土墻擴(kuò)展速度約25mm/d，積極凍結(jié)35d 后凍結(jié)壁平均溫度應(yīng)不高于-10℃，洞門鑿除后凍土墻與槽壁交接區(qū)域溫度不高于-5℃，盾構(gòu)進(jìn)洞前必須通過測溫孔觀測計算，確定凍土墻交圈并達(dá)到設(shè)計厚度且凍土與槽壁完全膠結(jié)后，方可進(jìn)行進(jìn)洞施工。

圖2 東、西端頭井上行線水平凍結(jié)孔布置圖

2.3 垂直凍結(jié)加固

本工程兩區(qū)間下行線均采用垂直凍結(jié)并在隧道底部加設(shè)一排水平凍結(jié)孔的加固方法，垂直凍結(jié)施工采用非金屬PVC管作為凍結(jié)管材料，凍結(jié)完成后不用拔除，盾構(gòu)可以直接切削PVC 凍結(jié)管，避免拔管時可能出現(xiàn)的斷管、涌沙、冒水等危害，提高盾構(gòu)進(jìn)洞的安全性?？紤]到東端頭井加固區(qū)域在現(xiàn)有道路上的面積較大，垂直凍結(jié)孔布置3 排共45 個，深20.4m，在盾構(gòu)切削斷面外靠現(xiàn)有道路側(cè)設(shè)置2 排水平凍結(jié)孔共15 個，深度3.4m，開孔間距為800mm，排距為700mm；西端頭井豎直凍結(jié)孔布置3 排共46 個，深19.5m，在切削斷面外下部設(shè)置1 排水平凍結(jié)孔共6 個，深3.7m，開孔間距為650mm，排距為700mm，東、西端頭井凍結(jié)孔布置圖如圖3 和圖4 所示。鹽水溫度設(shè)置在-28～-30℃，由于端頭井已完成水泥系輔助加固，水泥水化潛熱引起地層溫度升高，平均溫度38.7℃，為使盾構(gòu)進(jìn)洞時凍土帷幕達(dá)到足夠的強(qiáng)度，在積極凍結(jié)期前設(shè)置預(yù)凍結(jié)期，預(yù)凍結(jié)20d，凍土墻的擴(kuò)展速度約13.2mm/d，由于工況條件不同，東、西端頭井下行線分別積極凍結(jié)40d 和50d 后凍土墻厚度達(dá)到2.2m，滿足加固強(qiáng)度和溫控的要求。

圖3 東端頭井下行線垂直免拔凍結(jié)孔平、剖面布置圖

圖4 西端頭井下行線垂直免拔凍結(jié)孔平、剖面布置圖

3 鋼套筒接收裝置

為提高盾構(gòu)進(jìn)洞安全性，增設(shè)安裝鋼套筒接收裝置（見圖5）。鋼套筒采用定加工的制作方式，外徑6 942mm，內(nèi)徑6 710mm，分為基座、過渡環(huán)、第一、第二、第三、第四環(huán)鋼套、端板及后靠。各部件依次吊運(yùn)下井安裝，定位要準(zhǔn)確、固定要合理、焊接及密封性要保證。鋼套筒根據(jù)進(jìn)洞線性要求，鋼套筒過度環(huán)與洞圈存在一定角度，需對存在間隙部分進(jìn)行補(bǔ)充焊接，使之與洞圈密貼。在端板和井壁結(jié)構(gòu)之間安裝 609mm鋼圍檁支撐后靠，采用鋼板焊接墊實(shí)并加灌水泥砂漿，使鋼套筒受力均勻、端面平整，滿足盾構(gòu)進(jìn)洞時的受力變形要求。鋼套筒安裝完成后應(yīng)加水試壓，滿足設(shè)計壓力0.3MPa，并穩(wěn)壓30min 后放水，不滿足則對滲漏處進(jìn)行封堵，直至滿足密封與試壓要求。盾構(gòu)進(jìn)洞前在鋼套筒底部60°范圍內(nèi)拌制強(qiáng)度為M5 的弧形水泥砂漿基座，待鑿除洞門后其余空間通過用原狀土進(jìn)行填充，盾構(gòu)通過洞門進(jìn)入鋼套筒內(nèi)可直接切削砂漿基座并采用螺旋機(jī)正常出土，保持鋼套筒內(nèi)土壓力與土層壓力相平衡，降低施工風(fēng)險，使盾構(gòu)機(jī)安全完成接收[2]。

圖5 鋼套筒接收裝置

4 加固區(qū)推進(jìn)

在加固區(qū)外推進(jìn)方面，應(yīng)嚴(yán)格控制切口處的平衡土壓力，并以實(shí)際土壓力為核心控制總推力、出土量、同步注漿量、刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩等相關(guān)技術(shù)參數(shù)。為了避免出現(xiàn)欠挖、超挖等情況，應(yīng)減少平衡壓力的波動。根據(jù)實(shí)際情況，可將平衡土壓力設(shè)定為0.18MPa，推進(jìn)速度設(shè)置為1.5cm/min。在確保地面沉降與周邊建構(gòu)筑物監(jiān)測情況良好的狀態(tài)下，使盾構(gòu)均衡勻速施工。在進(jìn)洞段姿態(tài)變化過程中，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控，做到細(xì)微之處加強(qiáng)觀察，盡量避免糾偏，減少對土體的擾動。對管片超前量進(jìn)行細(xì)致檢查，預(yù)先計算好每環(huán)的楔子量，確保推進(jìn)線路與隧道軸線相符合，擁有良好的進(jìn)洞姿態(tài)，并采用穩(wěn)坡法、緩坡法推進(jìn)，避免盾構(gòu)施工對地面造成不良影響[3]。

在加固區(qū)內(nèi)推進(jìn)方面，最大限度地均衡施工，以此減少對周圍土體產(chǎn)生的擾動，將推進(jìn)速度控制在1cm/min 為最佳。待盾構(gòu)進(jìn)入凍結(jié)區(qū)后，可根據(jù)刀盤油壓與地面監(jiān)測情況對土壓力值進(jìn)行調(diào)整，將其控制在0.10～0.12MPa。盾構(gòu)在穿越凍結(jié)區(qū)時應(yīng)連續(xù)作業(yè)，減少停頓，因凍結(jié)區(qū)正面土質(zhì)較硬，為了有效控制推進(jìn)軸線并保護(hù)刀盤，應(yīng)耐心削磨，使土體能夠被充分切削，為盾構(gòu)機(jī)在加固區(qū)的順利推進(jìn)提供保障。

5 同步注漿與環(huán)箍注漿

通過同步注漿的方式將建筑縫隙及時填堵，避免施工造成土體損失。采用外送商品漿進(jìn)行同步注漿，注漿填充量1.7m3，為建筑空隙的100%，泵送出口壓力設(shè)置為0.3MPa。注漿量可根據(jù)注漿壓力值與地層變形及周邊環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)而定。進(jìn)洞段推進(jìn)速度較慢時，應(yīng)對漿液壓注均勻性進(jìn)行合理控制，防止注漿集中或者間斷，使建筑縫隙得到有效填充。

因盾構(gòu)進(jìn)洞推進(jìn)過程中，同步注漿填補(bǔ)后仍可能存在一定縫隙，漿液收縮變形也會引起地面沉降，為避免出現(xiàn)局部土體位移引起地表沉降，在進(jìn)洞施工過程中采用環(huán)箍注漿施工工藝，環(huán)箍注漿采用雙液漿，每立方米漿液配比42.5 級水泥1 000kg、水玻璃250L，注漿量可根據(jù)地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)的情況及時進(jìn)行調(diào)整。環(huán)箍注漿可以在已成型隧道的管片預(yù)埋注漿孔或盾構(gòu)機(jī)殼體預(yù)留孔進(jìn)行注漿施工，本工程區(qū)間隧道進(jìn)洞段管片特意增設(shè)了預(yù)埋注漿孔，將除封頂塊以外每塊管片預(yù)埋注漿孔從1 個增加至3 個，共計16 個/環(huán)；盾構(gòu)機(jī)殼上原設(shè)置2 道孔，每道6 個，共計為12 個，孔徑為 32mm，孔位避開千斤頂伸縮區(qū)域，不會對盾構(gòu)推進(jìn)施工造成影響，在開孔位置加裝2 寸球閥。洞門破除前，在非加固區(qū)與加固區(qū)連接的對應(yīng)位置實(shí)施雙液漿環(huán)箍壓注，每環(huán)壓住約0.3m3；洞門破除后，在具備條件之處同步進(jìn)行環(huán)箍施工，采用注漿量與注漿壓力雙控的方式進(jìn)行調(diào)節(jié)。

6 凍結(jié)加固進(jìn)洞

6.1 上行線水平凍結(jié)加固進(jìn)洞

進(jìn)洞之前，要將上行線盾構(gòu)切削斷面范圍內(nèi)的水平凍結(jié)管拔除，數(shù)量為19 根，為避免滲漏，凍結(jié)管去除后還應(yīng)用水泥砂漿對孔道進(jìn)行臨時封堵。拔管采用熱鹽水循環(huán)解凍5～8min 后，利用千斤頂以水平方向向外拔除凍結(jié)管，先拔中圈凍結(jié)管，內(nèi)圈保持繼續(xù)冷凍，然后間隔拔除內(nèi)圈凍結(jié)管，對于沒有拔除的相鄰管路保持繼續(xù)冷凍，確保凍結(jié)管在24h 內(nèi)完成拔除，并及時進(jìn)行回凍。因短期加熱強(qiáng)制式化凍的融化程度有限，在拔管后的48h 內(nèi)會自然回凍，然后凍土再從外到內(nèi)逐漸融化，通常在10～15d 后承載力逐漸喪失[4]。

在洞門鑿除后，盾構(gòu)應(yīng)盡快施工，縮短進(jìn)洞時間。當(dāng)盾構(gòu)坐上基座導(dǎo)軌后，盾構(gòu)機(jī)推出槽壁約6.5m，盾尾未露出，便完成第一次進(jìn)洞。由于洞圈直徑與盾構(gòu)外徑存在一定間隙，為了防止土體流失，此時立即設(shè)置安裝帶有注漿孔的弧形鋼板封堵洞圈，并通過預(yù)留注漿管進(jìn)行雙液漿壓注填充，在隧道內(nèi)盾構(gòu)機(jī)后3 環(huán)處可利用二次注漿設(shè)備通過管片上的注漿孔進(jìn)行壁后環(huán)箍注漿，保證進(jìn)洞加固段的密封性。首次進(jìn)洞壓漿完畢后，在地面沉降穩(wěn)定的情況下，可實(shí)施盾構(gòu)二次進(jìn)洞，推進(jìn)至全部管片拼裝完畢，并提前準(zhǔn)備負(fù)環(huán)管片，利用底部5 組千斤頂將盾構(gòu)機(jī)全部推出直至盾尾脫出洞圈，用設(shè)有預(yù)留注漿孔的弧形鋼板將洞圈與進(jìn)洞環(huán)管片預(yù)埋鋼板焊接密封后再次進(jìn)行補(bǔ)壓漿，此次洞圈處和隧道內(nèi)均采用流動性更好、后期強(qiáng)度更高的單液水泥漿，保障填充注漿強(qiáng)度，避免水土流失。

6.2 下行線垂直凍結(jié)加固結(jié)合鋼套筒進(jìn)洞

由于本工程兩區(qū)間下行線盾構(gòu)進(jìn)洞區(qū)域地面局部為現(xiàn)有道路，進(jìn)洞施工風(fēng)險大，部分區(qū)域水泥系加固無法實(shí)施，故采用垂直免拔凍結(jié)加固為主，水泥系加固為輔，結(jié)合鋼套筒進(jìn)洞并割留盾尾的措施。在盾構(gòu)掘進(jìn)至距凍結(jié)區(qū)3m 范圍時，停止推進(jìn)開始洞門鑿除工作，同時在隧道內(nèi)盾構(gòu)機(jī)后3 環(huán)處進(jìn)行環(huán)箍注漿。洞門鑿除至內(nèi)排鋼筋，斷開并去除盾構(gòu)切削斷面位置PVC 免拔凍結(jié)管內(nèi)的供液管，將其中的鹽水吹出，并用水泥砂漿將PVC 免拔凍結(jié)管回填，其余部位的垂直凍結(jié)管與鋼套筒外部的水平凍結(jié)管保持繼續(xù)冷凍。待洞門鑿除完成后，將鋼套筒內(nèi)回填滿原狀土并封閉，然后盾構(gòu)開始恢復(fù)推進(jìn)，通過刀盤切削破除加固體內(nèi)的PVC 免拔冷凍管，同樣進(jìn)入鋼套筒內(nèi)切削砂漿基座并正常出土，推進(jìn)至將剩余管片全部拼裝完成，此時盾尾未脫出洞圈，從鋼套過渡環(huán)預(yù)留的注漿孔進(jìn)行雙液漿注漿加固，填充完畢后，再利用單液漿封堵滲漏的通道，隧道內(nèi)同樣進(jìn)行環(huán)箍注漿施工。在注漿結(jié)束且具備一定強(qiáng)度的情況下，可適量出土降低鋼套筒內(nèi)的土體壓力，用弧形鋼板將盾構(gòu)機(jī)殼體內(nèi)側(cè)與進(jìn)洞環(huán)管片端面的預(yù)埋鋼板焊接密封，同時在接收井內(nèi)由上至下割除鋼套筒的過渡環(huán)，每段過渡環(huán)的割除長度應(yīng)與弧形鋼板長度相一致，每割除一段過渡環(huán)必須馬上進(jìn)行清理并用弧形鋼板將洞圈與盾構(gòu)機(jī)殼體外側(cè)焊接密封，確保焊接質(zhì)量，直至所有的弧形鋼板全部與盾構(gòu)機(jī)殼體焊接完成，再次填補(bǔ)管片與洞圈間的空隙，通過盾構(gòu)機(jī)殼體兩側(cè)焊接弧形鋼板上的預(yù)留注漿孔分別進(jìn)行注漿填充，漿液采用單液漿，然后割留與管片和洞圈焊接部分的盾構(gòu)機(jī)殼體尾部，完成進(jìn)洞施工[5]。

7 施工監(jiān)測

在地面變形監(jiān)測方面，根據(jù)上級單位工程風(fēng)險點(diǎn)監(jiān)測工作要求，與該工程實(shí)際情況相結(jié)合，在位于推進(jìn)方向上盾構(gòu)進(jìn)洞段22m 范圍內(nèi)，沿著軸線6.5m、11.5m、16.5m 和21.5m 處設(shè)置監(jiān)測橫斷面，該斷面在軸線左右兩側(cè)分別布設(shè)2 個深層沉降點(diǎn)，與中線相距為3.1m 和6.2m，呈現(xiàn)梅花狀布設(shè)；在盾構(gòu)進(jìn)洞段22m 外，沿著軸線每3 環(huán)設(shè)置1 個沉降監(jiān)測點(diǎn)，每30 環(huán)設(shè)置1 個沉降監(jiān)測斷面，以軸線中心往兩側(cè)3m、6m、10m、15m和22m 處各設(shè)置1 個沉降監(jiān)測點(diǎn)，共計11 個監(jiān)測點(diǎn)位，每個沉降斷面設(shè)置2 個深層沉降點(diǎn)。在進(jìn)洞段范圍內(nèi)，有臨近的建構(gòu)筑物（河濱大樓、萬豐盛景大廈等），應(yīng)事先布設(shè)監(jiān)測點(diǎn)，在盾構(gòu)穿越過程中，只需以原測點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測，對監(jiān)測頻率進(jìn)行加密，確保此類建筑安全；在穿越區(qū)上方相鄰有多類管線，原則上盡可能采用現(xiàn)有管線監(jiān)測點(diǎn)，在條件允許的情況下開挖布設(shè)直接監(jiān)測點(diǎn)，點(diǎn)位數(shù)量均由現(xiàn)場復(fù)核而定。進(jìn)洞段施工時，監(jiān)測頻率至少每天2 次，如若在施工時出現(xiàn)地層變形量變化異常，可有針對性地增加監(jiān)測頻率，并采用二次注漿等有效措施使地層變形盡快恢復(fù)正常。

8 結(jié)語

綜上所述，當(dāng)前軌道交通工程規(guī)模不斷擴(kuò)大，盾構(gòu)進(jìn)洞施工需要克服的難點(diǎn)隨之增加。在施工中，應(yīng)堅持加強(qiáng)技術(shù)支撐，根據(jù)施工實(shí)際情況對各項參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，采取專項安全施工技術(shù)方案，減少和避免安全事故的發(fā)生，本工程4 臺盾構(gòu)最終順利完成進(jìn)洞施工，可為后續(xù)類似工程積累寶貴經(jīng)驗。