復(fù)雜工況下盾構(gòu)穿越的關(guān)鍵施工技術(shù)

樊應(yīng)芳（上海市建設(shè)工程監(jiān)理咨詢有限公司， 上海 200080）

0 引 言

上海軌道交通 2 號(hào)線西延伸工程從原 2 號(hào)線終點(diǎn)淞虹路站開始，到青浦區(qū)徐涇東站結(jié)束，線路長(zhǎng) 10.86 km；先后穿越了原 2 號(hào)線北翟路車輛段出入場(chǎng)線、外環(huán) A20 高速路、仙霞路隧道、虹橋機(jī)場(chǎng)跑道、滑行道、停機(jī)坪及 2 號(hào)航站樓、滬昆鐵路等重要建構(gòu)筑物，另外還穿越了電信通訊塔及小淶港河、廠房和住宅等。

本工程穿越施工類型多，工況復(fù)雜，施工難度非常大。本文以盾構(gòu)穿越原 2 號(hào)線車輛段出入場(chǎng)線等工程施工實(shí)踐為例，簡(jiǎn)單介紹復(fù)雜工況條件下盾構(gòu)穿越施工技術(shù)。上海軌道交通 2 號(hào)線西延伸工程線路示意圖如圖1 所示。

圖1 線路示意圖

1 工程概況

上海軌道交通 2 號(hào)線西延伸工程在施工部署、資源配置、施工管理、計(jì)劃安排等環(huán)節(jié)均做到了最優(yōu)化，從開工到全線通車總工期僅 23 個(gè)月，創(chuàng)造了軌道交通建設(shè)史上的奇跡。

1.1 工程地質(zhì)情況

本地區(qū)為軟土地層，地層成因依次為人工填土，冰?！涌?、冰?！珳\海的淤泥質(zhì)土，冰?！訚傻酿ね梁头凵啊５叵滤桓?，有承壓水威脅。穿越段工程地層特征，如表1 所示。

表1 地層特征表

1.2 穿越工程工況

上海軌道交通 2 號(hào)線西延伸穿越原 2 線車輛段出入場(chǎng)線工程采用土壓平衡盾構(gòu)法施工，穿越段主要位于 ⑤ 層灰色黏土和灰色粉砂層。施工實(shí)踐顯示，穿越段附近上部有暗浜，下部有承壓水威脅，地下水較豐富。

擬建隧道下行線 2 次從原 2 號(hào)線車輛段出入場(chǎng)線隧道正下方穿越，兩隧道平面呈 171.22° 斜交。第 1 次穿越在斜坡段，第 2 次穿越在豎曲線段。2 次穿越隧道結(jié)構(gòu)最小垂直距離分別為 3.851 m 和 3.417 m。穿越段長(zhǎng)度共 158.65 m。其中，豎曲線斜坡段（27.489‰ 下坡）長(zhǎng) 35.366 m，曲線段長(zhǎng) 123.284 m。穿越段、模擬段加影響區(qū)隧道總長(zhǎng)約220 m，穿越周期長(zhǎng)。穿越段附近管線較多，有電力電纜、信息電纜、煤氣管道、污水管道等，埋深約 0.5 m～3.0 m。

被穿越隧道為運(yùn)營(yíng)地鐵 2 號(hào)線車輛段出入場(chǎng)線，保護(hù)等級(jí)為一級(jí)。根據(jù) DG/TJ08—2041—2008《地鐵隧道工程盾構(gòu)施工技術(shù)規(guī)范》的要求，穿越施工引起的地鐵隧道變形最大不超過 5 mm，且不能影響地鐵正常運(yùn)營(yíng)。

1.3 穿越工程特點(diǎn)

根據(jù)以上工況分析，穿越工程有以下特點(diǎn)。

（1）穿越段上部有暗浜，地下水豐富，且下部有承壓水，地質(zhì)條件差。

（2）穿越段上部有隧道、管線及建構(gòu)筑物，被穿越隧道正常運(yùn)營(yíng)，環(huán)境條件差。

（3）穿越隧道與被穿越隧道之間最小間距僅 3.417 m，穿越影響長(zhǎng)度近 220 m，穿越施工周期長(zhǎng)。

（4）被穿越隧道地鐵正常運(yùn)營(yíng)，不具備加固條件，且與穿越工程間距小、長(zhǎng)度大，兩者近于平行，環(huán)境控制與施工難度均非常大。

（5）工程工期控制要求高，不允許施工有任何閃失，對(duì)施工技術(shù)和管理均提出挑戰(zhàn)。

穿越工程平、剖面布置如圖2 所示。

圖2 穿越工程平、剖面布置圖

2 穿越施工主要管理措施

2.1 成立穿越施工領(lǐng)導(dǎo)小組

鑒于本工程施工難度大，工期緊，為了使工程順利進(jìn)行，項(xiàng)目部成立了由工程建設(shè)單位、承包單位、監(jiān)測(cè)單位、盾構(gòu)機(jī)供應(yīng)商和項(xiàng)目監(jiān)理單位組成的領(lǐng)導(dǎo)和工作小組。工作小組每天 24 h 有人值班，每天一碰頭，每周一匯總，遇到問題及時(shí)匯報(bào)，及時(shí)解決。

2.2 建立數(shù)學(xué)模型，事先模擬工況

根據(jù)穿越工程斜交 171.22°、穿越段長(zhǎng) 158.65 m、最小垂直距離 3.417 m、被穿越隧道上部覆土厚度約 9.6 m等工況，在工程實(shí)施前先進(jìn)行了模擬分析。結(jié)合被穿越土體參數(shù)和有關(guān)工況，建立了有限元數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析。分析結(jié)果顯示，當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，穿越土層將產(chǎn)生一定地應(yīng)力損失，對(duì)被穿越隧道的影響范圍約200m，最大沉降約4.5 mm，滿足運(yùn)營(yíng)地鐵隧道一級(jí)保護(hù)等級(jí)要求。

2.3 編制專項(xiàng)方案，組織專家論證

隧道穿越施工屬于危險(xiǎn)性較大工程，必須編制專項(xiàng)施工方案。項(xiàng)目承包單位在模擬分析、充分調(diào)研和反復(fù)論證的基礎(chǔ)上編制了穿越施工專項(xiàng)施工方案。方案經(jīng)過承包單位技術(shù)負(fù)責(zé)人批準(zhǔn)、監(jiān)理審核后組織專家論證，論證通過后組織實(shí)施。

2.4 模擬施工

盾構(gòu)掘進(jìn)施工前 100 環(huán)一般要進(jìn)行模擬掘進(jìn)施工，目的是收集盾構(gòu)掘進(jìn)相關(guān)參數(shù)。由于本次穿越施工難度相當(dāng)大，除盾構(gòu)始發(fā)后 100 環(huán)進(jìn)行模擬施工外，在穿越施工前還進(jìn)行了一次模擬穿越施工。根據(jù)模擬計(jì)算結(jié)果，本次穿越施工設(shè)置了穿越前 30 m（312 環(huán)～337 環(huán)）模擬段，穿越后 30 m（470 環(huán)～494 環(huán)）控制段，以確保盾構(gòu)掘進(jìn)施工不影響上面運(yùn)營(yíng)地鐵隧道。

2.5 信息化施工

信息化是盾構(gòu)穿越隧道施工的眼睛，是確保周邊環(huán)境和運(yùn)營(yíng)隧道安全的保障。在工程實(shí)施前，首先在隧道推進(jìn)線路地面、建構(gòu)筑物及運(yùn)營(yíng)隧道內(nèi)布置監(jiān)測(cè)初始點(diǎn)，并測(cè)量初始值。平行于隧道軸線的地面監(jiān)測(cè)每5環(huán)設(shè)置1點(diǎn)，垂直于隧道軸線的地面監(jiān)測(cè)每 50 環(huán)設(shè)置 1 組，每組 9 點(diǎn)，距離隧道軸線分別為 2 m、3 m、6 m 和 9 m。在穿越實(shí)施過程中，周邊環(huán)境定期測(cè)量，運(yùn)營(yíng)地鐵隧道內(nèi)采用美國SLOPE INDICATOR 公司的電水平尺和 CR10 自動(dòng)數(shù)據(jù)采集器，進(jìn)行 24 h 不間斷動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)第一時(shí)間反饋給盾構(gòu)掘進(jìn)控制臺(tái)，以隨時(shí)調(diào)整盾構(gòu)掘進(jìn)及注漿參數(shù)。另外，隧道掘進(jìn)時(shí)及時(shí)測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)，及時(shí)小幅度糾偏，以減少周圍土體擾動(dòng)，降低對(duì)運(yùn)營(yíng)隧道的影響。

2.6 保駕護(hù)航

盾構(gòu)出洞前經(jīng)過了嚴(yán)格驗(yàn)收，特別是盾尾油脂加注質(zhì)量等關(guān)鍵部位。在盾構(gòu)穿越前對(duì)盾構(gòu)機(jī)及后配套設(shè)備、電瓶車、行車吊、壓漿設(shè)備等主要設(shè)備進(jìn)行檢查保養(yǎng)，確保無故障。在盾構(gòu)穿越掘進(jìn)過程中，配置有經(jīng)驗(yàn)的維修人員保駕護(hù)航。同時(shí)，建立設(shè)備供應(yīng)單位 24 h 聯(lián)系渠道，以便及時(shí)供應(yīng)故障零件。

2.7 應(yīng)急反應(yīng)

應(yīng)急預(yù)案在專項(xiàng)方案論證時(shí)一同由專家進(jìn)行了論證。項(xiàng)目監(jiān)理部根據(jù)預(yù)案要求檢查現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急物資及相關(guān)應(yīng)急措施到位情況。除穿越領(lǐng)導(dǎo)小組正常工作外，施工單位還成立了由施工項(xiàng)目部上級(jí)單位領(lǐng)導(dǎo)任組長(zhǎng)的應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)小組，一旦有應(yīng)急情況發(fā)生，立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。

3 穿越施工主要技術(shù)措施

3.1 土壓力設(shè)置

盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，盾構(gòu)刀盤上方土體失衡后會(huì)產(chǎn)生地面沉降和隆起兩種情況，所以合理控制土倉壓力可有效減少地層損失。根據(jù)土壓平衡盾構(gòu)理論，土倉壓力必須與開挖面水土壓力平衡。盾構(gòu)推進(jìn)正面水土壓力的理論值可采用以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算[1-4]：

式中：Pw、Pc分別是水、土壓力，單位為 kN/m2；w、2c分別是水、土容重，單位為 kN/m3；H是開挖面中心處深度，單位為 m；q是地面超載，單位為 kN/m2；K＝1－Sinφ'，其中，K是土的靜止側(cè)壓力系數(shù)、φ' 2是土的有效內(nèi)摩擦角。

實(shí)際壓力要考慮土體擾動(dòng)、盾構(gòu)推進(jìn)速度、超載狀況等取一定的調(diào)整系數(shù)，一般黏性土取 1.05～1.12，砂性土取 1.13～1.15。由于盾構(gòu)穿越處土體已經(jīng)被置換，穿越處的水土壓力應(yīng)小于以上計(jì)算的理論值。盾構(gòu)實(shí)際穿越時(shí)，穿越前后的壓力應(yīng)該大于穿越時(shí)的壓力值。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，本工程在模擬段（312 環(huán)～337環(huán)）和穿越后控制段（470 環(huán)～494 環(huán)）土壓力設(shè)置為 0.20 MPa，在穿越區(qū)（338 環(huán)～469 環(huán)）土壓力設(shè)置為0.16 MPa。實(shí)際穿越過程中，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整，土壓力波動(dòng)值控制在 ±0.01 MPa 范圍內(nèi)。

3.2 推進(jìn)速度設(shè)置

合理控制盾構(gòu)推進(jìn)速度，可有效減少盾構(gòu)掘進(jìn)對(duì)土體的擾動(dòng)，減少地面變形。根據(jù)類似工程實(shí)踐和模擬段實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本工程在穿越段盾構(gòu)掘進(jìn)速度控制在 0.5 cm/min～1.0 cm/min 之間，每掘進(jìn) 0.5 m 暫停 20 min，以釋放應(yīng)力。推進(jìn)速度可以通過盾構(gòu)機(jī)液壓系統(tǒng)增設(shè)節(jié)流閥、控制千斤頂進(jìn)油量等方式進(jìn)行控制，同時(shí)增設(shè)冷卻系統(tǒng)防止油溫過高。

3.3 出土量設(shè)置

出土量與土層損失緊密聯(lián)系，和土倉壓力、推進(jìn)速度也緊密相關(guān)。盾構(gòu)推進(jìn)每環(huán)出土率理論值在 95% 左右，根據(jù)類似工程和模擬段推進(jìn)實(shí)踐，本次穿越施工理論出土量為 37.8 m3/環(huán)，按照 95% 出土率計(jì)算，每環(huán)實(shí)際出土量為35.9 m3/環(huán)，而實(shí)際出土量根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果及盾構(gòu)參數(shù)微調(diào)略有不同。

3.4 管片拼裝

管片下井前要做好驗(yàn)收，特別注意止水帶粘貼，有破損和縱向裂縫的不允許下井[5]。盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)，操作人員要注意技巧。推進(jìn)后不要立即回縮千斤頂進(jìn)行管片拼裝，須等待 2 min～3 min，待周圍土體和盾構(gòu)機(jī)固結(jié)在一起后再實(shí)施千斤頂回縮?；乜s千斤頂距離要盡量少，滿足管片拼裝即可。拼裝前要清除盾尾積水、泥漿。拼裝時(shí)杜絕野蠻擠壓，以免管片破碎。盾構(gòu)司機(jī)要密切注意壓力變化，必要時(shí)可通過反轉(zhuǎn)螺旋機(jī)維持盾構(gòu)機(jī)前方土體平衡。整環(huán)拼裝后及時(shí)檢查橢圓度，并擰緊螺栓。

3.5 盾構(gòu)姿態(tài)控制

盾構(gòu)穿越施工姿態(tài)控制非常重要，在穿越過程中要小幅度均勻糾偏，同時(shí)，及時(shí)測(cè)量掘進(jìn)軸線。盾構(gòu)機(jī)司機(jī)根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和測(cè)量結(jié)果，調(diào)整推進(jìn)油缸，以控制盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)掘進(jìn)隧道軸線發(fā)生偏差時(shí)，應(yīng)按照預(yù)定方案逐步糾偏，使盾構(gòu)掘進(jìn)重新回到設(shè)計(jì)軸線上去。本工程在盾構(gòu)穿越過程中的姿態(tài)控制比較到位，姿態(tài)變化曲線比較緩和，且變化范圍均在允許范圍內(nèi)。

3.6 注漿設(shè)置

由于盾構(gòu)機(jī)外殼直徑大于管片外徑，盾尾拖出后管片與土體間會(huì)有空隙。如不及時(shí)注漿，沉降將難以控制，必須進(jìn)行同步注漿。另外，管片脫離盾尾后為了控制沉降和變形還需進(jìn)行二次注漿。為了有效控制地表和隧道沉降，本工程在穿越段（310 環(huán)～475 環(huán)）采用增加了注漿孔的特殊環(huán)。每環(huán)管片增加 10 個(gè)注漿孔，除封頂快外，每塊管片增加 2 個(gè)孔。

3.6.1 同步注漿

同步注漿量理論值可按下式計(jì)算：

式中：D、d 分別是盾構(gòu)和管片外徑，單位為 m；lG是每環(huán)管片長(zhǎng)度，單位為 m。

由于注漿不僅填充管片拼裝后的空隙，還要滲透到周邊土體中，所以實(shí)際注漿量應(yīng)大于理論注漿量，調(diào)整系數(shù)一般為 1.3～1.8。根據(jù)類似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，本次穿越在模擬區(qū)調(diào)整系數(shù)設(shè)置為 1.4，在穿越段注漿調(diào)整系數(shù)增加到1.7。實(shí)際注漿量將根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整。

同步注漿采用水泥、粉煤灰、膨潤(rùn)土、黃沙加水配置，配比為 1∶3.33∶0.83∶6.92∶6。注漿時(shí)應(yīng)控制壓力，保證漿液滲透入管片周圍土體內(nèi)，只是填充，不是劈裂。根據(jù)類似工程和模擬段施工實(shí)踐，注漿壓力設(shè)置為靜止土壓力 1.1 倍～1.2 倍，控制在 0.17 MPa～0.24 MPa內(nèi)。實(shí)際注漿壓力根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整。盾構(gòu)出洞前使用高質(zhì)量油脂進(jìn)行盾尾填充，并檢查盾構(gòu)機(jī)盾尾的油脂密封性，確保漿液不泄露。

3.6.2 二次注漿

根據(jù)類似工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在管片脫離盾尾 8 環(huán)～10 環(huán)后，結(jié)合監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)進(jìn)行了二次注漿。二次注漿可采用1∶1 的水泥單液漿或 1∶1 的水泥漿和水玻璃漿（水∶水玻璃＝3∶1）的雙液漿。本工程采用單液漿，注漿量控制在 0.5 m3/環(huán)左右，注漿壓力控制在 0.2 MPa 以內(nèi)。

為減少漿液滲漏，降低注漿壓力，防止因注漿造成管片抬升過大。注漿時(shí)采用隔環(huán)跳孔施工，單環(huán)每次施工1～2 個(gè)孔，每 2 環(huán)間隔 3 環(huán)。每次注漿結(jié)束后均需清洗壓漿管道和相關(guān)設(shè)備，確保不堵塞。一旦注漿設(shè)備發(fā)生故障，應(yīng)立即組織排除，并通知停止盾構(gòu)推進(jìn)。

4 結(jié) 語

本工程穿越施工類型多，除了穿越原 2 號(hào)線車輛段出入場(chǎng)線工況比較復(fù)雜外，穿越虹橋機(jī)場(chǎng) 2 號(hào)航站樓、滬昆鐵路等工況也較復(fù)雜。另外，外環(huán)高速路、仙霞路隧道、虹橋機(jī)場(chǎng)跑道、滑行道、停機(jī)坪及電信通訊塔、河流、廠房和住宅等穿越施工也各具特點(diǎn)，不同的工況采取的措施不同。穿越原 2 號(hào)線車輛段出入場(chǎng)線的實(shí)踐說明，在對(duì)既有隧道不采取加固等措施，僅靠控制施工參數(shù)和注漿等管理也能取得成功。

筆者認(rèn)為，在特殊工況下，盾構(gòu)穿越施工應(yīng)做好以下幾點(diǎn)工作。

（1）做好策劃。無論是運(yùn)營(yíng)隧道，還是建構(gòu)筑物，穿越施工前均必須做好調(diào)查研究，摸清被穿越體的工況，評(píng)估穿越施工對(duì)其的影響，制定具體保護(hù)和穿越措施。

（2）做好模擬。針對(duì)穿越體在穿越前做好模擬施工，收集穿越施工的具體參數(shù)，以便能順利穿越。對(duì)于像穿越原2號(hào)線車輛段出入場(chǎng)線這樣穿越周期長(zhǎng)、沒有事先保護(hù)措施的特殊工況，應(yīng)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行模擬分析。

（3）做好保駕護(hù)航。在穿越前一定確保穿越設(shè)備可靠。在掘進(jìn)過程中，一定要做好保養(yǎng)，確保設(shè)備不帶病作業(yè)。

（4）做好過程控制。根據(jù)模擬施工參數(shù)及類似工程經(jīng)驗(yàn)，在掘進(jìn)過程中做好壓力、速度、注漿、拼裝等管理，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)做好盾構(gòu)姿態(tài)控制。

（5）做好信息化施工。信息化施工是穿越成功的保證，在穿越施工過程中一定要做好信息化施工。對(duì)于像穿越原2號(hào)線車輛段出入場(chǎng)線這樣的特殊工況，一定要使用電水平尺等自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備 24 h 連續(xù)不斷動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，及時(shí)采集數(shù)據(jù)。

（6）做好應(yīng)急預(yù)案。應(yīng)急預(yù)案一定要有針對(duì)性，諸如設(shè)備故障 24 h 保修、監(jiān)測(cè)報(bào)警處理等待。應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)小組一定要由具備決策能力的人任組長(zhǎng)，應(yīng)急物資一定要落實(shí)。一旦有應(yīng)急情況出現(xiàn)，立即啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案。