行业要闻

【摘   要】城市轨道交通的快速发展，使得盾构法隧道施工所处的环境条件日益严峻，建、构筑物与施工隧道的位置关系越来越近，要求对于控制盾构施工影响的要求也愈加严格。该文描述上海地区盾构上穿地铁线、侧穿保护建筑物和切削穿越地下障碍物的施工案例，简要阐述了盾构施工中运用的新技术。

【关键词】桥梁；盾构；穿越；浅覆土；隔离桩；爆破；新技术；上海

 

      前言

      我国城市交通基础设施建设和地下空间开发和利用，使得盾构法施工水平得到了大幅度的提高。上海在盾构法技术的应用及发展方面走在前列，特别是近年间盾构法隧道得到了飞速发展，仅2008年，实现盾构推进里程达139km，使用盾构机台数达100台，进出洞达360次。同时，盾构法隧道施工环境条件日益严峻，建、构筑物与施工隧道的位置关系越来越近，盾构穿越建、构筑物施工时对于控制盾构施工影响的要求也愈加严格。众多的施工隧道与建、构筑物特殊工况成为盾构穿越施工所面临的问题，其中比较具有代表意义的是盾构浅覆土穿越、盾构近距离穿越，以及盾构直接切削穿越。本文也将结合工程实际案例，对上述三类工况时的盾构穿越施工技术进行介绍。

1、盾构浅覆土施工技术

1.1 隧道浅覆土工况

      上海轨道交通9号线徐家汇站-肇嘉浜路站区间工程中，施工盾构顶覆土最小厚度仅4.2m的超浅覆土工况条件。施工隧道所处土层为③1灰色淤泥质粉质粘土和④灰色淤泥质粘土层。工程选用Ф6340mm国产863土压平衡盾构机。在超浅覆土推进段，位于衡山路下方有运营中的地铁1号线徐家汇站-衡山路站区间隧道和Ф900mm雨水管；天平路下有Ф1600mm雨水管和Ф1200mm上水管；天平路西侧为2～3层居民房；居民房西侧为国妇婴医院。如图1、图2所示。

1.2 技术措施

1.2.1 浅覆土处上部管线处理措施

      针对管线与隧道间距过小的情况，在盾构穿越前，对各类管线采取针对性的临泵临排、地面临排管和封闭的措施，降低可能造成的管线事故风险。待盾构穿越、管线沉降稳定后，再对所有管线进行全面检查，必要时进行维修后再恢复使用。

1.2.2 隧道抗浮措施

      盾构在超浅覆土条件下从地铁1号线隧道上部穿越时，由于1号线隧道上部土体卸载，将引起1号线隧道上浮。为此，在盾构穿越之前采取了以下抗浮措施。

      （1）路面压重：在盾构穿越1号线隧道投影区域采取钢板和铁块堆载措施。钢板厚为10cm，铁块压重厚度约40cm。

      （2）1号线隧道内压重：采用钢轨进行压重，钢轨放置在道床上，隧道断面内可放置10根钢轨，压重量为600kg/m。

      （3）施工隧道内压重：在施工隧道内采用铁块进行压重。堆载区域为轨枕以下的空间，堆载铁块量约为4t/环。铁块在管片第一节车架前3环开始堆载，与盾构推进同步进行堆载作业。

1.2.3 盾构推进分阶段控制区域划分

      根据盾构穿越特点，将穿越施工区域划分为三个施工控制阶段，即试验段、穿越段和穿越后控制段。盾构进入穿越段之前的40环范围定为试验段，从进入1号线隧道边线前10环到脱离1号线边线10环为穿越段。穿越段之后20环为穿越后控制段。通过区段划分，细化盾构推进与周边环境的关系，便于盾构推进施工的控制，特别是参数的细微调整。

1.2.4 盾构推进技术

      在推进时，需要对压力设定、推进速度、注浆参数、出土量等进行综合优化和控制，使地层损失降到最低。

      正面平衡压力设定：盾构在掘进施工中正面平衡压力的设定值根据公式计算并结合地面监测成果进行修正。实际施工期间盾构切口平衡压力设定值为0.08MPa。

      推进速度：在穿越过程中，盾构推进速度控制在8～10mm/min，尽量保持推进速度稳定，尽量减小压力的波动幅度。

      同步注浆：依据试验段摸索的同步注浆施工数据，同步注浆量为建筑空隙的210％，即每环3.5m³。少数情况根据监测数据做了适量调整。泵送出口处的压力控制在0.2MPa左右。

      二次注浆：盾构在穿越段施工期间，在盾构尾部8环处进行二次注浆，浆液为双液浆。二次注浆时注浆孔位与上部邻接块交替，每孔0.5m³。注浆量和注浆频率根据地面及隧道沉降监测数据的情况，及时进行调整。

1.2.5 监测技术及成果

      1号线隧道监测及成果：地铁1号线隧道内采用电子水平尺自动化监测设备对隧道沉降进行24h自动化监测。监测范围以两隧道穿越相交位置为中心，沿地铁1号线路纵向布设长70m的电子水平尺监测线。根据监测数据显示，盾构穿越前后1号线隧道最大隆起量约为2.3mm，如图3所示。

      民房监测及成果：对房屋沉降采用连通管和全站仪两种自动化监测设备进行24h自动化监测。通过人工监测对房屋周围地面沉降监测及房屋沉降复核测量。最终大部分房屋测点的累计沉降控制在-20mm以内。

2、超大直径土压盾构近距离穿越建筑物技术

2.1 超大直径盾构近距离穿越建筑物工况

      外滩通道盾构段从天潼路工作井始发，至外白渡桥下穿越吴淞江，随后在中山东一路下前进，至延安东路工作井。工程采用Ф14.270mm的土压平衡盾构。隧道所处土层为②_3-1灰色粘质粉土夹粉质粘土，②_3-2灰色砂质粉土，④淤泥质粘土，⑤₁灰色粘土，⑤₃灰色粉质粘土、⑤₃灰色粉质粘土夹粘质粉土。

      盾构出洞后即需穿越浦江饭店和上海大厦。浦江饭店距离隧道边线最近2.7m，上海大厦距离隧道边线最近2.9m。浦江饭店中楼采用砖墙下三合土条形基础，基础埋深1.5m。基础下地基采用直径120mm的木桩处理，桩长为3.2m。基础埋深一般为3.20m。房屋整体呈现向西向南方向的倾斜，西南角向西方向的最大倾斜率为7.75‰，房屋倾斜率偏大。如图4所示。

2.2 技术措施

2.2.1 沉降理论计算

      针对工况条件，预先进行三维数值模拟计算，分析建筑物在盾构穿越时的沉降变形情况。模拟计算得出，沿隧道开挖方向基础可能产生最大差异沉降为-12mm。

2.2.2 隔离桩保护措施

      根据理论计算的结果，考虑采取隔断加固的形式保护建筑物。隔离桩采用的FCEC全回转套管灌注桩，排桩直径为800mm，净间距200mm，灌注桩桩深大于施工隧道底部埋深约5.2m。

2.2.3 盾构穿越技术

      平衡压力控制：控制其波动范围在±0.01MPa，并严格控制与平衡压力有关的施工参数。同时利用土仓内的注入孔向土仓内加入泡沫剂，改善土体的流塑。

      推进速度：盾构推进速度不能过快，控制在10～20mm/min左右。防止速度过快引起土层应力突变而破坏建筑物结构。

      同步注浆：浆液采用新型大比重厚浆，在穿越过程中注浆量约为理论建筑空隙的130％，即19m³/环。实现6个注浆孔同步压注，并在实际注浆过程中需严格控制每个注浆孔的注浆量和注浆压力，使得浆液可以均匀填充盾尾间隙，将建筑物沉降控制在最小范围内。

      二次注浆：及时根据地表及房屋的监测情况，在隧道内进行二次补压浆。

2.2.4 监测技术及成果

      结合盾构穿越工况，在浦江饭店、上海大厦、两层民居共布设53个常规监测点，布设13个静力水准仪监测点，进行实时监测，如图5所示。

      在盾构推进通过中，上海大厦监测点沉降数据在-4mm～8mm之间波动；浦江饭店的监测点沉降数据在-7mm～-3mm之间波动。最终，上海大厦监测点最大沉降数据为-5.3mm；浦江饭店监测点最大沉降数据为-6.6mm。通过数据分析，采用隔离桩保护和合理的盾构推进施工控制，浦江饭店得到了较好的保护，沉降值远小于理论计算值。

3、盾构穿越地下连续墙施工技术

3.1 盾构穿越地下连续墙工况

      上海轨道交通9号线3标浦东南路站-中华路站区间隧道工程，如图6所示。盾构需穿越运营中的复兴东路隧道浦西引导段及其地下连续墙，采用6.34m土压平衡盾构机施工。穿越处隧道位于⑤_1-1砂质粉土层、⑤_1-2粉质粘土层和⑤₃粉质粘土夹粉土层中。复兴东路隧道引导段地板标高－8.641m，采用地下连续墙作为围护结构，地下墙-13.675m标高以下范围采用玻璃纤维混凝土。根据调查，当时施工中采用了C30混凝土，试块强度估计在40MPa左右。

3.2 技术措施

3.2.1 地下墙处理技术

3.2.1.1 处理方案

      根据复兴路隧道地下连续墙的实际情况，经过多种处理方案比选，决定采用爆破方法破碎盾构穿越位置的地下连续墙。爆破必须保证爆破振动和爆破破裂不损坏已有的复兴路隧道结构，爆破后混凝土的最大粒径不得超过200mm，以便盾构的排渣。

3.2.1.2 爆破试验

      为确保该爆破新工艺能够正式投入工程运用，预先实施了爆破试验。试验选取高2m、厚0.8m、长2.5m的钢筋混凝土作为试块，将其埋入地下-8m处，进行爆破解体。通过模拟，监测获取爆破瞬间的土压力和孔隙水压力情况，以及地面震动速度。根据实验地面实振器的监测，在距离爆心4m处，实测振动速度最大为9.1cm/s；在距离爆心14.5m处，实测振动速度最大为3.3cm/s。爆破对复兴路隧道的影响可以控制在安全范围内。

3.2.1.3实施爆破技术

      采用岩芯钻机精确钻孔，孔深27.2m，孔数11个，钻孔直径150mm，孔距采用0.8m（1倍地下连续墙厚度）。爆破开孔直径8340mm，以确保有足够的尺寸让盾构能够穿越。

      炸药采用乳化炸药，按4∶1药量配备起爆具辅助起爆。爆破最小抵抗线400mm；采用双发导爆管雷管并联、RDX起爆具辅助起爆，孔间采用ms-5（毫秒5段）延期，最大一次起爆用药量为3kg，如图7所示。

3.2.1.4 爆破后孔位回填技术

      爆破结束后对钻孔进行回填处理。标高-13.675m以下的钻孔采用惰性浆液进行充填；标高-13.675m以上的钻孔内采用M30水泥砂浆充填。

3.2.1.5 盾构穿越技术

      盾构穿越爆破后地墙主要采取以下措施。

      （1）平衡压力设定：穿越中设定压力略高于计算值，实际设定压力0.39～0.40MPa。

      （2）刀盘扭矩控制：为避免刀盘在爆破后的地下墙碎渣中卡住，刀盘扭矩应与推进速度相匹配，推进时刀盘扭矩控制在70％～80％左右，当高于85％则暂停推进，旋转刀盘降低扭矩。

      （3）推进速度：速度的控制根据刀盘扭矩进行调整，盾构基本以低速状态进行穿越切削爆破后地下墙，速度控制在2～3mm/min。

      （4）渣土改良：在穿越地下墙时，应在刀盘前添加改良剂，帮助降低刀盘扭矩。

      （5）二次双液注浆：爆破后，盾构穿越区域土体扰动加剧，通过成环管片进行二次壁后注浆控制沉降。穿越段采用增开注浆孔的特殊管片，二次注浆每环注浆量在1～1.5m³。

3.2.2 实施效果

      通过技术措施的落实，爆破和盾构穿越施工均顺利实施。期间，复兴路隧道的沉降如图8所示。

      在爆破和盾构穿越期间，复兴路隧道的沉降基本控制在-10mm之内，后期沉降也基本上控制在-15mm以内。在盾构穿越爆破后地下墙的过程中，盾构在个别环数出现螺旋机排渣不畅，但通过简单的处理，均能将小块的玻璃纤维钢筋和混凝土块取出。隧道完成后，盾构刀盘上刀具均保存完好。

4结语

      根据工程的监测数据和后期效果，盾构在实施超浅覆土、近距离穿越建筑物和穿越地下障碍物时，通过事先周密严谨的工况调研，制定周全合理的施工方案，并对各掘进施工环节的进行严格管理，可使周围的构、建筑物所受的影响程度处于受控状态，而且各项监测数据都好于预测值。在盾构施工中采用的压重、隔离桩、爆破清障等技术，对盾构安全穿越建、构筑物起到了关键作用。

      三项工程施工所采取的技术措施，以及积累的各类施工数据和施工经验将对类似工程起到很好的借鉴和指导作用。

 

[1]周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].上海:中国建筑工业出版社，2004.

[2]杨国祥，吴惠明，林家祥，等.长距离超大直径盾构隧道关键施工技术探讨[A].吴惠明，盾构法隧道施工应用技术文集[C].上海:同济大学出版社，2006:232.

[3]张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道[M].北京:人民交通出版社，2004.