盾构穿越轨道交通线路的施工技术及措施

韩 磊

（上海市建设工程安全质量监督总站，上海 200032）

0 前言

某隧道工程是世博园区配套工程，长度累计3947 m，共3287环。隧道内径φ5500 mm；隧道外径6200 mm；管片厚度为350 mm。衬砌采用预制钢筋混凝土管片，通缝拼装。管片环全环共6块管片构成，环宽1200 mm。管片强度等级C55、抗渗等级为S10。

该工程线路主要经过市中心，穿越多条轨道交通线路，现以穿越运营的轨道交通4号线为例浅谈一下盾构穿越轨道交通施工技术和措施。

该隧道在6＃工作井-5＃工作井之间穿越轨道交通4号线，该隧道区间为SK6+300.99～SK5+496.55，长804.44 m，纵断面为V型坡，区间隧道顶部覆土厚度最大为27.38 m，最小为15.64 m。

1 盾构隧道穿越地铁概况

区间盾构在6＃工作井向5＃工作井推进时将下穿已运营管理的轨道交通4号线，穿越段中心里程SK6+008.5～SK5+997.5，穿越段隧道坡度-0.98%，对应环数为240-255环，隧道顶部与4号线上行线底部的垂直距离为9.4 m，与4号线下行线底部的垂直距离为3.0 m（见图1）。

6＃井-5＃井段隧道下穿地铁4号线，穿越位置处在中山南路和南车站路交叉口，交通特别繁忙。施工隧道处在南车站路下，两侧均为建筑物，地铁4号线处在中山南路下，南侧为内环线高架。穿越处路口实景见图2所示。

盾构穿越地铁的位置，均处于十字交叉路口，区域内均埋有一定数量的管线（见表1）。

图1 6＃井-5＃井段隧道与地铁4号线相对位置关系的剖面图

图2 6＃井-5＃井区间下穿4号线地面情况实景

表1 各类管线一览表

6＃井-5＃井段隧道下穿地铁4号线处，隧道处在⑥暗绿～草黄色粉质粘土和⑦1草黄～灰色砂质粉土中，地铁4号线处在④灰色淤泥质粘土和⑤1-2灰色粉质粘土层。

场地浅部地下水属潜水类型，补给来源为大气降水及地表径流，潜水水位埋深一般为0.40～2.30 m；承压水层分布于第⑤2、⑤3-2、⑦1层土中，其中⑤2层微承压水头埋深为10.40m，承压水头标高为-6.48m；⑤3-2层微承压水埋深一般为4.25～12.50 m、承压水头标高为-0.51～-8.50 m；⑦1层微承压水头受地下水抽取影响，其承压水头一般略有变化，承压水头埋深一般为4.60～12.60 m、承压水头标高为-0.78～-8.30 m。

2 盾构机

该工程采用Φ6340 mm加泥式土压平衡盾构进行掘进。主要技术参数：盾构机最小转弯曲线半径350 m，最大坡度25‰，主机最大推力34208 kN，最大掘进速度60 mm/min，盾尾三道盾尾刷（两道钢丝刷、一道钢板刷），刀盘扭矩5632/5562 kN·m，开口率35%，刀具一用一备。

3 隧道下穿轨道交通地铁线施工步骤

3.1 施工准备

3.1.1 现场踏勘及资料收集

在穿越施工前约1个月，通过相关部门配合到盾构欲穿越段的地铁结构内部进行现场踏勘，了解现场的工况条件。施工过程中将穿越的轨道交通4号线已投入运营，因此施工前需到地铁运营管理部门联系，争取取得该线路运营期间（近期）监测的资料数据，以进一步了解该结构的变形情况。

3.1.2 管片预留注浆孔

为了有效地控制盾构穿越前后的地面及运营中地铁线的沉降和位移，在穿越区及前后的管片上适当增加注浆孔数量，每环管片增开10个注浆孔，邻接块、标准块及落底块分别增开2孔（见图3）。

3.1.3 分阶段控制区划分

根据盾构穿越地铁线的工况特点，将盾构穿越地铁分为三个阶段：

盾构穿越前试推进阶段：收集盾构推进参数，以及不同的施工参数对周围环境的影响大小。

盾构穿越阶段：主要任务是控制盾构的施工参数，包括控制推进速度、正面土压力、同步注浆流量、同步注浆压力等主要施工参数。确保穿越过程中运营轨道交通的安全。

盾构穿越后阶段：根据沉降监测情况进行后期补压浆。

图3 管片增开注浆孔布置图

3.1.4 建立联系网络

与地铁线路营运单位建立联系，取得进入地铁4号线的权力，便于施工中的监测和突发事件的应急处理。同时，在施工中互通信息，保证盾构施工和地铁的顺利运营。

3.1.5 测量核准里程

在盾构穿越施工前，再次复核测量盾构机里程，确认盾构与地铁线路的相对位置，同时明确盾构穿越时各个部位的位置，以便采取相应的技术措施，确保盾构能及时调整，确保以良好的姿态穿越地铁线。

3.1.6 技术准备和设备管理

为确保盾构顺利穿越地铁线，在盾构穿越前，对所有施工人员进行技术交底，使每一个参加施工的工作人员清楚地了解盾构隧道与地铁线之间的相对位置，以及盾构穿越流程。在盾构机操作室张贴相关技术交底、盾构穿越流程及重点控制措施。此外，使施工人员了解相关的应急预案，及发生突发事件的简单处理方法，便于争取时间。

穿越前，仔细对设备进行一次检查和保养，特别是盾构机，认真检修存在的问题，保证在良好的工况条件下进行穿越施工。同时，仔细检查盾构机的同步注浆设备和管路，并保证二次注浆设备的正常。对行车、电机车、补压浆和拌浆设备等进行彻底检修清理，排除故障隐患，保证穿越期间设备正常运转，避免由于设备上的原因导致施工停顿，影响整个施工质量控制。

3.2 施工技术措施

3.2.1 平衡压力设定

由于地质条件、地面附加载荷等诸多因素不同的制约，将导致刀盘前方土压力有所差异，为此需及时调整土压力值。同时对沉降报表进行分析，反馈给推进班组。若盾构切口前地面沉降，则需调高平衡压力设定值，反之调低。若盾尾后部地面沉降，则需增加同步注浆量，反之减少。计算如下：

正面平衡压力：P=k0γh

式中：P——平衡压力（包括地下水）；

γ——土体的平均重度，取18 kN/m3；

h——隧道埋深，m；

k0——土的侧向静止平衡压力系数，根据前面试推进段的反馈数据进行修正（暂定为 0.7）。

盾构在掘进施工中均可参照以上方法来取得平衡压力的设定值。具体施工设定值根据盾构埋深、所在位置的土层状况，以及监测数据进行实时优化调整，每次调整的幅度为0.005 MPa。

3.2.1.1 地铁结构自重产生的土压力增值P1

地铁结构自重产生压强为：

3.2.1.2 盾构上覆土产生土压力P2

施工隧道与4号线结构之间净距约为3 m，此处隧道中心覆土带来的土压力值如下：

则盾构穿越阶段土压力：

3.2.2 出土量和土体改良

3.2.2.1 出土量控制

根据盾构及管片之间的建筑间隙及各土层特性合理控制出土量，大约为开挖断面的98%～100%。

3.2.2.2 刀盘正面土体改良

6＃井-5＃井段隧道下穿地铁4号线处，处在⑥暗绿～草黄色粉质粘土和⑦1草黄～灰色砂质粉土，土质非常复杂，有密度较大的⑥号土，含微承压水的⑤号土（⑤2层渗透系数1.23×10-4）和含承压水的⑦号土。为确保盾构的正常出土，对于⑥号土中可在盾构的刀盘正面压注碱水、⑦号土中压注碱水和膨润土来改善开挖面土体的和易性，从而降低刀盘扭矩，保证盾构穿越时有均衡的推进速度。改良土仓内的土体，有助于土体从螺旋机内顺利排出。

加膨润土和碱水时严格控制注入量和压力，避免土体在过多的压注膨润土和碱水在较高的压力下形成定向贯通的介质裂缝，造成渗水通道，严重影响到隧道的安全状况。

3.2.3 推进速度设定

控制合理的推进速度，使盾构匀速慢速施工，减少盾构对土体的扰动，达到控制地面变形的目的。

在穿越区施工过程中，盾构掘进速度控制在0.5～1.0 cm/min，尽量保持推进速度稳定，确保盾构均衡、匀速地穿越地铁线，以减少对周边土体的扰动影响，以免对其结构产生不利影响。

盾构推进速度将根据监测情况做必要的调整，如必要时可推进半环（60 cm），然后暂停10～20 min，根据地铁隧道监测单位提供的监测数据调整推进速度后再推进半环（60 cm），依次组织施工以便更好地控制沉降。

3.2.4 同步注浆

通过同步注浆及时充填建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。同步注浆量一般为建筑空隙的200%～250%。即每推进一环同步注浆量为3.32 m3～4.14 m3。泵送出口处的压力略大于隧道周边水土压力。压浆量和压浆点视压浆时的压力值和地层变形监测数据而相应调整。

为保证注浆的有效性，在盾构推进进入推进试验段内时，先进行模拟穿越及模拟注浆，通过在施工过程中进行补压浆作业，达到控制盾构影响区域内土体沉降的目的。用以掌握控制盾尾后期土体沉降每环所需补充压注浆液总量及压注频率等数据，指导盾构穿越时及后续补压浆的施工参数（见表2）。

表2 1 m3同步注浆浆液配比(重量比)一览表

3.2.5 管片拼装

在盾构进行拼装的状态下，由于千斤顶的收缩，必然会引起盾构机的后退，当盾构停在地铁隧道下方拼装时，应避免盾构机的后退，因此在盾构推进结束之后不要立即拼装，等待2～3 min之后，到周围土体与盾构机固结在一起后再进行千斤顶的回缩，回缩的千斤顶应尽可能地少，并应逐一伸缩千斤顶，可以满足管片拼装即可，保持开挖面的平衡压力。拼装过程中，盾构司机注意土压力的控制，必要时通过反转螺旋机维持盾构前方土体平衡。同时，尽量熟练拼装工艺，确保优质快速拼装管片。

在恢复推进时，应避免先行启动螺旋机，应先恢复盾构的平衡压力，适当可以先推进略微的距离，防止平衡压力下降。

3.2.6 二次注浆

当沉降监测数值超过-3 mm时，将进行二次注浆作业，二次注浆浆液为双液浆，浆液配比根据试推进数据反馈后调整的浆液配比。注浆量和注浆次数根据地面沉降监测数据的情况，及时进行调整（见表3）。

表3 二次注浆浆液配比(重量比)一览表

3.2.7 盾构姿态控制

在盾构穿越运营地铁区间时，施工隧道平曲线为直线段、坡度都在1%左右。因盾构进行平面或高程纠偏的过程中，会增加对土体的扰动，因此在穿越过程中，在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，尽可能使盾构匀速、直线通过，减少盾构纠偏量和纠偏次数。预先计算好每环的楔子量，并在盾构推进时预先控制。推进时不急纠、不猛纠，多注意观察管片与盾壳的间隙，采用稳坡法、缓坡法推进，以减少盾构施工对地铁隧道和地面的影响。

3.2.8 动态信息传递

每一次测量成果都及时汇总给施工技术部门，以便于施工技术人员及时了解施工现状和相应区域管线变形情况，确定新的施工参数和注浆量等信息和指令，并传递给盾构推进面，使推进施工面及时作相应调整，最后通过监测确定效果，从而反复循环、验证、完善，确保隧道施工质量。

3.3 穿越地铁线时在不良地层中推进采取的技术措施

3.3.1 承压水层中的盾构推进措施

穿越段切削断面内含有⑦1草黄～灰色砂质粉土，含承压水。盾构在含承压水层中推进需做好以下推进措施。

3.3.1.1 盾尾刷和盾尾油脂

盾构采用3道盾尾刷，其中2道钢丝刷，1道钢板刷。推进时在盾尾刷中满环压注优质的盾尾油脂，以避免盾尾和管片间存在渗水通道。

3.3.1.2 管片拼装

盾构推进过程中，不可避免地要进行管片拼装，管片拼装应采用有经验的工人迅速高质量地完成拼装。

管片应尽量居中拼装，避免盾尾间隙不均匀造成管片损坏而形成渗水通道。

3.3.1.3 螺旋机防喷

在含承压水的土层中推进时，如果正面水压较大，地下水可能通过螺旋机进入盾构工作面。

所以在盾构推进过程中，应安排专人观察螺旋机出土口有无喷水现象产生，如产生喷涌盾构司机应根据现场工况按需要关闭螺旋机闸门。

3.3.2 不良土层中防盾构姿态突变

该项目的隧道埋深较深，顶覆土约27 m。

在盾构穿越轨道交通4号线时，盾构切削断面上半部为⑥暗绿～草黄色粉质粘土，下半部为⑦1草黄～灰色砂质粉土。由于⑥号土与⑦1号土在粘聚力和土体密度等土体力学指标上有差异，且⑥号土与⑦1号土对于隧道推进来说都属于不良土层，易造成盾构在推进过程中发生姿态突变。一旦盾构姿态发生突变，将对轨道交通产生不利影响。

针对这种情况，在盾构穿越轨道交通前需对施工人员做好详细的技术交底，推进过程中严格控制推进参数，以避免盾构姿态发生突变。

3.3.3 管片结构措施

该隧道在穿越地铁4号线时将采用特殊衬砌管片，特别是在下穿地铁4号线区间隧道时，由于隧道顶覆土达27 m，且位于⑦1层砂性土层，⑦1层也为承压水层，若隧道结构变形、漏水将会引起地铁隧道附加变形，从而造成地铁隧道不安全。所以在穿越区段的管片防水方面采用特殊衬砌环。特殊衬砌环采用特殊防水构造。

4 施工监测

盾构穿越地铁期间，监测是极其重要的一项工作。隧道轴线、地面沉降变形和临近构筑物管线的测量工作是必须严密控制的。地铁隧道监测方案由地铁运营公司提供。

5 信息化施工管理

施工应强化信息管理，建立完善的信息反馈网络和现场指挥中心，应用“远程监控系统”，将施工面和监测点的即时情况及时反馈给指挥中心，指导施工，落实主要岗位主要管理人员24 h轮流值班制度，及时解决发现的问题。

具体信息传递流程见图4所示。

6 应急预案

6.1 应急指挥机构

施工现场建立现场风险防范领导小组和工作小组，结合工地施工实际情况，完善施工风险情报信息网络，健全信息报告制度，保持信息渠道的畅通。重要情况的报告要及时、准确，不漏报、误报或隐瞒不报。有些情况一时间不清楚的，应先作最初报告，尽快核实清楚后再详细上报，注意做好续报。落实岗位职责，责任到人。

图4 信息传递流程图

6.2 应急措施

6.2.1 施工组织管理

（1）针对发生的具体问题，对施工人员进行交底，做到精心施工，同时加强值班管理及相应的监测；

（2）组织专门人员进行24 h现场监控；

（3）配备好各类应急装备及通讯网络；

（4）做好应急救援队伍的培训演练。

6.2.2 盾构掘进

（1）当发生盾构螺旋机出土不畅等情况时，采用交替正反旋转螺旋机进行处理，必要时可压注膨润土。

（2）盾构恢复推进前，对螺旋机闸门进行检查保养，确保必要时及时关闭。

（3）盾构穿越地铁过程中，如盾构机前部地铁隧道发生沉降可利用盾构机切口环上的预留注浆孔从盾构机内压注双液浆。

6.2.3 盾尾防渗措施

（1）定期、定量、均匀地压注盾尾油脂；

（2）控制壁后注浆的压力，以免浆液进入盾尾，造成盾尾密封装置被击穿，引起土体中的水跟着漏入隧道，盾尾密封性能降低；

（3）管片居中拼装，以防盾构与管片之间的建筑空隙过分增大、降低盾尾密封效果，引发盾尾漏泥、漏水；

（4）为防止盾尾漏泥、漏水，必要时可在管片背部整圈垫放海绵，封堵管片与盾构间的间隙；

（5）必要时，可每隔一定的距离压注一圈聚氨酯，作为止水保护圈。

6.2.4 隧道变形对策

6.2.4.1 地铁隧道隆起对策

如果地铁隆起超标（单环掘进后隆起3 mm或累计值超过＋5 mm时），检查操作过程，无异常时，优先考虑稳定土压力，调低推进速度，掘进10 cm，根据地铁隧道监测单位提供的监测数据调整推进速度；其次再考虑稳定推进速度，调低土压力，掘进10 cm，再根据地铁隧道监测数据调整土压力。

6.2.4.2 地铁隧道沉降对策

如果地铁隧道沉降5 mm之内，则在隧道内通过新增注浆孔，进行壁后双液注浆，注浆范围时以地铁隧道中心为对称轴的前后10环内，隔环注4孔，每环注浆量控制在0.2 m3～0.5 m3内。

6.2.4.3 地铁隧道开裂渗水对策

若地铁隧道变形较大，并产生开裂、漏水时，待地铁停止运行后，在地铁隧道内通过注浆孔插入注浆管，压注双液浆，必要时压注聚氨酯。

6.2.4.4 地铁、施工隧道均有沉降对策

当出现这种情况时，隧道沉降范围内，以及与地铁重叠部位，采取连续多环壁后注浆，并根据土层情况，采用壁后注浆（打穿管片的注浆孔）或分层注浆，每环压注4～6个孔，每环注浆量控制在1～2 m3。在注浆过程中必须注意上下两条隧道的变形，注浆点的选择必须根据实际情况做到均衡、对称。

6.3 事故的处置

针对事故中可能出现的紧急情况，项目经理部将分别制定有相应的应急预案，包括：防汛防台预案、防火灾处置预案、紧急逃生预案、管线保护方案等。事故发生后根据相应的事故处理方案进行处理。

7 结语

经过精心组织，该项质构穿越轨道交通线路的施工技术及措施达到了预期效果。在试推进阶段（230环～239环）推力由3200 t逐渐降到了3000 t以内，推进速度控制在1.2 cm/min，同步注浆3.5 m3/环；在穿越阶段（240环～255环）控制总推力在3000 t左右，推进速度在1.1～1.6 cm/min，同步注浆4 m3/环；在穿越后阶段（256环～275环）总推力由3000 t逐步提升到3500 t，推进速度逐步提升到2.5 cm/min，同步注浆3.5 m3/环。这期间，轨道交通4号线上行线最大沉降量在0.3～-3.4 mm，下行线最大沉降量在0.7～-1.2 mm，随着后续二次注浆，轨道交通4号线上下行线均有不同程度的抬升，沉降满足运营线的要求；周边管线经第三方监测，沉降数据也未超过设计允许的报警值。穿越时间在2008年8月20日至8月29日，历经10 d，设备运转正常，管片备料充分，施工组织精心细致，管理人员轮流值班做到24 h到位，每天信息上报正常有序，未发生任何紧急情况和各类事故。

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