盾构隧道下穿川陕立交施工技术研究

贾广武

(中铁六局集团成都地铁3号线土建5标项目部，四川 成都 610500)

盾构隧道下穿川陕立交施工技术研究

贾广武

(中铁六局集团成都地铁3号线土建5标项目部，四川 成都 610500)

基于成都地铁3号线一期工程土建5标熊猫大道站—动物园站区间隧道穿越川陕立交桥工程为研究对象，针对盾构隧道纵断面为泥岩地层，且地面立交桥对沉降要求高，主要采取以下措施：1)在施工过程中使用特殊化学改良剂来控制掘进参数；2)对沉降要求高的区段，首先于盾构经过前在地面进行预加固，盾构经过后在隧道内再加固的双加固方法。施工证明：在泥岩地层中通过在盾构掘进过程中采用化学改良和地面、隧道双加固措施，可以有效控制地面沉降，保证隧道施工顺利进行和地面立交桥功能的正常发挥，为其他盾构工程在泥岩层，尤其是黏土地层中下穿既有桥梁施工提供了参考和借鉴。

成都地铁；盾构隧道；川陕立交桥；加固；监控测量

0 引言

为了缓解大中型城市日益增加的交通压力，目前如北京、上海、广州、深圳、重庆、成都等大城市都已经开始建设和运营地铁[1]，其他一些人流比较密集的大中型城市也开始规划和建设地铁。因而可以预见的是，在近几年内，会有越来越多的城内和城际轻轨线路进行规划和建设。地铁线路的修建一般都是为了缓解地面的交通压力，所以规划的地铁隧道的建设大多都位于城市中心区和人口、商业集中区域，这就给地铁隧道的建设带来了极大的困难，隧道建设需要穿越这些既有的小区、商厦和立交桥等地面建筑物，以及市政建设的管道和线缆等地下构筑物[2-3]。因而，地铁隧道在修建过程中如何安全地通过这些既有地面建筑物和地下市政构筑物，是每个盾构工作者不得不考虑的问题[4-5]。地铁隧道在盾构掘进过程中不可避免地会造成地面的振动和一定程度的沉降，从而影响到地面建筑物功能的发挥和施工安全。目前针对地面的沉降规律和沉降量的预测在国内研究较多，马超等[6]以合肥市府广场地下通道工程中的地表沉降监测数据为研究对象，总结了暗挖法中的地表沉降规律；冯超等[7]以西安地铁2号线下穿护城河和城墙的地表检测沉降数据总结出预防地表沉降的施工措施是足量的同步注浆和及时补浆；罗新文[8]、杨天亮等[9]对盾构施工过程中的地面沉降进行了数值模拟，总结出了一般规律。但上述文献在盾构通过泥岩地层如何减少甚至避免地面沉降的研究还较少。本文以成都地铁3号线穿越川陕立交桥的盾构施工为研究对象，对泥岩地层中盾构施工控制地面变形进行研究。

1 工程概况

1.1 工程简介

成都地铁3号线一期工程土建5标包含驷马桥北站—动物园站区间和动物园站—熊猫大道站区间。区间隧道出驷马桥北站后，沿川陕路向北入动物园站，出动物园站，继续沿川陕路北行，在川陕路与熊猫大道交叉路口进入熊猫大道站。其中动物园站—熊猫大道站区间隧道在YCK36+231.3～YCK37+113.5位置下穿川陕立交桥，隧道左线侧穿立交桥跨线桥、匝道桥和主线桥桥桩，右线侧穿立交桥匝道桥和主线桥桥桩。隧道与川陕立交桥平面示意和现场照片如图1所示。

(a)示意图

(b)照片

1.2 立交桥概况

川陕立交桥建设完成于2001年7月，其主线桥采用连续箱梁，设双柱桥墩及轻型挡土桥台，基础为挖孔桩基。根据基础资料该立交桥基础为1.3,1.5，1.8 m直径桩基础，桩高为13.5～19.5 m。隧道左右线侧穿其主桥、跨线桥、匝道桥桥桩，影响范围内桥桩共计47根，最近净距不足2 m。

川陕立交桥所在的川陕路作为进出四川、连接陕西的唯一交通要道，沿途连接着广汉、德阳、绵阳、广元直到西安，平时车流量大，人流集中，这些问题都给盾构的施工带来了很大的风险。

1.3 地质概况

盾构隧道在下穿川陕立交桥里程范围内的开挖面处于全断面风化泥岩层。此处泥岩呈紫红、褐红、砖红色；以黏土矿物组成为主，泥质结构，块状构造，泥质胶结。

根据泥岩层风化程度的不同，还可以分为3个亚层：1)5-1全风化泥岩，褐黄色、褐红色、紫红色夹灰白色，主要由黏土矿物组成，岩质极软，岩芯呈土柱状，少量碎块状。本层广泛分布，发育厚度不均匀。区间层厚为0.50～3.90 m。2)5-2强风化泥岩，褐红色、紫红色，泥质结构，裂隙较发育，岩芯多呈碎块状、短柱状，岩质软，为极软岩，岩芯碎块手可折断，岩体基本质量等级为Ⅴ类。层厚在0.90～9.20 m。3)5-3中等风化泥岩，褐红色、紫红色，中厚层状，泥质或微钙质结构，泥质胶结。岩芯多呈柱状，少量呈碎块状，较完整，岩质较软，为极软岩，锤击易碎，部分地段软弱夹层或差异风化明显，易风化，遇水易软化，RQD值一般为75～90，岩体基本质量等级为Ⅴ类。本次勘探未揭穿该层，揭露厚度一般为2.50～16.60 m。

1.4 施工风险

对立交桥进行了多次调查和专业鉴定，桥身存在众多裂缝、损坏及修补痕迹，建筑状况较差，施工风险较大。川陕立交桥为进出城交通主干道，车流量大、人流集中，盾构下穿距离长；工程特殊的地理位置、工程地质水文等特点，预计盾构下穿川陕立交桥的主要风险有：

1)桥桩沉降风险。盾构在掘进过程中，对土体产生扰动，如果控制不当会导致桥桩沉降，从而引起桥身变形、开裂甚至坍塌，造成公共财产损失和周边人员的人身、财产危害。

2)管线损害风险。区间沿线管线较多，对沉降敏感，盾构在掘进过程中，极易造成管线变形、破损。在对桥桩进行加固时，需要进行地面加固，加固过程中如果对管线了解不详细、不真实，也容易造成管线的损害。

3)结泥饼风险。区间隧道在穿越川陕立交桥过程中，洞身处于全断面风化泥岩层，该种地层遇水后黏性极大，切削下来的渣土极易粘附在刀具和刀盘上面，容易将刀具包裹、糊住，从而导致部分刀具失效，甚至会引起刀盘的工作障碍，且在穿越立交桥过程中不宜进行停机，否则后果严重。

2 施工措施

通过预估盾构隧道穿越川陕立交桥可能存在的风险，针对性地对盾构施工做出了专项设计，具体措施如下。

1)盾构掘进施工下穿川陕立交桥之前，对盾构进行检修，保证能够在穿越川陕立交桥过程中快速、恒速通过。

2)严格控制盾构掘进参数，控制地层损失率在2%以内以及盾构掘进过程中推进压力不小于0.8倍理论水土压力。盾构通过后及时同步注浆，并注意控制同步注浆的量与压力。

3)盾构通过桥梁基础前，选择合适地点预埋注浆管进行地面注浆预加固，盾构通过时由地面注浆管和隧道内同时进行补浆。

4)在盾构通过立交桥时，使用分散剂对土仓内土体进行改良，保证渣土的“塑性流体”状态，稳定掌子面，降低、甚至避免对地面的扰动和沉降。

5)强化监控测量，盾构通过全过程实行信息化施工，密切监视建筑物的位移情况和地面沉降。

2.1 掘进控制措施

盾构掘进施工下穿川陕立交桥之前，对盾构进行检修，加强各流程间的施工衔接，保证施工连续性和盾构匀速、快速通过，减少开挖过程中对土体的扰动。

在盾构下穿川陕立交桥过程中，需要对盾构的各项参数进行严格控制，以降低对地面的扰动和沉降。1)土仓内土压力值不小于静水压力和地层土压力之和。2)土仓压力通过掘进速度、排土量2种方法建立，并维持切削土量与排土量的平衡，排土量采用体积、质量双重控制以保持土仓内的压力稳定。3)强调合理的贯入度，避免过多刀盘空转，防止土体间的镶嵌摩擦冲击造成的切削作用，造成掌子面坍塌，推进过程中速度不宜过快，还要保证同步注浆的时间和质量。4)在实际掘进施工中根据地质条件、排出的渣土状态以及盾构的各项工作状态参数等动态地调整优化。盾构下穿川陕立交桥参数设置如表1所示。

表1 盾构下穿川陕立交桥参数设置Table 1 Parameters of shield boring underneath Chuanshan interchange

2.2 地面和隧道双加固措施

为保证盾构既能够顺利、安全地通过川陕立交桥，又能确保川陕立交桥的稳定和功能发挥，减小或避免地面的沉降，在盾构通过川陕立交桥前，需要对盾构掘进区间内的桥桩进行地面预加固处理，以降低盾构对桥桩的应力。考虑到泥岩本身的孔隙度对注浆的要求，此处注浆采用化学双液注浆硬化技术，浆液分为A液和B液，注入前，均为黏度很低的液体，注浆时在注入口混合，通过调节A，B液的比例来控制硬化速度和强度。通过建模对盾构通过桥桩基础的应力影响进行了计算，盾构通过对桥桩的应力由加固前的6.49 MPa降低至加固后的2.78 MPa，数据显示加固后桥桩的受力明显降小，减少量达57%左右。主线桥、跨线桥和匝道桥的地面预加固如图2—4所示。

对本身抗压强度不足0.7 MPa的桥桩周边区域加固完成后，对加固区域进行取芯检测，实测抗压强度大于1 MPa后进行后续作业，对不满足要求区域进行重新加固处理。

在盾构通过立交桥过程中，还需要在桥桩波及范围内通过增加管片内部均匀布有注浆孔的特殊管片，并及时对地面沉降的区域进行隧道内二次径向注浆，以起到稳定地面、减少地面变形的目的。每根桥桩加固长度为桩前后6 m，管片径向1 m范围。隧道内加固横、纵剖面示意如图5所示。

这种在地面预注浆加固，然后再在隧道内补充注浆的双注浆模式工程实施在最大程度上降低了盾构对地面变形的影响，尤其是在隧道内的注浆更是避免地面变形的重要措施。

2.3 土体改良措施

川陕立交桥下的盾构掘进掌子面为全断面黏性泥岩，在盾构施工过程中，渣土遇水之后，黏度增加，极易粘附于刀盘及土仓内壁，导致施工中盾构推力和扭矩增大，这不但在一定程度上增加了结泥饼的几率，还加剧了盾构施工对地面的扰动。

在本工程盾构下穿川陕立交桥过程中，对地面的扰动和变性要求较高，因而在盾构过程中需要外加土体改良试剂对渣土进行改良。

明洁公司的分散剂产品是一种针对黏性土层而研发的土体改良剂。当分散剂与高黏性土混合时分散剂分子上的基团会通过微观作用力作用于黏土表面的负电荷，进而进入大块土体内部，将大块的土体进行分散、分离，此时向土体中注入充分的水以提高土体的含水率，最终使得高黏性土体对盾构刀具的黏附性得到显著降低，使高黏性土体的高黏性状态变成具有流塑性的理想状态。

(a)平面图

(b)剖面图

在盾构通过川陕立交桥过程中，对土体的改良主要采取以下措施：1)利用泡沫剂的止水性，以泡沫置换渣土空隙中水，降低渣土的含水性和致密度，稳定压力，有利于掌子面的稳定。在使用泡沫剂的同时，使用另外一套管线向掌子面和土仓内注入分散剂，用分散剂降低切削土体与盾构刀盘及结构间的黏附力，保证土仓内土压力的稳定性和出土的顺畅性。2)在土压力的设定上，以理论的土压力为基础，适当降低实际土压力，在施工过程中要时刻关注盾构开挖面的土体特性，在盾构推进时，要把握好适合的施工进度，不要图快；同时还要利用经验和专项研究确定盾构参数和土仓中土体状态的函数关系式，通过掘进参数来控制土体状态，以降低“泥饼”产生的几率。3)在掘进前对盾构的土仓进行改造，在土仓中垂直线的不同高度上安装压力传感器，并将压力数值还原于掘进参数控制面板上，通过检测不同高度上的压力差值来计算土仓内渣土的表观密度，进而预估渣土的状态是否有结“泥饼”的趋势，并用调整泡沫剂和分散剂的注入量来进一步改良渣土的和易性。

(a)平面图

(b)剖面图

2.4 其他施工措施

1)在加固施工过程中，对每个桥桩周围进行挖孔探测桥桩的沉降和倾斜程度，探孔深度不小于2 m。

2)严格控制掘进参数和注浆量、注浆压力，掘进参数和注浆量、注浆压力以试掘进总结成果进行掘进。

3)利用管片吊装孔作为注浆孔，打钢花管对管片外3 m范围进行注浆加固，钢花管长3.5 m。

4)根据监控量测情况，及时进行洞内二次注浆或补充注浆。

5)提前预估盾构穿越过程中的风险及专项预防措施和风险解决方案，做好突发事件的应急准备工作。

6)在盾构穿越川陕立交桥时，提前和相关部门协商沟通，以保证施工期间的供电和交通对施工的影响。

7)施工过程中严格按照设计监测要求和《监测方案》进行系统、全面的监控量测，实行信息化施工。

(a)平面图

(b)剖面图

(a)横断面

(b)纵剖面

3 施工监测结果

2013年6月29日晚，熊猫大道站—动物园站区间盾构隧道开始穿越川陕立交桥，右线于7月31日6点30分，顺利通过，左线于2013年8月1日23点顺利通过，至此，2条隧道均顺利穿过川陕立交桥。在穿越过程中对隧道影响范围内的地面扰动、沉降和立交桥的桥墩沉降、桥桩倾斜等进行了定时监测，以降低盾构过程对地面和立交桥的影响。

3.1 监测项目

1)地面监测。盾构推进过程会影响隧道附近的土体，进而导致推进面的地面产生扰动，因而需要对隧道中线的横断面的变形进行监测。

2)桥桩监测。对距离盾构中线30 m范围内的桥桩布设沉降监测点和倾斜监测点，以随时了解盾构过程对桥梁的影响。

3.2 监测标准和数据

川陕立交桥为震后修复桥梁，对其沉降允许范围进行相关调整，具体如表2所示。

表2 监测控制值和川陕立交桥变形控制基准Table 2 Control values of deformation of Chuanshan interchange

3.3 监测结果

盾构隧道穿越川陕立交桥期间，桥桩沉降、倾斜和地面沉降监测数据统计汇总见图6—8。

图6 桥梁沉降监测结果

成都地铁3号线一期工程土建5标熊猫大道站—动物园站区间隧道穿越川陕立交桥过程中，监测数据显示左线地面累计沉降最大9.78 mm，桥桩累计沉降最大3.10 mm，桥桩倾斜最大0.16‰L(L为桩长)；右线累计最大沉降8.76 mm，桥桩累计沉降最大2.62 mm，桥桩倾斜最大0.12‰L，左右线的沉降均远低于施工要求的控制基准。

图7 桥梁倾斜监测结果

图8 地面沉降监测结果

4 结论与建议

成都地铁3号线一期工程土建5标熊猫大道站—动物园站区间隧道成功近距离下穿成都北三环川陕立交桥，通过采取掘进控制、地面和隧道内双加固措施以及土体改良等手段，最大程度上降低了盾构施工对地面的影响。通过监测数据显示，立交桥地面累计沉降最大9.78 mm，桥桩累计沉降最大3.10 mm，桥桩倾斜最大0.16‰L，满足盾构施工控制标准要求。

成都地铁3号线盾构施工成功穿越川陕立交桥，既确保了盾构施工的安全，又保证了立交桥功能的正常发挥，施工过程采取的控制措施有效地降低了地面沉降和施工对地面的扰动影响，这一成功案例为泥岩层中盾构施工穿越地面建筑物提供了参考依据。

此施工方法还无法在根本上避免地面的扰动和沉降，无法实现盾构施工中的零沉降，这还有待于继续研究和实践。

[1]廖鸿雁.复合地层盾构技术[M].北京: 中国建筑工业出版社,2012: 165-169.

[2]韩占波,石家志.复杂环境下地铁修筑技术[J].隧道建设，2009,29(1): 82-87.(HAN Zhanbo,SHI Jiazhi.Metro construction technology in complicated condition[J].Tunnel Construction,2009,29(1): 82-87.(in Chinese))

[3]杨培伟.地铁盾构隧道施工对地层及邻近建筑物影响的数值模拟[D].武汉：武汉理工大学桥梁与隧道工程学院,2009: 37-54.

[4]潘明亮.建筑物地下室底板下软弱土层中浅埋暗挖隧道施工技术[J].隧道建设,2011,31(2): 240-245.(PAN Mingliang.Construction technology for shallow-buried mining tunnel in soft soil strata below bottom floor of basement[J].Tunnel Construction,2011,31(2): 240-245.(in Chinese))

[5]郑保才,程文斌,胡国伟.浅埋暗挖法施工近接交叉地铁隧道地表沉降监测分析[J].铁道工程学报,2009(1): 72-76.(ZHENG Baocai,CHENG Wenbin,HU Guowei.Analysis and monitoring of ground subsidence caused by excavation of adjacent and crossing Metro tunnel with shallow-depth and subsurface excavation method[J].Journal of Railway Engineering Society,2009(1): 72-76.(in Chinese))

[6]马超,汪东林.超浅埋地下通道暗挖法施工地表沉降监测分析[J].安徽建筑工业学院学报: 自然科学版，2009(3): 11-13.(MA Chao,WANG Donglin.Monitoring analysis of ground subsidence of the subway tunnel construction by shallow mining method[J].Journal of Anhui Institute of Architecture &Industry: Natural Science,2009(3): 11-13.(in Chinese))

[7]冯超,王喆,潘娜娜.地铁隧道施工过古城墙的地表变形及控制措施[J].现代隧道技术,2011(5): 143-147.(FENG Chao,WANG Zhe,PAN Nana.Study on the ground surface subsidence induced by Metro tunnel under-crossing city wall[J].Modern Tunnelling Technology,2011(5): 143-147.(in Chinese))

[8]罗新文.平行双隧道施工引起土体变形的数值模拟[D].武汉：武汉理工大学岩土工程学院，2008: 36-45.

[9]杨天亮,严学新，王寒梅，等.地铁隧道盾构施工引起的工程性地面沉降研究[J].上海地质，2010(S1): 7-11.(YANG Tianliang，YAN Xuexin,WANG Hanmei,et al.Study on engineering land subsidence caused by shield construction in subway tunnel[J].Shanghai Geological,2010(S1): 7-11.(in Chinese))

ConstructionTechnologiesforShield-boredTunnelCrossingunderneathChuanshanInterchange

JIA Guangwu

(ProjectDepartmentofNo.5BidSectionofNo.3LineofChengduMetro,ChinaRailway6thBureauGroup,Chengdu610500,Sichuan,China)

The shield-bored running tunnel from Panda Avenue Station to Zoo Station of No.5 bid section of Phase I project of Line 3 of Chengdu Metro crosses underneath Chuanshan interchange.The mentioned running tunnel is located in mudstone and clay ground,and the interchange above the running tunnel has strict requirement on the ground settlement.The following countermeasures are taken: 1)Special chemical ground conditioning agents are used to control the boring parameters;2)For sections with high settlement control requirement,pre-reinforcement from the ground surface is executed before shield passes and reinforcement from inside the tunnel is executed after the shield passes.The construction practice shows that the countermeasures taken can bring the ground surface settlement under effective control and can ensure the safety of the tunneling and the normal operation of the interchange.The paper can provide reference for similar projects in the future.

Chengdu Metro;shield-bored tunnel;Chuanshan interchange;reinforcement;monitoring

2014-03-03;

2014-04-22

贾广武(1982—)，男，甘肃镇原人，2006年毕业于兰州交通大学，铁道工程专业，本科，工程师，主要从事盾构施工和技术管理工作。

10.3973/j.issn.1672-741X.2014.08.012

U 45

B

1672-741X(2014)08-0778-06