盾构隧道穿越已施工风井工程风险分析及应对措施讨论

张晓春

（长沙市轨道交通集团有限公司，湖南 长沙410011）

1 概 述

1.1 平面概况

阜埠河站—灵官渡站区间是长沙市轨道交通3 号线一期工程的第六个区间，区间线路正线出阜埠河站后向东北方向前穿行在天马路下，然后横跨潇湘中路，横跨湘江西汊、橘子洲和湘江东汊，横穿湘江中路，最后进入灵官渡站。区间于湘江的东、西岸各设置一座区间风井。东岸风井位于湘江东岸沿江绿化带地块内、湘江中路和劳动路交叉口以西、灵官渡泵站以南，邻近湘江大堤，地面较平坦。东岸区间风井里程为YDK16+845.497 ～YDK16+858.582，为地下五层双跨框架结构，全长13 m，宽28.8 m。东岸区间风井稳定水位埋深为4.1 m，水位标高34.9 m，位于杂填土层。该工程重要性等级属一级工程，场地复杂程度为二级场地（中等复杂场地），工程周边环境风险等级为一级（见图1）。

东岸区间风井采用明挖顺作法施工。主体基坑深约32.5 m，基坑围护结构采用厚度1000 mm的地下连续墙，与内衬墙一起形成叠合墙结构。主体结构的环梁及纵梁既作为施工阶段围护结构支撑体系使用，又作为正常使用阶段永久结构（见图2）。

图1 东岸风井位置及周边环境

图2 东岸风井环梁及纵梁支撑体系

1.2 工程地质条件

地质资料采用广东省地质物探工程勘察院《长沙市轨道交通3 号线一期工程KC-1 标段详细勘察阶段阜埠河路站至书院路站区间东岸风井岩土工程勘察报告》。阜书区间东岸风井地层层序自上而下依次为：

（1）杂填土层（Q4ml）。组成物主要为人工堆填的黏性土、中粗砂、碎石及砖块、混凝土块等建筑垃圾等。位于地表，层顶标高为36.39～39.15 m，层顶埋深为0 m，厚度为8.00～12.70 m，平均厚度9.78 m。

（2）淤泥质土层（Q4al）。主要由黏粒及有机质组成，为抗剪强度低、高灵敏度、高压缩性软土。层顶标高为25.53～29.42 m，层顶埋深为8.00～10.90 m，厚度为1.00～2.70 m，平均厚度1.97 m。

（3）冲积中砂层（Q4al）。中密状，饱和，含少量黏粒，级配差。层顶标高为30.15 m，层顶埋深9.00 m，厚度10.60 m。

（4）冲积砾砂层（Q4al）。稍密状，饱和，含少量粗砂，级配差。层顶标高为28.42 m，层顶埋深9.00 m，厚度3.20 m。

（5）冲积圆砾层（Q4al）。中密状，饱和，含较多砾砂及卵石。层顶标高为25.22 m，层顶埋深12.20 m，厚度1.80 m。

（6）冲积卵石层（Q4al）。中密至密实状，饱和，含少量黏土及砂，级配差。层顶标高为23.42～25.39 m，层顶埋深为11.00～14.00 m，厚度为0.70～4.10 m，平均厚度2.40 m。

（7）中风化泥质粉砂岩。粉细粒状结构，中厚层状构造，裂隙较发育，岩体基本质量等级为Ⅲ级。层顶标高为0.69 ～24.18 m，层顶埋深12.70～36.00 m，揭露层厚0.90～5.71 m，平均揭露厚度3.01 m。

（8）中风化砾岩。砾状结构，中厚层状构造，泥质及钙质胶结，岩质较软，裂隙较发育岩体基本质量等级为Ⅲ级。层顶标高为4.59～24.69 m，层顶埋深11.70～31.80 m，揭露层厚0.50～2.30 m，平均揭露厚度1.30 m。

东岸风井地质断面如图3 所示。

1.3 水文地质条件

阜灵区间东岸风井勘察所揭露的地下水水位埋藏深浅不一，根据勘察期间测得各钻孔的稳定水位及场地周边地形，建议该场地地下水位采用标高34.90 m。地下水位的变化与地下水的赋存、补给及排泄关系密切，并受季节变化影响，年变化幅度2～5 m。根据场地地形条件、勘察期间测量的水位以及长沙市年水位变化幅度综合考虑抗浮水位，抗浮水位标高为36.50 m，平现状湘江中路。据湘江长沙水文站观测资料，最高洪水位39.18 m。

图3 东岸风井地质断面图

2 设计方案

东岸风井为地下五层结构，原设计采用先站后隧，主体结构明挖顺作施工，环梁及纵梁作为支撑系统，计划于2016 年4 月开始施工，2017 年1月完成底板施工具备盾构到达接收条件。而在风井进行导墙施工期间发现南北走向污水管道位于东岸风井站址范围内且不具备迁改条件，严重制约了围护结构的实施，风井位置需适当调整，由此洞通节点工期受到影响。为保证洞通的时间要求，区间风井由“先站后隧”方案调整为“先隧后站”。

2.1 存在的问题

区间风井由先站后隧方案调整为先隧后站方案对竖井的施工存在如下问题：

（1）隧道先于基坑开挖施工，隧道范围内的四幅围护结构地连墙在地下五层被切断，影响风井端头围护结构基坑开挖时的稳定性和防水效果。

（2）基坑内有成型的盾构隧道，为保证既成隧道管片的完好，减小基坑开挖对管片的影响，隧顶上方1 m 至隧底范围内的土方开挖无法采用机械施工，隧道两侧土方开挖作业面狭隘，施工困难。

（3）管片拆除带来的施工难点。管片拆除时必须保证既成隧道的整体受力稳定，由于基坑内作业空间不足，各工序间干扰较大，且单块管片尺寸和重量均较大，给施工带来一定困难。

2.2 解决措施

原设计围护结构为五道环梁+ 纵梁作为支撑体系，由于地连墙被截断，嵌固深度发生变化，需重新计算校核原支护体系的安全性。对应盾构范围按基坑24.7 m 深计算，连续墙嵌固深度取0.3 m（见图4）。

图4 计算模式图（单位：m）

取不利地质断面进行基坑安全及稳定性计算得出，对于岩层结构基坑整体稳定性能满足要求。鉴于连续墙为后期与主体组成叠合结构，是主体结构的一部分，作为永久结构，其耐久性应满足规范要求。经过计算负四层结构开挖至基底，施作中四板环梁及内撑系统时连续墙处在最大受力状态，最大弯矩约810 kN·m，裂缝已经开展，并超过规范要求的0.2 mm，对此应有相应的措施对原有结构或体系进行适当调整（见图5）。

图5 计算位移及内力图

2.2.1 围护结构安全及稳定性处理方案

2.2.1.1 对地质进行加固改良

计算模型中地层自身的强度及透水性对围护结构影响最大，且随着基坑深度的增加，水土合算或分算引起的结果差异更大。根据地层的分布特点，一般是强透水层或强风化岩层处对应范围围护结构内力较大，主要是由于该范围透水性较强一般采取分算的计算模式。通过对围护结构外侧地层进行注浆处理，对该工程而言尤其是加强对强风化地层注浆，封堵裂隙，当岩层的透水系数满足要求后可采取合算模式，将大大减小围护结构内力。

因此对于围岩条件较好、结构整体稳定性满足要求的基坑可以采用。

2.2.1.2 修复原有围护结构

既成隧道影响范围内围护结构补强，待隧道施工完成后，通过植筋方式将盾构破掉的四幅地连墙进行修补，中间留2 m 行车空间。为后期运输拆除的管片以及应急处理预留通道。植筋选择直径比原地连墙破除钢筋高一型号的钢筋，植筋深度为植筋直径的20 倍。根据隧道施工工期倒排东岸风井施工工期，确保风井施工完第三道环梁继续开挖时，地连墙已经修补完成。避免出现基坑开挖到此处时，停工长期等待地连墙修补工序（见图6）。

图6 既有盾构范围连续墙修复图

对于围岩条件较差、结构整体稳定性难以满足要求的基坑建议采用。

2.2.1.3 管片增加注浆孔

风井进出洞处管片增加注浆孔，每环管片在原来注浆孔基础上增加10 个注浆孔。增加范围为风井东西两端头左右线靠近区间隧道的10 环管片（包括洞口管片），共40 环，如图7 所示。

图7 预留注浆孔图

2.2.1.4 管片背后二次注浆止水

为保证隧道管片背后环形间隙的止水效果，防止地下水通过管片背后环形间隙流入基坑，在基坑开挖前向管片背后进行二次注浆止水。风井施工完成后再次向管片背后进行注浆止水。开挖前再次紧固隧道管片连接螺栓，确保管片间连接紧密。加固范围为风井东西两端头左右线靠近区间隧道的10 环管片（包括洞口管片），共40 环。加固方法为打开管片的注浆孔，每环管片注浆孔数量为16 个，向管片背后注水泥浆液。水泥采用42.5 级普通硅酸盐水泥，水泥浆液水灰比1∶1，注浆压力0.5 MPa。为保证补注浆效果，补浆时采用从中心向两侧逐环多孔补注，孔位保持对称，压力从小到大逐步递增。补注浆后，最少间隔等强1d，方可进行下步工序。

2.2.2 其他处理措施

2.2.2.1 止水措施

基坑开挖前对风井进出洞端头进行端头加固，加固区域沿线路10 m，区间上下左右外扩3 m。增加管片背后二次注浆，防止围岩中的地下水通过管片背后环形间隙流入基坑。

2.2.2.2 土方开挖

既成隧道上方1 m 以上土体人工辅助机械正常施工，为保证土方开挖过程中盾构管片的稳定性，到达既成隧道上方1 m 后采用多人工、少机械开挖，减小对管片稳定性的影响。同时在开挖过程中采取从上到下、左右对称的方法开挖管片左右两侧土体，保证管片侧向受力均匀。

2.2.2.3 管片拆除措施

施作完第五道环梁并且第五道环梁达到设计强度时，逐步拆除管片，再顺作法施工风井。为防止基坑开挖后由于水土压力变化导致风井范围内盾构隧道发生失稳、变形，考虑采取如下措施：开挖前做好排水工作，将地下水位降至车站底板以下1 m，并且保证排水的连续性，以有效保护基坑及既成隧道的稳定性；开挖前应将风井与隧道接口处的两环管片的连接螺栓拆除，以防止在拆除过程中管片可能发生的上浮变形带动既成其他管片产生向上的位移或结构破损；在开挖时从上到下、左右对称地开挖管片左右两侧土体，保证管片侧向受力均匀，开挖到管片中线位置，拆除吊装上部管片，继续开挖以下土体，拆除剩余管片。首先拆除大里程端的一环管片，将整个隧道的应力释放出来，然后才按由东向西的顺序逐步拆除管片；为保证基坑开挖和管片拆除的施工安全，在整个开挖过程中加强监控和检测，记录隧道在各个开挖阶段产生的位移和变形，如遇问题及时停止施工，通知参建各方，采取及时有效的应急措施。

2.2.2.4 支护方案

为保证隧道管片背后环形间隙的止水效果，防止地下水通过管片背后环形间隙流入基坑，在基坑开挖前向管片背后进行二次注浆止水。开挖前再次紧固隧道管片连接螺栓，确保管片间连接紧密；加固范围为风井东西两端头左右线靠近区间隧道的10 环管片（包括洞口管片），共40 环。加固方法为打开管片的注浆孔，每环管片注浆孔数量为16 个，向管片背后注水泥浆液。水泥采用P.O32.5 普通硅酸盐水泥，水泥浆液水灰比1∶1，注浆压力0.5 MPa。为保证补注浆效果，补浆时采用从中心向两侧逐环多孔补注，孔位保持对称，压力从小到大逐步递增。补注浆后，最少间隔等强1 d，方可进行下步工序。

3 结 语

结合长沙地铁3 号线阜埔河站—灵官渡站区间工程，“先隧后站”即先于地铁车站或区间竖井前完成区间隧道的穿越，而后施工车站主体或区间竖井基坑及主体结构，提出相应的总结及建议。

（1）一般情况下，地铁车站或区间风井与区间隧道建设先后顺序的调整往往引起围护结构的重大变化，对于先隧后站的基坑需克服围护结构嵌固深度变化可能引起的安全性问题、地下水沿盾构管片纵向渗透至基坑的问题及基坑土方开挖、盾构管片拆卸吊装等问题。其中最重要的问题就是盾构范围内围护结构被切断基坑开挖时的安全、稳定性问题。

（2）技术上加强措施包括采用既成隧道影响范围内围护结构补强，待隧道施工完成后，通过植筋方式将盾构破掉的四幅地连墙进行修补；对围护结构外侧地层进行注浆处理，尤其是加强对强风化地层注浆，封堵裂隙；在基坑开挖前向管片背后进行二次注浆止水，风井施工完成后再次向管片背后进行注浆止水。

（3）施工上减小风险的措施包括采用多人工、少机械开挖，减小对管片稳定性的影响；施作完第五道环梁并且第五道环梁达到设计强度时，逐步拆除管片，再顺作法施工风井；在基坑开挖前向管片背后进行二次注浆止水，开挖前再次紧固隧道管片连接螺栓，确保管片连接紧密。