上海轨道交通12 号线9 标盾构进洞施工技术分析与研究

蒋钧

（上海隧道工程有限公司，上海200032）

1 工程概述

上海轨道交通12 号线9 标段工程包含龙华路站～龙漕路站、漕宝路站～龙漕路站2 段单圆盾构区间隧道。其中，龙华路站～龙漕路站区间上行线长度为960.878m，下行线长度为945.306m，引入2 台φ6 340mm 土压平衡盾构先后从龙华路站开始向龙漕路推进，均从龙漕路站东端头井进洞，洞门中心标高为-8.67m，地面标高为+4.81m。漕宝路站～龙漕路站区间上行线长为873.542m，下行线长为869.221m，同样采用2 台φ6 340mm 土压平衡盾构机，由漕宝路站向龙漕路站推进，区间隧道上、下行线均从龙漕路站西端头井进洞，洞门中心标高为-8.359m，地面标高为+4.24m。

本工程盾构进洞主要涉及的土层为：①1 填土、①2 浜填土、②黏土、③淤泥质粉质黏土、③夹砂质粉土、④1 淤泥质黏土、⑤2 砂质粉土夹粉质黏土。盾构主要穿越土层为④1 淤泥质黏土，但需注意区间隧道下部的⑤2 砂质粉土夹粉质黏土，该土层渗透系数高、且含微承压水水头，盾构进洞需采取有效技术措施以确保周围建构筑物和施工的安全。

2 地基加固

鉴于盾构下卧⑤2 土层进洞，施工风险极大，本工程两区间上行线的龙漕路站端头井地基加固以水泥系加固为主，再辅以水平冻结加固；由于两区间的下行线进洞加固部分区域位于龙漕路现有道路上，交通繁忙，无法翻交，导致该处不能采用水泥系加固，故地基加固以垂直冻结为主、再辅以水泥系加固，进洞时采取钢套筒及割留盾尾措施[1]。

2.1 水泥系地基加固

盾构进洞水泥系地基加固采用三轴搅拌桩结合三重管高压旋喷桩的加固方式，加固范围为隧道上、下、左、右各3m，由于施工场地的限制，东、西端头井加固长度分别为8m 和9m，部分区域在围挡外现有道路上无法施工，如图1 所示。隧道下3m 至隧道上3m 区域为三轴搅拌桩强加固，水泥参量为20%，隧道上3m 至地面为弱加固，水泥参量为7%，搅拌桩直径850mm，搭接长度300mm，采用梅花布桩形式，以提高桩间止水效果，成桩下沉速度控制在0.5m/min，提升速度为1.0m/min。搅拌桩与地下连续墙之间的500mm 缝隙采用三重管高压旋喷桩进行补加固，水泥参量为570kg/m，直径1 200mm，搭接长度300mm，桩长约19.5m，钻杆提升速度应控制在0.1～0.15m/min。加固土体应有良好的自立性、均质性和密封性，28d 无侧限抗压强度达到0.8～1.0MPa，渗透系数小于10～8cm/s。

图1 龙漕路站东端、西端头井水泥系地基加固平面图

2.2 水平冻结加固

由于施工场地的局限，为了确保地基加固质量，本工程两区间的上行线均辅以水平冻结的加固方法，在洞口外侧形成一道与工作井地连墙紧贴的冻土墙，其作用是抵抗土层侧压力的作用，防止泥沙和地下水进入隧道进洞口，保障盾构进洞安全顺利。东端头井布置外圈水平冻结孔32 个，深度7.9m，冻土帷幕有效厚度6.5m，内圈冻结孔25 个，深度2.9m，冻土帷幕有效厚度1.5m；西端头井布置外圈水平冻结孔25 个，深度5.4m，冻土帷幕有效厚度4.0m，内圈冻结孔19 个，深度3.4m，冻土帷幕有效厚度2.0m，盾构进洞水平冻结加固冻结孔布置如图2 所示。盐水最低温度设置在-28～-30℃，冻土墙扩展速度约25mm/d，积极冻结35d 后冻结壁平均温度应不高于-10℃，洞门凿除后冻土墙与槽壁交接区域温度不高于-5℃，盾构进洞前必须通过测温孔观测计算，确定冻土墙交圈并达到设计厚度且冻土与槽壁完全胶结后，方可进行进洞施工。

图2 东、西端头井上行线水平冻结孔布置图

2.3 垂直冻结加固

本工程两区间下行线均采用垂直冻结并在隧道底部加设一排水平冻结孔的加固方法，垂直冻结施工采用非金属PVC管作为冻结管材料，冻结完成后不用拔除，盾构可以直接切削PVC 冻结管，避免拔管时可能出现的断管、涌沙、冒水等危害，提高盾构进洞的安全性。考虑到东端头井加固区域在现有道路上的面积较大，垂直冻结孔布置3 排共45 个，深20.4m，在盾构切削断面外靠现有道路侧设置2 排水平冻结孔共15 个，深度3.4m，开孔间距为800mm，排距为700mm；西端头井竖直冻结孔布置3 排共46 个，深19.5m，在切削断面外下部设置1 排水平冻结孔共6 个，深3.7m，开孔间距为650mm，排距为700mm，东、西端头井冻结孔布置图如图3 和图4 所示。盐水温度设置在-28～-30℃，由于端头井已完成水泥系辅助加固，水泥水化潜热引起地层温度升高，平均温度38.7℃，为使盾构进洞时冻土帷幕达到足够的强度，在积极冻结期前设置预冻结期，预冻结20d，冻土墙的扩展速度约13.2mm/d，由于工况条件不同，东、西端头井下行线分别积极冻结40d 和50d 后冻土墙厚度达到2.2m，满足加固强度和温控的要求。

图3 东端头井下行线垂直免拔冻结孔平、剖面布置图

图4 西端头井下行线垂直免拔冻结孔平、剖面布置图

3 钢套筒接收装置

为提高盾构进洞安全性，增设安装钢套筒接收装置（见图5）。钢套筒采用定加工的制作方式，外径6 942mm，内径6 710mm，分为基座、过渡环、第一、第二、第三、第四环钢套、端板及后靠。各部件依次吊运下井安装，定位要准确、固定要合理、焊接及密封性要保证。钢套筒根据进洞线性要求，钢套筒过度环与洞圈存在一定角度，需对存在间隙部分进行补充焊接，使之与洞圈密贴。在端板和井壁结构之间安装 609mm钢围檩支撑后靠，采用钢板焊接垫实并加灌水泥砂浆，使钢套筒受力均匀、端面平整，满足盾构进洞时的受力变形要求。钢套筒安装完成后应加水试压，满足设计压力0.3MPa，并稳压30min 后放水，不满足则对渗漏处进行封堵，直至满足密封与试压要求。盾构进洞前在钢套筒底部60°范围内拌制强度为M5 的弧形水泥砂浆基座，待凿除洞门后其余空间通过用原状土进行填充，盾构通过洞门进入钢套筒内可直接切削砂浆基座并采用螺旋机正常出土，保持钢套筒内土压力与土层压力相平衡，降低施工风险，使盾构机安全完成接收[2]。

图5 钢套筒接收装置

4 加固区推进

在加固区外推进方面，应严格控制切口处的平衡土压力，并以实际土压力为核心控制总推力、出土量、同步注浆量、刀盘转速和扭矩等相关技术参数。为了避免出现欠挖、超挖等情况，应减少平衡压力的波动。根据实际情况，可将平衡土压力设定为0.18MPa，推进速度设置为1.5cm/min。在确保地面沉降与周边建构筑物监测情况良好的状态下，使盾构均衡匀速施工。在进洞段姿态变化过程中，应加强监控，做到细微之处加强观察，尽量避免纠偏，减少对土体的扰动。对管片超前量进行细致检查，预先计算好每环的楔子量，确保推进线路与隧道轴线相符合，拥有良好的进洞姿态，并采用稳坡法、缓坡法推进，避免盾构施工对地面造成不良影响[3]。

在加固区内推进方面，最大限度地均衡施工，以此减少对周围土体产生的扰动，将推进速度控制在1cm/min 为最佳。待盾构进入冻结区后，可根据刀盘油压与地面监测情况对土压力值进行调整，将其控制在0.10～0.12MPa。盾构在穿越冻结区时应连续作业，减少停顿，因冻结区正面土质较硬，为了有效控制推进轴线并保护刀盘，应耐心削磨，使土体能够被充分切削，为盾构机在加固区的顺利推进提供保障。

5 同步注浆与环箍注浆

通过同步注浆的方式将建筑缝隙及时填堵，避免施工造成土体损失。采用外送商品浆进行同步注浆，注浆填充量1.7m3，为建筑空隙的100%，泵送出口压力设置为0.3MPa。注浆量可根据注浆压力值与地层变形及周边环境监测数据而定。进洞段推进速度较慢时，应对浆液压注均匀性进行合理控制，防止注浆集中或者间断，使建筑缝隙得到有效填充。

因盾构进洞推进过程中，同步注浆填补后仍可能存在一定缝隙，浆液收缩变形也会引起地面沉降，为避免出现局部土体位移引起地表沉降，在进洞施工过程中采用环箍注浆施工工艺，环箍注浆采用双液浆，每立方米浆液配比42.5 级水泥1 000kg、水玻璃250L，注浆量可根据地面沉降监测数据的情况及时进行调整。环箍注浆可以在已成型隧道的管片预埋注浆孔或盾构机壳体预留孔进行注浆施工，本工程区间隧道进洞段管片特意增设了预埋注浆孔，将除封顶块以外每块管片预埋注浆孔从1 个增加至3 个，共计16 个/环；盾构机壳上原设置2 道孔，每道6 个，共计为12 个，孔径为 32mm，孔位避开千斤顶伸缩区域，不会对盾构推进施工造成影响，在开孔位置加装2 寸球阀。洞门破除前，在非加固区与加固区连接的对应位置实施双液浆环箍压注，每环压住约0.3m3；洞门破除后，在具备条件之处同步进行环箍施工，采用注浆量与注浆压力双控的方式进行调节。

6 冻结加固进洞

6.1 上行线水平冻结加固进洞

进洞之前，要将上行线盾构切削断面范围内的水平冻结管拔除，数量为19 根，为避免渗漏，冻结管去除后还应用水泥砂浆对孔道进行临时封堵。拔管采用热盐水循环解冻5～8min 后，利用千斤顶以水平方向向外拔除冻结管，先拔中圈冻结管，内圈保持继续冷冻，然后间隔拔除内圈冻结管，对于没有拔除的相邻管路保持继续冷冻，确保冻结管在24h 内完成拔除，并及时进行回冻。因短期加热强制式化冻的融化程度有限，在拔管后的48h 内会自然回冻，然后冻土再从外到内逐渐融化，通常在10～15d 后承载力逐渐丧失[4]。

在洞门凿除后，盾构应尽快施工，缩短进洞时间。当盾构坐上基座导轨后，盾构机推出槽壁约6.5m，盾尾未露出，便完成第一次进洞。由于洞圈直径与盾构外径存在一定间隙，为了防止土体流失，此时立即设置安装带有注浆孔的弧形钢板封堵洞圈，并通过预留注浆管进行双液浆压注填充，在隧道内盾构机后3 环处可利用二次注浆设备通过管片上的注浆孔进行壁后环箍注浆，保证进洞加固段的密封性。首次进洞压浆完毕后，在地面沉降稳定的情况下，可实施盾构二次进洞，推进至全部管片拼装完毕，并提前准备负环管片，利用底部5 组千斤顶将盾构机全部推出直至盾尾脱出洞圈，用设有预留注浆孔的弧形钢板将洞圈与进洞环管片预埋钢板焊接密封后再次进行补压浆，此次洞圈处和隧道内均采用流动性更好、后期强度更高的单液水泥浆，保障填充注浆强度，避免水土流失。

6.2 下行线垂直冻结加固结合钢套筒进洞

由于本工程两区间下行线盾构进洞区域地面局部为现有道路，进洞施工风险大，部分区域水泥系加固无法实施，故采用垂直免拔冻结加固为主，水泥系加固为辅，结合钢套筒进洞并割留盾尾的措施。在盾构掘进至距冻结区3m 范围时，停止推进开始洞门凿除工作，同时在隧道内盾构机后3 环处进行环箍注浆。洞门凿除至内排钢筋，断开并去除盾构切削断面位置PVC 免拔冻结管内的供液管，将其中的盐水吹出，并用水泥砂浆将PVC 免拔冻结管回填，其余部位的垂直冻结管与钢套筒外部的水平冻结管保持继续冷冻。待洞门凿除完成后，将钢套筒内回填满原状土并封闭，然后盾构开始恢复推进，通过刀盘切削破除加固体内的PVC 免拔冷冻管，同样进入钢套筒内切削砂浆基座并正常出土，推进至将剩余管片全部拼装完成，此时盾尾未脱出洞圈，从钢套过渡环预留的注浆孔进行双液浆注浆加固，填充完毕后，再利用单液浆封堵渗漏的通道，隧道内同样进行环箍注浆施工。在注浆结束且具备一定强度的情况下，可适量出土降低钢套筒内的土体压力，用弧形钢板将盾构机壳体内侧与进洞环管片端面的预埋钢板焊接密封，同时在接收井内由上至下割除钢套筒的过渡环，每段过渡环的割除长度应与弧形钢板长度相一致，每割除一段过渡环必须马上进行清理并用弧形钢板将洞圈与盾构机壳体外侧焊接密封，确保焊接质量，直至所有的弧形钢板全部与盾构机壳体焊接完成，再次填补管片与洞圈间的空隙，通过盾构机壳体两侧焊接弧形钢板上的预留注浆孔分别进行注浆填充，浆液采用单液浆，然后割留与管片和洞圈焊接部分的盾构机壳体尾部，完成进洞施工[5]。

7 施工监测

在地面变形监测方面，根据上级单位工程风险点监测工作要求，与该工程实际情况相结合，在位于推进方向上盾构进洞段22m 范围内，沿着轴线6.5m、11.5m、16.5m 和21.5m 处设置监测横断面，该断面在轴线左右两侧分别布设2 个深层沉降点，与中线相距为3.1m 和6.2m，呈现梅花状布设；在盾构进洞段22m 外，沿着轴线每3 环设置1 个沉降监测点，每30 环设置1 个沉降监测断面，以轴线中心往两侧3m、6m、10m、15m和22m 处各设置1 个沉降监测点，共计11 个监测点位，每个沉降断面设置2 个深层沉降点。在进洞段范围内，有临近的建构筑物（河滨大楼、万丰盛景大厦等），应事先布设监测点，在盾构穿越过程中，只需以原测点进行监测，对监测频率进行加密，确保此类建筑安全；在穿越区上方相邻有多类管线，原则上尽可能采用现有管线监测点，在条件允许的情况下开挖布设直接监测点，点位数量均由现场复核而定。进洞段施工时，监测频率至少每天2 次，如若在施工时出现地层变形量变化异常，可有针对性地增加监测频率，并采用二次注浆等有效措施使地层变形尽快恢复正常。

8 结语

综上所述，当前轨道交通工程规模不断扩大，盾构进洞施工需要克服的难点随之增加。在施工中，应坚持加强技术支撑，根据施工实际情况对各项参数进行调整，采取专项安全施工技术方案，减少和避免安全事故的发生，本工程4 台盾构最终顺利完成进洞施工，可为后续类似工程积累宝贵经验。