富水砾卵石地层中盾构下穿地铁隧道的施工控制技术

许剑波 苏长毅 李子硕 刘灿光

中建三局基础设施建设投资有限公司 湖北 武汉 430073

随着城市化进程的加速，地下空间得到进一步的开发利用。在地下隧道施工过程中，不可避免地会遇到与既有运营地铁线路产生相互交叉的情况。在盾构下穿过程中，一旦操作不当，就有可能导致既有地铁隧道沉降，进而影响地铁列车行车安全。因此，寻找合理有效的办法控制地层沉降或隆起，减少盾构掘进过程中对既有地铁线路的影响十分有必要[1-5]。本文重点研究了盾构下穿过程中采用的施工技术控制要点，分析了下穿过程中的监控量测数据，可为今后的类似工程提供借鉴。

1 工程概况

武汉大东湖核心区污水传输系统工程主隧全长17.5 km，包含9个盾构区间，其中2#—1#区间（以下简称“深隧”）在罗家港和沙湖港交汇处下穿武汉地铁4号线铁罗区间（图1），交角为80°。2#—1#区间全长2 261 m，隧道底埋深为27.7～33.6 m，采用外径3.9 m、内径3.4 m、厚250 mm的C50预制混凝土管片结构。

图1 区间下穿关系平面

下穿区段位于沙湖港下，水深约2 m，地铁覆土深度为3.4 m，深隧覆土深度为22.3 m，地铁隧道外壁距深隧结构外壁垂直距离12.9 m（图2），下穿前后盾构机在中风化泥质细粉砂岩、强风化泥质细粉砂岩和砾卵石中掘进，其中穿越砾卵石地层长度为1 300 m。

2 深隧下穿地铁隧道影响分析

在盾构下穿前，对深隧施工影响进行安全评估。通过建立模型数值模拟施工工况进行有限元分析，如图3所示。计算结果显示：污水深隧工程隧道掘进施工前后，地铁4号线铁罗区间隧道竖向位移变化较小，隧道的轴力、弯矩和剪力无较大变化。评估结论为：深隧规范化的施工对地铁4号线隧道影响较小，在可控范围内，不影响地铁的安全运营。

图2 区间下穿关系剖面

图3 数值模拟计算网格

但隧道穿越地层位于透水性强的砾卵石层，施工过程中极易引起地层扰动，同时穿越区地表为港渠水体且存在原地铁4号线施工的上覆顶板，原设计MJS（全方位高压喷射）工法桩加固不具备施工条件，只能通过良好的施工控制，确保盾构下穿施工的安全。

3 施工控制要点

盾构下穿分为4个阶段：下穿前60 m试验段、下穿前50 m、正穿22 m、穿越后50 m，如图4所示。通过分阶段采取相应措施，保证地铁运营安全。盾构下穿地铁4号线区域前后施工控制要点及安全技术措施如下。

图4 下穿区域地质纵断面

3.1 提前更换刀具措施

下穿区段地层中石英含量较高，为提高刀具的耐磨性，减少因偏磨造成的对地层的扰动，将原来高155 mm双联滚刀（1#—8#）替换成高140 mm撕裂刀，原高155 mm单刃滚刀（9#—28#）替换成高155 mm单刃镶齿敷焊滚刀，其他刀具不变。选择在穿越前盾构机刀盘进入中风化泥质细粉砂岩地层时进行开仓检查及常压换刀，如图5所示。

图5 刀具更换示意

3.2 洞内更换盾尾刷措施

本区间盾构机在盾构选型设计中设置了4道盾尾刷，考虑在下穿前已连续掘进2.5 km，长距离盾构掘进对盾尾刷有一定的磨损，选择在地层稳定且含水量少的位置进行第1、2道盾尾刷的更换。

在拼装完最后一环管片且油缸行程达到1 560 mm后，进行停机保压。在掘进停止后，在盾尾后方采用双液浆注止水环，同时在盾体的径向孔中注入聚氨酯，形成盾体外临时封闭环。

更换盾尾刷之前，在倒数第3环管片吊装孔上开孔检查管片背部漏水情况。若背部水流较大且持续，则继续进行二次注浆封堵，在保证止水效果后，开始盾尾刷更换。

3.3 盾构纠偏措施

在正式进入试验段前，提前做好盾构姿态调整复核。进入试验段之后，确保盾构姿态沿设计线路掘进，避免穿越地铁期间发生大的纠偏动作，施工中严格控制每环纠偏量不大于4 mm（高程、平面），以减少盾构施工对地层的扰动。

3.4 土压力控制

1）根据水土分算原理计算掘进期间土仓压力理论值为0.25 MPa，在实际掘进过程中，掘进上部土压力控制在0.25～0.30 MPa，具体值需根据试验段掘进情况确定。

2）在试验段掘进开始时就必须严格保持土压模式掘进，不得欠压掘进。

3.5 推进速度控制

在穿越影响区的122 m范围内，盾构机推进速度控制在20～30 mm/min，并根据实际情况及时调整，盾构推进时应力求均匀连续，严禁非故障停机。

3.6 出土量控制

试验段做好每环出渣量统计，严格要求龙门吊对每环出渣量进行称重记录。在进入下穿段后，严禁超挖，每掘进30 cm统计一次出渣量，每环掘进完毕后利用龙门吊进行称重计量。掘进出土量应控制在理论出土量的97%～100%之间，出渣量异常时立即降低螺旋机出渣速度，迅速查明原因。

3.7 注浆和浆液质量控制

自进入试验段掘进后，应加强同步注浆，保证足量及时，同步注浆浆液稠度控制在12 cm左右，初凝时间根据掘进和电瓶车运输工效确定，考虑到区间运输距离较长，可适当提高初凝时间。浆液注入率根据该段穿越的不同地层和现场实际情况按2.0～2.5考虑，计算理论注浆量为5.38～6.73 m3/环，根据设计资料及以往的施工经验，注浆压力暂设定为0.25～0.30 MPa。为确保盾构穿越后地层不发生沉降，在进入试验段后，在盾构正常掘进、同步注浆的同时，利用同步注浆系统分出一路管路，在脱出盾尾第5环（设备桥附近）进行补浆作业，确保注浆充填密实，如图6所示。为防范分出管路堵管风险，在隧道内应备一套管路，发生堵管时应及时更换。

图6 补浆位置示意

完成穿越后，对下穿影响区及时进行二次注浆作业，通过预留的多孔管片进行二次注浆加固地层，注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆，配比为1∶1，凝固时间控制在30 s，注浆压力为0.2～0.3 MPa。

二次注浆时必须指派专人负责，对注浆位置、注浆量、压力值均作详细记录，并根据地层变形监测信息及时调整，确保压浆工序的施工质量。

3.8 渣土改良与喷涌处理

正常掘进时渣土改良应以使用泡沫为主。下穿期间穿越砾卵石地层，地层含水量高且具备承压性，在盾构掘进喷涌段，首先使用高分子聚合物进行渣土改良，再视改良后掘进出土情况，在螺旋机前部注入膨润土，提高螺旋机内土的塑性，形成土塞，防止喷涌。后方来水较大时，还需及时施作环箍止水，减小土仓内水的流入。

3.9 保障连续掘进措施

在正式进入试验段前，应寻找合适的地层停机检查盾构机的各部件工作情况，尤其是盾构机的密封和保压装置（铰接、盾尾、螺旋机），需由维保工程师检查并形成记录报工区领导审批。同时做好同步注浆及二次注浆系统清洗，确保通畅。对单梁、双梁、拼装机链条等故障多发位置要重点检查，易损件须进行备件，确保下穿过程中不出现因设备故障而导致的停机。

正式穿越前，应及时将渣土池中的土方全部外运，做好土方外运的保障措施，避免因外运不及时影响盾构掘进。

3.10 试验段记录与分析总结

盾构司机在试验段填写盾构掘进记录表时，应重点记录出土量/渣重、土仓压力、掘进速度、刀盘扭矩、螺旋机转速、同步注浆量。试验段前20环上部存在部分砾卵石层，为砾卵石/强/中风化泥质粉砂岩交接层，可作为正穿22 m区域/穿越后50 m区域各掘进参数的参考依据；后30环为强/中风化泥质粉砂岩交接层，可作为穿越前50 m区域各掘进参数的参考依据。下穿前须完成对试验区段数据前20环与后30环的掘进分析，得出该地层合理的掘进参数范围，指导下穿施工。

3.11 建立联动机制

下穿前与地铁部门、建设单位及其他相关单位建立联动机制，配合地铁部门建立畅通有效的沟通及应急机制，一旦发现异常，及时沟通、协商。同时，按地铁部门要求设联络人员，在盾构下穿地铁期间邀请地铁工务段人员现场联合办公。

4 自动化监测

地铁运营期间无人员进洞条件，为随时掌握施工过程中隧道的动态变化，项目采用自动化信息监测，在地铁隧道管片及道床上设置监测点进行监测。监测内容包括隧道结构拱顶沉降、隧道结构水平位移、隧道结构净空收敛、隧道结构道床竖向位移等。

隧道内主要影响区每隔5 m布设1个断面，次要影响区每隔10 m布设1个断面，双线共计28个监测断面。每个监测断面设置5个监测点，即道床2个、侧壁2个、拱顶1个，如图7所示。

图7 自动化监测断面

本次地铁监测范围为施工影响区域内的地铁4号线铁罗区间的双线隧道结构（主要影响区）及两端各延伸50 m（次要影响区），监测区域约122 m。

地铁隧道结构水平位移、沉降、净空收敛（测量机器人自动化监测）采取24 h不间断监测。

监测工作的全面启动从盾构进入地铁影响范围开始，当下穿地铁隧道施工结束3个月，地铁隧道变形无异常，且监测数据趋于稳定（以连续3个月变化速度小于0.6 mm/月视为稳定）后，监测工作即告结束。

深隧在穿越地铁4号线过程中，各点监测值始终小于控制值，为盾构掘进提供了有利的数据支持，保证了地铁4号线处于安全可控的状态，监测数据如表1所示。

表1 自动化监测实测值

5 结语

在下穿既有地铁线路施工中，合理的施工组织、精细化的盾构参数选择、实时的监测数据、高效的联动机制等是保证既有地铁安全的关键。

本工程通过将下穿施工分为4个阶段，于各个阶段分别采取相应的对策，通过设备维保措施、盾构纠偏措施、掘进参数控制措施、自动化监控措施等，保障了深隧施工和地铁运营的安全，其相关思路和措施可供类似盾构施工参考。