超大断面土压-泥水盾构隧道下穿敏感城区施工安全风险控制研究

来琼

（中铁二局集团新运工程有限公司，四川 成都 610031）

快速铁路隧道采用土压-泥水双模法超大断面下穿敏感城区，对城市居民生活、交通、建（构）物安全势必造成一定影响，采取符合实际的针对性措施是风险管理取得成功的关键。姚晓明等[1]对新建盾构隧道近距离下穿既有地铁线提出了安全控制技术，张润峰等[2]对下穿既有建筑期间盾构施工参数进行了分析，本文针对首次在快速铁路隧道采用双模法盾构进行复杂和敏感环境下穿越进行风险控制研究，以期科学指导类似工程施工[3]。

1 工程概况

成蒲铁路西环线增建二线工程北起安靖站，经成都西站、红牌楼站，最终接入成都南站，是“铁路城市公交化”重要的组成部分，其中红牌楼至成都南区间涉及一座1.3 km 的紫瑞隧道，是实现枢纽环线全线双向贯通的最后关键环节，建成后将极大提高成都市铁路枢纽疏解能力，对提升成都铁路枢纽地位和实现环线公交化运营具有重要意义。设计隧道为单洞双线，盾构法施工，隧道全长1 326 m，外径12.4 m，内径11.3 m，最大纵坡为25.5‰。隧顶最小埋深8.6 m，最大埋深21.75 m，紫瑞隧道地理位置如图1 所示。

图1 紫瑞隧道地理位置示意图

2 地质水文条件

隧道位于成都冲积平原区，地势开阔平坦，地面高程490～502 m，既有建筑、铁路、公路、地铁等市政工程密集，主要穿越地层为粗圆砾土、W3 强风化泥岩夹砂岩、W2 强风化泥岩夹砂岩。

整个隧道穿越区卵石土、粗圆砾土层较厚，且分布范围大，其间赋存有大量的空隙潜水。地下水静止水位埋深3.0～10.6 m，含水层厚10～25 m，主要受线路附近工程降水施工的影响，地下水的年变化幅度多在1.0～3.0 m 之间。

3 穿跨越重难点分析

本隧道始于神仙树南路东侧，止于既有红牌楼场站内，线路依次下穿肖家河、地铁5 号线神仙树站主体结构底板、地铁7 号线神仙树站C 号出入口底板、神仙树高架桥群、成雅高速桥等建构筑物，盾构隧道穿跨越构筑物平面图如图2 所示。在如此敏感环境下，盾构隧道穿跨越既有构筑物时如何降低对既有构筑物的影响是该项技术关注的重难点，同时如何确保盾构施工过程中环境的稳定性及安全风险控制是该项技术实施的关键点。

图2 盾构隧道穿跨越构筑物平面图

4 风险分析

隧道正穿肖家河，底处隧道埋深约8 m，下穿期间引起河床塌陷，引发透水和周边建筑物的基础沉降或主体倒塌。

隧道正穿营运地铁5 号线车站和7 号线C 出入口，下穿期间存在地铁沉降超限，车站结构变形，地铁停运的风险；下穿神仙树高架桥群和成雅高速高架桥，部分桥桩距隧道结构水平净距为2.67～10 m，侧穿引起路基沉降、桥梁变形，造成交通中断等风险。

5 施工准备

5.1 建（构）筑物调查

委托检测咨询公司对盾构隧道需穿跨越的建构筑物进行鉴定，所有相关的建构筑物结构完好，无变形、沉降、倾斜等病害，处于正常使用状态，未见结构性损伤，结构整体稳定。

5.2 施工影响计算与结果分析

根据现场实际情况，以成雅高架桥为例进行相关计算与结果分析，下穿成雅高架桥计算模型如图3 所示，其他建（构）筑物比照进行。

图3 下穿成雅高架桥计算模型图

采集结构、尺寸、相关距离等相关参数输入Midas软件进行三维建模。通过计算分析，成雅高速桥的桩基础在穿越工况下，桩由原始的最大轴力5 465.5 kN和最大弯矩335.3 kN·m 变化为5 050 kN 和121.4 kN·m，竖向最大变形为0.06 mm，水平向最大变形为1.6 mm；同时穿越区域地表最大沉降4.06 mm，最大隆起2.25 mm。根据计算结果，盾构隧道穿越成雅高架桥时，底层扰动引起桩基变形，变形以水平变形为主，导致桩基产生附加弯矩，桩基水平并及竖向变形均满足5 mm 控制值的要求。

5.3 施工管理及技术准备

本工程盾构设备采用土压-泥水双模盾构机，在穿跨越既有构筑物时采用适应性更好、稳定性更强、掘进效率更高的泥水平衡模式通过，穿越各建构筑物前设置30～50 m 试验段，以试验段作为参考优化盾构推进参数。

穿越过程中对构筑物密切观测，充分做好应急预案；穿越后，持续进行后沉降观测，及时进行二次注浆。在盾构穿越前、中、后期全过程进行风险管控，降低施工风险。

6 盾构掘进参数控制

盾构机在穿越各重要构筑物前，对盾构设备进行检修，确保穿越期间不停机，满足一次性通过条件。根据同类地质情况盾构掘进参数类比分析，以及穿越期期间对盾构掘进参数的调整及分析，总结主要关键盾构掘进合理参数如下。

6.1 下穿河流

肖家河宽约15 m，流量不大，受季节变化影响，冬季水量较小，夏季水量相对较多。河道位置两侧地下水位约7.49 m（河道范围水位较高为4 m），土层分布如下：人工填土、粉质黏土、粉土、粗圆砾石。河道范围内最上层为0.24 m 厚硅酸盐砌块，往下依次为黏土、粉土、粗圆砾土。掘进速度30～35 mm/min，推力70 481～72 098.8 kN（河道范围为53 332.1 kN），扭矩34 22 3.1 ～34 99 8.3 kN·m（河道范围为26 707.2 kN·m），刀盘钻速1.2～1.4 r/min，土仓压力1.43～1.49 bar。

6.2 下穿地铁

盾构下穿成都地铁5 号线和7 号线，在地铁线路范围内主要下伏地层为粗圆砾石，上部为人工填土，地下水位线在7.04～7.12 m 之间。掘进速度30～35 mm/min，推力75 585.4～78 662.3 kN，扭矩36 802.6～38 350.5 kN·m，刀盘钻速1.1～1.3 r/min，土仓压力1.53～1.60 bar。

6.3 下穿桥梁

盾构隧道侧穿神仙树高架桥群和成雅高速高架桥，该地段水位在7.31～8.21 m 之间，上覆土层依次为人工填土、粉质黏土、粉土、粗圆砾土。掘进速度30～40 mm/min，推力89 472.5～100 015.7 kN，扭矩43 769.1～48 683.1 kN·m，刀盘钻速1.2～1.4 r/min，土仓压力2.12～2.3 bar。

7 建（构）筑物注浆加固

盾构隧道穿跨越建（构）筑物地段采取的加固措施为袖阀管预注浆加固及隔离加固，本工程盾构隧道穿越建构筑物注浆加固方式如下。

7.1 下穿河流

盾构穿越肖家河对河底板进行预注浆加固，加固深度为河底6 m，宽度为隧道两侧各5 m，袖阀管注浆加固孔位间距200 mm×200 mm 梅花形布置，下穿肖家河注浆加固断面如图4 所示。考虑肖家河水流量大，加固分2 次进行，加固前先采用围堰进行河水分流，第一次进行靠小里程约5.3 m 区域围堰施工，围堰施工完成后进行预注浆加固及中水管探挖；第二次进行剩余约4.2 m 区域围堰及预注浆加固施工。

图4 下穿肖家河注浆加固断面图

7.2 下穿地铁

盾构隧道穿越地铁5、7 号线时，该段落内分别设置有玻璃纤维筋抗拔桩及围护桩，盾构机穿越桩过程中，严格控制切口压力，保持盾构机姿态稳定；严格控制盾构纠偏量，在确保盾构正面沉降控制良好的情况下，使盾构均衡匀速施工，减少盾构施工对土体的扰动和地层损失。同步注浆系统及时充填空隙，待盾构通过后及时二次注浆，进一步控制滞后沉降。

7.3 下穿桥梁

主要采取施作隔离桩保护自身桥基和微型钢管桩进行加隔离加固。其中隔离桩直径1 000 mm，桩长为盾构隧道底部2 m，桩身距离隧道边线大于1 m，主要应用于神仙树高架桥群，如图5 所示。微型钢管桩采用直径150 mm 钢管，桩长22 m，桩位沿是隧道掘进方向间隔300 mm 布置，与桥梁水平净控制在2.5～4.3 m，主要应用于成雅高速高架桥，如图6 所示。

图5 神仙树高架桥群桥墩加固断面

图6 钢管桩加固剖面示意图

8 盾构穿越期间监控量测

8.1 出土量及隧道注浆控制

本工程大断面盾构隧道每环（1.5 m 管片）出土量控制在233 m3左右，对出土量差异较大节段，从出土类型、实际出土方量结合地表沉降观测数据等方面进行综合评估分析，查找原因，以采取控制措施。

同步注浆采用注浆压力与注浆量双控标准，注浆压力控制在0.3～0.5 MPa 之间，注浆量控制在19.62～26.16 m3以内。在该段掘进时采用多孔加强型管片，根据观测分析结果在竖向坡道及水平方向变化较大时，结合监测数据，采用二次补强注浆，压力控制在0.5～0.6 MPa 范围内。

8.2 沉降监控

盾构下穿河流、地铁和桥梁时，主要监测项目为建构筑物竖向位移（全部接近段落）、地表竖向位移（全线）、隧道拱顶下沉及净空收敛（下、侧穿建构筑）、区间分层竖向位移（穿越河流、路口、房屋）。监测频率满足规范要求，如发现异常，则加密监测频次并及时通知相关各方，及时采取防范措施。

在盾构隧道全部穿跨越建构筑物后，经施工单位监测稳定后，再由第三方鉴定单位对建筑物进行鉴定，并与通过前的鉴定报告进行对比，确定盾构通过是否对建筑物结构造成影响。

9 应急管理

在盾构隧道穿跨越既有建（构）筑物时出现整体沉降或倾斜超过警戒值或出现明显裂缝等情况时，立即停止现场该部位附近的大型机械施工和挖土作业，通知业主、监理、设计和设备管理单位，密切观测变形发展的情况和趋势，同时应立即启动应急预案，协助疏散交通和周围住户。

同时对建（构）筑物地基加固，启动袖阀管注浆应急方案，进行地面跟踪注浆。在建筑物体周围注浆进行加固土体，地面注浆材料采用纯水泥浆，正常注浆压力为0.4～0.8 MPa，注浆压力控制在1.0 MPa 以内，并由下而上逐渐减小，同步对洞内进行二次注浆，多方位稳固地面和建（构）筑物稳定。

10 结语

本项目大断面盾构隧道已顺利完成，穿跨越各建构筑物期间均安全可控，未发生任何安全生产事故。通过严格的风险分析，制定完善的加固及穿跨越方案，调整有效的盾构掘进参数，切实贯彻长效监控机制，有效控制了盾构隧道穿跨越建构筑物作业安全风险，得到了建设单位的高度评价，提高了企业形象，可为类似工程施工提供借鉴和参考。