富水岩溶复合地层中盾构下穿机场关键施工技术

郭森华，袁守谦，詹建县

（广东华隧建设集团股份有限公司，广东 广州 510308）

广州正加快建设国家重要中心城市和三大战略枢纽的决策，深入实施“航空枢纽+大综合交通”战略，将广州北站建成普铁、高铁、城轨、地铁于一体的大型综合交通枢纽，使花都成为广州建设国际航空枢纽的核心区。国内一些学者对双模盾构和下穿机场跑道工程进行了研究[1-7]。本文介绍的盾构在富水岩溶地层中盾构隧道下穿机场是一个比较困难的工况，在富水岩溶地层中，往往因为地层上软下硬、溶土洞的问题导致刀盘磨损严重，切口水压波动大；进而导致地表沉降过大。而在城市地下隧道建设过程中处于施工成本和铁路运行线路的考虑常常需要下穿城市重要建构筑物，盾构施工过程中对周边城市重要建构筑物沉降影响往往有着更高的要求。

1 工程概况

珠三角城际新白广六工区包括一站三区间，其中T2～T1 站区间分别下穿地下人行通道与地下行包通道，另外机场T1 站～机场T3 站区间线路从机场T1 站引出后，沿P1 停车场、1#道口、外场值班用房、航空加油站、特种车道、T2 滑行道、T1 滑行道及机场东南工作区后向东穿过东跑道南侧灯光保护区、FBO 停机坪区域、新建第三跑道南侧防吹坪，到达机场T3 航站楼站。线路全长2.7km，有1.5km 位于机场飞行区范围，地层复杂，地面沉降要求高，施工难度大。项目盾构线路平面图见图1。

图1 线路平面图

本项目位于广州花都区，沿线为广花盆地伏岩溶区，是典型的富水岩溶发育地区。其中T3-T1 区间隧道掌子面地层为砂层、黏土层、岩层，有着岩溶发育的灰岩地层、全断面岩层、全断面砂层、上软下硬地层、孤石地层等不良地层，具体地质情况见图2。对盾构掘进存在较大的风险，尤其是对地面的沉降要求非常高。

图2 T3-T1区间地质示意图

2 施工方案

2.1 并联式双模盾构的应用

并联式泥水/土压双模式盾构将泥水、土压两种掘进模式的功能结合起来，并实现了在不拆装部件的情况下两种模式的快速转换。并联式泥水/土压双模式盾构在单一地层或硬岩中进行掘进的时候是1 台土压盾构；但是在上软下硬等复合地层的情况下，可以根据需要，实现泥水循环掘进，独立作为1 台泥水平衡盾构使用。能较好地控制泥水压力，保持工作面稳定，有效控制地表沉降，减少周边建（构）筑物影响。从而兼具泥水平衡盾构和土压平衡盾构的优点。

本项目T3-T1 区间隧道掘进综合考虑地面环境、地质情况及沉降要求，合理的选择最佳掘进模式，区间累计进行8 次模式切换，区间泥水模式和土压模式掘进如图3 所示分段，具体如下。

图3 并联式双模盾构模式选取示意图

右线泥水模式：-9 环～90 环，136 环～1 109环；1 201 环～1 605 环；右线土压模式：91环～135 环，1 110 环～1 200 环（230m）；左线泥水模式：-9 环～60 环，136 环～1 199 环，1 161 环～1 566 环；左线土压模式：61 环～135环，1 140 环～1 160 环（154m）。

2.2 冷冻刀盘的应用

为了应对特殊情况，保证盾构在飞行区任何位置都能进行应急开仓检查或更换刀具，为盾构特别设置了冷冻刀盘确保开仓换刀的安全性，冷冻刀盘开仓效果见图4。利用刀盘为等温体的特性，设置冷冻管路和冷冻设备，使盾构刀盘附近土体有效冻结；刀盘同时作为承载体，承担掌子面总荷载，冻结体只承担开口部位荷载；根据刀盘冷冻管路设置及智能控制系统，针对复合地层的复杂性，可进行分区不均匀冷冻。

图4 冻结加固开仓示意图

本项目T3-T1 区间采用了冷冻常压换刀1次；右线盾构在677 环进行冷冻开仓换刀作业，更换刀具35 把。冷冻刀盘开仓换刀位置见图5。

图5 冻结加固开仓平面位置示意图

2.3 复合注浆系统的应用

通过在常用盾尾同步注浆系统的基础上，在盾尾顶部增设特制的同步双液注浆模块及配套的注浆系统，可根据地质条件及周边环境需求，在盾构掘进过程中，盾尾同步进行双液浆及砂浆注浆，相当于在同步注浆阶段同时进行一定的二次补浆，可解决大直径盾构同步注浆顶部及周边填充不密实的问题，有效控制盾构在富水砂层中掘进、下穿重要建构筑物时引起的地表沉降问题，同时可有效控制富水地层中，盾构隧道管片上浮的问题，大大地减少了管片错台和渗漏水，有效地保证了成型隧道的质量。复合式注浆系统布置图见图6。

图6 复合式注浆系统布置示意图

盾构设置的复合注浆系统，在盾构下穿机场内沉降控制重点区域时发挥巨大作用：①机场第三跑道防吹坪、机场跑道B 绕滑道和Y 绕滑道等区域在下穿前、下穿过程及下穿后的累计沉降不超2mm（1.6mm），考虑到测量误差，基本达到零沉降；②机场T1、T2 滑行道区域的累计沉降为4mm，最大沉降点在两滑行道间的绿化带，滑行道道面最大沉降同样不超2mm（1.2mm），考虑到测量误差，基本达到零沉降；③通过盾构掘进的精细化控制，加上盾构配置的强大的复合注浆系统，有效地保证了管片在脱离盾尾之后的稳定状态，使管片错台、渗漏水等现象少，隧道成型质量较好。

2.4 自动监测技术的应用

根据机场运营方和设计的要求，飞行区道面及房屋沉降监测控制值如表1 所示，由于盾构隧道下穿诸多道面，同时道面周围设置有航向保护区及航向敏感区，道面中心线两侧影响范围建筑高度控制为地面原标高。盾构隧道下穿机场跑道影响范围见图7。

表1 机场监测参数表

图7 盾构隧道下穿机场跑道影响范围

基于飞行区安全管控严格，人员和物料进出需要培训并办理证件；标高控制区域仅能在停航时间进入，作业时间有限；飞行区道面不允许钻孔布设监测点；人工监测效率低，无法及时反应监测情况指导施工等原因，人工监测不满足要求，需要在飞行区内实施自动化监测。

1）采用自动监测技术工作基点现场及设计 工作基点采用混凝土制作观测墩，整体高度为2m，满足高度满足飞行区限高及监测的基本要求。工作基点包括监测设备、将太阳能电池板、百叶箱等。工作基点现场及设计见图8。

图8 工作基点现场及设计示意图

2）棱镜测量 中心线影响范围之外的土面区部分采用塑料材质的棱镜进行埋设，将小棱镜朝向工作基点，使其不能自由转动。棱镜埋设前在土面区做埋设效果实验，确定反光效果，避开飞机起降方向。埋设高度与地面齐平，以满足机场运营安全要求。棱镜结构示意图及现场布设情况见图9。

图9 棱镜结构示意图及现场布设图

3）扫描测量 由于布设棱镜会对飞机通过道面有影响，所以对Y 滑行道、B 滑行道、T1 滑行道、T2 滑行道、特种车道、防吹坪中心线影响范围内的A 类区域都利用扫描全站仪进行扫描。在道面区不需要布设任何实体监测点，故对机场的飞行安全无影响。

4）巡视 盾构掘进过程中，项目部无法安排专人进行地面巡视，手机无法远距离调焦拍照，且飞行区周边都属于禁飞区，无人机同样不可取。可以调用全站仪的镜头锁定掘进位置坐标进行拍照查看地面情况。

3 总结

1）采用并联式双模盾构的应用，具有土压平衡盾构、泥水平衡盾构的功能，可根据盾构隧道沿线地表环境条件和地质条件，合理划分盾构掘进模式，结合浓泥浆取石技术高效清理盾构开挖仓内堆积的石块，减少刀具及设备的损伤。

2）采用冷冻刀盘可以把整个刀盘结构及周边土体变成一个大型的“冻结圆盘”。如同一道屏障，充分地隔绝地下水，增加土体强度和稳定性，确保在不良地质下盾构开仓作业安全。能有效地解决富水岩溶发育复合地层开仓频率高、风险大、效率低的问题。

3）盾构整体式滚刀技术的成功运用，能有效解决在对有高强度或者相对复杂的上软下硬等岩层的隧道掘进施工中，滚刀较频繁的出现过早损坏的问题，降低开仓换刀次数，减少刀具使用维护成本，同时提高盾构掘进效率，降低施工风险。

4）通过盾构同步注砂浆和双液浆的复合式注浆，能有效控制地表沉降，保护地面建构筑物，并能减小富水地层中成型隧道上浮情况，降低因管片上浮导致的管片错台、破损及拼装缝漏水，提高盾构隧道质量控制。同时该系统配备的同步双液注浆模块，具备自动清洗功能和防堵管构造，操作简便，提高了盾构掘进的施工效率。

5）采用自动监测技术解决了机场飞行区限高和无法在道面保护区布置传统监测设备等因素影响。确保飞行区24h 监测有效实施。为以后类似项目下穿机场及高速铁路、公路等监测提供了借鉴。