盾构下穿公路隧道微扰动控制技术研究

李记军 惠子华 肖亚俊

(1.无锡地铁集团有限公司，江苏 无锡 214000； 2.中铁十七局集团上海轨道交通工程有限公司，上海 200000)

0 引言

区间隧道盾构法施工因其施工速度快、安全性高、成本相对低等众多优点，在城市地铁施工中应用越来越广泛。由于新时代对城市交通需求的增加，新建地铁线路(特别是主城区)不可避免的要穿越既有建筑物及构筑物。区间隧道在穿越建构筑物期间对建构筑物沉降控制提出很高的要求[1]，盾构机掘进过程姿态控制、浆液选择、刀盘扭矩及推力控制等成为较为棘手的技术难题[2]，本文通过一个实际案例分析了盾构隧道近距离穿越建构筑物时针对沉降控制采取的技术措施。

1 工程概况

1.1 工程简介

无锡市轨道交通3号线永乐东路站—金海里站区间盾构下穿太湖大道隧道约27.5 m。区间以R=400 m穿越太湖大道隧道底，太湖大道底板厚1 000 mm，隧道顶距底板底5.222 m～5.56 m，底板下有长12 m φ1 000工程桩，区间自桩中间穿越(穿越桩间距12.3 m，盾构直径6.440 m)，距离工程桩最小距离为2.22 m，如图1所示。

根据勘察报告，盾构在太湖大道隧道位置穿越主要土层上部为④2粉砂层，中下部为⑤1粉质粘土层和⑥1粘土层。

拟建工程沿线地下水类型为松散岩类孔隙水，包括潜水(二)、微承压水(三)1及第Ⅰ承压水(三)2。

潜水(二)赋存于①1杂填土，隔水底板为③1-1粘土、③1粘土、③2粉质粘土。

微承压水(三)1含水层赋存于④1粘质粉土、④2粉砂夹粉土层中，其隔水顶板一般为③1粘土、③2粉质粘土，隔水底板为⑤1粉质粘土、⑥1粘土、⑥2粉质粘土。

第Ⅰ承压水(三)2主要赋存于深部的砂性土⑥3粘质粉土、⑦2粘质粉土层中，赋水性中等，具有相对较好的封闭条件。

1.2 隧道下穿太湖大道重难点分析

盾构机在该区域施工的过程中，如果土舱压力设置过大、螺旋排土器排土量少，会对开挖面前方土体造成挤压作用，使其土水压力进一步增大，造成开挖面上方土体因挤压产生土体变形，致使隧道底板隆起变形；若土舱压力设置过小，掘进过程中易产生局部超挖情况，进而造成盾构开挖面前面土体塌方现象，塌方地层上部应力松弛而产生变形，太湖大道隧道底板因地层变形将产生较大沉降[3]。如何保证隧道穿越时土体稳定，控制太湖大道隧道沉降量不超允许值[4]，是本工程施工控制的重点及难点。

2 隧道穿越过程管控措施

由以往施工经验和该隧道特征，工程将盾构穿越分为A区(试推进段)、T区(盾构穿越段)和B区(盾构穿越后段)三个区段。

将穿越太湖大道隧道前45环～5环作为穿越前推进试验段，即左线237环～277环，右线246环～286环。在两个试验段的施工过程中，以控制太湖大道隧道沉降变形为主要目标。

穿越段开始于盾构切口到达管道前5环，结束于盾尾脱出管道范围5环后，共35环(盾构穿越太湖大道隧道管片环数左线为277环～301环，右线为286环～310环)。利用试推进段施工情况及以往施工经验，得出合理的施工参数，应用于施工中。

穿越后阶段定为盾尾脱出太湖大道隧道后6环～20环，总计15环，长度为18 m。

3 隧道下穿具体施工技术

为了探索盾构穿越太湖大道隧道穿越段适用的关键施工技术和施工参数[5]，保证新建隧道顺利通过太湖大道隧道，在盾构穿越太湖大道隧道前进行两次试验段关键施工控制技术研究。

3.1 施工关键参数设定

开挖面及土舱压力的平衡设定是土压平衡盾构施工的关键，其中包括推力、推进速度和出土量三者相互关系，其对盾构施工地层变形量的控制起主导作用[6]。通过在试验段进行施工关键参数的调整及测试，施工时地表沉降变形及建构筑物沉降均处于安全可控范围内，其主要参数如表1所示。

表1 盾构穿越太湖大道隧道试验段施工参数

3.2 盾构隧道下穿同步注浆技术

试验段同步注浆采用“准厚浆”，准厚浆其浆液粘稠，填充效果好，无渗漏现象发生，泌水性小；浆液有较好的抗渗漏性能，浆液的后期强度高；结合前期施工经验，最初的注浆压力是根据理论的静止水压力确定，取1.1倍～1.2倍的静止水压力，该段推进过程注浆压力控制在0.3 MPa～0.5 MPa范围内，注浆量控制在5.5 m3/环～6.0 m3/环。

在穿越段施工前，对浆液配合比进行不同的试验调配及性能测试，如表2所示，结合粉细砂地层特点优选出满足使用要求的配方，如表3所示。

表2 同步注浆浆液初步配比

表3 同步注浆浆液性能表

3.3 盾构隧道下穿二次注浆技术

为了提高止水效果且减少施工后期土体沉降的影响，在脱出盾尾的第3环～4环起，经管片预留注浆孔进行二次补浆作业，对空隙部分二次填充，每环注浆量控制值为1.2 m3左右，因二次注浆为隔环注浆，因而每次注浆量初步定为2.4 m3，注浆压力控制为0.4 MPa。

二次注浆采用水泥—水玻璃双液浆作为注浆材料，浆液的凝胶时间为30 s～1 min。

浆液配比为水玻璃用水稀释成1∶3，水泥浆水灰比1∶1，水泥浆与水玻璃体积比1∶1，具体参数如表4所示。

表4 双液浆浆液配比表

3.4 盾构下穿姿态轴线控制技术

1)盾构穿越太湖大道隧道时，施工管理人员根据测量及反馈的数据信息，及时下达操作指令，勤加跟踪调整。

2)在穿越段施工时做到实际与设计轴线偏差±30 mm以内，坚持“小纠偏，勤纠偏”的原则，控制好盾构纠偏量。

3)通过组合不同的千斤顶实现纠偏，相对区域油压差控制在5 MPa以内，伸出长度差小于2 cm，避免发生纠偏过大的情况，造成对正面土体的偏向挤压和不均匀扰动。

4)结合工程地质情况，提前考虑掘进过程中将产生的偏差，做好盾构姿态纠偏准备，实现盾构机身与设计线路夹角控制在0.3%以内。

4 盾构隧道下穿地表沉降监测分析

依据本单位盾构穿越建筑物的施工经验，将盾构施工影响范围内长度再加上前100环管片宽度(120 m)和后30环管片宽度(36 m)的范围划为沉降控制区域，并再次细分，将隧道宽度及前方12 m以及后方36 m定义为一类控制区，其他区域定义为二类控制区。

因左线首先下穿公路隧道，穿越段共设有3个与隧道轴线方向垂直的监测面，每个监测面设10个沉降监测点，如图2所示。根据中间一个监测面的沉降点监测沉降情况如下：11月10日盾构开始下穿隧道，地表出现较大的沉降值变化，随着盾构的施工，地表沉降出现较大差异，部分监测点出现隆起现象，施工期间共对监测点进行54 d的记录，从最终沉降可以看出，地表沉降趋于稳定，最大沉降量小于4 mm，在规范控制值范围内，这也充分说明盾构下穿掘进过程中采用的施工参数和技术措施对地表沉降起到了很好的控制效果。

5 结论与建议

针对砂土地层盾构穿越建构筑物，通过设置试验段的测试和穿越段的应用，探索出以下适合的施工参数：

1)盾构掘进过程中的平衡压力设定值宜为0.20 MPa～0.22 MPa、刀盘转速取0.9 rpm～1.3 rpm、土量控制在36.74 m3/环～37.50 m3/环；

2)盾构推进过程的同步注浆压力控制在0.3 MPa～0.5 MPa范围内，注浆量控制在5.5 m3/环～6.0 m3/环，二次注浆每次注浆量为2.4 m3，注浆压力控制为0.4 MPa；

3)盾构纠偏过程中，相对区域的千斤顶油压差应小于5 MPa，伸出长度差小于2 cm。

砂土地层盾构穿越已有建构筑物时宜采用“先试验、多注浆、慢速度、勤测量、少纠偏、二次补”的动态控制理念进行沉降控制，将主动(试验段摸索施工参数)控制措施和被动控制(通过监测数据动态调整施工参数)措施相结合，不仅能有效地控制穿越过程中建构筑物的沉降，也可以控制隧道后期的沉降变形。上述成果为类似砂土地层盾构下穿建构筑物施工提供了重要的实践依据。