喀斯特复合地层地铁盾构穿越锚索区施工技术

于加云

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津300308）

城市地下空间开发快速发展，但由于前期未落实有序发展的城市规划[1]，经常出现遗留的障碍物给后续工程带来较大影响的情况。针对盾构隧道在下穿建筑物时遇到锚索这一典型案例，有工程技术人员进行了研究分析。李广良[2]、王淼[3]从工期、造价等方面对人工挖孔进行锚索拔除方案进行了论述；游杰等[4]、张志冰[5]、黄志斌等[6]介绍了地面采用旋挖转切割处理锚索配合盾构推进的施工技术；乔海洪[7]介绍了明挖竖井及暗挖通道配合全回转套管跟进法拔除锚索的施工方案；温裕洪[8]对盾构施工中地下障碍物的探测做了工程实例介绍。

本文介绍了徐州地铁2号线在喀斯特复合地层中盾构直接穿越锚索群的实例。本区间工程初期采用矿山法开挖、人工割除锚索后进行盾构空推的施工方案，因现场实际地质条件变化，矿山法掘进困难，为满足工期节点要求，降低施工风险，对矿山法已开挖部分进行回填，盾构直接切削穿越锚索区及矿山法回填段，为后续类似工程提供一种施工参考方案。

1 工程概况

徐州地铁2号线建国路站—师范大学站区间采用盾构法施工，地王大厦基坑遗留锚索侵入区间隧道左线，受影响区间长度约135 m，锚索长度15 m，由2ϕ25 mm钢筋组成。左线影响长度范围内采用矿山法施工先行割除锚索，再盾构空推施工。见图1。

图1 锚索与盾构隧道平面位置

隧道穿越地层主要为硬塑黏土及中风化灰岩层（含溶洞）。区间地面管线众多，主要有燃气、排水、给水等。拱顶多分布淤泥质黏土层，矿山法施工拱顶坍塌严重，如继续暗挖，则加固费用高、工期长、加固效果难以达到预期且容易对周边环境造成影响；对施工方案进行调整，对已施工矿山法隧道进行回填，盾构直接切削锚索掘进通过锚索区及矿山法回填段。见图2。

图2 隧道地质剖面

2 工程难点及应对措施

1）盾构直接长距离大范围切削锚索，造成扭矩及推力增大，土压波动过大且切削锚索过程中容易拉拔锚索，加剧水土流失，引起较大地面变形及管线沉降。为此，将隧道影响范围内管线挖槽，采用型钢支架悬吊保护，待盾构通过、地层稳定后恢复；加强监测，做好应急预案。

2）盾构掘进上软下硬地层且岩层溶洞发育[9～10]，地下水丰富，土体自稳性较差；矿山法已施工部分需回填密实，封堵地下水的水力通道，避免水土流失引发地表沉降。为此，割除原矿山隧道侵限管棚，采用玻璃纤维筋施作矿山隧道封端墙；车站洞门处施作钢筋混凝土封端墙，分层压注水泥砂浆将矿山段回填密实，防止洞门涌水。

3）盾构机在上软下硬地层切割，锚索易被刀盘缠绕，带动锚索所在区域土体坍塌；如果锚杆缠绕刀盘上可能使部分刀具转动不畅，造成偏磨或崩齿。为此，在地表预先间隔设立加固区，盾构机进入加固区后，根据掘进参数变化，进仓检查更换刀具，处理缠绕刀盘锚索；采用加强型刀具，配置撕裂刀，增加刀具强度及耐磨性，尽量减少换刀次数。

3 穿越锚索区盾构施工技术

3.1 管线保护

对隧道左线地表管线进行悬吊保护，具体实施方案见图3。

图3 管线悬吊保护施工流程

土方开挖前，人工配合挖机进行管线探槽，采用钢轨作为管线悬吊纵横向支架。横向采用6～7 m钢轨平铺于纵向钢轨之上，保证横向钢轨稳定性，每隔2～3 m设立一道钢支架纵横连接，作为一个整体。管线用ϕ22 mm钢丝绳进行悬吊保护，钢丝绳连接于横向钢轨之上，用卡扣固定牢固。见图4。

图4 管线悬吊保护

3.2 矿山法回填封端

区间上台阶已完成8 m、下台阶完成4 m，由于前期暗挖区间施作了管棚且部分管棚侵限，需再次进行开挖确保管棚不侵限，然后进行封端，在12 m范围内回填M5水泥砂浆，最后盾构推进。见图5。

图5 矿山段接收封堵

3.2.1 施工工艺流程

接收端开挖至管棚不侵限位置（12 m）→施作矿山隧道封端墙→施作洞门封端及回填砂浆→盾构到达接收。封端从上到下进行，矿山隧道封端掌子面采用ϕ25 mm@150 mm×150 mm玻璃纤维筋，喷射500 mmC25混凝土进行封闭，玻璃纤维筋锚入到两侧格栅拱架内。

3.2.2 施作洞门封端及回填砂浆

为确保盾构接收安全，在车站洞门设置一道洞门封端墙，墙体厚600 mm，钢筋混凝土结构。墙主筋采用ϕ25 mm@150 mm×150 mm布置，双层钢筋网，与围护桩钢筋焊接。墙分三次浇筑完成，每一层施工完成后，在墙体至掌子面范围内泵送M5级砂浆至填平，再施工下一层墙体，依次施工至填满矿山隧道；最后通过预留注浆孔压注水泥浆（水灰比1∶1）回填密实。保证盾构机进入回填区域完成2环管片（3 m）拼装后，前方存在3 m的安全距离，防止接收段的贯穿，以保证盾构机在密闭条件下顺利接收。

在抵达洞门封端墙的最后三环，进一步减小盾构推力，降低推进速度，控制在5～10 mm/min。在接收段掘进过程中，盾构机土仓压力应逐步降低至40～50 kPa，避免由于压力过大对封端结构造成影响。二次注浆完成后，将土仓压力调整为0，尽量排出开挖仓内渣土，通过人闸进入掌子面，观察盾体后方地下水有无进入土仓内，确认二次注浆效果后，人工破除洞门。

3.3 盾构切割锚索及掘进

3.3.1 加固方式及加固区域选择

为保证施工安全，在区间左线预先设置4处地表加固区域，采用ϕ800 mm旋喷桩加固，加固体长12 m、宽9 m，竖向加固范围为拱顶以上5 m至拱顶以下1 m。管线探明后，根据注浆孔及管线位置在周边预埋ϕ120 mm钢管作为旋喷桩施工套管。预埋完成后，管线上部回填≮50 cm粗砂，施工20 cmC30混凝土硬化层并在硬化层上施工旋喷桩。局部旋喷桩无法施工区域，如排水管线下方，采用后退式注浆进行补充施工，浆液为1∶1水泥浆。

1#加固区域位于进入锚索前10 m位置，盾构机刀盘进入加固体后，进仓检查并更换全盘加强型刀具。2#加固区域位于进入锚索区后20 m位置，盾构机刀盘进入该加固体后，带压进仓检查刀盘、刀具情况，判断盾构刀具适应性并通过进仓检查，观察盾构机切削锚索效果；锚索缠刀盘时，则利用气动切割机切割处理。3#、4#加固区作为预先加固区，根据盾构掘进实际情况，决定是否进入加固区进行保压开仓换刀。见图6。

图6 盾构下穿锚索段地表加固区域

3.3.2 盾构掘进措施

1）锚索区掘进应保持低转速、低扭转，防止土压波动过大，掘进速度为5～15 mm/min，刀盘转速为1.2 r/min。

2）同步注浆及二次注浆。为控制地表沉降，注浆压力控制在0.25～0.35 MPa，注浆量控制在3.5～4.5 m3/环，管片脱出盾尾后及时二次注浆进行补强。二次注浆以水泥浆为主，压力控制在比水土压力增加20～50 kPa，使浆液具有一定的扩散能力，又不至于对周边土体和注浆体产生较大影响。

3）聚氨酯隔水环。因溶洞见洞率较高，连通地下水，盾构机在掘进过程中容易喷涌；管片壁后有水系连通，易导致同步注浆量增大，砂浆离析及二次注浆遇水凝固时间增加，水泥浆因扩散而达不到相应的填充效果。因此在掘进过程每掘进5环左右，需要注入一个聚氨酯隔水环，通过管片上预留的二次注浆孔注入聚氨酯，注入压力为0.2 MPa。隔水环能够确保砂浆不被地下水冲离析，防止成型隧道不稳定造成管片变形等问题发生。

4）克泥效注入。克泥效[11～12]的注入既可以填补开挖直径与盾体直径之间空隙，又可以在盾壳外形成隔水环，阻止同步注浆液顺盾壳流到土仓内，避免浆液浪费，减少地表沉降。注入点在时钟11～1点钟位置，克泥效流动性好，可逐渐扩散到整个盾体周围。

5）出土量控制。区间单环理论出土量

式中：R为刀盘开挖半径；L为单环管片长度。

由于穿越锚索段地层为上软下硬地层，结合右线施工经验，取松散系数为1.3～1.5，故单环出渣量实际按照51～60 m3控制。

6）刀具及切割方向选择。对刀盘和刀具进行了优化设计，增加中心双刃滚刀及边缘单刃滚刀，配置高强度撕裂刀。在锚索段掘进施工时，刀盘旋转尽量按照顺锚索方向。

3.3.3盾构掘进效果

盾构机穿越锚索区共用了18 d，平均掘进速度8 m/d。盾构机穿越锚索区扭矩约为穿越正常土层的1.5倍，在2#加固区段进行一次开仓检查换刀，少量锚索缠绕刀盘。施工后，地面情况良好，地表最大沉降约13 mm，未发生过大隆起或沉降现象。

4 结论

1）有别于提前清除锚索的传统工法，本文提出了利用盾构机自身直接切削锚索的实施案例，为今后盾构掘进中遇类似障碍物的处理提供借鉴。

2）提前做好关键施工筹划，针对切削后的锚索可能出现的缠绕刀盘现象，根据地层特点提前进行地面加固，预备盾构换刀条件。

3）喀斯特复合地层中地下水丰富，针对地质起伏变化较大处，从工期、经济、安全及对周边环境的影响综合考虑，盾构法施工仍是推荐工法。