西安地鐵盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險(xiǎn)分析與對(duì)策探討

溫克兵，楊曉強(qiáng)

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安710018）

西安地鐵盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險(xiǎn)分析與對(duì)策探討

溫克兵，楊曉強(qiáng)

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安710018）

文章通過對(duì)西安地鐵盾構(gòu)隧道聯(lián)絡(luò)通道在高水位地層、砂質(zhì)地層、飽和軟黃土地層以及復(fù)雜施工環(huán)境下的施工風(fēng)險(xiǎn)闡述，從地質(zhì)因素、設(shè)計(jì)因素、施工因素以及其他方面對(duì)聯(lián)絡(luò)通道施工產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析，并針對(duì)設(shè)計(jì)階段和施工階段聯(lián)絡(luò)通道的施工風(fēng)險(xiǎn)提出了相應(yīng)的控制措施，以期為今后類似工程提供借鑒和參考。

地鐵；盾構(gòu)隧道；聯(lián)絡(luò)通道；風(fēng)險(xiǎn)分析

1 西安地區(qū)工程地質(zhì)水文概況

西安市地勢(shì)總體東南高西北低，從南向北依次為黃土臺(tái)塬、沖湖積臺(tái)地、渭河階地、皂河階地、浐灞河階地。西安城市軌道交通線網(wǎng)呈“棋盤+放射式”網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)布局，預(yù)計(jì)到2021年將形成7條運(yùn)營線路，總長(zhǎng)243.2 km 的軌道交通網(wǎng)絡(luò)。線網(wǎng)穿越不同的地貌單元，其底板埋深一般15～30 m，穿越的土層主要為黃土地層，包括全新統(tǒng)黃土狀土、上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、上更新統(tǒng)殘積古土壤層、中更新統(tǒng)風(fēng)積黃土、中更新統(tǒng)殘積古土壤，部分為砂、礫、卵石層，局部夾薄層粉質(zhì)黏土及粉土，部分黃土梁洼區(qū)地層含飽和軟黃土。

西安地區(qū)含水層底板埋深50～80 m，屬于第四系孔隙潛水，隨著地貌單元的分布，潛水位埋深變化較大，黃土臺(tái)塬區(qū)水位埋深較大，一般大于30 m；渭河、皂河以及浐灞河一級(jí)階地水位埋深較淺，一般埋深5～15 m；其余大部分地區(qū)水位埋深在10～20 m。

聯(lián)絡(luò)通道施工，尤其是帶泵房的聯(lián)絡(luò)通道施工是盾構(gòu)隧道施工的難點(diǎn)之一，在已經(jīng)建設(shè)的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)線盾構(gòu)區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道施工過程中，因地質(zhì)條件、施工環(huán)境復(fù)雜等因素影響，多次發(fā)生涌水涌砂、沉降過大等險(xiǎn)情，給地鐵建設(shè)安全生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)損失和工期壓力都帶來一定影響。

2 聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)方案

西安地鐵盾構(gòu)隧道占地鐵隧道總量的75% 以上，2條單線區(qū)間隧道設(shè)聯(lián)絡(luò)通道，聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)方案一般為，在盾構(gòu)施工前對(duì)聯(lián)絡(luò)通道及泵房施工范圍內(nèi)采用雙重管高壓旋噴加固方式加固地層，φ800 mm 旋噴樁布置間距600 mm、咬合200 mm，為梅花形，加固范圍為開挖范圍外3 m（圖1、圖2）。加固體指標(biāo)qu28≥0.8 MPa，滲透系數(shù)≤10 cm/sec。待隧道修建完成后，拆除聯(lián)絡(luò)通道處2環(huán)特殊管片，開口處先安裝2榀鋼架，然后施作洞口環(huán)梁，再采用礦山法邊開挖邊實(shí)施臨時(shí)支護(hù)建造聯(lián)絡(luò)通道兼泵房。

3 不同條件下聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險(xiǎn)

3.1 高水位地質(zhì)條件下聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險(xiǎn)

1號(hào)線北大街站—五路口站區(qū)間1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道位于北新街與西五路十字路口下方，與廢水泵房合建。該位置地層由上至下主要為素填土、新黃土（飽和）、古土壤、老黃土和粉質(zhì)黏土，局部含有中砂層及粉土透鏡體，地下水位埋深5.2 m。聯(lián)絡(luò)通道拱頂埋深16 m，通道底板埋深20.4 m，廢水泵房底板埋深22.9 m，位于中砂層。

圖1 聯(lián)絡(luò)通道兼泵房加固平、剖面圖（單位：mm）

圖2 加固區(qū)旋噴樁平面布置圖（單位：mm）

按設(shè)計(jì)要求，盾構(gòu)隧道施工前對(duì)聯(lián)絡(luò)通道范圍內(nèi)土體采用旋噴樁加固，加固深度為地面以下11.5～25.9 m，樁長(zhǎng)14.41 m。在聯(lián)絡(luò)通道開挖前，為減小破除洞門帶來的風(fēng)險(xiǎn)，從右線隧道對(duì)通道待開挖范圍內(nèi)及外側(cè)注漿。聯(lián)絡(luò)通道施工從隧道左線向右線分上下2個(gè)導(dǎo)洞進(jìn)行開挖，上導(dǎo)洞開挖貫通后，在開挖下導(dǎo)洞第1榀格柵時(shí)，過大的地下水壓力擊穿因開挖變薄的加固體隔水層，而出現(xiàn)涌水、涌砂（圖3），現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定涌水量約350 m3/h，且泥沙含量大。由于水壓和涌水量太大，根據(jù)承壓水的流向及開挖過程揭露地層狀況，通過優(yōu)化WSS 注漿孔位、加大注漿壓力、調(diào)整漿液配比、歷時(shí)15天才完成止水工作，并且由于注漿壓力過大致使部分管片破損。

圖3 聯(lián)絡(luò)通道開挖及涌水位置圖

為避免因涌砂造成地面沉降，從地面探孔查找因涌水涌砂造成的空洞并澆注混凝土填實(shí)。堵水結(jié)束后，針對(duì)聯(lián)絡(luò)通道施工中的問題，根據(jù)堵漏現(xiàn)場(chǎng)情況，經(jīng)論證，在原設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)通道位置向小里程方向30 m 處重新施作新的聯(lián)絡(luò)通道和泵房，并對(duì)已經(jīng)開挖的通道按設(shè)計(jì)方案回填封堵；新聯(lián)絡(luò)通道采取洞內(nèi)注漿加固，從左、右線隧道同時(shí)向聯(lián)絡(luò)通道內(nèi)采用 WSS 深孔注漿；加固完成后，在聯(lián)絡(luò)通道及盾構(gòu)隧道兩側(cè)打設(shè)降水井，聯(lián)絡(luò)通道二次開挖前開始降水，降低周邊地下水位，使聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)順利完成，工期6個(gè)月。

3.2 砂質(zhì)地層條件下聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險(xiǎn)

2號(hào)線行政中心站—鳳城五路站區(qū)間聯(lián)絡(luò)通道與廢水泵站聯(lián)合設(shè)計(jì)，泵房有效容積為25 m3。聯(lián)絡(luò)通道兼泵房位于未央大道上，道路下方的2條隧道中間、聯(lián)絡(luò)通道上方有2根φ400 mm 給水管道。聯(lián)絡(luò)通道部分位于古土壤層，地下水位埋深約12.90 m，拱頂埋深14.12 m，泵房底板位于中砂層中。

除管道影響區(qū)域外，按設(shè)計(jì)要求對(duì)地層進(jìn)行加固。聯(lián)絡(luò)通道部分施工順利，泵房即將開挖至基礎(chǔ)設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，從泵房底部開始涌水，并有少量泥沙流出，施工單位及時(shí)進(jìn)行了反壓回填。

針對(duì)施工現(xiàn)狀，重新對(duì)方案進(jìn)行了論證和調(diào)整。在對(duì)隧道排水反復(fù)核算后減小泵房容積，將底板抬高500 mm；對(duì)泵房部分地層進(jìn)行洞內(nèi)注漿加固；地面增加降水措施，待水位降至泵房底板以下時(shí)，重新進(jìn)行開挖并將結(jié)構(gòu)施工完畢，工期近4個(gè)月。

3.3 飽和軟黃土地質(zhì)條件下聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險(xiǎn)

3號(hào)線咸寧路站—長(zhǎng)樂公園站區(qū)間設(shè)置1座聯(lián)絡(luò)通道，地面位置為金花南路主干道，通道上方有 DN400鑄鐵管、DN1200、DN300混凝土排水管等多條管道。通道拱頂埋深9.7 m，地下水位埋深8 m。通道上部位于飽和軟黃土層，下部位于古土壤層。

鑒于地面交通繁忙與地下管線較多，聯(lián)絡(luò)通道加固方法由地面高壓旋噴加固變更為洞內(nèi)注漿加固，在進(jìn)洞門范圍內(nèi)采用 WSS 加固，加固范圍為開挖輪廓線外3 m（圖4）。加固時(shí)，分別從左、右線打孔注漿，注漿孔按照一短一長(zhǎng)間隔布置，長(zhǎng)孔覆蓋整個(gè)加固區(qū)，短孔對(duì)管片上部和下部進(jìn)行加強(qiáng)。加固完成后對(duì)加固范圍打設(shè)探孔探測(cè)，無明水流出。

圖4 聯(lián)絡(luò)通道開挖及涌水位置圖（單位：mm）

聯(lián)絡(luò)通道由左線向右線施工，切除洞門管片后進(jìn)洞開挖第1榀約50 cm 時(shí)，拱部出現(xiàn)突然涌泥現(xiàn)象，涌泥量約30 m3，經(jīng)分析、論證，確認(rèn)洞口處開挖面與管片背后加固存在盲區(qū)所致，通過加大通道開挖加固范圍，重新進(jìn)行注漿加固，有效保證開挖順利進(jìn)行，工期近3個(gè)月。

3.4 復(fù)雜施工環(huán)境下聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險(xiǎn)

1號(hào)線漢城路站—開遠(yuǎn)門站盾構(gòu)區(qū)間1號(hào)聯(lián)絡(luò)通道與泵房合建，位于大慶路下方，地下埋設(shè)φ400 mm 給水管、DN600污水管、天然氣等管道以及電力、通信等各種線纜，縱橫交錯(cuò)。聯(lián)絡(luò)通道位于粉質(zhì)黏土地層，地下水位埋深9.6～10.3 m。通道拱頂埋深20.4 m，帶廢水泵房高4.7 m，泵房底板位于粉質(zhì)黏土層與中粗砂層分界位置。

由于地面管線和交通疏導(dǎo)影響，僅對(duì)聯(lián)絡(luò)通道中心線以北區(qū)域進(jìn)行了旋噴加固，并增加了3口降水井。為保證施工安全，經(jīng)多方論證，采取洞內(nèi) WSS（無收縮）注漿工藝對(duì)聯(lián)絡(luò)通道范圍內(nèi)土體進(jìn)行加固。加固完成后，經(jīng)開孔探測(cè)無明水外流后，采用礦山法進(jìn)行通道和泵房施工，在泵房開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí)，基坑底部出現(xiàn)涌水涌砂現(xiàn)象，經(jīng)過及時(shí)反壓回填，二次補(bǔ)充 WSS（無收縮）注漿加固，快速施工泵房才開挖完成，工期近3個(gè)月。

4 聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險(xiǎn)因素分析

4.1 地質(zhì)條件

地質(zhì)條件是地下工程施工的基礎(chǔ)，也是地下工程施工風(fēng)險(xiǎn)的賦存條件，地下水是造成地下工程施工風(fēng)險(xiǎn)的主要原因。聯(lián)絡(luò)通道設(shè)計(jì)方案要求在施工前進(jìn)行土體加固，無論采用地面高壓旋噴加固還是洞內(nèi)注漿加固，其主要目的通過改良地質(zhì)條件，降低滲透系數(shù)，提供穩(wěn)定作業(yè)面。但對(duì)于不同的地層巖性，由于聯(lián)絡(luò)通道埋深、地下水徑流、不同注漿工藝等因素的影響，加固效果差別較大。

砂層相對(duì)于粉質(zhì)黏土、黃土等土層，其透水性非常好，如果加固效果不好，在地下水壓的作用下，容易出現(xiàn)滲流、管涌，尤其在中砂、細(xì)砂和粉細(xì)砂地層在水壓作用下隨地下水快速涌出形成空洞，并逐漸向縱深和地面擴(kuò)展，在地表反映出沉降過大甚至坍塌；另一方面，即使地層加固效果較好，或者聯(lián)絡(luò)通道與泵房位于弱透水層中，隨著開挖深度的增加，聯(lián)絡(luò)通道開挖面的土壓力和水頭壓力逐漸增大，尤其在開挖泵房時(shí)，過大的水壓力易造成涌水涌砂險(xiǎn)情。

位于聯(lián)絡(luò)通道拱部或拱頂上部的飽和軟黃土由于其地層沒有自穩(wěn)性，當(dāng)聯(lián)絡(luò)通道開挖破壞其壓力平衡、產(chǎn)生泄壓通道時(shí)，在其自重作用下，從拱頂涌出甚至拱頂坍塌，危及地面交通安全。

4.2 加固方法

聯(lián)絡(luò)通道地層加固設(shè)計(jì)方案大多采用地面高壓旋噴加固，從理論上來說，旋噴加固適應(yīng)于黃土、粉質(zhì)黏土以及砂類土等地質(zhì)條件，但實(shí)際加固效果并不理想，尤其在砂礫石地層或黏聚力較大的黏土地層、加固深度20 m 以上的地層中，加固效果較差。從施工過程中土體開挖揭露來看，加固體一般呈上粗下細(xì)不規(guī)則柱狀或不連續(xù)塊狀，加固體間未形成有效咬合。另外，由于聯(lián)絡(luò)通道位置所處地面交通繁忙，給地面組織施工帶來很大的困難，且上部市政管線復(fù)雜，遷改協(xié)調(diào)難度大，即使避開管線進(jìn)行加固，也難以滿足樁體咬合、達(dá)到加固止水的目的。對(duì)于采用洞內(nèi)加固的設(shè)計(jì)方案，由于管片與加固鉆孔在洞門附近容易形成加固盲區(qū)或加固薄弱點(diǎn)，在聯(lián)絡(luò)通道施工尤其是泵房開挖時(shí)易出現(xiàn)險(xiǎn)情。在高水位地層施工聯(lián)絡(luò)通道，僅依靠土體加固進(jìn)行止水而未采取降水、泄壓等輔助措施，施工過程中的涌水、涌砂風(fēng)險(xiǎn)依然較大。

4.3 加固施工質(zhì)量

聯(lián)絡(luò)通道作為隧道的附屬工程，其工程造價(jià)相對(duì)較低，工期較短，無法像車站結(jié)構(gòu)施工那樣進(jìn)行交通疏導(dǎo)和管線遷改，因此從地面進(jìn)行加固相對(duì)比較困難。在進(jìn)行地面旋噴加固過程中，由于對(duì)地層認(rèn)識(shí)程度的不同、施工經(jīng)驗(yàn)工藝水平的高低，如鉆桿提升速度、注漿壓力控制以及漿液配比等因素，對(duì)加固質(zhì)量影響較大，尤其對(duì)于深度20 m 以上的地層，由于鉆桿的傾斜、鉆桿在地下的擺動(dòng)，更是難以保證地層的加固質(zhì)量。

4.4 其他因素

對(duì)聯(lián)絡(luò)通道部位地質(zhì)的了解程度差異也是造成聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險(xiǎn)的因素之一。對(duì)于地下工程，無論設(shè)計(jì)還是施工，其對(duì)地質(zhì)條件的認(rèn)識(shí)均來自于巖土工程勘察提供的資料，但對(duì)于復(fù)雜的地質(zhì)條件下，依靠鉆探很難完全準(zhǔn)確揭露地層的三維構(gòu)成和巖性，尤其對(duì)于砂層或砂層透鏡體，由于勘察階段的誤差，會(huì)為后面的設(shè)計(jì)和施工埋下隱患。對(duì)聯(lián)絡(luò)通道施工的重視程度也是造成施工風(fēng)險(xiǎn)的因素之一。

5 聯(lián)絡(luò)通道施工風(fēng)險(xiǎn)控制措施

5.1 設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)控制

（1）選擇合適的聯(lián)絡(luò)通道位置。在設(shè)計(jì)階段，應(yīng)綜合考慮隧道長(zhǎng)短、地質(zhì)條件、地面情況以及地下管線分布等因素，在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，選擇合適的聯(lián)絡(luò)通道位置。

（2）針對(duì)性的方案設(shè)計(jì)。每個(gè)區(qū)間的聯(lián)絡(luò)通道所處的環(huán)境、地質(zhì)等各不相同，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況做針對(duì)性的、合理的加固設(shè)計(jì)。對(duì)于水位較淺的聯(lián)絡(luò)通道，應(yīng)首先考慮降水措施，以滿足無水作業(yè)要求，或降低水頭壓力減小施工風(fēng)險(xiǎn)；埋深較淺、地面環(huán)境相對(duì)簡(jiǎn)單的聯(lián)絡(luò)通道，可以采取地面旋噴加固；埋深較深（≥20 m），特別是存在承壓水砂層或透鏡體地層、地面環(huán)境復(fù)雜的聯(lián)絡(luò)通道，宜選擇洞內(nèi) WSS 加固，由于洞內(nèi)加固容易在洞門附近產(chǎn)生盲區(qū)，因此應(yīng)適當(dāng)加大加固范圍。對(duì)于兼做泵房的聯(lián)絡(luò)通道，在聯(lián)絡(luò)通道開挖完成后，對(duì)泵房地層進(jìn)行二次加固。

5.2 施工階段的風(fēng)險(xiǎn)控制

（1）地層加固。施工單位在地層加固前應(yīng)充分掌握加固區(qū)域的地質(zhì)水文情況、地面交通以及地下管線分布情況，制定施工方案，必要時(shí)進(jìn)行專家論證，選擇具有豐富經(jīng)驗(yàn)的施工隊(duì)伍，嚴(yán)格控制施工質(zhì)量，在加固完成后要進(jìn)行必要的檢測(cè)。

（2）降水施工。在地下水位較高、且具備降水井施工的條件下，聯(lián)絡(luò)通道施工應(yīng)優(yōu)先采用降水措施，其方案應(yīng)根據(jù)地質(zhì)水文條件以及施工環(huán)境來確定并注意施工順序；宜在地層加固完成后實(shí)施降水井施工，如果在加固前實(shí)施，則加固的漿液會(huì)堵塞距加固較近的降水井井管，影響降水效果，甚至降水失效。

（3）結(jié)構(gòu)施工。對(duì)于兼做泵房的聯(lián)絡(luò)通道，為確保施工安全，其結(jié)構(gòu)施工可分2個(gè)階段進(jìn)行，即先施工通道，在通道二襯完成后，對(duì)擬開挖泵房地層進(jìn)行二次注漿加固，然后再進(jìn)行泵房土體開挖，施作泵房結(jié)構(gòu)。

6 結(jié)束語

盡管聯(lián)絡(luò)通道是隧道的附屬結(jié)構(gòu)，工程規(guī)模較小，但施工過程中產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。在不同的施工環(huán)境、地質(zhì)水文條件下產(chǎn)生不同的施工風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)對(duì)其風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行充分的分析研究，進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，嚴(yán)格控制施工過程工藝和參數(shù)，以規(guī)避或降低聯(lián)絡(luò)通道的施工風(fēng)險(xiǎn)。

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[7] 西安市地下鐵道有限責(zé)任公司. 西安市軌道交通三號(hào)線施工圖設(shè)計(jì)文件[G]. 陜西西安：西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，2011.

責(zé)任編輯 朱開明

Construction Risks Analysis and Countermeasures Discussion of Shield Tunnel Connecting Passage in

Xi'an Metro
Wen Kebing, Yang Xiaoqiang

Based on the Xi'an metro shield tunnel connecting passage in high water level strata, sand layer, saturated soft loess stratum and construction risk of complicated construction environment, the paper makes analysis of the risks occurred in the connecting passage construction from the aspects of geological factors, design factors, construction factors and other aspects of the construction risks. For the connecting passage in stage of design and construction, some corresponding control measures are taken, providing references for the similar project in the future.

metro, shield tunnel, connecting tunnel, risk analysis

U231.3

2016-03-15

溫克兵（1978—），男，高級(jí)工程師