上海軌交14 號(hào)線盾構(gòu)穿越工程風(fēng)險(xiǎn)分析與控制管理

盧紅舟

0 引言

根據(jù)上海地區(qū)的地質(zhì)特點(diǎn)，目前上海地鐵區(qū)間隧道主要采用盾構(gòu)法施工，其中最常采用土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)械施工。盾構(gòu)法作業(yè)是在鋼殼體保護(hù)下完成隧道掘進(jìn)、出渣、管片拼裝等作業(yè)，由主機(jī)和后配套設(shè)備組成的全斷面機(jī)電一體化推進(jìn)式設(shè)備進(jìn)行全機(jī)械化施工的方法。地鐵盾構(gòu)法隧道施工技術(shù)難度大、質(zhì)量要求高、不可預(yù)測(cè)的風(fēng)險(xiǎn)多。

1 工程概況

上海軌道交通14 號(hào)線是目前路網(wǎng)中繼1、2 號(hào)線之后的一條A 型車8 節(jié)編組大運(yùn)量的東西向的市區(qū)級(jí)的軌道交通線路。線路全長(zhǎng)38.514 km，均為地下線，共設(shè)31 座車站，平均站間距1.273 km。本工程為上海軌道交通14 號(hào)線21 標(biāo)工程盾構(gòu)區(qū)間工程，包括錦繡東路站～金港路站、金港路站～金粵路站、金粵路站～桂橋路站三個(gè)盾構(gòu)區(qū)間及五個(gè)聯(lián)絡(luò)通道土建工程，設(shè)計(jì)里程為CK34+446.485～CK38+034.486。 區(qū)間設(shè)計(jì)均為雙線圓形隧道，隧道內(nèi)徑為5.9 m、外徑為6.6 m、管片寬度為1.2 m，分為6 塊。

2 盾構(gòu)區(qū)間施工環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 盾構(gòu)穿越建（構(gòu)）筑物

1）金粵路站～桂橋路站區(qū)間盾構(gòu)下穿許家溝橋，與橋梁基礎(chǔ)最小距離約2.9 m，隧道頂端到橋梁底部最小凈距離5.3 m，屬于淺覆土穿越，盾構(gòu)推力控制不好容易對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成損害。

（1）沉降引起橋梁底板和側(cè)墻開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

本段隧道施工，如果盾構(gòu)推力以及土壓力控制不好，容易造成土體隆起，引起橋梁底板和側(cè)墻變形，易造成結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。

（2）引起橋梁不均勻沉降風(fēng)險(xiǎn)。

許家溝橋?qū)?0 m，長(zhǎng)42 m，盾構(gòu)機(jī)本體長(zhǎng)7.66 m，直徑6.76 m，穿越位置位于橋體中間位置，主要沉隆影響范圍為軸線左右各15 m，這樣會(huì)對(duì)橋體造成不均勻沉降影響。

（3）淺覆土施工盾構(gòu)穿越后引起隧道上浮的風(fēng)險(xiǎn)。

區(qū)間頂部至橋梁底部?jī)艟嚯x為5.3 m，盾構(gòu)直徑為6.76 m，不足1 倍D 的覆土要求屬于淺覆土掘進(jìn)，成型的隧道具有上浮的危險(xiǎn)。

2）盾構(gòu)穿越中環(huán)線高架。

錦繡東路站～金港路站區(qū)間穿越中環(huán)線高架，高架樁基采用鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)約50 m、樁徑φ800 mm，承臺(tái)與隧道邊線水平凈距最小約12 m，隧道頂距承臺(tái)底最小垂直靜距約8 m。且承臺(tái)樁基與隧道上、下行線的位置分別為74～82 環(huán)及92～99 環(huán)之間。在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中若施工措施不當(dāng)，容易發(fā)生以下風(fēng)險(xiǎn)。

（1）在盾構(gòu)大刀盤動(dòng)力作用下，極易破壞土體結(jié)構(gòu)，使土體強(qiáng)度驟然降低，從而降低地基承載力，使得土層沉降變形量增加，導(dǎo)致緊鄰的樁基出現(xiàn)沉降、傾斜等風(fēng)險(xiǎn)。

（2）由于盾構(gòu)距離樁基較近，盾構(gòu)大刀盤推力、盾構(gòu)土壓力、出土量、同步注漿量、糾偏等均會(huì)對(duì)樁基產(chǎn)生影響。

2.2 盾構(gòu)穿越重要地下管線

金港路站～金粵路站盾構(gòu)區(qū)間需穿越原水管線，該原水管分布于申江路西側(cè)錦繡東路道路下，橫穿錦繡東路，鋼管2 根，直徑Φ3 600 mm，管底高程為-8.8 m，盾構(gòu)區(qū)間從原水管下垂直穿越，盾構(gòu)頂部與原水管底部最小豎向凈距約4.22～4.31 m。

原水管道作為城市大型供水基礎(chǔ)設(shè)施，其重要性不言而喻，因此施工過(guò)程中對(duì)原水管渠的保護(hù)及安全監(jiān)測(cè)顯得非常重要。盾構(gòu)推進(jìn)擠壓土體而產(chǎn)生的超孔隙水壓力，可能引起地面局部隆起；盾構(gòu)通過(guò)后的土體應(yīng)力及孔隙水壓力減弱，會(huì)引起順?biāo)淼垒S線方向產(chǎn)生一定程度的沉降帶，由此可誘發(fā)隧道上方地面發(fā)生局部沉降或差異沉降，造成地下管線變形開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)影響分析

3.1 施工影響范圍計(jì)算

盾構(gòu)施工對(duì)周邊環(huán)境的影響范圍采用Peck 經(jīng)驗(yàn)公式和相關(guān)修正的Peck 公式，預(yù)測(cè)隧道施工影響范圍和地表沉降分布規(guī)律。由于Peck 假定的是不考慮土層降水情況下的地面沉降，因此地層損失的體積就等于沉降槽體積且地層損失均勻分布在隧道長(zhǎng)度上。

3.2 地表變形的規(guī)律

根據(jù)盾構(gòu)施工特點(diǎn)，地表隆陷變化過(guò)程可分為五個(gè)階段。

（1）盾構(gòu)到達(dá)前，若土倉(cāng)壓力較大、出土量較少，則地表隆起；反之，呈沉降狀態(tài)。

（2）盾構(gòu)到達(dá)時(shí)，地表變化速率增大，變形規(guī)律同第一階段，地表隆陷出現(xiàn)最大值。

（3）盾構(gòu)通過(guò)時(shí)，地表一般會(huì)發(fā)生沉降；但如果此階段及時(shí)注漿且充填率大于200%時(shí)，地表易隆起。

（4）盾尾通過(guò)時(shí)，最容易發(fā)生地表突沉現(xiàn)象，沉降量可達(dá)30 mm；為有效控制突沉甚至上隆，此階段可及時(shí)注漿，隨后待漿液固結(jié)收縮后會(huì)有少量下沉情況。

（5）盾尾通過(guò)后，地表沉降速率減緩并趨于穩(wěn)定。此階段沉降量主要由土體固結(jié)和次固結(jié)沉降引起，相對(duì)較小且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)。

3.3 地表沉降因素

隧道穿越引起的地表沉降主要有兩方面因素。主要因素是盾構(gòu)蛇行糾偏引起的土體損失、開(kāi)挖面土壓不平衡引起的土體損失、盾尾與襯砌環(huán)之間的空間未能及時(shí)充填引起的土體損失；次要因素是注漿材料固結(jié)收縮、隧道滲漏水造成土體的排水固結(jié)、襯砌環(huán)變形和隧道縱向沉降、土體擾動(dòng)后重新固結(jié)[1]。

3.4 確定地表變形的控制標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國(guó)、內(nèi)外盾構(gòu)施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合本工程周邊實(shí)際環(huán)境情況，本工程盾構(gòu)穿越的地表隆陷控制標(biāo)準(zhǔn)如下，單點(diǎn)隆陷范圍：土層損失率控制在5‰；單次隆陷≤3 mm，累計(jì)沉降±10 mm。

4 技術(shù)、風(fēng)險(xiǎn)管控要點(diǎn)

4.1 施工準(zhǔn)備階段

盾構(gòu)掘進(jìn)前，全面調(diào)查沿線施工影響范圍內(nèi)的地下管線及許家溝橋、中環(huán)高架等重要建（構(gòu)）筑物，詳細(xì)收集并整理保護(hù)對(duì)象的名稱、位置（里程）、結(jié)構(gòu)類型等相關(guān)參數(shù)及資料；按設(shè)計(jì)、規(guī)范及權(quán)屬部門要求，確定單次及最大沉降量、不均勻沉降標(biāo)準(zhǔn)及沉降預(yù)警值，全程做好保護(hù)對(duì)象和土體監(jiān)測(cè)各項(xiàng)準(zhǔn)備工作。

4.2 施工穿越階段

4.2.1 控制盾構(gòu)正面土壓力

土倉(cāng)中心土壓力值要根據(jù)埋深及土層情況設(shè)定，壓力波動(dòng)偏差范圍±0.02 Mpa。盾構(gòu)穿越時(shí)的土壓值要結(jié)合地表監(jiān)測(cè)結(jié)果及模擬段施工時(shí)獲取的最佳參數(shù)來(lái)確定，同時(shí)要根據(jù)地面監(jiān)測(cè)信息及時(shí)調(diào)整土壓力及出土量，最大限度減小土體的位移和擾動(dòng)。

4.2.2 控制推進(jìn)速度

千斤頂?shù)耐七M(jìn)速度是通過(guò)土壓傳感器的數(shù)據(jù)來(lái)控制，并匹配好刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度、出土速度和注漿速度，按照2-3 cm/min 的速度勻速推進(jìn)；穿越過(guò)程按每日6 環(huán)左右推進(jìn)。

4.2.3 控制出土量

在盾構(gòu)穿越時(shí)，將實(shí)際出土量控制在理論值的95%以下，以使盾構(gòu)切口上方土體微量隆起（不超過(guò)1 mm），這樣后期土體部分沉降量可被抵消，最大限度減少土體沉降量。

4.2.4 控制同步注漿

盾尾通過(guò)后，首先采用同步注漿來(lái)及時(shí)對(duì)管片與土體之間的空隙進(jìn)行充填，需做好以下控制：（1）使用和易性好，泌水性小的可硬性漿液，做好漿液配比設(shè)計(jì)及優(yōu)化。（2）同步注漿量須嚴(yán)格把控、一般控制在空隙的150%～200%范圍，同時(shí)注漿壓力按0.3 MPa 左右控制。（3）注漿孔位、漿液用量及注漿壓力要結(jié)合前一階段用量及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤、合理調(diào)整，并保證同步注漿的連續(xù)、勻速壓注，推進(jìn)未結(jié)束不得停止注漿。

4.2.5 控制盾構(gòu)姿態(tài)及糾偏量

同步注漿及二次補(bǔ)漿是控制地面沉降的主要因素，穿越時(shí)良好的盾構(gòu)姿態(tài)、均勻的盾尾間隙是盾構(gòu)順利推進(jìn)和穿越的基本保障，否則易發(fā)生盾尾處漏漿、引起地面沉降。另外為防止?jié){液通過(guò)盾尾流失，可加大壓注盾尾油脂量。對(duì)于盾構(gòu)平面或高程的每環(huán)糾偏量控制在10 mm 以內(nèi)、變坡不超過(guò)1‰，否則將會(huì)增加建筑空隙及超挖現(xiàn)象，增大對(duì)地層的擾動(dòng)。

4.3 穿越后的措施

4.3.1 二次注漿

同步注漿后，漿液可能會(huì)沿土層裂隙滲透，導(dǎo)致仍然存在一定的間隙。漿液收縮變形也會(huì)帶來(lái)一定程度的土體側(cè)向位移和地面變形，土體受擾動(dòng)后會(huì)造成地面沉降。此階段可在管片脫出盾尾5 環(huán)后，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采用二次注漿的方法填充管片后空隙。二次注漿根據(jù)地層情況選擇漿液材料及配比，注漿量及注漿壓力結(jié)合地面監(jiān)測(cè)情況隨時(shí)調(diào)整。漿液可采用雙液漿、配比可為:水泥漿水灰比為0.8∶1（質(zhì)量比）、水玻璃溶液配比為水玻璃:水 0.6∶1（體積比）、水泥漿液:水玻璃溶液 1∶1（體積比）；注漿壓力 0.3 MPa～0.5 MPa。

4.3.2 地面注漿加固

完成穿越后繼續(xù)對(duì)保護(hù)對(duì)象及周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)及24h巡視，一旦發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象、及時(shí)采取地面注雙液漿的方式加固。具體的漿液配合比、注漿量及壓力通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，同時(shí)也應(yīng)加強(qiáng)各方面監(jiān)測(cè)、以便指導(dǎo)注漿。

4.4 監(jiān)測(cè)技術(shù)

主要開(kāi)展的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有地表沉降，建筑物（地下管線）沉降、水平位移、傾斜、裂縫。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置按設(shè)計(jì)要求及監(jiān)測(cè)規(guī)范進(jìn)行。監(jiān)測(cè)頻率，一般情況下掘進(jìn)面前后＜20 米時(shí)1～2 次/天；掘進(jìn)面前后＜50 米時(shí) 1 次/2 天；掘進(jìn)面前后＞50 米時(shí) 1 次/1 周；當(dāng)盾構(gòu)穿越重要地段需要加強(qiáng)的地方可以適當(dāng)加強(qiáng)測(cè)試次數(shù)及頻率，并根據(jù)實(shí)際變形情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。變形控制標(biāo)準(zhǔn)要求地表沉降≤30 m、地表隆起≤10 m、建筑物傾斜≤2‰；當(dāng)隧道施工推進(jìn)通過(guò)一倍洞徑時(shí)，變位速率≤5 mm/d，并結(jié)合相關(guān)權(quán)屬單位的要求。本工程按二等監(jiān)測(cè)精度要求進(jìn)行。根據(jù)同類工程經(jīng)驗(yàn)，以控制基準(zhǔn)的2/3 作為報(bào)警值，實(shí)際以管理單位提供數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

盾構(gòu)穿越過(guò)程中，由于嚴(yán)格控制了切口土壓力以及相關(guān)的推進(jìn)速度、總推力、出土量等參數(shù)，盡量減少土壓力的波動(dòng)；及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)施工參數(shù)，嚴(yán)格控制盾構(gòu)糾偏量，減少盾構(gòu)的超挖和欠挖、減少盾構(gòu)施工對(duì)土體的擾動(dòng)和地層損失，在確保盾構(gòu)正面沉降控制良好的情況下，使盾構(gòu)均衡勻速施工，及時(shí)進(jìn)行合理的同步注漿及二次注漿等措施、充填盾構(gòu)推進(jìn)留下的空隙，減少了地層損失、從而避免對(duì)樁基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)、地下管線及周邊環(huán)境等造成破壞，本工程三個(gè)盾構(gòu)區(qū)間隧道均按計(jì)劃順利圓滿貫通，為今后盾構(gòu)穿越工程施工積累了一定的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和管控方法。