王效文

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

苏州轨道交通2号线盾构区间隧道设计的特点与难点

王效文

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，武汉 430063)

结合苏州轨道交通2号线盾构区间隧道的设计，针对盾构隧道下穿沿线大量房屋，深入研究不同房屋建筑的沉降控制标准、盾构同步注浆和二次注浆参数、盾构掘进参数、监控方案等，提出了明确的保护实施方案；对线路绕避桥梁、桥梁拆除和盾构机直接切割桥桩方案做了技术比选，重点介绍盾构机切割桥桩的实施要求如盾构机刀盘改造、桥梁截桩保护、掘进施工和盾构隧道加强措施等；对盾构隧道下穿铁路站场，根据城际高速铁路和普速铁路不同的沉降控制标准，研究制定了不同的加固方案，结合铁路站场改造协调制定了具体的加固实施方案。

盾构隧道；下穿房屋；铁路站场；切割桥桩；保护方案

1 工程概况

苏州轨道交通2号线全长26.5 km，其中高架线长7.1 km、地下线及过渡段19.4 km，共设车站22座。

经综合比选，2号线区间隧道除风井、高架与地下过渡段、与火车站改造合建的区间采用明挖法施工外，其余地下区间全部采用盾构法施工，其中联络通道采用冻结法加固、矿山法施工。盾构区间共有15个，设置联络通道15座，隧道总长度约27 km，使用12台盾构机施工。

2号线于2009年12月26日全线开工，第一台盾构机于2010年8月4日开始掘进，全线盾构区间隧道于2012年12月8日全线洞通，2013年9月21日开始全线试运行，2013年12月28日全线试运营。

2 主要技术特点

2.1 地质概况

2号线沿线场区内地势平坦、水系发育，地层均为第四系晚更新统～中更新统的冲湖积相、海陆交互相沉积物，地层分布较为均匀，盾构穿越的土层主要为粉质黏土层、粉土层、粉砂层，地下水位高。其中，粉土、粉砂稍密～中密，渗透性较好，且为微承压含水层；粉质黏土为流塑～可塑，土体较为软弱。

2.2 周边环境与控制节点

(1)周边环境复杂。自北向南，2号线区间隧道明挖段侧穿京沪高速铁路高架桥，高架段道路较宽阔，入地后穿越沪宁高速铁路和普速铁路站场进入中心城区，主要位于主干道和建筑物下方，沿线管线密集，下穿或近距离侧穿各类建筑物多达570栋，沿线下穿众多河流，其中较大河流有外城河、京杭大运河、胥江等。

(2)控制节点多。除了下穿大量的地面建筑物，2号线区间隧道还下穿了苏州火车站站场及沪宁城际铁路、沪宁高速公路、西气东输管道、文物保护单位玉涵堂、正穿广济桥桥桩等，这些工程节点不仅要严格控制工程风险，还需要向相关主管单位进行申报。对于上述工程节点，均进行专项设计，制定详尽的保护方案，并进行专项论证。

2.3 设计主要技术标准

结合苏州轨道交通1号线的工程实践，苏州地层不均匀沉降和后期沉降因素对隧道内径影响较小，理论上盾构隧道选择5 500-350-1 200 mm或5 400-300-1 200(1 500) mm模式都是可以的，但考虑盾构机在粉土粉砂地层掘进的施工误差可能较大，同时考虑华东地区盾构机资源共享和1号线盾构机资源的连续使用，仍然选择5 500-350-1 200 mm模式。

全线均采用钢筋混凝土平板形管片衬砌形式，3块标准块+2块邻接块+1块封顶块的6分块模式，拼装采用华东地区常见的标准环+左右转弯环形式，管片间采用弯螺栓连接，错缝拼装。盾构隧道接缝外侧采用单道框形弹性密封垫防水，黏土地层采用三元乙丙橡胶，砂土地层采用三元乙丙橡胶和遇水膨胀橡胶嵌条复合型，通过河、湖下时采用三元乙丙橡胶和遇水膨胀橡胶面片复合型。接缝内侧采用嵌缝处理，嵌缝材料为特殊齿形嵌缝条与遇水膨胀橡胶腻子。

全线选用加泥式土压平衡盾构。

3 主要技术难点

3.1 盾构下穿建筑物(图1、图2)

2号线盾构区间需下穿各类建筑物多达570栋，且建筑物种类多，有厂房、居民小区、商业大厦、文物保护单位等，建筑物建设年代、基础形式和结构类型多种多样，工程风险控制难度大。部分区间建筑物密集(如广济路站—三香广场站区间、长吴路站—宝带西路站区间)，盾构需要连续下穿建筑群，进一步增加了工程风险。如何确保盾构安全穿越建筑物，成为苏州轨道交通2号线土建工程的重点和难点。

图1 广济路站—三香广场站区间隧道连续下穿建筑物平面示意

图2 长吴路站～宝带西路站区间隧道连续下穿建筑物平面示意

盾构下穿建筑物，引起建筑物沉降是不可避免的。首先，在确定线路方向和站位方案时，尽量避免线路长距离下穿建筑群；当线路难以避免连续下穿建筑物时，可通过局部调整优化线路，必要时适当减小曲线半径、增设曲线、调整车站站位等方法，尽量绕避敏感、控制性建筑物。例如，2号线三医院站—石路站区间原线路方案下穿汀洲会馆及玉涵堂两处文物保护单位，通过优化线路，避开了以上2处文物保护单位，仅下穿玉涵堂的次要建筑，显著地降低了工程风险。另外，线路纵断面方面，考虑隧道开挖引起的地表沉降随着隧道埋深的加大而减小，在埋深小于15 m时，效果尤为显著。因此，连续下穿建筑物区段适当调整加大线路埋深，必要时适当加大车站埋深，如三香广场站结合地下空间开发设计为地下三层站，既有利于降低施工风险，也有利于减小运营阶段列车振动和噪声对地面建筑物的影响、满足环评要求。区间下穿玉涵堂线路优化示意见图3。

图3 区间下穿玉涵堂线路优化示意

在国内外调研、现场试验、理论分析的基础上，施工阶段采取了加强盾构掘进控制和信息化施工、及时同步注浆和二次注浆，必要时进行地面注浆的保护方案。具体要求如下。

(1)盾构穿越建筑物加强措施段划分

隧道中心线左右各20 m，建筑物前20环管片宽度(24 m)和后10环管片宽度(12 m)范围为穿越建筑物加强措施段。

(2)地表、建筑物沉降控制标准

①地表沉降不大于16 mm，隆起不大于4 mm。地表沉降变形预警值、报警值和控制值分别为10 mm、13 mm和16 mm。地表隆起变形控制值为4 mm。

②建筑物沉降不大于20 mm、隆起不大于4 mm、倾斜不大于4‰。建筑物沉降变形的预警值、报警值、控制值分别为12 mm、16 mm和20 mm。建筑物隆起变形控制值为4 mm，倾斜变形控制值为4‰。

(3)同步注浆及二次注浆技术标准

①同步注浆(可硬性浆液)

注浆材料：要求≥42.5级普通硅酸盐水泥，细砂通过5 mm筛孔。

浆液性能：稠度10～13 cm，凝结时间7～8 h，7 d强度≥0.4 MPa，14 d强度≥1.0 MPa。

注浆量：≥4.0 m3/环。

②二次注浆

配比：水泥浆与水玻璃体积比1∶1，水玻璃用水稀释1∶3，水泥浆水灰比1∶1。

注浆量：≥1.2 m3/环。

注浆开始时间：管片脱出盾尾5环。

(4)盾构机掘进控制技术标准

盾构机状态：盾构机在穿越建筑物前需对盾构机进行检修，盾构机始发前必须更换3道新的知名品牌盾尾刷。

掘进速度：盾构应匀速掘进，掘进速度2～3 cm/min。

盾构姿态控制：盾构姿态应控制盾首或盾尾的垂直及水平偏差绝对值在一定范围之内，同时需控制盾首和盾尾偏差绝对值之和。

盾尾油脂：盾尾油脂应采用知名品牌，用量为≥35 kg/环。

渣土改良：在隧道所处土层的粉细砂断面≥1/2时，应使用知名品牌土压平衡盾构机专用泡沫剂，添加量≥20 kg/环。

目前，苏州轨道交通2号线隧道已顺利贯通，97.5%的建筑物沉降点均在控制值内，说明以上控制措施是可以满足盾构下穿建筑物的风险控制要求。

3.2 盾构切割桥桩

2号线三医院站—石路站盾构区间下穿广济桥。该桥跨为3孔(16+11+16 m)预应力混凝土简支板梁桥。桥梁结构和隧道的相对位置关系如图4、图5所示。广济桥总宽32 m，其中车道净宽22 m，两侧人行道各5 m。下部结构采用重力式桥台，薄壁桥墩，钻孔灌注桩基础。广济桥墩台基础共有14根φ1 m和φ1.2 m钻孔灌注桩侵入区间隧道开挖范围，桩基主筋为φ20 mm和φ22 mm。

图4 桥梁结构和隧道位置关系平面

图5 桥梁结构和隧道位置关系立面(单位：cm)

在线路选线阶段，尽量考虑三医院站—石路站区间隧道绕避广济桥的方案，但由于广济桥与石路站距离仅60 m，绕避方案一是需要改移站位，二是道路两侧房屋拆迁量很大，推荐采用盾构施工前对广济桥进行拆除、拔除桩基后重建成浅基础桥梁的方案。

由于广济路位于苏州石路商圈，交通流量较大(高峰小时双向交通量2 500 pcu/h)，经过的公交线路达23条之多，周围建(构)筑物密集，采用拆桥还建方案社会和经济成本较高，同时施工期间需要封闭道路，对商业区的公共交通干扰很大，交通疏解非常困难。在施工方案研究阶段，综合考虑施工风险、交通疏解、社会影响等因素，经过调研和专题研究论证，决定采用“广济桥老桥保留，老桥基础加固，盾构截断桩基穿越老桥”的方案，在对广济桥部分桥墩进行加固、隧道结构加强配筋的条件下，可以保证广济桥和盾构隧道的安全。

在工程实施阶段，为保证广济桥和盾构隧道的安全，采取了以下工程措施。

(1) 盾构穿越前，对广济桥部分桥墩进行加固，加固墩基持力层。

(2) 下穿广济桥段盾构隧道管片加强配筋，采用超深埋管片。

(3) 从盾构机掘削能力、刀盘刀具、螺旋输送机出土、壁后注浆管路保护及人舱等多方面对盾构机进行改造。

(4) 盾构穿越前，在石路站内开展试切桩试验，验证切桩的可行性，积累施工参数。

(5) 制定专项施工方案，并进行专家评审。

(6) 成立“盾构切削广济桥桩基指挥中心”，由各参建单位人员共同组成，加强盾构切桩过程的监督管理，及时有效处理问题。

盾构穿越桥梁后，墩台和桥面沉降均小于4 mm，未对广济桥正常使用造成任何影响。

3.3 盾构下穿苏州火车站站场

2号线苏州火车站—三医院站区间隧道长度1462双线米，除与火车站南北通道等相关工程合建段102 m采用明挖法外，其余均采用盾构法施工，其中长约260 m的区段以半径400 m的曲线下穿正在建设改造的苏州火车站站场，包括既有沪宁铁路和车站道岔区、站场过渡线和当时即将开通的沪宁城际铁路。隧道下穿火车站站场段的线间距14.8～18.9 m，隧道覆土厚度约15 m，隧道与铁路站场的平面位置关系如图6所示。

图6 盾构隧道与铁路站场的平面位置关系

结合铁路站场改造和工程实施进度，先做好必要的盾构施工预加固保护措施。施工顺序是，在北区沪宁城际站场(城际场)施工前实施加固工程，然后施工北区城际铁路站场，待南区既有沪宁铁路站场(普速场)转至北区过渡时加固南段，最后完成南区站场改造。2号线盾构隧道施工下穿站场段时在加固工程的保护下进行。具体加固方案如下。

(1)隧道下穿站场段全部采用袖阀管注浆加固，在外围采用单排三轴搅拌桩作为止水帷幕，如图7所示。

图7 注浆加固横剖面(单位：mm)

(2)在隧道穿越沪宁城际正线段，采用梁板+桩保护。板平行于铁路正线布置，两端与铁路线路垂直，钢筋混凝土板厚1.5 m，平行于正线方向的总长度约79 m，宽12 m，板下方设4排φ1 000 mm@3 000 mm钻孔灌注桩，每排桩桩顶设1 500 mm×2 000 mm的横梁。两隧道中间和隧道两侧的桩长分别为50 m、55 m，板角部桩长50 m。如图8、图9所示。

图9 板+桩保护方案剖面(单位：mm)

为控制城际正线的沉降，采取以下辅助施工措施。

(1)钻孔灌注桩采用后注浆措施，以提高桩基的承载力和减少桩基沉降。

(2)盾构施工时加强同步注浆，必要时进行二次注浆，减少地层沉降。

(3)在板下方预埋注浆系统，盾构下穿过程中进行跟踪注浆。

(4)在盾构施工过程中加强监控量测，严格控制地面的下沉或隆起，出现问题应该及时解决，以避免对铁路运营造成影响。

(5)为控制沪宁城际铁路在板桩加固范围内与板桩加固区外的差异沉降，板与路基的过渡段施作CFG桩顺接处理。

通过所采取的地基处理措施及盾构施工参数的控制，隧道穿越后，沪宁普速线最大隆起值为2.8 mm、最大沉降值为4.6 mm，沪宁城际铁路正线最大隆起值为1.4 mm、最大沉降值为1.0 mm，均能满足铁路路基工后沉降不得大于15 mm的变形控制要求。

4 结语

设计方案合理，前期调研与专题研究对所遇困难估计充分是成功的前提。下穿房屋的结构类型和使用状态、下穿铁路站场如何与站场改造结合、盾构机切桩后桥梁使用状态等重难点工程的设计，经过详细勘察并向相关主管部门反复汇报论证，多次前往国内类似工程考察交流，盾构下穿房屋、切割桥桩、下穿铁路站场等重难点工程的专题研究成果经过多轮专家评审修正，为工程实施打下了良好的基础。

施工方案和施工过程控制是工程取得成功的关键。重难点工程实施前，对盾构机的性能状态、刀盘改造、盾尾刷密封效果、盾尾油脂的选择、开口率与出土速度、注浆材料与注浆量等结合工程试验和1号线的经验进行了深入研究，对前期加固工程的实施效果、切桩试验数据等作了详细的反分析，据此制订了施工过程关键工序控制措施、监测方案、应急处理预案，最终取得很好的施工效果，也为其他类似工程提供了很好的借鉴。

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Characteristics and Difficulties in Design of Shield Tunnel on Suzhou Track Transit No.2 Line

Wang Xiaowen

(The Fourth Railway Survey And Design Institute Group Corporation， Wuhan 430063, China)

With reference to the design of the shield tunnel on Suzhou track transit No.2 line， this paper defines the protection program with respect to the passing of shield tunnel through building blocks along the line and based on the extensive study of the settlement control criteria for different buildings， parameters for shield simultaneous grouting and second grouting， parameters for shield excavation and monitoring plan. Technical comparison is conducted of the line bypassing bridges， bridge demolishment， and plan of cutting piles directly by shield machine. Requirements for cutting bridge piles by shield machine are addressed， such as modification of cutter， protection of cut piles， excavation and shield tunnel reinforcing measures. Different reinforcement programs are drawn out for the passing of shield tunnel under railway yard according to different settlement standards relating to intercity high speed railway and normal speed railway， and detailed reinforcing program is prepared in coordination with the upgrading of railway yard．

Shield tunnel; Passing under building; Railway yard; Cutting bridge pile; Protection program

2014-06-10

王效文(1964—)，男，教授级高级工程师，1990年毕业于西南交通大学，工学硕士。

1004-2954(2014)11-0116-05

U452.2

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.027