吴恒生

(中国电建集团铁路建设有限公司，北京 100044)

0 引言

伴随着我国经济的快速发展，城市轨道交通项目建设也逐渐兴起，其中盾构施工法因其对周边环境影响小、适应范围广以及施工快速等优点在地铁隧道建设中得到了广泛应用[1]。近年来，城市地铁建设密度不断增加，大量建筑物地下室以及基础工程等地下部分也越来越复杂，尤其对于建筑密度很高的一线城市，无法避免地出现隧道下穿既有重要建(构)筑物。在隧道施工过程中，盾构掘进必然会对周边地层进行扰动，破坏地层原始的力学平衡，从而造成地层竖向沉降以及既有结构变形与内力变化，施工过程中需要进行严格监测和控制[2]。

开展盾构隧道下穿施工的研究方法主要包括数值模拟、室内模型试验以及工程施工3个方面，文献[3-5]通过数值模拟的方式对盾构施工全过程进行了模拟，分析了埋深、桩隧净距等条件下盾构施工对铁路桥梁结构变形及地表沉降的影响规律。章慧健[6]等采用数值模拟方法，基于隧道与建筑物之间的夹岩应力状态变化趋势，建立隧道近接建筑物施工的影响分区。文献[7-10]结合数值模拟和现场测试数据，研究了新建隧道对已运营隧道的地层变形、加固措施、隧道位移，提出了盾构隧道近距离下穿已运营隧道的变形控制措施。杨建烽等[11]开展针对既有结构变形监测，通过现场监测数据分析，探究了既有区间在新建隧道盾构下穿过程中施工沉降控制方法。谢雄耀等[12]结合壁后注浆雷达检测和自动化监测平台提出了“微沉降”的施工控制技术，对盾构隧道下穿老旧建筑物的地表沉降进行了控制。

目前，洛阳市地铁2号线在牡丹大道站—市民之家站区间顺利穿越开元湖，这样长距离、快速、安全的下穿施工在隧道工程中尚属少数。由此，文章以洛阳市地铁2号线牡丹大道站—市民之家站区间工程实际运行情况为基础，提出施工过程中的重难点，对施工过程中的掘进参数选择、渣土改良、盾构姿态控制与纠偏、出土量、同步注浆及二次补浆等方面进行了技术总结，以此保证洛阳地铁在全断面富水卵石地层长距离盾构安全施工，以期为类似富水砂卵石地层和长距离掘进、下穿提供借鉴。

1 工程概况

牡丹大道站—市民之家站区间(以下称牡市区间)始发站位于关林大道站，牡市区间为关林大道站—牡丹大道站后的第2个区间，牡丹大道站为中间站；牡市区间自牡丹大道出站后，沿兴洛西街敷设，后以R=400m(R/左=400)转弯半径穿越开元湖，止于市民之家站，采用盾构法施工。区间起点里程为左(右)DK18+917.575，终点里程为左(右)DK19+858.600，右线全长943.499m(含1处2.474m长链)，左线全长966.499m(含1处25.474m长链)。区间左、右线间距为9～16.64m，在距离市民之家站东端头接收前左右线间距最小净距2.8m(50m)，左、右线间距净距<5m的部分长达132m。牡市区间线路最大纵坡为26.069‰，隧道结构顶部最大覆土为18.3m，最小覆土10.4m。左线隧道穿越开元湖319m，湖底距离隧道顶部最浅13.33m，最深14.97m；隧道下穿开元湖左、右线间距为14.82～16.21m。

开元湖位于洛阳市开元大道南侧、展览路中段，与洛阳市政府大楼相毗邻，于2007年建成蓄水，湖长576m，宽310m，深2.5m，湖底结构为素土夯实后浇筑15cm素混凝土，占地面积约178 560m2，正常蓄水量约为420 000m3。在前期对开元湖的调查中发现，湖底渗水严重，湖底以下卵石地层渗水系数高，地下水分布走向不明；同类卵石地层盾构施工案例中地表沉降大，且易造成刀具和刀盘严重磨损，刀盘、螺旋机卡机现象；湖内音乐喷泉已运营12年，年久失修、设备老化，加之喷泉水泵、管路内水压较高，抗扰动性能极差。而盾构法施工本身就存在对周围土体的扰动，该工况增加了盾构施工的安全风险和技术难度，对施工单位的技术水平、管理能力、资源配置等提出了极高要求。稍有不慎，将出现湖底盾构机异常停机、喷泉设施损坏、掌子面失稳、底板开裂湖水灌入盾构前仓、盾构机被淹埋等严重后果。

2 工程水文地质条件

牡市区间主要穿越全断面②6-3中密卵石层，隧道顶部从下至上为中密卵石层、黄土粉质黏土层、杂填土层，其中中密卵石层含漂石，岩性主要为安山岩、玄武岩、石英砂岩等，磨圆中等，多呈亚圆形，分选性差，微风化，卵石含量一般为60%～70%，粒径以2～12cm为主，充填物主要为细、中砂及圆砾，夹少量黏性土，最大粒径可达40cm，漂石含量一般为5%～8%，属级配不良卵石；黄土粉质黏土层呈灰黄色、褐黄色，硬塑为主，局部可塑，稍湿，以黏性土为主，夹有碎石、砂砾以及少量砖渣等。标贯实测击数平均值N=9.3击/30cm，据室内试验指标可知压缩模量Es=3.5～8.9MPa，平均值为6.8MPa；杂填土层呈褐黄色，物质成分以黏性土为主，含少量建筑垃圾及三七灰土垫层，硬质块石含量在20%～30%，该层均匀性差，多为欠压密土，自重固结尚未完成，结构疏松，具强度较低、压缩性高、荷重易变形等特点。

根据详勘期间钻探揭露，牡市区间场地内地下孔隙潜水水位埋深11.5～17.8m，在隧道顶部以上约3.54m。区间隧道下穿开元湖段为全断面中密卵石层，且全部位于地下水位以下。开元湖2007年建成蓄水后，发现湖底渗水较大，虽经对湖底注浆堵漏处理，但后期仍存在渗流损失，因而湖底的地下水位分布及地质环境变化存在较大的不确定性，如图1所示。

图1 隧道与开元湖位置关系

3 盾构结构与盾构设备主要参数

1)区间隧道管片外径为6 200mm，内径为5 500mm，管片厚度350mm，宽度1 500mm，采用C50，P12混凝土。

2)区间采用通用环衬砌形式，楔形量为40mm，双面楔形，采用增设注浆孔的管片。

3)区间隧道衬砌环缝采用弯螺栓连接，其中每环纵缝采用12根M30螺栓连接，环缝采用16根M30螺栓连接。

4)牡市区间左右线分别使用中国铁建重工DZ463、中铁763复合土压平衡盾构机，其中DZ463前盾外径6 410mm、中盾外径6 400mm、盾尾外径6 390mm，刀盘开口率为38%，螺旋机内径920mm；中铁763前盾外径6 440mm、中盾外径6 430mm、尾盾外径6 420mm，刀盘开口率40%，螺旋机内径800mm。

4 工程特点及难点

根据区间下穿开元湖段地质情况、地下水情况及开元湖状态分析，牡市区间盾构机穿越开元湖施工存在诸多安全风险和不稳定性因素，主要表现在以下方面。

1)隧道在开元湖319m范围内无法施工勘探钻孔，造成地质资料不详实。

2)本区间为全断面中密卵石地层，卵石含量高达60%，渗水系数达130m/d，盾构前仓不能保压。

3)洛阳同类卵石地层盾构施工案例中地表沉降大，平均沉降达到10cm以上。

4)开元湖底多年渗水，湖底卵石地层已形成流水通道。

5)该区间存在大粒径卵石，饱和抗压强度高达248MPa，易造成刀盘和刀具超耗、螺旋机卡机等现象。

6)该区间存在大粒径卵石，易发生大卵石堆积卡刀盘的现象，需停机采取人工进入前仓清理卵石。

7)湖内水下音乐喷泉设施基础形式、管路、电缆电线布置情况不明；湖底设备年久失修大多老化，抗扰动性能极差。盾构在全断面卵石地层掘进中，会造成湖底沉降甚至塌陷，存在造成喷泉设施损坏、漏电等风险。

8)湖底隧道处于下坡段，坡度为2.6%，盾构在该段掘进中，存在掌子面失稳造成湖水灌入盾构前仓及淹机的风险。

9)盾构在全断面卵石地层掘进中，会造成湖底沉降、底板开裂，增大湖底渗漏水。

10)由于沉降而形成的湖底损坏在蓄水环境下难以进行修复。

11)盾构穿越湖底过程中，湖底发生泡沫冒顶后会造成湖里大量鱼类死亡，造成经济损失和社会不良影响。

12)开元湖位于洛阳市政府前，是市民和游客关注度高的观赏景点，社会影响较大。

13)设计单位无有效的湖底监测方案，施工过程中安全监测受限，存在沉降处理不及时的安全风险。

5 主要施工技术

5.1 掘进参数控制

下穿开元湖过程中，监控室值班人员(设置1名调度、1名技术人员)对每环掘进信息情况进行记录和盯控，对每环掘进信息(如当环掘进的时间、添加剂注入量、出土量、注浆量、速度、扭矩、故障信息等)和垂直、水平运输系统供应等进行实时监控；隧道内每班设置1名土建工程师，对掘进参数、姿态、渣温、管片拼装、同步注浆量、二次注浆、止水环箍、盾尾间隙、轨道安装等质量进行盯控以及洞内外协调等工作，实时掌握是否存在超挖、地层是否异常情况、工序衔接是否存在问题，以便及时启动相应响应。掘进参数如表1所示。

表1 掘进参数设定

5.2 渣土改良控制

盾构机在下穿开元湖掘进过程中，为稳定开挖面，防止刀盘产生泥饼并降低刀盘扭矩，应选择质量较好的泡沫对仓内渣土进行改良，穿湖段渣土改良以膨润土为主，适当加入泡沫。采用膨润土和泡沫改良在全断面卵石地层掘进应考虑以下特性：①加大膨润土浆液 膨润土在水介质中分散成胶体悬浮液，具有一定的黏滞性、触变性和润滑性，膨润土在水化时其中的钠离子连接薄片，积聚于土壤泥水的接触表面，形成不透水的泥膜，和水、泥、砂等混合使之具有可塑性和粘结性，盾构在富水砂卵石地层中掘进，可以提高砂土的含泥量，补充土体的微颗粒，增加土体的流动性和不透水性。②膨润土和泡沫剂的配合使用 在富水砂卵石地层中用膨润土做渣土改良剂。③遭遇水囊、流砂地层时，增大泡沫原液比例，同时通过膨润土系统向土仓注入聚合物，对高含水量的土进行改良，加大泡沫浓度是为了提高发泡率，发泡率越高，半衰期越长，稳定性越好，这样更能填充土壤间空隙，起到止水作用。④在实际掘进过程中，应根据地层含土量、改良效果进行膨润土和泡沫的调整。

本工程膨润土浆液拌制采用配合比(质量比)为：水∶膨润土∶纯碱∶CMC=875∶295∶10∶ 0.6，膨化时间5～8h，控制流速在80～100s，膨润土浆液通过专用管路直接泵送至盾构机专用膨润土箱内。

泡沫的组成比例如下：泡沫添加剂3%～6%，水97%；泡沫组成：90%～95%压缩空气和5%～10%泡沫溶液混合而成；泡沫添加剂的注入量按开挖方量计算：300～500mL/m3。渣土改良管路布置如表2所示。

表2 渣土改良管路布置

5.3 盾构姿态控制与纠偏措施

1)采用自动导向系统和人工测量辅助进行盾构姿态监测。

2)采用分区操作盾构机推进油缸控制盾构掘进方向。

3)在纠偏过程中对盾构姿态纠偏量控制，应小于5mm/m，避免大量纠偏造成土体扰动过大，引起地面沉降。

4)及时用管片楔形量填补由于纠偏产生的行程差，使管片均衡受力，尽量减小分区油压差，做到速度稳定，油压均衡。

5)在砂卵石地层刀盘扭矩偏大，盾构刀盘转动产生的反作用力造成盾体自转产生滚动角偏差变化较快。滚动角控制应小于±10mm/m，过程中应根据滚动角变化量及时切换刀盘转向，保证盾构机掘进稳定。

5.4 出土量控制

盾构掘进时严格控制出土量，安排专人对出土进行检查通报，并形成记录。出土量通过渣土的体积和质量双重指标控制，防止超挖超排。详细记录每一碴斗的出土量和掘进长度的关系，根据计算确定每一斗需要掘进的长度，并利用45t门式起重机的称重系统来统计每环的出土量作为下穿开元湖时的参数，反向验证掘进出土量。

严控土方超排，进湖前取试验段，按1环管片为单位，统计每掘进10cm的出土量，计算掘进1环的土方平衡量，随时掌握土方超排情况。由于盾构掘进时无法观察掌子面情况，只能通过出土量的大小来推算掌子面情况，出土量过大，掌子面就可能出现坍塌，一旦有超量现象，应对该区段采取加大膨润土注入量、同步注浆量及二次补浆等措施。

5.5 同步注浆控制

根据本区间试验段盾构施工参数，拟定同步注浆配合比及参数(见表3，4)，盾构下穿开元湖属于螺旋下降的隧道掘进，盾构对土体扰动大，管片背后空隙增大，因此，考虑适当增加每环同步注浆量，采用注浆量与注浆压力双控指标，确保管片壁后填充饱满。

表3 同步注浆配合比

表4 下穿开元湖同步注浆参数

5.6 二次注浆

5.6.1注浆时机

1)管片脱出盾尾第5环进行二次补浆，出现超挖、监测数据异常等情况管片脱出盾尾第3环开始进行二次补浆。

2)在管片未脱出盾尾提前进行开孔并安装球阀。

3)正常段掘进每5环在管片顶部进行二次补浆，每10环施作1道止水环。

4)下穿开元湖期间每5环施作1道止水环，以堵住盾尾来水，和膨润土共同起到预防喷涌的作用。

5)二次补浆尽量控制在掘进过程进行，停机补浆时需阶段性向前推动盾构机，避免浆液包裹盾体。

6)注浆过程中时刻关注管片情况，出现异常及时停止注浆。

5.6.2注浆参数

1)注浆采用水泥、水玻璃双液注浆，凝结时间控制在25s左右。

2)注浆压力控制在0.3～0.5MPa。

5.7 施工综合成果

牡市区间左线历时12d完成了下穿开元湖段319m掘进施工，日均进度17.7环(26.6m)，单班最高掘进12环(18m)、单日掘进23环(34.5m)。牡市区间右线历时15d完成下穿开元湖段300m掘进施工，日均进度13.3环(20m)，生产均衡、进度稳定。下穿区段累计沉降变化最大值为-7.8mm，累计隆起变化最大值为5.1mm；下穿段单次沉降速率最大值为-4.0mm/d，单次隆起变化速率最大值为4.2mm/d。净空收敛累计最大变化量-2.7mm，拱顶沉降累计最大-4.5mm，沉降监测数据远低于控制值指标，且未达到黄色预警值，足以证明此次盾构下穿开元湖施工沉降控制情况良好。

6 结语

通过盾构全断面卵石层长距离下穿开元湖的超前谋划、超强配置以及行之有效的施工组织管理，保证了盾构下穿开元湖段施工安全，显著提高了施工效率，保证了施工质量，同时节省了施工成本，使资源得到充分合理的运用。在类似地层掘进中达到了盾构施工领域的较高施工技术和管理水平，并具备推广应用的条件。