郑州地铁03标盾构施工重难点分析及对策

宋书显，郭 磊

(中铁隧道集团有限公司郑州地铁一号线一期03标，郑州 450000)

0 引言

盾构法施工已在我国城市轨道交通施工中显示出技术经济、安全优越性，因此得到快速发展和推广，已成为隧道施工首选方案。目前国内外学者关于盾构法隧道施工对建、构筑物影响都做了大量的研究工作［1－2］。但由于地质条件的复杂多样及施工参数的变化，使研究成果局限性。本文以郑州地铁一号线一期土建工程03标段为背景，介绍盾构法在软土中顺利下穿重要建、构筑物采取的技术保证措施，以减少盾构隧道施工对地表沉降及周边建筑的影响。

1 概述

郑州地铁一号线一期土建工程计划于2014年全体通车，东起新东站，西至郑上路凯旋路站，线路总长度26.2 km，共设站点20个。其中03标包括二七广场站、市体育馆站、中原东路站—郑州火车站站区间、郑州火车站站—二七广场站区间、二七广场站—市体育馆站区间和市体育馆车站—紫荆山车站区间，详见图1。

2 工程重难点分析及对策

2.1 盾构穿越郑州火车站站场难点和对策

郑州火车站—二七广场站区间盾构要下穿运输繁忙的郑州火车站内的多股轨道，此处隧道顶埋深12～16 m，区间隧道与铁路位置关系见图2。

如何确保盾构穿越过程中不影响铁路安全运营，是本标段施工的重点和难点。受场地及运营安全限制，无法采取地面加固措施，完全依靠洞内措施来实现控制站内轨道沉降或隆起小于4 mm，结合实际地质条件、周围环境等，特制定以下对策。

2.1.1 施工前准备与调查

1)对掘进穿越范围地质及周边环境进行细致探查，根据调查情况并结合地质、周边环境等进行沉降计算和预测，在盾构通过前对铁路预先埋设实时监控设备。

2)在盾构机通过前，提前与路局相关部门联系、沟通，详细了解铁路保护标准及列车运行频次等情况，结合铁路局安全、运输等部门的指导建议，制定合理、可靠的保护方案，上报业主、监理、铁路部门经审批同意后进行施工。

2.1.2 掘进参数选取

1)在盾构通过前，选择类似地质及埋深条件下150 m区段作为模拟推进段，通过模拟段实时沉降监测数据，不断调整优化各项参数，按照控制沉降隆起小于3 mm的严格标准来选取相关参数，以确保实际穿越时能够满足运营沉降不超限，确保安全一次通过。

2)穿越铁路时，土仓中心土压力值根据埋深及土层情况设定为0.15 ～0.17 MPa，压力波动控制在 0 ～0.02 MPa，严禁土压出现拉风箱式波动，从而扰动土体。

3)盾构推进通过对土压传感器的数据来控制千斤顶的推进速度，推进速度控制在2～2.5 cm/min，在推进过程中匀速推进，并保持推进速度、出土速度和注浆量相匹配。

4)出土量与土压力值一样，也是影响地面沉降的重要因素。盾构机的开挖断面为30.95 m2，管片长1.5，每环的理论出土量为 30.95 ×1.5 ×1=46.4 m3，在盾构机穿越铁路期间，将出土量控制在理论出值的98%，即46.4 ×98%=45.5 m3左右，保证盾构切口上方土体能有微量的隆起(不超过1 mm)，以便抵消一部分土体的后期沉降量，从而使铁路沉降量控制在最小范围内，确保铁路线安全。

5)同步注浆量一般控制在建筑空隙的180% ～200%，实际施工中浆液的用量结合前一阶段施工的用量以及监测报表和注浆压力综合进行合理选择，同步注浆尽可能保证匀速、匀均、连续的压注，防止推进尚未结束而注浆停止的情况发生。注浆压力控制在0.3～0.5 MPa，注浆量和压浆点视压浆时的压力值和地表沉降监测数据而定。

6)由于盾构推进时同步注浆的浆液在填补建筑空隙时，有可能会沿土层裂隙渗透而依旧存在一定间隙，且浆液的收缩变形也存在地面变形及土体侧向位移的隐患，受扰动土体重新固结产生地面沉降。因此根据实际情况(监测结果)需要，在管片脱出盾尾5环后，可采取对管片后的建筑空隙进行二次注浆的方法来填充，浆液为水泥、水玻璃双液浆、注浆压力0.4～0.5 MPa。壁后二次注浆根据地面监测情况随时调整，从而使地层变形量减至最小。

2.1.3 过程控制

1)配备丰富经验的盾构操作司机、值班工程师和熟练的技术工人，严格按照选定参数结合专家评审方案进行操作施工。

2)在施工过程中密切联系专家组，积极沟通，并根据铁路部门的运输计划和施工监测结果及时调整盾构推进计划，安排在铁路运输量小的时间段穿越铁路，尽量减小施工对运营的影响，确保施工安全和铁路运输安全。

3)严格控制盾构掘进过程中的土压、出土量、掘进速度等施工参数，及时对环形空隙进行同步注浆，并且根据量测结果做好二次补注浆工作;加强地面沉降监测，根据施工和沉降情况调整观测的频率，及时反馈监测信息并指导施工。

2.1.4 其他措施

1)为保证注浆质量，应每5环注一个环向聚氨酯加强环，使隧道掘进形成节段，既可以保证注浆的饱满，又可以隔断浆液的流动和流失。

2)盾构进行平面或高程纠偏的过程中，必然会增加建筑空隙，造成一定程度的超挖，因此在盾构机进入铁路影响范围之前，将盾构机调整到良好的姿态，并且保持这种良好姿态穿越铁路。在盾构穿越的过程中尽可能匀速推进，推进速度不宜过快，最快不大于30 mm/min，确保盾构机均衡、匀速地穿越铁路，减小盾构推进对前方土体的扰动。盾构姿态变化不可过大、过频，控制每环纠偏量不大于10 mm(高程、平面)，控制盾构变坡不大于1‰，以减少盾构施工对地层的扰动影响，从而尽可能减少地表沉降，保证铁路安全。

3)穿越铁路的过程中，使用质量非常好的碴土改良剂(泡沫剂)，确保改良的碴土达到软塑状(即牙膏状)，必要时可以利用刀盘上的加泥孔向前方土体加膨润土或水来改良土体，增加土体的流塑性。土体流塑性增加之后有3个作用:①使盾构机前方土压力传感器反映的土压数值更加准确;②确保螺旋输送机出土顺畅，减少盾构对前方土体的挤压;③减小刀盘与土体的摩擦力，减小对地层的扰动。

2.2 盾构穿越二七纪念塔的难点和对策

郑州市二七纪念塔位于二七广场车站东南侧，也是国家级文物，车站2号出入口与二七塔净间距为18.9 m，拟建的地铁3号线右线隧道中心与二七纪念塔间距为9.2 m，见图3。由于车站施工对二七塔有一定影响故对二七塔的保护也做为本工程的重点，具体保护措施如下:

图3 二七塔加固示意图Fig.3 Reinforcement of Erqi Tower

1)开工后及时与产权单位进行联系，在二七塔周边布置一周监测控制点，对二七塔进行严密的监控测量。

2)在二七塔一周采用直径800 mm间距1 200 mm的钻孔灌注桩进行隔离保护，桩基底部深入拟建的地铁3号线隧道底部以下2 m，钻孔灌注桩之间采用直径600 mm的旋喷桩进行止水隔离，高度从地下水位面以上2 m至钻孔灌注桩桩底。

3)详细编制合理的车站基坑施工方案，报专家及有关部门评审，并严格按审定方案施工，确保基坑稳定和减少桩体变形，对周边建筑物影响控制在可控范围内。

4)保证止水帷幕质量，避免桩间渗水引起水土流失造成地面沉降。

5)施工前与管理单位做好联络和应急预案的制定工作，在发生异常时启动应急预案。

6)做好应急预案，如桩间止水出现渗漏及时进行堵漏止水。

7)合理开启降水井和采取回灌技术，控制降水含砂量，减小降水对周边环境的影响。

2.3 盾构穿越商代古城墙遗址难点和对策

二七广场站—体育馆站区间盾构从体育馆站始发在里程CK19+900处穿越商城城墙，该城墙是国家重点文物，商城城墙为地埋式，地下埋深12.9 m，盾构隧道城墙底部间距为2.8 m，平面位置与城墙呈42°斜穿。该段覆土自上而下为杂填土、粉土、粉砂层，隧道穿越地层以粉土和粉砂层为主。从古城墙的历史和文化意义以及与隧道的位置关系，考虑采取如下措施:

1)盾构穿越前对古城墙进行进一步的探测，确定城墙与隧道的实际位置关系。

2)在盾构通过古城墙前，选择和类似的地层为模拟段进行试掘进，总结并制定详细的城墙段盾构掘进参数，保证城墙段施工的安全。

3)在盾构下穿北城墙过程中，将古城墙作为地面荷载进行土压力计算，计算出城墙与隧道在不同距离时对土压力敏感性，施工时严格控制土压力、推进速度、总推力、刀盘转速、出土量等施工参数，减少盾构的超挖和欠挖，以改善盾构前方土体的坍落或挤密现象，减少土的横向变形施加于桩基上的横向力。

4)做好盾尾、铰接密封和螺旋机处的防喷涌工作，做好盾构机姿态和铰接处的控制，防止该处出现涌水涌砂造成地层过量损失，地表出现大的沉降。

5)严格控制同步注浆量和注浆压力，注入量控制在150%～200%的理论开挖空隙量。注浆压力一般略大于隧道底部的水土压力之和。

6)加强监测，通过对构筑物的监控量测，及时反馈信息，采取措施优化盾构施工参数。必要时在二次注浆后采取跟踪注浆加固的方式保证城墙的安全。

7)在盾构机到达城墙段施工前，提前做好盾构机各部件的检修工作，保证设备的完好，对可能出现问题的部件进行提前检修维护，保证盾构快速连续通过该段。

8)施工前，与城墙的管理单位做好联络和应急预案的制定工作，在发生异常时启动应急预案，确保城墙的安全。

2.4 盾构穿越电力隧道的难点和对策

郑州火车站—二七广场站区间盾构从二七广场站始发后与电力管道平行推进，到达正兴街和福寿街交叉口处垂直穿越电力管道，穿越段电力隧道埋深10.7 m，与隧道水平净间距1 m，电力隧道底部与盾构隧道顶部净间距0.3 m，见图4。

图4 电力隧道与盾构隧道位置平面示意图Fig.4 Plan layout shows the relationship between power tunnel and Metro tunnel

二七广场站—市体育馆站区间在里程CK19+700处斜穿越电力隧道，此处电力隧道底部埋深10 m，电力隧道底部距离隧道顶部4.49 m，该电力隧道为郑州市供电主线路，如何确保承担着繁重电力供应任务的电力隧道的安全将是本工程的重点也是难点。根据电力隧道与盾构隧道的位置关系，特采取如下措施:

1)与盾构隧道平行段电力隧道，在盾构穿前采用钻孔灌注桩对电力隧道进行隔离处理。

2)与盾构隧道垂直和斜穿的，在盾构穿越前采用注浆加固的方式对电力隧道周围进行加固。

3)由于电力隧道埋深较深，采取在隧道内布置监测点的方法监测隧道稳定，同时穿越前在隧道地面布置深层监测控制点和地中沉降监测。

4)穿越过程中及时分析监测成果，随时调整盾构掘进参数，并在穿越后通过管片上的二次注浆孔对进行补强注浆。

5)与电力部门建立良好畅通的沟通机制，编制详细的穿越电力隧道的施工方案，经电力部门的批准和认可后实施。

2.5 近距离穿越火车站站台无柱雨棚、紫荆山立交桥等桩基础的难点与对策

郑州火车站—二七广场站区间盾构穿越郑州火车站站台无柱雨棚的桩基，桩基础为直径800 mm的钻孔灌注桩，此处隧道与桩基础的净间距为 2.1 m，见图 5。

盾构到达紫荆山站前需穿越紫荆山立交桥桩基础，立交桩基础采用φ 1 600钻孔灌注桩，与桩基最小水平净距离约2 m，如图6所示。

郑州火车站—二七广场站区间为电力隧道与盾构隧道平行段，采用钻孔灌注桩进行了隔离，盾构从二七广场站始发需近距离穿越电力隧道隔离桩，桩基与隧道边缘净间距为0.2 m。

盾构推进时如何减少土仓压力对近距离桩基的侧压影响，如何控制地层损失和地层位移对桩基受力产生的不利影响，从而保证盾构通过时桩基的安全。对此，拟采取以下措施:

1)施工前详细调查紫荆山立交桥及无柱雨棚桩基的资料，进行现场放线，确定隧道轮廓与桩基的实际距离以及桩径、桩深等参数，并据此对盾构推进对桩基的影响进行评估，以做好针对性施工措施与施工方案。

2)提前15环对盾构推进参数进行调整，对盾构机推进采取控制措施，适当降低盾构土仓压力，减小盾构推力，减小盾构机推进对桩基的影响;严格控制出土量与推进速度，以减少地层损失产生的土体位移。

3)及时对环形空隙进行同步注浆，采取注浆探测技术保证注浆饱满充分，以达到环形间隙的及时充填，减少由于注浆不充分造成的地层位移。

4)推进前在相应桩基布置监测点，提前对桩基进行严密的监测，及时反馈监测信息和调整盾构机掘进参数，确保安全顺利的通过。

5)盾构通过后，根据监测结果对桩基的影响进行综合评估，根据评估结果通过预留注浆孔对管片背部和桩基周围进行二次补强注浆，必要时采用地面注浆的方法来提高桩基和地层之间的摩擦力。

2.6 盾构始发与到达的难点与对策

盾构始发与到达是施工中的重点，也是盾构施工中易出现问题的环节。因此，如何确保本标段16个端头的盾构机安全始发和到达是施工中的重点和难点。

1)根据设计文件要求，中原东路站东端头加固为盾构接收端加固长度为9 m，其余端头始发和到达端加固长度均为10 m，保证加固后土体的强度、抗渗性、匀质性均满足设计要求。考虑到施工范围地质以粉土、砂层为主，采用高压旋喷法进行加固，防止施工盲区成为渗水通道或薄弱点影响始发或到达的施工安全。

2)在端头地层加固施工完毕之后，对加固区域进行垂直取芯以及在洞门处均匀布置数个水平探孔，用以检测加固效果。如有问题，立即组织补充加固，并及时进行降水施工。

3)做好洞口防水密封。盾构始发、到达时，预先安装洞门圈预埋钢环，帘布橡胶板以及铰链型密封压件等洞门密封装置并确保其能有效使用。

4)盾构到达时，则采用帘幕橡胶圈和扇形压板，以防治漏泥漏水。在刀盘推到达门前一环开始采用快硬性水泥－水玻璃双液浆对盾尾建筑空隙进行回填。

5)对临近洞口的10环管片采用14槽钢通过管片吊装孔进行拉紧，确保在盾构反推力较小的情况下，管片环间的缝隙不至于加大，避免管片间因密封失效而发生渗漏。

6)加强盾构在始发、到达段的掘进控制。控制好盾构姿态，在保证出碴量正常、同步注浆回填密实的前提下，尽量快速完成盾构的始发与到达。同时，充分考虑到由于对端头地层进行了加固处理，地层性质所发生的改变，掘进时防止盾构姿态突然变化。

7)在盾构机进出加固范围前，进行盾尾处管片背后注浆或聚氨酯进行封堵水施工。

8)做好端头井周边监控量测工作以便指导施工。

2.7 其他地段难点与对策分析

市体育馆站北侧的新华书店家属楼距离车站很近，施工过程中对其影响较大，二七广场站周边有亚细亚宾馆、二七宾馆、天然商厦、商城大厦、华联商厦及二七广场的环行人行天桥等建筑物，施工过程中需进行保护。

中原东路站—郑州火车站线建筑物众多，区间需穿越西铁社区多栋居民楼、铁六中教学楼和铁道大厦等建筑物，西铁社区居民楼均为砖混结构，年久破损，对沉降要求较高，是盾构掘进中作为保护的重点。而沿线道路下管线密集，必须对煤气管、电缆通讯管道及大管径等敏感管道进行监测。对此，拟采取如下措施:

1)做好建(构)筑物调查、评估。施工前详细调查各个建(构)筑物的结构及基础形式，事先进行摄影像及评估、备案。必要时请专门机构进行评估，制定变形控制管理标准;立足于信息化施工，监测建(构)筑物及管线的变化，建立变形与区间施工的相应关系，采取针对性措施加以控制。

2)保持盾构开挖面的稳定。除了选择最佳综合性能参数的盾构机外，盾构开挖面的稳定可以通过优化掘进参数控制。掘进参数主要包括:刀盘和土舱压力、排土量、推进速度、千斤顶总推力、注浆压力与时间、注浆量、浆体性能、盾构姿态等。通过设定推进速度、调整排土量或设定排土量调整推进速度，确保土舱压力与地层压力的平衡。根据地层颗粒成分的变化，地下水压力等采取随时调整添加剂的成份、掺量等措施改良土质。

3)同步注浆和二次注浆。为了减少和防止地面沉降，在盾构掘进中同步注浆，及时填充管片与围岩间的空隙。根据地质条件，确定浆液配比，注浆压力、注浆量及注浆的起止时间。在盾构穿越主要的建筑物区段，适当地在标准块与邻接块管片上增设注浆孔，根据监测情况，有选择地进行二次注浆，以弥补同步注浆的不足，减少地表沉降。

4)地层加固法。根据建筑物的结构类型及对沉降的敏感程度、沉降的允许值，制定建筑物及地面变形警界值。建立完善的监测网，及时反馈信息，及时进行跟踪注浆或补充注浆，对距离较近的既有建筑物基础，采取预注浆加固。

5)控制偏差量。严格控制盾构施工的偏差量，防止因扰动地层导致地面沉降量的增加。

3 结论与建议

盾构施工穿越既有建(构)筑物等障碍物时，施工前首先要对既有建筑物进行调查，充分了解具体边界条件及掌握和判断地质情况和现场测量数据后，才能做好较为准确的风险性分析，选择更适合的施工参数，更好的稳定开挖面地层，顺利穿越区间沿线重要建(构)筑物，防止地面变形，提高盾构隧道施工安全质量;其次，监控量测作为工程施工的“眼睛”是必须加强的重要环节，由于沉降及变形监测相对有一定的滞后性，所以对于一些特别重要的建(构)筑物(如保护要求高、距离特别近等)，采用预埋土压力盒、钢筋应力计等实时监测手段非常重要;再就是作好设备准备和预案准备，在穿越障碍物前做一次盾构机的强制检查保养，确保盾构机通过过程中设备正常运转和连续性;同时针对穿越障碍物的风险，制定相应的预案，以保证在出现意外情况时仍然可以按预案进行处理而不致手足无措。

经过分析论证，盾构施工穿越既有建(构)筑物等障碍物采取技术对策都是可行的，随着初期单条线的建成，后续线路建设的难度会越来越大。同时，伴随城市规划建设，特别是通常伴随地铁建设的沿线开发的增多，工程建设所面临的是越来越复杂的周边环境，穿越建(构)筑物的情况也越来越多，是目前国内地铁盾构施工存在的普遍问题、综合性问题，也是盾构施工急需解决的问题。

［1］ 陈馈，洪开荣，吴学松.盾构施工技术［M］.北京:人民交通出版社出版，2009:399.

［2］ 陈鸿杰，魏鑫.土压平衡盾构机过富水砂层施工技术［J］.现代城市轨道交通，2010(2):4.

［3］ 王占生，王梦恕.盾构施工对周围建筑物的安全影响及处理措施［J］.中国安全科学学报，2001(2):48 －52，83.(WANG Zhansheng，WANG Mengshu.Effects of shield －driven tunneling on the safety of adjacent buildings and its countermeasures［J］.China Safety Science Journal，2001(2):48 －52，83.(in Chinese))

［4］ 邓美龙，黄常波，李忠，等.盾构穿越铁路安全施工技术［J］.建筑技术，2009(11):23 － 25.(DENG Meilong，HUANG Changbo，LI Zhong，et al.Safety construction technique ofshield crossing railway［J］.Architecture Technology，2009(11):23 －25.(in Chinese))

［5］ 章龙管，杨书江.富水砂卵石地层盾构穿越铁路股道施工技术［J］.隧道建设，2009，29(S1):46 －51.(ZHANG Longguan， YANG Shujiang. Construction technology of shield machine crossing beneath railway tracks at water-rich sandy gravel stratum［J］.Tunnel Construction，2009，29(S1):46 －51.(in Chinese))

［6］ 周志强，钟显奇，宋金良，等.广州地区盾构施工风险及控制技术要点［J］.隧道建设，2010，30(6):608－611.(ZHOU Zhiqiang，ZHONG Xianqi，SONG Jinliang，et al.Risk analysis and risk control technology for shield tunneling in Guangzhou region［J］.Tunnel Construction，2010，30(6):608 －611.(in Chinese))

［7］ 崔玖江.盾构隧道施工风险与规避对策［J］.隧道建设，2009，29(4):377 － 396.(CUI Jiujiang.Risks and countermeasures for construction of shield-bored tunnels［J］.Tunnel Construction，2009，29(4):377 － 396.(in Chinese))

［8］ 涂智溢.无锡软土某区间隧道盾构施工引起的建筑物沉降分析［J］.隧道建设，2011，31(3):330 －333.(TU Zhiyi.Analysis on building settlement induced by shield tunneling in soft soil area in Wuxi［J］.Tunnel Construction，2011，31(3):330 －333.(in Chinese))

［9］ 马连丛.富水砂卵石地层盾构施工渣土改良研究［J］.隧道建设，2010，30(4):411 － 415.(MA Liancong.Study on ground conditioning for EPB shield in Water-rich cobble ground［J］.Tunnel Construction，2010，30(4):411 － 415.(in Chinese))

［10］李发勇.粉细砂地层盾构施工风险分析与应对措施［J］.隧道建设，2009，29(6):668 － 673，677.(LI Fayong.Analysis and countermeasures for Risks in shield boring in fine silty sand ground［J］.Tunnel Construction，2009，29(6):668 －673，677.(in Chinese))

［11］刘恕全.盾构隧道施工质量缺陷浅谈［J］.隧道建设，2006，26(S2):59 － 61，80.(LIU Shuquan.Contruction quality defects of shield tunnels［J］.Tunnel Construction，2006，26(S2):59 －61，80.(in Chinese))

［12］骆建军，张顶立，王梦恕，等.地铁施工沉降监测分析与控制［J］.隧道建设，2006，26(1):10 － 13.(LUO Jianjun，ZHANG Dingli，WANG Mengshu，et al.Analysis on and control of settlement in metro construction［J］.Tunnel Construction，2006，26(1):10 －13.(in Chinese))