0 引言

　　京杭大运河是世界上最长的古代运河，至今大部分区段仍在使用，随着我国城市基础建设快速推进，交通需求量增大，京杭大运河流经的城市如苏州、杭州等在修建地铁时不可避免下穿大运河等其他河流。地铁隧道在穿河段施工条件更为复杂，在施工过程中可能出现较多问题，在粉土或粉质黏土地层中对盾构下穿河流的技术研究就显得尤为重要。

　　1 工程概况

　　苏州轨道交通5号线竹园路站—港务路站区间隧道穿越的主要地层为粉砂夹粉土、粉质黏土。场区地下水位较高，粉土、粉砂夹粉土地层为微承压含水层，稳定水头标高为1.050m;粉土夹粉质黏土、粉砂夹粉土为承压水层，两层土相互连通，承压水稳定水头标高为-2.540m，埋深3～5m。场地地下水和地表水对混凝土结构及钢筋有微腐蚀性。

　　工程段穿越河段宽138.7m，河床呈拱形，河堤两侧浅，中间较深。水面标高1.780m，驳岸桩基础为整板混凝土基础，厚0.5m，宽3.9m，板底标高为-1.500m，其中沿河流方向埋有1排直径0.3m的PC管桩，桩长为5m，桩底标高为-3.800m，桩间距0.8m，距隧道顶约12m。混凝土基础上为浆砌块石，标高3.200m，顶部宽0.5m。河床断面如图1所示。

　　如图2所示，自竹园路站出站后，以直线沿竹园路往东南方向穿行，依次侧穿紫兴纸业有限公司及广告牌，然后下穿新区污水处理厂、京杭大运河、苏州泰格动力有限公司和西环高架桥，最后沿胥涛路以直线进入港务路站。

　　竹园路站—港务路站区间线路，线间距为12.3～17.0m，左右线均采用盾构法施工。本区间隧道顶覆土厚度为10.245～22.925m。

　　图1 河床断面(单位:m) 

　　图2 周边环境 

　　2 盾构选型

　　该工程盾构区间隧道穿越的主要地层为粉砂夹粉土、粉质黏土。场区地下水位较高。盾构区间隧道覆土10.5～18.1m，线间距12.3～17.0m，线路最小半径为600m，线路最大纵坡达24‰。区间下穿城市主干道路、管线、桥梁、河流及建(构)筑物。

　　根据该工程施工区间工程地质及水文地质条件、隧道埋深、沿线地面建(构)筑物、地下建(构)筑物及管线、沿线地面交通情况、地面沉降要求、辅助施工方法及对安全环保和工期的要求，并结合以往施工经验综合分析，盾构机需满足如下要求:(1)额定扭矩>4 000kN·m，额定推力>3 700t;(2)盾构刀盘为面板式或复合式，开口率28%～43%;(3)具备超前注浆功能(刀盘上布置有超前探测孔);(4)螺旋输送机有2道防水闸门;(5)土仓内装有3个及以上的土压计;(6)刀盘上有4个及以上添加剂注入口;(7)盾尾密封3道及以上，密封刷为具有良好信誉的知名品牌(盾构始发时须全部更换为新的密封刷);(8)盾构切削外径与管片外径距离<140mm;(9)采用铰接式盾构机，在铰接处具有1MPa及以上防水能力;(10)各区域推进千斤顶最大可伸长量相等，行程≥1.8m;(11)同步注浆泵采用可注厚浆的大功率注浆泵;(12)始发前必须更换所有破损刀具;(13)同步注浆浆液采用自动搅拌系统，须具有自动计量功能。

　　综合上述要求，最终决定采用2台CTE6400面板加泥式土压平衡盾构机进行施工。

　　3 掘进参数控制

　　借鉴该区间前期盾构掘进参数，再结合须穿越的京杭大运河段的地质、埋深、线形等具体情况，在盾构穿越京杭大运河期间主要从以下方面采取措施。

　　3.1 推进土压

　　隧道穿越大运河范围地质主要为粉土夹粉质黏土地层，隧顶最小埋深12.305 4m。在盾构到达河床前，对照隧道排版，结合管片超前量，推算盾构过河段每环管片实际埋深，并对照地质勘察报告及实测水深，计算实际水土压力;在计算当前环的土压力时，应特别注意盾构机长度，施工时应明确刀盘、盾尾到达河床与离开河床对应的实际管片环号，以便适时调整土仓压力。土压力设置在合理范围能有效防止突涌和减少沉降量。

　　3.2 出土量

　　盾构每环出土量经过实际测量得出，保证出土量测量精度。通过调整螺旋机转速调节出土量，出土量与土仓压力关系较大，还需通过对刀盘扭矩、总推力、掘进速度的参数控制实现对出土量的控制。根据前期施工出土量统计及分析情况，设计出土量为38.7m³，实际出土量平均约为45.6m³，出土松散系数为1.18。

　　3.3 掘进速度、刀盘转速与扭矩

　　盾构推进速度随刀盘转速的增大而增大，且当转速恒定时，推进速度基本稳定。刀盘扭矩随转速的增大而逐渐增大^[1]。盾构机穿河段掘进过程中要保持连续、匀速的施工状态^[2]。根据实际需要，推进速度控制为30～40mm/min，刀盘转速控制为1.0r/min，同时扭矩≤1 000kN·m，以保证盾构顺利过河。

　　4 其他控制措施

　　4.1 盾构姿态

　　通过调整盾构掘进液压缸和铰接液压缸的行程差控制盾构姿态。实时测量盾构里程、轴线偏差、俯仰角、方位角、滚转角和盾尾管片间隙，根据测量数据和隧道轴线线形，选择管片型号。纠偏时应控制单次纠偏量，应逐环和小量纠偏，不得过量纠偏。盾构穿越前应将姿态向轴线靠拢，穿越过程中，应控制盾构机的纠偏量，每环应≤3mm，穿越过程中，加强对自动测量控制点的复测，并控制盾构姿态的纠偏量，确保以既定姿态推进^[3]。

　　4.2 管片拼装

　　管片是盾构施工的主要装配构件，是隧道的最内层屏障，用来抵抗土层压力、地下水压力。特别是在穿越大运河地段河道的地层，盾构管片质量直接关系到隧道的整体质量和安全，影响隧道的防水性及耐久性。管片拼装需遵循以下原则:(1)必须符合设计规范;(2)安装前对管片及其防水材料进行严格检查，保证管片拼装完成后质量;(3)管片拼装应与盾构机的姿态相适应，及时调整管片拼装的姿态;(4)确保管片拼装的位置准确，及时纠偏;(5)管片安装就位后及时整圆，并在管片环脱离盾尾后对衬砌连接螺栓采取一次紧固、三次复紧的工艺。

　　4.3 同步注浆与二次注浆

　　盾构在穿越京杭大运河时，由于地层含水量较大，水压较大，注浆时须遵循“同步注入，快速凝结，信息反馈，适当补充”的原则。

　　4.3.1 同步注浆

　　根据隧道穿河地层的特点，为尽早充填盾尾管片与土体间空隙且及时支撑管片周围土体，防止地层产生过大变形而引发周围土体及建筑物安全问题，采用边掘进边注浆方式，通过盾构机自设的同步注浆系统及管片预留注浆孔进行注浆。为控制地表沉降，应选用与隧道开挖半径、隧道埋深、土体特性参数相匹配的注浆压力^[4]。同步注浆过河时需遵循无浆不推进原则，采用注浆量与压力双重控制措施，注浆量设定为4.5～5.0m³，压力0.1～0.3MPa。

　　4.3.2 二次注浆

　　同步注浆可能产生局部不均匀或由于浆液固结收缩产生空隙，为提高衬砌背部注浆层防水性及密实度，必要时再次补充注浆，进一步填充空隙并形成密实防水层，同时也使得隧道衬砌有所加强。根据前期在类似地层的掘进情况及相应的监测数据分析，采用地表沉降监测信息反馈，并结合洞内探测管片衬砌背后有无空洞的方法，综合判断是否需要进行二次注浆。在管片与土体间的空隙填充密实性差，导致地表沉降超出允许范围，及管片衬砌后出现较严重渗漏情况时，须二次注浆。

　　4.3.3 注浆材料、浆液配比及性能指标

　　为保证盾构快速穿越京杭大运河，防止注浆管堵塞造成注浆不及时，河床沉降，在穿越过程中要加强对同步注浆原材料的控制，保证原材料性能达标。要求注浆液有良好的流动性，便于盾构移动过程中连续不断地注浆。二次注浆所选材料要求可注性强，以弥补同步注浆的缺陷，对同步注浆起充填和补充作用。

　　4.4 盾尾油脂和泡沫加注

　　4.4.1 盾尾油脂

　　为防止在盾构推进时，地下水或同步注浆的浆液从盾尾渗流进隧道，要求在盾尾钢丝刷位置注入盾尾油脂，以实现盾构的密封功能。由于大运河段地下水含量丰富，施工时应勤注油脂，结合前期地层含水量较高的施工段掘进经验，盾尾油脂压力设定为3.0MPa，较正常段约高0.5MPa，每环用量>30kg，每桶保证6环供应量。

　　4.4.2 泡沫

　　由于大运河地层主要为粉土夹粉质黏土层，为确保土体改良效果，防止盾构机在河中因结泥饼导致停机，必须加强盾构的土体改良。土体改良主要以从刀盘前方加入泡沫和水为主，泡沫的发泡率和原液用量根据现场检测选择最佳配比，流量根据前期的施工经验总结，按每路200L/min控制，过程中根据各参数动态调整。

　　5 端头加固

　　5.1 加固方法

　　竹园路东端头加固方法为850@600地表三轴搅拌桩+TRD工法止水帷幕^[5]。地表加固范围为盾构隧道结构外侧2.8m，沿隧道纵向加固长度为12m，竖向加固范围为盾构隧道结构上下各3m，加固区与车站围护结构间采用1排三重管旋喷桩填充孔隙，止水帷幕与围护结构接缝处采用5根三重管旋喷桩止水。在加固区外侧施工1圈搅拌桩止水帷幕，在止水帷幕范围内布置6口降水井及2口观测井。TRD工法加固平面如图3所示。

　　图3 TRD工法桩端头加固平面 

　　港务路站西端头加固方案为三轴搅拌桩加固，加固长度为9m，加固宽度为盾构隧道结构每侧3m，竖向加固范围为盾构隧道结构上下各3m，加固区与车站围护结构间采用1排双重管旋喷桩填充孔隙。在加固区外侧施工1圈搅拌桩止水帷幕，在止水帷幕范围内布置6口降水井及2口观测井。

　　5.2 加固顺序

　　盾构端头加固在车站基坑开挖前，先施工850三轴搅拌桩止水帷幕。通过搅拌桩加固，增加了车站端头的土体强度，有利于车站基坑开挖。加固时留足与围护结构间的缝隙，防止给后续旋喷桩施工造成困难。

　　车站端头主体结构施工完成后，用2根间距200mm的单重管旋喷桩对搅拌桩止水帷幕与地下连续墙接缝处进行加固，深度同止水帷幕。在盾构始发前完成施工(见图4)。

　　图4 端头加固平面 

　　6 沉降监测及应急措施

　　6.1 河堤监测点布设

　　盾构区间隧道下穿京杭大运河，对河床和河堤造成的影响较大，须对河堤进行沉降观测。在河堤拐角布设竖向位移监测点，隧道轴线正上方重点影响区域测点进行加密，测点间距10～15m。

　　6.2 监测频率与报警值

　　盾构穿越京杭大运河期间，河堤的监测频率为2次/d(上午9时和下午4时各1次);穿越后的频率为1次/d。在盾构穿河期间，河堤沉降变形控制值如表1所示。

　　表1 沉降控制值 

　　6.3 监测数据异常措施

　　当河堤沉降监测数值达到报警值时，在河堤对应隧道范围内，通过管片上部注浆孔压注单液浆，单液浆配合比为水∶水泥=1∶1(质量比)。压注过程中加强监测，直至沉降稳定。

　　6.4 监测结果分析

　　由于盾构隧道下穿京杭大运河区段河底至隧道顶部距离较大(最小为12.305 4m)，同时，盾构隧道施工过程中采用与实际环境、不同工况相匹配的掘进参数，故在正常情况下对地表沉降影响较小。

　　7 结语

　　苏州轨道交通5号线竹园路站—港务路站区间盾构成功下穿京杭大运河，主要从以下方面进行控制。

　　1)对地层状况及沿线河流、建(构)筑物进行详细调查，选用合适的盾构机型。

　　2)不断优化不同地层和不同环境的掘进参数，严格控制盾构土仓压力、出土量及推进速度，保持开挖面的平衡和稳定，降低盾构对周围土体的扰动，控制盾构姿态，避免盾构大幅偏移、上浮或磕头等现象发生。

　　3)同步注浆应足量饱满，二次注浆应及时，根据监测结果及时对工后沉降进行补偿注浆。

　　4)过河、过建(构)筑物前对盾构机进行全面维修保养。