《国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006—2020年) 》中将交通基础设施建设置于重要地位，且轨道交通是城市基础设施网络建设的生命线工程 ^[1]。轨道交通作为城市综合交通体系的重要砥柱，是构建现代化都市的关键。截至2018年末，我国已有49个城市开展轨道交通建设，至2020年全国城市轨道交通里程将超过6 000km ^[2,3,4]。

　　 盾构法施工具有自动化程度高、对环境影响小、地层适应性强等特点，相关施工技术已在城市轨道交通建设中得到长足发展，目前正向隧道长距离化、盾构智能化、施工多样化等多元层次发展 ^[5]。地铁隧道盾构开挖施工受环境影响明显，主要包括施工环境与地质环境2方面，由此产生的施工安全风险需引起关注，并采取相应的安全保障技术 ^[6,7,8]。

　　 徐州作为淮海经济区中心城市，自2013年轨道交通规划获批以来，多条地铁线路正处于建设当中。徐州地铁施工过程中，盾构隧道遇到大量城市建 (构) 筑物与地下管网，并面临着大量复杂地质情况，如软硬不均地层、溶洞、黏土、膨胀土、硬岩、孤石等。如何保障地表建 (构) 筑物、交通路面的安全，控制地表沉降并保证盾构机安全掘进是徐州地铁建设面临的主要问题。以徐州地铁2号线1期工程04标段开挖为例，重点介绍复杂环境下盾构施工采取的一系列措施与安全保障技术。

　　 徐州地铁2号线1期工程04标段土建工程包括2个车站 (二环北站、物资市场站) 和2个区间 (二环北站—物资市场站区间、物资市场站—彭城广场站区间) , 区间左线在下穿中山北路立交桥北桥、陇海铁路箱涵和环城路立交桥后进入物资市场站, 下穿立交桥和铁路箱涵时左右线分离, 右线从桥梁桩正中间下穿, 左线从东侧桥台穿过。区间设计里程为K5+435.532—K6+498.880, 长1 063.348m, 左右线间距约12～23.68m。线路纵断面为V字形变坡断面, 最大纵坡为26‰。

　　 本区间沿线地表由第四系地层覆盖，未见基岩出露。表层多为人工填筑土，其下为第四系全新统 (Q₄) 淤泥质粉质黏土、黏土、粉土，再下为第四系上更新统 (Q₃) 黏土。第四系地层土层厚度变化较大，冲积平原、冲积垅状高地段厚度较大 (约35～45m) ，南端冲 (坡) -洪积平原厚度由北向南递减 (约7～25m) 。土层自上而下依次为 (1) ₁杂填土、 (2) _5-1黏质粉土、 (2) _3-3黏土、 (2) _3-4黏土、 (5) _3-4黏土，区间隧道主要通过 (2) _3-3, (2) _3-4, (5) _3-4层。

　　 区段勘察深度范围内覆盖层分为全新统人工填土层、全新统冲积层;晚覆盖层分为全新统人工填土层、全新统冲积层、晚更新统冲积层;基岩包括石炭系页岩、奥陶系下统马家沟组和肖县组灰岩、奥陶系下统贾汪组灰岩、寒武系上统张夏组灰岩与寒武系下统馒头组灰岩等。

　　 地下水类型主要有孔隙潜水、承压水及基岩裂隙水，无对工程有影响的地表水。拟建场地基岩上部分布厚层黏土，为不透水层，基岩裂隙水与上部孔隙水、地下水水力联系不密切。

　　 1) 填土填土主要为结构松散且含碎石块的老城杂填土，局部厚度较大，为潜水含水层，盾构始发井、接收井基坑围护结构施工时槽壁易失稳，出现坍塌。围护结构不闭合时填土内地下水会通过渗流作用流入基坑，引起填土地层压缩，导致地表下沉。如果盾构施工时土仓压力过大，易击穿顶部薄层原状土，造成地表大范围变形，甚至出现冒浆，需重点关注。

　　 2) 膨胀土该场地膨胀土主要为 (2) _3-4黏土及 (5) _3-4黏土，膨胀土遇水膨胀、失水收缩，当盾构机掘进时，受含水量变化的影响，可造成隧道侧壁土层膨胀、收缩变形，使侧壁围护结构损坏。施工时应采取必要措施防止地层含水量发生变化，同时采取工程措施减少施工等待时间。

　　 盾构区间沿中山北路向南铺设，沿线两侧及隧道上方存在各种管线，区间隧道下穿大量地表建 (构) 筑物，其中施工风险较高的有: (1) 下穿桥梁中山北路立交桥、环城路立交桥; (2) 下穿铁路陇海铁路箱涵; (3) 地表隆起或沉降。

　　 中山路立交桥为简支混凝土桥梁，采用桩基础，盾构区间左右线下穿该桥，桥桩距区间隧道最小水平净距约2.645m。环城路立交桥为钢筋混凝土箱涵结构，采用箱涵、桩基础，区间右线隧道于K6+623.000里程处下穿，左线隧道侧穿，桥桩距区间隧道最小水平净距约2.9m，桩底距区间隧道顶最小距离约0.12m。隧道下穿桥梁施工方案如下。

　　 1) 选取桥基础前30～50m区间为模拟试验段，按盾构下穿桥梁的要求模拟推进，强化地层变形观测，检验地层变形是否满足预期控制目标，依托试验段施工数据调整盾构下穿桥梁掘进施工参数。下穿桥梁过程中设定土仓压力值稍大于地层水土压力值，保持油缸压力及推进速度平缓变化，有效控制土仓压力的稳定性。严格控制出土量，保证切削面稳定及地表沉降在允许范围内。严格控制盾构机掘进姿态，改善管片受力及防水质量，推力、扭矩及掘进速度应保持平稳，不间断连续施工。

　　 2) 盾构机掘进后应及时进行二次注浆，增设管片注浆孔并进行径向补偿式注浆，对隧道上方土体进行压密。

　　 3) 依据设计总说明加强监控量测，尤其是扩展基础的竖向位移监测。

　　 4) 从下穿桥梁段前10m至下穿完后10m、下穿桥梁前20m至下穿完后20m，左右线均采用加强型管片配筋。

　　 陇海铁路箱涵为钢筋混凝土框架结构，无桩基，盾构区间右线下穿，箱涵底板距区间隧道最小竖向净距为17.1m。隧道下穿铁路施工方案如下。

　　 1) 从下穿箱涵前10m至下穿完后10m、下穿箱涵前20m至下穿完后20m，左右线均采用加强型管片配筋。

　　 2) 盾构机掘进后应及时进行二次注浆，增设管片注浆孔并进行径向补偿式注浆，对隧道上方土体进行压密。

　　 3) 严格控制盾构出土量，出土量偏差限值为2m³。如出现超挖现象，在后续施工过程中有针对性地采取超量注浆措施。

　　 4) 施工过程中安排人员负责同步注浆工序，严格控制同步注浆满足定时、定量的要求，同时做好注浆记录。

　　 5) 增大下穿区间地表沉降监测频率，及时分析处理监测数据，并以此为依据调整盾构机掘进参数和注浆压力。

　　 6) 对铁路线按三级 (预警值、报警值、控制值) 预警制度进行管理，预警值取控制值的50%，报警值取控制值的80%，结构变形控制指标如表1所示。

　　 盾构机掘进破坏土体三相平衡后，地层将进行重新固结，必然引起地表沉降，严格控制地表隆起、沉降是本标段工程施工控制重点。

　　 1) 构建高精度、大密度区间沉降控制网络，分析隧道施工扰动对围岩及地表建 (构) 筑物的影响，及时反馈相关数据，从而选择正确的掘进模式，设定合理的土压力，严格控制出土量和掘进速度，以此控制土仓压力，保证开挖面稳定。

　　 2) 进行同步双浆注入，及时填充管片与土层的间隙。注入浆液要求能同步及时填满整个盾尾间隙，同时能满足迅速固结达到设计强度的要求，以有效抵抗土体沉降变形。

　　 3) 单、双液浆液配合比、稠度等均不同，壁后同步注浆系统须在注浆压力、输送能力等方面满足同步注入2种浆液的要求，确保独立实现单 (包括惰性) 、双液注浆功能。

　　 4) 壁后同步注浆系统须不易堵塞，且配有清洗系统，并考虑出现堵塞时的拆换与修理，保证壁后同步注浆系统的正常工作。

　　 盾构机通过后，应根据地表量测数据及时发现环形间隙充填情况，当结构与地层变形不能得到有效控制或变形危及地表建 (构) 筑物安全或发现存在地下水渗漏区段时，需打通吊装孔，对管片壁后采取二次补注浆的填充措施，特别是对拱部120°范围进行地层固结注浆。

　　 盾构施工过程中，掘进、注浆、管片拼装、运输等环节要求协调一致，合理安排运作时间，保证连续均衡地施工，避免停机时间过长，进而有效控制土仓压力及地表沉降。

　　 盾构机穿越连续分布的黏土层时，掘进过程中安全保障措施如下。

　　 1) 提升盾构机刀盘开口率至38%。

　　 2) 适当增加分散型泡沫的注入量，降低碴土的黏附性，减小泥饼产生的概率。螺旋输送机内加入适量分散型泡沫，增大碴土流动性，利于碴土的排出。

　　 3) 采用2/3仓土加气压模式掘进。

　　 4) 刀盘产生泥饼时，空转刀盘使泥饼在离心力的作用下脱落。

　　 盾构机穿越膨胀土层时，掘进过程中在浆液内加入特殊试剂，以增强土体排出能力，并及时填充盾尾孔隙，防止围岩土体长时间暴露、失水等，同时控制衬砌壁后注浆时间、压力和注浆量，及时足量地填充衬砌壁后的间隙，适当调整螺栓强度。

　　 该标段盾构隧道结构位于水位线以下，对隧道防水要求高，防水施工工艺繁杂，主要采取以下措施。

　　 1) 严格按设计要求做好管片接缝防水施工，严格执行三检制度、过程控制，确保接缝的细部做法符合设计及规范要求。组织专业防水施工队伍粘贴防水材料，确保管片连接处的防水质量。

　　 2) 以混凝土结构自防水为根本，接缝防水为重点。首先保证管片自身具有良好的防水能力，抗渗等级满足设计要求。严格按照设计图纸要求及施工工法选择防水材料并进行施工，确保防水质量。控制管片抗渗等级≥12级、渗透系数≤5×10^-13m/s、氯离子扩散系数≤8×10^-9cm²/s。

　　 3) 盾构机同步注浆压力、浆液配合比及注浆量均需进行慎重选择，根据不同地段地质条件、埋深进行计算分析，做到具体情况具体分析，保证隧道管片壁后注浆充实，管片衬砌稳定，避免出现渗漏现象。

　　 盾构机掘进速度变化如图1所示，由图1可知，在 (2) _3-4黏土层中掘进时，掘进速度基本控制为28.8mm/min以内;掘进至 (5) _3-4黏土层后，掘进速度基本控制为28.0～41.0mm/min;盾构机在155环左右完全进入 (5) _3-4黏土层后，掘进速度保持为36.7～53.1mm/min，本区间平均掘进速度为37.9mm/min。

　　 盾构机刀盘扭矩变化如图2所示，由图2可知，在 (2) _3-4黏土层中掘进时，刀盘扭矩基本控制为1 436～2 596kN·m;掘进至 (5) _3-4黏土层后，刀盘扭矩小幅增加后减小;盾构机在155环左右完全进入 (5) _3-4黏土层后，刀盘扭矩基本控制为1 984～2 984kN·m。

　　 盾构机掘进速度与刀盘扭矩关系如图3所示。由图3可知，当刀盘扭矩保持为2 400～3 300kN·m时，盾构机掘进速度为37～56mm/min，在此区域范围内盾构机处于良好状态。

　　 地铁在修建过程中，常受复杂施工环境与地质条件的影响，进而极大地增加了盾构施工难度。对徐州地铁2号线1期工程04标段复杂环境下盾构施工经验进行总结，得到以下结论。

　　 1) 掌握详细的市政设计资料及地质勘察资料是保障地铁工程安全施工的前提，后续才能针对不同情况采取合适的施工方案。

　　 2) 地铁与其他地下工程相比更接近城区，施工环境的影响更加明显，需综合考虑地表建 (构) 筑物、市政管道、交通线路的安全，需严格控制地表隆起与沉降，综合考虑工程地质与水文地质条件，确定盾构机选型及掘进参数，进而保证安全、高效地掘进。

　　 3) 盾构机穿越 (2) _3-4黏土层和 (5) _3-4黏土层时，当刀盘扭矩保持为2 400～3 300kN·m时，与之匹配的掘进速度为37～56mm/min。