富水軟弱地層淺覆土盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)研究

摘要：文章以深圳地鐵11號線11301-1標(biāo)項目在深圳市城市主干道深圳大道下開展淺覆土盾構(gòu)掘進(jìn)施工經(jīng)驗為依托，針對復(fù)雜地面交通環(huán)境、富水軟弱地層條件下淺覆土盾構(gòu)掘進(jìn)施工技術(shù)開展研究，分析了影響淺覆土富水軟弱地層盾構(gòu)掘進(jìn)地面沉降控制的兩個重要因素，并結(jié)合實際監(jiān)測結(jié)果逐步確定同步注漿壓力、同步注漿量和土倉壓力等相關(guān)技術(shù)參數(shù)，在保證地表沉降可控的條件下，開展提升淺覆土掘進(jìn)盾構(gòu)施工效率的技術(shù)研究。

關(guān)鍵詞：富水地層；軟弱圍巖；淺覆土；盾構(gòu)掘進(jìn)；同步注漿；土倉壓力 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：U455 文章編號：1009-2374（2015）03-0121-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0250

1 概述

伴隨近些年來城市地下軌道交通的高速發(fā)展，國內(nèi)多個一線城市形成了密集、便利的地下軌道交通網(wǎng)絡(luò)，也因此給地鐵隧道施工提出了許多關(guān)于上下重疊隧道、淺覆土盾構(gòu)施工、地面環(huán)境復(fù)雜的隧道施工等技術(shù)難題，尤其是在地面交通量大、覆土厚度不足1倍洞徑、覆土地層軟弱而且含水量大的情況下，進(jìn)行雙線隧道長距離盾構(gòu)施工，在國內(nèi)城市軌道交通施工層面尚無經(jīng)驗資料可以參考。

深圳地鐵11號線11301-1標(biāo)福田站～車公廟站區(qū)間工程位于深圳市福田區(qū)深南大道沿線敷設(shè)，左右線隧道采用盾構(gòu)法施工，盾構(gòu)直徑6.28m，襯砌管片厚度30cm，承擔(dān)左線隧道施工任務(wù)的是德國海瑞克土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，右線采用國產(chǎn)中鐵裝備土壓平衡盾構(gòu)機(jī)。由于隧道與深圳地鐵1號線購香區(qū)間分別在DK1+561.8和DK1+591.6處存在上跨交叉關(guān)系，左、右線盾構(gòu)在穿越1號線既有區(qū)間之前一直處于連續(xù)上坡掘進(jìn)，因此左線在ZDK1+337.404～ZDK1+500、右線在YDK1+344.3～YDK1+500處覆土厚度達(dá)到小于一倍洞涇的淺覆土狀態(tài)，左、右線在淺覆土狀態(tài)下掘進(jìn)長度分別為162.6m和155.7m，而且在這段隧道掘進(jìn)過程中同時面臨著洞頂覆土軟弱（圍巖等級為Ⅵ級）、上覆隔水層不連續(xù)、透水性和富水性好等不良地質(zhì)條件，從地面情況上分析由于隧道埋設(shè)位置位于深圳市深南大道路面以下，屬于深圳市交通主干道，交通量達(dá)6萬量/日，具有行車荷載大和塌陷后果嚴(yán)重等特點(diǎn)。在以上一系列不利因素影響下開展淺覆土盾構(gòu)掘進(jìn)面臨著路面沉降過大甚至塌陷、地面涌泥冒漿、周邊建筑物基礎(chǔ)變形等眾多風(fēng)險，因此在進(jìn)行淺覆土掘進(jìn)施工之前，承擔(dān)施工任務(wù)的中鐵六局盾構(gòu)分公司組織多次技術(shù)討論會和專家會，制定了降低和控制土倉壓力，保證一定的掘進(jìn)速度嚴(yán)格控制出土量，根據(jù)地面監(jiān)測結(jié)果調(diào)整同步注漿量等措施最終達(dá)到平穩(wěn)、連續(xù)掘進(jìn)，地面沉降可控的理想目標(biāo)，并且成功掌握了復(fù)雜狀況下的淺覆土盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)，取得了較好的社會經(jīng)濟(jì)效益。

2 工程技術(shù)特點(diǎn)

2.1 工期保證

利用本工法所提出的渣土改良技術(shù)和盾構(gòu)機(jī)操作方法，在螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速不超過15轉(zhuǎn)/min的情況下最快可以將掘進(jìn)速度提高至90mm/min以上，有效地保證了單班掘進(jìn)進(jìn)度，在本項目單線一列電瓶車編組掘進(jìn)情況下可以保證平均7環(huán)/班的進(jìn)度。

2.2 安全保證

在本標(biāo)段利用淺覆土盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)施工過程中沒有發(fā)生累積沉降超標(biāo)或地面沉陷事故，也有效避免了地面涌泥冒漿、人員傷亡等事件的發(fā)生。

2.3 成本保證

本工法實施階段通過對注漿量和地面監(jiān)測情況的實時比較，確定了淺覆土掘進(jìn)的可控同步注漿量，不僅達(dá)到了控制地面變形的目的，同時節(jié)約了注漿材料，節(jié)約了部分項目開支。同時由于工程進(jìn)度沒有因為技術(shù)難題而延誤和滯后，避免了工期和資金浪費(fèi)。

3 適用范圍

隧道埋深小于1倍洞徑，施工地層主要為礫質(zhì)粘性土、淤泥質(zhì)粘性土、可塑狀粘性土等軟弱圍巖的盾構(gòu)掘進(jìn)施工，地面環(huán)境較為簡單、上層覆土含水量小且比較穩(wěn)定，也可以參考本工法的技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)籌組織施工。

4 工藝原理

通過盾構(gòu)機(jī)逐步進(jìn)入淺覆土掘進(jìn)階段對地面沉降變形情況進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測，從而對推進(jìn)過程中的土壓、推力、泡沫注入量、渣土改良手段和效果、推進(jìn)速度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速等參數(shù)進(jìn)行全面改進(jìn)，盾體通過后對監(jiān)測點(diǎn)的繼續(xù)觀測確定同步注漿量與地層變化之間的相互關(guān)系從而確定淺覆土掘進(jìn)同步注漿的具體方量和漿液配比，在穩(wěn)定地表變化的基礎(chǔ)上，對掘進(jìn)過程中操作技術(shù)加以改進(jìn)和提高，達(dá)到進(jìn)一步提高推進(jìn)速度和加快施工進(jìn)度的目的，最終形成一整套關(guān)于富水軟弱地層淺覆土盾構(gòu)掘進(jìn)施工的具體技術(shù)方法。

5 施工工藝流程及操作要點(diǎn)

5.1 施工工藝

5.2 操作要點(diǎn)

5.2.1 土倉壓力等關(guān)鍵參數(shù)的確定。頂板上方覆土厚度不足1倍洞徑的地下隧道定義為淺覆土隧道，采用盾構(gòu)法進(jìn)行淺覆土隧道掘進(jìn)施工時，首先應(yīng)確定土倉壓力控制值，按照以往施工經(jīng)驗，在Ⅳ級礫質(zhì)粘性土地層中開展盾構(gòu)施工土倉壓力應(yīng)按照上壓1.1bar進(jìn)行控制，但對于淺覆土軟弱圍巖尚無掘進(jìn)記錄可以參考，因此只能先制定地面變形控制指標(biāo)，以此逐步指導(dǎo)土壓控制值。

（1）土倉壓力的確定及分析。在進(jìn)入淺覆土掘進(jìn)階段初期（ZDK1+330），監(jiān)測點(diǎn)ZD75處出現(xiàn)地表最大垂直變形為3.77mm，經(jīng)過與推進(jìn)參數(shù)的比較發(fā)現(xiàn)土倉上部壓力按照1.0bar進(jìn)行推進(jìn)不能夠滿足淺覆土軟弱地層的控制變形要求，應(yīng)及時進(jìn)一步降低土倉上部壓力。因此在ZDK1+340附近掘進(jìn)時土倉上部壓力控制在0.9bar左右，此時監(jiān)測點(diǎn)ZD76最大垂直變形為2.79mm，依然不能滿足0.5～1mm的控制要求。最終經(jīng)過數(shù)次試驗與摸索，土倉上部壓力控制值最終確定為0.3～0.4bar。地表垂直變形最大為0.51mm，最小為0.22mm，達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。

（2）單個監(jiān)測點(diǎn)垂直變形分析。在盾構(gòu)掘進(jìn)至某個里程段直至盾體通過之后對里程段內(nèi)單個監(jiān)測點(diǎn)的地表垂直變形進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，土倉壓力保持在0.3～0.4bar左右，在這個掘進(jìn)過程中和盾體通過之后都不會造成地表變形過大的不利影響，能夠滿足安全性控制要求。

5.2.2 注漿量及漿液配比的確定。在進(jìn)行同步注漿量控制值確定過程中也采用了結(jié)合監(jiān)測結(jié)果同步比較的方式進(jìn)行，與土倉壓力確定過程不同的是注漿量的確定指標(biāo)是依據(jù)盾體穩(wěn)定通過后地表變化逐步趨于靜止時所累積的垂直變形。

（1）理論注漿量計算。根據(jù)以往施工經(jīng)驗來講，同步注漿量一般由刀盤切口環(huán)與管片之間空隙體積及漿液的擴(kuò)散系數(shù)來決定，對于直徑為6.28m，管片長度1.5m盾構(gòu)隧道來說，每環(huán)同步注漿量計算如下：

注漿量=π×（R2-r2）×L×a/4

式中：

R——刀盤切口環(huán)直徑

r——成形隧道直徑

L——每環(huán)管片長度

a——擴(kuò)散系數(shù)（一般按1.5考慮）

根據(jù)項目實際情況計算后，每環(huán)注漿量控制值應(yīng)為6.07m3。

（2）實際注漿量確定。但是對于淺覆土軟弱地層掘進(jìn)施工來說，公式所計算的理論注漿量并不能直接套用，仍需考慮淺覆土自身能夠承受的充填壓力，還需考慮經(jīng)過盾構(gòu)施工擾動后對覆土造成的破壞，這種破壞對于同步注漿來說極易引起漿液上竄至地表造成涌泥冒漿。因此只有在實際施工中聯(lián)系地表累積垂直變形情況和地表感官反應(yīng)才能最終確定同步注漿量。

在淺覆土掘進(jìn)初期階段，同步注漿量首先確定為5.5m3，結(jié)果不僅造成了垂直累積變形過大的情況，而且出現(xiàn)漿液沿勘探孔上升冒出地面的事件，因此在后續(xù)施工中一直采取結(jié)合監(jiān)測結(jié)果逐步減小同步注漿量的措施，最終確定每環(huán)同步注漿量為3.0～3.5m3，地表累積垂直變形也最終穩(wěn)定于1.62mm。

（3）注漿材料配比確定。在同步注漿材料的配比上，考慮到覆土地層的富水性，應(yīng)對注漿材料的防水性能加以著重考慮，因此同步注漿材料應(yīng)考慮加入膨潤土以增強(qiáng)注漿后的防水效果；水泥采用P0.32.5，以提高注漿結(jié)石體的耐腐蝕性，使管片處在耐腐蝕注漿結(jié)石體的包裹內(nèi)，減弱地下水對管片混凝土的腐蝕；同時考慮到漿液在注入后受到地下水的稀釋，凝結(jié)時間不宜控制，因此可以在漿液中適當(dāng)增加粉煤灰的比例；由于在實際施工中砂的質(zhì)量一般不容易保證，經(jīng)常造成堵塞注漿管的現(xiàn)象，因此應(yīng)適當(dāng)減少砂的含量。所采用同步注漿配合比為：水泥100kg/m3，膨潤土80kg/m3，粉煤灰220kg/m3，，砂350kg/m3，水330kg/m3。經(jīng)多次抽樣檢測砂漿稠度值平均為107mm，比重為1.89kg/L，凝結(jié)時間為6～8h，能較好滿足實際施工需要。

5.2.3 保證掘進(jìn)速度的措施。軟弱地層中開展盾構(gòu)掘進(jìn)，控制出土量的前提條件是盡量減少擾動，適當(dāng)提高掘進(jìn)速度。由于粘性土自身強(qiáng)度不高，掘進(jìn)中刀盤扭矩一般不會成為限制掘進(jìn)速度提高的因素，在實際施工中，做好渣土改良成為提高掘進(jìn)效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

由于隧道區(qū)間埋設(shè)于深南大道路面下，但是對于綠化帶和車行道來說，其地下土質(zhì)也不盡相同。綠化帶下覆土松散、含水量大，與其地表種植環(huán)境的濕潤、荷載作用小有很大關(guān)系。而車行道下土質(zhì)密實、含水量較低，與其地表車行荷載重、道路基層排水性好、路基在碾壓過程中施工質(zhì)量高有直接關(guān)系，因此在掘進(jìn)中應(yīng)按不同土質(zhì)環(huán)境來選擇不同的掘進(jìn)方法。

（1）重荷載路面下掘進(jìn)方法。土質(zhì)較為密實、含水量低時采取加入水適當(dāng)稀釋的措施來降低螺旋機(jī)壓力，提高出土連續(xù)性。在實踐中采用膨潤土罐來貯存改良用水，同時在土倉壁上連接兩根水管同時向土倉內(nèi)補(bǔ)水。膨潤土罐的注入流量設(shè)置為170L/min，循環(huán)水的壓力在掘進(jìn)過程中要保持0.4bar以上，確保水的注入量充足。在地層較為密實的情況下利用這種改良方式可以保證螺旋機(jī)在14r/min的運(yùn)轉(zhuǎn)中壓力不超過80bar，此時在土倉壓力恒定的條件下提供80mm/min以上的掘進(jìn)速度，同時應(yīng)兼顧刀盤扭矩的變化，發(fā)現(xiàn)扭矩持續(xù)增大時應(yīng)適當(dāng)減小掘進(jìn)速度。

（2）綠化帶下掘進(jìn)方法。掘進(jìn)過程中應(yīng)密切注意出渣口土質(zhì)的改良效果及皮帶機(jī)的轉(zhuǎn)動情況，防止土質(zhì)含水過大產(chǎn)生噴涌，避免土質(zhì)過干導(dǎo)致出渣口堆積過多粘土增大皮帶阻力而產(chǎn)生打滑現(xiàn)象。一旦在掘進(jìn)中產(chǎn)生噴涌，應(yīng)立即將螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整至1.0r/min以下，同時將螺旋機(jī)閘門關(guān)小，直至皮帶機(jī)轉(zhuǎn)動可以支持出土量的運(yùn)送為止，及時調(diào)整渣土改良手段，適當(dāng)減小或關(guān)閉土倉內(nèi)水分注入，在刀盤扭矩不大的情況下可以提高掘進(jìn)速度，盡量縮短噴涌持續(xù)時間。

由于在實際操作中渣土改良工作一直執(zhí)行較好，掘進(jìn)速度一直可以穩(wěn)定在75mm/min左右，出土量穩(wěn)定可控，約63方/環(huán)。

5.2.4 掘進(jìn)操作技術(shù)的改進(jìn)。經(jīng)過每一環(huán)施工各關(guān)鍵工作環(huán)節(jié)的時間進(jìn)行統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)，掘進(jìn)時間在循環(huán)中所占比例非常高，同時也是最具有可壓縮性的一個環(huán)節(jié)，技術(shù)熟練的操作司機(jī)可以大幅度縮短掘進(jìn)時間，提高整個循環(huán)的工作效率。單環(huán)盾構(gòu)掘進(jìn)施工工藝流程為：（1）電瓶車進(jìn)入吊運(yùn)管片位置（占整環(huán)工作時間11%）；（2）解編進(jìn)入出渣位置（占整環(huán)工作時間2%）；（3）盾構(gòu)掘進(jìn)（占整環(huán)工作時間25%）；（4）連接電瓶車編組駛出隧道（占整環(huán)工作時間12%）；（5）吊運(yùn)渣土（占整環(huán)工作時間33%）；（6）管片裝車進(jìn)入下一循環(huán)（占整環(huán)工作時間17%）。

在提高掘進(jìn)效率方面，首先應(yīng)做好渣土改良工作，保證充足的用水供應(yīng)。其次可以在電瓶車解編時操作司機(jī)有意識地提前開啟刀盤并開始掘進(jìn)，保證留有充足的時間使掘進(jìn)速度能夠穩(wěn)步建立，解編后渣車就位時掘進(jìn)速度已經(jīng)穩(wěn)定，再開始轉(zhuǎn)動螺旋機(jī)并出土，這樣可以有效控制出土量，同時節(jié)約了推進(jìn)所占時間。

在每一個渣斗即將裝滿時可以提前把掘進(jìn)速度降低至50mm/min，螺旋機(jī)出土速度保持不變，更換渣斗時可以繼續(xù)保持低速掘進(jìn)，換斗后先將土倉中積土排出，控制土倉壓力恒定，再大幅度提高掘進(jìn)速度、高速推進(jìn)。

5.2.5 監(jiān)控量測。采用精密水準(zhǔn)尺儀，銦鋼水準(zhǔn)尺、30m檢定過的鋼卷尺進(jìn)行沉降觀測。線路沿線一般的多層建筑物和地表沉降，按國家三等水準(zhǔn)測量技術(shù)要求作業(yè)，高程中誤差≤±2.0mm，相鄰點(diǎn)高差中誤差≤±1.0mm。

正常情況下，沿隧道中線上方地面每隔5m布設(shè)一個沉降觀測點(diǎn)，每隔20m建立一個監(jiān)測橫斷面，該斷面垂直于隧道中線，每個斷面上布設(shè)5個觀測點(diǎn)，其中隧道中線上方一個點(diǎn)，左右間隔5m各一個點(diǎn)。對于軟弱土層、或埋深較淺的區(qū)域，應(yīng)根據(jù)隧道埋深和圍巖地質(zhì)條件，加密監(jiān)測斷面和測點(diǎn)。為了防止路面硬殼層不能及時、準(zhǔn)確反映地層實際沉降情況，造成路面下方虛空，需鉆穿混凝土路面并在路面以下地層中打入短鋼筋布設(shè)觀測點(diǎn)，以便對地層的沉降情況進(jìn)行監(jiān)測。

盾構(gòu)機(jī)機(jī)頭前10m和后20m范圍每天早晚各觀測一次，并隨施工進(jìn)度遞進(jìn)；范圍之外的監(jiān)測點(diǎn)每周觀測一次，直至穩(wěn)定。當(dāng)沉降或隆起超過規(guī)定限差（-30/+10mm）或變化異常時，則加大監(jiān)測頻率和監(jiān)測范圍。操作人員應(yīng)及時了解監(jiān)測數(shù)據(jù)變化情況，同時與掘進(jìn)中所保持的土倉壓力、注漿壓力、注漿量等參數(shù)進(jìn)行反復(fù)比對，確保地表變形控制在最低限度。

6 結(jié)語

通過在富水軟弱淺覆土條件下開展盾構(gòu)掘進(jìn)施工，在過程中反復(fù)摸索土倉壓力、同步注漿壓力和同步注漿量的參數(shù)，形成了一整套關(guān)于淺覆土盾構(gòu)施工的技術(shù)控制指標(biāo)，將地表累積垂直變形控制在20mm以內(nèi)，達(dá)到了設(shè)計及相關(guān)規(guī)范的要求。在深圳地鐵11號線11301-1標(biāo)淺覆土盾構(gòu)施工中未出現(xiàn)地下空洞、坍塌等工程事故，圓滿完成施工任務(wù)，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益及社會效益。

作者簡介：王宇聲（1985-），男，遼寧鳳城人，中鐵六局鄭州市南四環(huán)至鄭州南站城郊鐵路工程一期工程06標(biāo)段工程管理部副部長，助理工程師，研究方向：城市軌道交通、盾構(gòu)隧道施工。

（責(zé)任編輯：陳 倩）