軟弱地層淺覆土盾構掘進施工技術

周虎 喻青儒

摘 要：淺覆土盾構掘進施工主要指土壓平衡盾構機在淺覆土中掘進施工，因該類似區(qū)段盾構掘進對施工控制及措施要求非常高，施工人員對淺覆土認識不足常帶來多種影響和危害。本文主要以佛山地鐵2號線出入場線盾構區(qū)間為研究對象，系統(tǒng)的分析和研究在軟弱地層淺覆土盾構掘進施工的風險以及相應的應對措施。

關鍵詞：軟弱地層;淺覆土;盾構掘進

中圖分類號：U455 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0088-02

0 引言

盾構隧道常常要求一定的最小覆土厚度，以保證盾構正常施工和結構抗浮安全。當盾構施工時，覆土厚度不足易造成地表隆沉量過大，甚至導致機體背土的現(xiàn)象。再者，當覆土有效壓重、結構重等向下合力不足以抵抗?jié){液或地下水浮力時，所建隧道將會發(fā)生局部或整體上浮。隧道上浮將導致軸線偏離、結構安全度降低和防水效果變差等不良后果。

隨著軌道交通在國內各個大型城市的交通功能日趨重要，各類事故也越來越多，大力發(fā)展軌道交通施工技術顯得非常的重要。目前國內對軟弱地層淺覆土的研究應用主要還是依托于常規(guī)的盾構施工技術，對參數(shù)等相關因素進行調整和摸索，本文主要以實際工程案例為依托，對風險及相應的盾構掘進技術做系統(tǒng)的研究和探討。

1 工程概述

佛山地鐵2號線出入場線盾構區(qū)間是連接正線與停車場的一條地下盾構線路，整體坡度約為6.25‰向上的趨勢，在部分區(qū)域的覆土都比較淺。全線覆土深度過淺在4～10m之間。其中盾構區(qū)間盾構隧道斷面基本上全部位于淤泥質土中，該區(qū)間地表為1～2m的回填土，回填土下部為25～30m的淤泥質土，更深的地方為淤泥質粉砂、砂層等，地下水較豐富，地表徑流明顯。

該盾構區(qū)間主要采用6.25m直徑的土壓平衡盾構機進行掘進，需穿越季華西路、宏德路、九曲涌、佛山一環(huán)、高壓燃氣管線，側穿多個高壓電塔，地面其他建構筑物較少。

2 沉降及隆起發(fā)生的機理

地層變形的基本原因是盾構掘進時，所引起的地層損失和隧道周圍地層受到擾動和剪切破壞的再固結。

2.1 沉降發(fā)生機理

地面沉降的基本原因是盾構掘進時所引起的地層損失和隧道周圍地層受到擾動再固結。地層損失是指盾構施工中實際開挖的土體體積與竣工隧道體積之差（竣工隧道體積包括襯砌外圍包裹的注入漿體體積）。地層損失引起的地面沉降，大都在施工期間呈現(xiàn)出來。而再固結引起的地面沉降，在砂性土中呈現(xiàn)較快，但在粘性土中則要延續(xù)較長時間。淺覆土地層掘進時，因土體拱效應弱，沉降在短期內有明顯波動（如圖1）。

2.2 隆起發(fā)生機理

盾構通過時由于土倉壓力與外部土體水體不能達到平衡，超過平衡點后引起隆起。螺旋機出土速度控制的方量超過軟土中掘進理論方量。注漿引起地面隆起，直接且明顯（如圖2）。

3 盾構掘進參數(shù)的設置

3.1 掘進推力控制

盾構的掘進總推力是由各種推進阻力的總和來確定。推進阻力主要由以下幾項構成：盾構外周和土體的摩擦阻力;盾構正面阻力（土倉壓力）;管片與盾構本體內壁之間的摩擦力;后配套臺車的牽引阻力。按照《Mechanised Shield Tunnelling》一書介紹的經(jīng)驗公式進行驗算：F=β.D2式中：F——盾構機推力（kN）;D——盾構機外徑（m）;β——經(jīng)驗系數(shù)，β=500～1200。當D=6.28m時，據(jù)此可計算出：盾構機裝備推力F=19531～46875（kN）。

綜合實際的施工經(jīng)驗數(shù)據(jù)，在淺覆土掘進過程中為保證地面不因推力過大引地面隆起，軟弱土層推力應遵循以下原則進行綜合考慮：（1）掘進推力一般應控制在裝備推力的50%以下;（2）正常情況下主要根據(jù)地質條件、掘進速度、刀盤扭矩、土倉壓力等因素控制掘進推力;（3）管片的承受能力、盾構姿態(tài)控制以及線路轉彎等要求;（4）推力設置應充分考慮地面隆起與盾構機抬頭的問題，掘進推力的設置應取β的下限值;（5）監(jiān)測數(shù)據(jù)實時反映到推力、土壓力上，推力調整應與監(jiān)測數(shù)據(jù)聯(lián)動，不得隨意調整。

3.2 土壓力的設定

土壓力根據(jù)埋深、地層及沉降要求的不同，可采用主動土壓力、松弛土壓力或靜止土壓力：

（1）對于覆土厚度H

（2）對于覆土厚度H

在淺覆土盾構掘進施工過程中，應采取主動土壓力進行計算盾構掘進所需的壓力?？紤]到軟弱土層且覆土比較淺的情況下，掘進的過程中應保證盾構機前方土體有微弱的隆起，隆起量控制在10cm以內為宜。根據(jù)出入場線盾構掘進及監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析，要使得地面有微弱的隆起，倉內超壓設置應為30KPa為宜。

3.3 轉速及推進速度設置

淺覆土情況下，宜采取較低的轉速推進（1-1.5rpm）;轉速控制應均勻平緩，不得忽大忽小，盡量減小對敏感土體的擾動。

軟弱地層淺覆土掘進主要考慮的是地層的高敏感性，掘進速度應與注漿速度相匹配，不宜太快。同時，掘進速度應滿足盾構機姿態(tài)的控制要求，盡量減少停機時間，停機時應滿倉土狀態(tài)。在淺覆土狀態(tài)下的推進速度不宜超過40mm/min。

3.4 扭矩設置

刀盤的扭矩是由地質條件、盾構刀盤型式、盾構機推力等因素來決定，主要組成為：刀具的開挖阻力產(chǎn)生的扭矩;刀盤和碴土地摩擦阻力產(chǎn)生的扭矩;攪拌碴土的阻力產(chǎn)生的扭矩;刀盤主軸承阻力產(chǎn)生的扭矩;軸承密封的摩擦阻力產(chǎn)生的扭矩;減速機的機械損失產(chǎn)生的扭矩。刀盤扭矩的經(jīng)驗計算公式：T=α.D3，式中：T—盾構機扭矩（kN.m）;D—盾構機外徑（m）;α—扭矩系數(shù)，α=18。

通過對出入場線施工的各項參數(shù)收集，研究分析的結果為：淺覆土施工時，正常情況下扭矩應在裝備扭矩的40%左右，過大易引起盾構機偏轉。

4 其他措施

4.1 地面處理措施

盾構掘進處理控制掘進參數(shù)外，在覆土深度小于一倍洞徑的位置，在地面采取反壓措施來確保覆土過淺的問題能夠有效的解決盾構機抬頭及地面嚴重隆起的問題。反壓主要采取堆載的方式，堆載高度通過計算滿足堆載與原裝土的壓力滿足一倍洞徑覆土壓力的要求，堆載寬度按照隧道邊線外擴1～2m。在盾構到達前100環(huán)堆載完畢。

根據(jù)軟弱地層的特點，可以采取的另外一種措施就是隔離或是地層加固措施，例如：MJS、水平定向鉆、管棚預注漿、袖閥管預注漿、攪拌樁隔離墻等。

4.2 渣土改良

淺覆土層的地質基本以雜填土、回填土、粘土、淤泥質土等居多，且土壤中空隙率一般較大。盾構機在淺覆土層中掘進時，極易造成對土體的擾動，且不易在土倉內形成合適的氣壓（漏氣），對地層擾動、掘進出渣影響特別大。為確保土倉內渣土均勻，并能降低掘進前方土體的空隙率，一般情況下均需要對渣土進行改良。

在分析了出入場線整個渣土改良的過程和效果后，出入場線渣土改良采取變動的方式進行不斷調整，主要改良原則為：（1）只要含水率達到18%，只需要添加適量的泡沫;（2）空隙率較大或大顆粒物質較多的地層，加入礦物類材料改良補充細顆粒，控制指標含泥量15%～35%;（3）砂層比例超過60%，應采用膨潤土作為主要改良材料;（4）淺覆蓋層往往采用泡沫劑結合膨潤土的改良方案;（5）淤泥質土（腐殖質含量超過8%時），只需添加水或極少量泡沫;（6）渣土改良后渣土塌落度控制在100-150mm范圍。

4.3 監(jiān)控量測

監(jiān)測是對風險和盾構掘進施工各參數(shù)的一個監(jiān)督和不斷修正的過程，一般情況下，盾構沉降和隆起影響主要比重分布情況為：推進前方15%-35%，盾構通過時20%-60%，盾構通過后9%-55%，范圍主要位于盾構刀盤前方2H，盾構通過后方2H的范圍進行重點監(jiān)控。監(jiān)控的參數(shù)和預警值按照規(guī)范規(guī)定即可，但在施工過程中應時刻關注趨勢的變化。監(jiān)控量測是信息化指導施工的重要手段，施工監(jiān)測的目的就是為了獲取隧道施工時對周圍建（構）筑物影響程度的量化指標，以便了解其變化的態(tài)勢，以及利用監(jiān)控信息的反饋分析，更好的預測系統(tǒng)的變化趨勢，及時指導施工，必要時進行優(yōu)化或修改設計，確保工期和施工安全。

5 風險預防

淺覆土盾構掘進施工主要指土壓平衡盾構機在淺覆土中掘進施工，因該類似區(qū)段盾構掘進對施工控制及措施要求非常高，如施工人員對淺覆土認識不足常帶來多種影響和危害。常見的風險主要有：地面冒漿、隆起沉降、管線破壞、建構筑物破壞、盾構機抬頭、管片破損、管片上浮、隧道滲漏水、有毒有害氣體等。

在盾構掘進施工前應進行必要的補勘和踏勘工作，對沿線的管線、建構筑物進行充分的調查和研究，同時對地形進行測量和放樣，準確的把握盾構掘進的要點和存在的難題。尤其是在試掘進階段應對制定的目標有充分的理解，在試掘進完成后提出合理、科學的措施，確定盾構掘進的參數(shù)和原則，確保盾構掘進過程中的風險可控。

6 結語

軟弱地層淺覆土施工分布范圍較廣，在國內多條地鐵線路中均存在該類情況。施工應不停的在過程中反復摸索，不斷總結經(jīng)驗，將盾構掘進的參數(shù)與各種手段相結合起來，使之達到盾構施工與運營后期隧道穩(wěn)定、安全的要求。控制技術指標不能僅僅靠已有的經(jīng)驗和公式來判定，應通過調查、研究，過程中采取監(jiān)測的手段，運用合適科學的工藝措施及參數(shù)的設置來控制盾構的掘進施工，從而取得較理想的成果。本文主要依托佛山地鐵2號線出入場線盾構掘進施工中經(jīng)驗參數(shù)以及科學的總結，從而達到了隧道施工、運營均能滿足設計、規(guī)范及社會的效益。