浅埋暗挖盾构机施工技术浅析

王先高 深圳地铁集团有限公司

浅埋暗挖盾构机施工技术浅析

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随着工程技术的飞速发展，地下暗挖工程采用盾构机施工正被广泛运用，由于其机械化程度高、安全性好、掘进速度快，已成为暗挖施工的发展方向。但不同的工程类别，工程地质和环境条件千变万化，给盾构机施工带来了很多困难和局限。本文通过深圳地铁1号线（罗宝线）续建20标固戍站至后瑞站区间盾构机通过铁岗排洪渠暗挖工程成功实例，就如何根据现场不同地质条件，制定科学的施工方案、选取合理的技术参数、尤其是针盾构机通过浅覆土河道施工技术的分析探讨，提出自己的建议，为相关工程及研究提供参考。

盾构机;浅覆土;排洪渠;桥桩

1 、工程简介

固戍站～后瑞站区间里程SK35+148.7～SK35+117.7段盾构需从铁岗排洪渠下穿过，下穿隧道长约31米。铁岗排洪渠是深圳市民的水源工程水库（库容近1亿立方米）溢洪道，设计水位（50年一遇）为3.269米。设计下游排洪流量150m3/s，隧道顶距渠底最近约5.24米，洞身为⑥5花岗岩残积层粉质粘土，如受施工扰动残积土容易变形，遇水软化崩解，承载力将大幅降低，在短时间内易发生坍塌变形，隧道顶部以上分别为③1淤泥、③8细砂及①1素填土层，隧道顶部以上1.2米覆土为原状土淤泥层，覆土很浅。排洪渠结构形式为两台一墩两孔简支梁式双向8车道公路桥，桥桩沿隧道方向有3排，排间距15. 75米，部分桩基础入侵隧道结构。

2 、施工难点

2.1 隧道顶部地层不稳定可能造成扰动破坏

隧道顶部到排洪渠底为5.24米厚的人工回填淤泥层，淤泥层结构松软，承载力低，含水量高，孔隙比大，渗透性低，承载力低，容易产生触变、流变，引起地基变形和失稳，盾构机通过时容易造成扰动，破坏土体稳定性，有可能导致排洪渠底部砌筑基础破坏。

2.2 排洪渠漏水可能导致掘进喷涌

隧道顶部淤泥层本身为储水地层，含水丰富，且回填后没有进行压实处理，土层空隙大，若排洪渠底部砌筑不密实或掘进过程造成破坏，极可能会造成水体透过淤泥层直接连通到隧道开挖面，造成掘进喷涌及排洪渠底塌方，地面塌陷，从而影响正常出土和掘进，严重的会招致周边地面塌陷，影响交通要道宝安大道正常通行，造成盾构机及其隧道的灭顶之灾。

2.3 掘进过程可能漏气或发泡剂上窜

由于隧道顶部人工回填淤泥层稳定性低及孔隙比大，掘进过程注入的空气和发泡剂容易透过淤泥层上窜泄漏，发泡剂不能正常注入，使盾构机气压不稳或失压难以掘进。

2.4 旧桩处理钢筋清理不彻底容易导致卡螺旋机

铁岗排洪渠原桩为φ1200混凝土灌注桩，主筋为φ20，加强筋为φ20，箍筋为φ 10，原有23根桥桩在盾构掘进断面上要破除清理，盾构机螺旋机内径为800mm，螺旋叶片直径为780mm，四周间距仅有10mm，若高压电磁铁对钢筋清除不干净、不彻底，随着盾构出土进入土仓再进入螺旋机，将对螺旋机造成极大安全隐患。

3 、盾构机穿越排洪渠前施工准备工作

3.1 桩基托换

排洪渠原桩桩径为φ1200冲孔灌注桩，桩长约35米，摩擦桩，主筋为φ20，加劲筋为φ20，箍筋为φ10；实施桩基托换后，新施工桩桩径为φ1200冲孔灌注桩，桩长约35米，按摩擦桩设计，主筋为φ25，加劲筋为φ25，箍筋为φ10。

在盾构机通过前，对影响的总计23根桩基使用破碎冲桩法施工破除，钢筋采用磁铁吸出，破除后用粘土压实回填至原桩顶标高，另在隧道两侧重新施工新桩及承台并回填土恢复排洪渠及上方桥面。

此外，隧道顶部以上1.2米覆土为原状土淤泥层，覆土很浅，因此在六处钢板桩维护结构范围内，从承台底部标高以上1米、垂直隧道方向约10米的范围采用C20混凝土进行回填，形成一个混凝土盖板。混凝土上方回填土为开挖出来的淤泥质土，稍微压实。

钢板桩拔除后，钢板桩所在土体空隙进行注水泥砂浆回填处理。

图1 排洪渠开挖基坑混凝土回填范围

图2 排洪渠基坑开挖范围、回填范围及设计水位

3.2 盾构机设备检查及维修

在盾构机刀盘到达排洪渠前100米，停机对设备进行全面的检查，对可能出现问题的部件进行维修和更换，防止盾构机通过排洪渠期间由于机械故障产生长时间的停滞，影响盾构连续掘进，主要的检修内容如下：

(1)刀盘驱动系统；

(2)刀盘主轴承密封；

(3)铰接千斤顶的密封；

(4)螺旋机及其闸门的运转情况；

(5)发泡剂系统及注浆系统管路及开关；

(6)拼装机、单轨梁、双轨梁的运转情况；

(7)推进千斤顶及其驱动的运转情况；

(8)盾构机自动导向系统；

(9)龙门吊、电瓶车的运行情况。

除了对机械设备进行检修、故障排查，还配备足够的备件，以便在盾构机通过排洪渠阶段出现设备问题时能及时更换零件。

3.3 施工条件保证

为保证盾构掘进进度的顺利实现，必须保证后配套材料供应及渣土运输等条件。

1)管片供应方面，项目部计划在盾构机通过排洪渠前，提前一天在现场储存管片，确保现场至少有24环管片的备用量，并且在通过期间，及时补充管片，保证现场用量。

2）渣土运输方面，项目部计划在盾构机通过排洪渠期间增加土方运输车辆，并且增加白天期间出土，确保渣土池满足生产需要。

3）材料供应方面，提前对注浆材料进行补充，发泡剂、周转材、耗材、工具等进行全面的检查，提前补充到位，保证满足施工。

4 、盾构机推进技术参数选定

为确保盾构机安全顺利通过排洪渠，特制定以下几项措施，土压平衡、快速通过、控制出土、注浆填充、加强监测。

4.1 土压控制

为了避免隧道上部土层沉降及隆起，对排洪渠底部砌筑结构造成破坏，防止土体向土仓内坍塌，在盾构掘进施工时，采用土压平衡模式掘进。建立合理的土仓压力，根据隧道顶部5米的覆土埋深、土层情况，确定通过排洪渠区段土仓压力保持为120～150kpa（纯土压，也可用膨润土置换部分土压），盾构机刀盘进入排洪渠范围前三环开始调整达到上述土压。停机时土压保持150kpa，必须确保土仓内充满泥土，避免泥水补充迅速而导致喷涌的发生。

4.2 出土控制

根据计算，在盾构机通过排洪渠区段土层掘进一环出土量约为65m3，运输渣土的土斗为16m3/斗，掘进出土采用总量控制及逐斗控制，每环总出土量不大于4.3斗（约70m3），每出一斗土千斤顶掘进行程控制在350～380mm。

4.3 掘进参数控制

根据本工程使用的盾构机情况及在花岗岩残积层粉质粘土层中的掘进参数经验，采用推力1300～1600T，刀盘转速1.5rpm，螺旋机转速9rpm，扭矩1300～2000KN·m，掘进速度40～60mm/min。根据以上参数，能有效地控制地面沉降和出土量。并且，开挖后盾体及管片上方的土体还具有一定的稳定性，通过快速连续掘进，能及时采用同步注浆填充土体与管片之间的空隙，防止上方土体失稳下落。

盾构机进入排洪渠前，把掘进姿态调整至合适范围（水平姿态：-20～+20mm，竖直姿态：-20～0mm），避免在盾构机通过排洪渠段由于调整姿态影响掘进。

4.4 注浆控制

经前期多次试验，项目部已确定盾尾注浆（单液浆）的配比（每槽重量比，kg）如下：

由于材料的性质参数存在差异，如发现砂浆过稠或过稀将立即对配比进行微调，以保证注浆浆液的初凝时间在8小时以内。

在掘进过程中严格按掘进进尺来控制注浆量，做到盾尾退出空隙与注浆量相吻合，严禁超前或滞后注浆。盾尾同步注浆采取注浆量及注浆压力双控制，每环注浆量不少于6m3，注浆压力不大于0.35Mpa。盾构机通过排洪渠后，及时打开排洪渠位置相应管片吊装孔进行二次注浆。

安装管片要保证盾尾间隙均匀，使尾刷密封均匀，有效地抑制漏浆，同时有利于保护尾刷，防止漏浆。

密封油脂注入要做到定期、定位、定量压注。压力要大于25bar（出口点）才能均匀填充密实空腔，注入量要大于35kg/环（平均每平方米大于2kg）。一方面可以防止漏浆，另一方面润滑、保护尾刷。漏浆点位要重点压注。

4.5 防止喷涌

盾构机通过铁岗排洪渠阶段，螺旋机出土口喷涌来源主要有两个，一是已完成的隧道管片背后来水造成喷涌，二是如果地层扰动渠底破坏，水体通过淤泥层透到开挖面，造成喷涌。

通过上述的各项措施，控制好掘进参数，能减少对隧道上方土体的影响，防止渠底破坏透水造成喷涌；通过快速连续掘进与及时注浆填充，防止土仓积水过多喷涌。

本工程使用的发泡剂添加了5%的渣土改良剂，具有强吸水性，能有效包裹土体中的砂砾，改良渣土的流塑性，减少喷涌发生概率。针对发泡剂上窜泄漏的风险，通过调整发泡剂比例和减少气流量，可防止压力过大泄漏。采用发泡剂放大倍率为4，稀释度5%，FIR=20%。

5 、实施阶段施工技术

右线盾构机首先通过铁岗排洪渠。在距离排洪渠范围15米时，开始调整盾构各项参数，调整盾构姿态，土压逐渐上升至120kpa，采用推力1350T，刀盘转速1.5rpm，螺旋机转速9rpm，扭矩1600KN·m。

在排洪渠范围内，盾构机姿态始终控制在水平姿态：-20～+20mm，竖直姿态：-20～0mm的范围内。土压仓压力位120～150kpa，采用推力1400～1700T，刀盘转速1.5rpm，螺旋机转速9rpm，扭矩1600～1950KN·m。盾构机穿越排洪渠期间，掘进速度平均约48mm/min，每环注浆量约6.3m3，注浆压力不大于0.35Mpa，每环总出土量小于70m3，并加大了盾尾油脂及二次注浆用量，每环使用盾尾油脂约40kg。在排洪渠下方使用的发泡剂添加了5%的渣土改良剂，防漏浆效果良好。

通过严格控制盾构机技术参数，采取各项措施，在如此复杂的地质和环境条件下，安全有效地保障了盾构机的正常掘进，左、右线盾构机分别都为2天时间顺利通过铁岗排洪渠，平均日进度12环。除了左线出现很少量泡沫外泄外，未发生任何安全和掘进事故，圆满完成了任务，为类似地质和环境条件下盾构机暗挖提供了一个很好的工程范例。

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.21.009