复杂地质条件下地铁盾构关键技术问题研究

臧延伟 章天杨 许原骑 徐乃芳

(中国水电顾问集团华东勘测设计研究院，浙江杭州 310000)

0 引言

盾构法是利用盾构机在地面以下进行暗挖隧道的一种施工方法，具有自动化程度高、作业环境安全、施工速度快、成型隧道质量好、对周边环境影响小等特点，是地铁工程中一种常用的施工方法，尤其是在城市中心的复杂地段，盾构法的优点尤为突出［1］。地铁盾构工程具有地质条件复杂、周边建(构)筑物密集、地下水位高等特点，本文以某盾构区间工程为例，对区间复杂地质条件下盾构始发与接收加固、盾构选型及管片结构设计、立交桩基近距施工等关键技术问题进行探讨研究。

1 工程概况

1.1 地质概况

本盾构区间总长1 083 m，最小平曲线半径为1 200 m，最小纵坡为4‰，最大纵坡为21‰，设一处联络通道及泵站。盾构区间主要穿越③1淤泥、④粉质粘土、④a粉质粘土夹细砂、④j中砂、⑤1淤泥质土、⑤2细砂夹淤泥、⑤3淤泥质土夹细砂、⑦粉质粘土、○14全风化花岗岩。盾构区间穿越的地层复杂，既有淤泥层，又有砂层以及风化岩层，在盾构施工的线路上会遇到复合地层或由一种地层向另外一种地层的突变，既存在不透水层也有承压水层。相关的主要地层参数见表1。

表1 主要地层物理力学性质指标

1.2 盾构选型

盾构是根据区间工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等具体特征来选择的，设计盾构区间采用软土盾构，盾构机为复合式土压平衡盾构机，盾构掘进时通过千斤顶向刀盘施加推力，在推进过程中刀盘旋转，刀具切削和刮挖岩层及土层，渣土进入土仓内通过螺旋输送机和皮带输送机送入渣土车，运抵地面，从而完成隧道掘进。

考虑地层中有45 m全风化花岗岩，复合刀盘适应软土及岩层相对发育不良的地质，盾构机整机总长(含后配套)74 m，主机长度8 780 mm(不含刀具)，开挖直径6 490 mm，盾尾间隙25 mm。

2 盾构端头井加固

2.1 始发端头井地层加固

盾构机在始发阶段，会对地下土体产生较大扰动，从而影响周围建筑物或地下管线，因此为了保证始发掘进阶段的安全，必须对始发端头井的土体进行加固，目前加固的方式有很多，常用的有旋喷桩以及水泥深层搅拌桩等［2］。

本区间盾构始发段所处地层主要为④粉质粘土，上部为③1淤泥，下部为⑤1淤泥质土，端头井加固采用三轴搅拌桩加一排旋喷桩，地层加固剖面图如图1所示，三轴搅拌桩桩径为650 mm，咬合量为200 mm;搅拌桩与端头井围护结构之间的缝隙采用三重管旋喷桩进行补加固，桩径为800 mm，咬合量为200 mm，施工时先施作三轴搅拌桩，再施作旋喷桩。加固区分强加固区和弱加固区，强加固区加固后的土体无侧限抗压强度大于0.8 MPa。沿区间纵向加固长度为6 m，隧道上下、左右各加固3m为强加固区，隧道上部3m以上为弱加固区［3］。

图1 盾构始发端头井地层加固图

2.2 接收端头井地层加固

盾构接收井所处地层主要为④a粉质粘土夹细砂、⑤3淤泥质土夹细砂，两种土层为弱透水性(渗透系数E-07 cm/s)，接收端头井加固采用三轴搅拌桩加一排旋喷桩，桩型同始发端头加固，沿区间纵向加固长度为4 m，地层加固剖面图如图2所示。

图2 盾构接收端头井地层加固图

盾构接收现场实际情况存在透水层，水量较大，由于盾构接收时已先将围护结构凿除，土仓压力减为0，致使水从盾尾漏入土仓内，而加固体内仍为干燥环境;现场采用11口降水井降水，水位也仅能降至10 m深。经过多方论证，最后采用在盾构井内填土至洞门高度，如图3所示，加大土仓压力的方案顺利完成盾构接收。从本盾构区间接收结果来看，在地质情况较好的情况下，4 m的加固长度是适用的;盾构接收时在盾构机贴上围护结构后再凿除围护结构较为合适;应探明地层中是否存在透水层，若存在透水层，加固长度为盾构机长度加上一环管片的长度为宜。

图3 盾构接收盾构井内现场图

3 管片结构设计

3.1 管片结构设计形式

管片设计是盾构隧道结构设计中比较关键的一环，管片设计的成败直接关系到工程的安全、造价及使用。本盾构区间管片衬砌环全环由小封顶(F)，两块邻接块(L1)，(L2)以及三块标准块(B1)，(B2)，(B3)构成。环与环、块与块间均采用弯螺栓连接。

采用通用楔形环衬砌结构形式。衬砌环最小计算可拟合曲线半径为R=200 m。环间采用错缝拼装方式，环宽采用1 200 mm，厚度采用350 mm。对隧道不同埋深或土性不同的地段，通过分段设计、分段配筋的办法达到节省投资的目的［4］。

3.2 管片结构设计主要问题分析

从管片拼装情况来看，管片局部发生破裂，破裂主要集中在封顶块及隧道底部，如图4所示。分析的原因主要是:1)封顶块拼装时挤碎;2)盾构姿态未控制好，千斤顶顶力过大;3)盾构上浮不均匀;4)盾构机盾尾间隙过大，造成管片上浮量大。

针对以上问题，可以通过以下方案控制和减少管片破裂:1)管片角部加强钢筋可减少破裂程度，但千斤顶顶力过大，仍不能避免管片破损;2)通过国内其他地铁工程的经验，同步注浆采用惰性浆液可有效减小管片的不均匀上浮;3)增加凹凸隼的间距可减小管片的破损，但不能根本解决问题。

图4 管片局部破裂现场图

4 立交桩基近距施工

规划立交桩基共67根，立交桩基为φ1 200 mm，其中距盾构隧道在5 m之内的桩基共有24根，与本盾构隧道最小间距1.5 m。对于桩基，由于受盾构施工的影响，可能会因周围土体的移动作用而产生新的变形和内力。并且，由于盾构施工时开挖面土体的挖掘和盾尾脱出后间隙的存在，周围土体可能会在桩基的作用下发生坍塌，从而引起桩的极限承载破坏。

原设计要求立交桩基在盾构隧道推进前实施，按现场实际情况，对与盾构隧道净距在5 m范围内的24根桩基采用全套管全回转钻机加冲击成孔施作，以保证盾构隧道施工的安全，如图5所示。其余桩基采用旋挖钻机加冲击成孔工艺。

图5 全套管全回转钻机施工示意图

盾构机在近距离穿越立交桩基时，对立交桩基加强监测，根据监测数据的分析来调整盾构机参数，控制盾构机掘进速度，保证盾构施工及近距立交桩基的安全。

5 结语

1)地铁盾构区间存在地质条件复杂的问题，盾构机应结合区间工程地质、水文地质、地貌、地面建筑物及地下管线和构筑物等具体特征来选型。2)盾构区间始发端头井加固采用三轴搅拌桩加一排旋喷桩为适宜，加固长度取6 m。接收端头井加固采用三轴搅拌桩加一排旋喷桩，加固长度取4 m为适宜，盾构接收存在透水层，水从盾尾漏入土仓内，可采用加大土仓压力的方案。3)管片结构设计局部发生破裂的原因是多样的，可以采用管片角部加强钢筋，同步注浆采用惰性浆液以及增加凹凸隼的间距等方案控制和减少管片破裂。4)立交近距施工对与盾构隧道净距在5 m范围内的桩基采用全套管全回转钻机加冲击成孔施作，同时加强对桩基的监测，以保证盾构隧道施工的安全。

［1］ 张凤祥，朱合华，傅德明.盾构隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］ 赵立锋，付黎龙.富水软弱地层盾构隧道施工端头加固技术研究［J］.铁道标准设计，2008(9):83-85.

［3］ 高文华.关于地铁盾构法施工的关键技术探讨［J］.施工技术，2011(36):280.

［4］ 刘建国.深圳地铁盾构隧道施工技术与经验［J］.隧道建设，2012，32(1):72-87.