浅谈地面出入式盾构隧道（GPST）施工技术

丁学杰

【摘要】本文主要是对南京机场线秣将区间隧道超浅埋盾构试验段施工的探讨、分析，主要从浅埋盾构机的改进、管片成型后的抗浮、椭变，盾构贯通后采取的抗浮措施。

【关键词】特殊管片；抗浮设计；盾构机改造

前 言

南京机场线秣将区间浅埋盾构段是全国首例无工作井盾构法隧道施工技术的试验段。盾构机从地表始发，然后在浅覆土条件下开挖（避免暗埋施工），最后盾构机在目的地到达地表。该工法可将隧道引道段和隧道段一起通过盾构施工完成，真正实现高效快速施工。该施工技术大大减少征地、拆迁等工程量，高效利用土体和减少能源建设资金的投入，降低施工风险，缩短施工工期等多个优点，对城市建设有着广泛而深远的意义。该项目地处由高架段向地下过渡的位置，场地周边较为空旷，但地面上方有一500KV超高压国家电网与线路斜交，施工限高12米，采取常规工法安全风险较大，所以选用该段为模拟GPST试验段，采用斜面始发或到达模拟零覆土的工况下，目前已圆满完成了超浅埋段施工任务。

1 试验段工程概况

浅埋盾构段隧道位于南京市江宁区既有将军大道上，右线盾构段长约123.659m，左线盾构段长约124.591m。本区间盾构段拟采用一台Ф6340土压平衡盾构施工，试验段管片左右线合计204环，左线平曲线半径R950m，右线平曲线半径R1000 m，坡度-28‰。始发井盾构覆土4.7米，盾构推进至77环～82环为超浅覆土段，隧道覆土厚度小于0.3D（D为隧道直径6. 2m，长度7.3m，含覆土渐变段1.3m）。浅埋盾构段隧道断面主要处于①-2素填土、②-3C2粉土、②-1b2粉质粘土 、④-1b1粉质粘土，有小部分J31-1、J31-2全、强风安山岩，场址区地下水主要为孔隙潜水、基岩裂隙水。

2超浅埋及地面出入式盾构风险分析及改进措施

该工法与常规盾构工法之处同，主要在于浅覆土的施工方法，因此应用常规工法施工会产生因"浅"而出现以下风险如：开挖面失稳、盾构机背土、浆液外窜、管片变形和隧道上浮等风险。

2.1 在设计管片选型方面

（1）采用直螺杆代替弯螺栓工艺，以加强管片预紧时的效果；GPST盾构管片每环管片使用斜螺杆（28根/环）、定位棒（6根/环）、通长螺杆（4根/环）；（2）在端部增加定位销以增加片块与块之间的咬合效果；（3）增加纵向拉杆以加强纵向管片之前的预紧效果；（4）在隧道底部管片中增加锚杆孔，在隧道成型后注锚杆增加抗浮效果以增加管片外部连接；

2.2 在盾构机及配套设备改进方面

2.2.1 采用紧凑型设计：

由于始发井较小（长30米），将原先67米的盾构全长改造为35米，其中盾体长7.4m，管片稳定装置10m车架由原来的5节压缩成2节，原来的循环水箱、空气压缩装置放置在地面，注浆系统和添加剂进行合并且长度进行压缩，电器系统采用大功率电机2台且立体放置以节约空间，油脂、润滑系统位置进行改移至中盾内以节约空间，螺旋输送机和双轨梁套的管片稳定装置的中间。

2.2.2 增加管片稳定装置：

由于本区段覆土比较浅，在零覆土和超浅覆土下，管片易成竖鸭蛋，为此设计了管片稳定装置，该装置外径5400mm且有8个支撑环各支撑1环管片，每环管片两侧有油缸驱动的可伸缩的半圆形顶块，顶块圆周上布置了滚轮用来撑住管片，可根据实际情况用油缸调节顶块的伸缩量，油缸的伸缩行程为0-50mm在特殊情况下可以手动调节每个滚轮的伸缩量；盾构行进时拖动该装置一起向前走，油缸上配备有压力和行程传感器，可检测每一支撑环的实际状态然后进行实时控制，能有效保证管片的稳定性。

2.2.3在刀盘设计方面优化

采用大开口率的刀盘设计以便盾构机在零覆土或土压较低的情况下顺利的切削、输出土体，该盾构的刀盘开口率为60%，刀盘配置为：切削刀134把高度105mm，贝壳刀51把高度135mm，羊角刀8把高度115mm，中心刀1把高度345mm。

2.3 在盾构施工技术方面的改进措施

对盾构推进参数根据地质情况进行严格计算，建立合适的土压，采取小扭矩慢速推进的模式。 由于始发井较小，始发时出土须从车架中间出土，所以只能采用的小土斗进行输送渣土； 机场线采用小坍落度大比重的改良型惰性浆液进行同步注浆，改良型厚浆特性见下 本工程所使用的惰性浆液具有凝结时间短抗压强度高等特点，在使用过程中是通过调整原配合比的水胶比、胶砂比、膨水比、粉灰比以及外加剂FDN-3和硅灰来满足实际施工的需要，如通过减小水胶比或胶砂比可缩短浆液的凝结时间和稠度，适当掺量的减水剂可改善惰性浆液的流动性和提高浆液的抗压强度，适当掺量的硅灰可改善惰性浆液的抗泌水性，提高浆液的保水性、粘聚性和抗压强度等反之则相反。在正常推进的过程中定期或不定期的对厚浆浆液进行抽查试验且做试块，其中3天抗压强度不低于1MPa，28天抗压强度不低于4MPa为合格，厚浆配合比如下表：

2.4 对浅覆土段及零覆土段土体的稳定处理

（1）斜坡面喷射50mm厚的M5水泥砂浆；（2）斜坡面梅花型布置（@3000X3000） ？60PVC泄水花管，泄水管总长1.1m，插入斜坡面76cm。（3）距离斜坡面4.6米处做旋喷桩止水帷幕？600@400；（4）导坑外打设2口降水井，导坑内靠近斜坡面的两条隧道中间打设1口降水井；（5）在左右线隧道中心做一排隔离加固桩，采用钻孔灌注桩直径600mm进行加固，桩的有效长度为11m，加固范围为65.4m，布置范围为从盾构0覆土段开始直至65.4m的长度距离，布置范围内前半段桩的中心距为1.6m，共计14根。后半段桩的中心距为2.1m，设有9根桩，钻孔灌注桩冠梁取800mm×600mm，长度为40.9m。

2.5 在后期使用阶段的抗浮措施

2.5.1管片底部增设锚杆

在隧道垂直中线底部管片左右两侧5.63°和28.13°位置的管片上各预埋一个抗浮锚杆预埋件，锚杆采用全粘结方案桿体采用HRB335级钢筋，孔径Ф90mm水泥采用42.5新鲜普通硅酸盐水泥高压灌浆，注浆压力不小于0.6MPa，锚杆自管片外侧至土中深度不小于8m，锚杆的打设范围为自导坑端头8环管片。

2.5.2增加抗浮板压重

在左右线零覆土管片分层对称压实回填后在地面增加一层25m×23m×0.4m的钢筋砼压板，压板上面做道路绿化带，绿化带两侧才是 行车路线以进一步将管片的上浮度降到最小。

3结束语

南京机场线浅埋盾构施工在全国是首例进行超浅覆土施工的，在世界上日本曾经成功的进行过首次浅埋盾构施工，浅埋盾构不仅应用于地铁施工在市政工程中的大直径的管道工程、公路隧道及过江隧道工程中会有更广泛的借鉴意义，但是浅埋盾构施工在一定程度上承担着很大的风险，通过南京机场线浅埋盾构的顺利贯通为我们以后的施工提供了借鉴、指导意义。

参考文献

[1] 广州地铁设计研究院南京机场线浅埋盾构设计图纸

[2] 地下铁道工程施工及验收规范

[3] 盾构法隧道施工及验收规范

[4] 竺维彬，鞠世建 复合地层中的盾构施工技术 【M】.第1版.中国科学技术出版社，2006

[5] 竺维彬 鞠世建 史海鸥.广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究. 【M】.第1版.暨南大学出版社，2008