土压平衡盾构下穿超浅埋复杂河道地层施工技术

刘 伟

(中铁十七局集团第六工程有限公司，福建福州 350014)

[定稿日期]2018-01-08

城市地铁作为一种安全、快捷高效环保的交通形式，迅速成为解决交通拥堵问题的首要选择[1]。在城市地铁修建工程中，针对盾构下穿江河施工的案例并不缺乏，但多采用泥水盾构进行施工，土压平衡盾构由于自身特点，在下穿河道的应用案例较少。我国虽然在土压平衡盾构下穿河道的研究及施工经验有了一定积累，但针对土压平衡盾构快速通过超浅埋且存在断层破碎带的河道的施工案例尚未有相关的文献报道[2-6]。

本文以长沙市大河西先导区雷梅片区地下配套交通一期工程所属的文化艺术中心站～梅溪湖东站区间施工为依托，吸取长沙地铁二号线穿越龙王港河堤引发异常沉降的经验教训[6]，对土压平衡盾构穿越超浅埋且存在断层破碎带的河道的施工控制技术进行了研究。经现场实践表明，该系类施工技术取得了良好的效果，研究成果可供类似工程参考应用。

1 工程概况

长沙市大河西先导区雷梅片区地下配套交通一期工程所属的文化艺术中心站～梅溪湖东站区间左线全长874.512 m，共计583环；右线全长891.18 m，共计594环。其中左线在307～364环、右线在310～367环区域下穿既有龙王港河道，两盾构区间净间距10.3 m，管片幅宽1.5 m，下穿河道段最浅埋深为4.19 m(盾构机直径为6.25 m)，上覆河道内水流深度1.5 m，上覆围岩主要为强风化板岩，在河道下方，存在断层破碎带，强风化花岗岩节理发育。盾构穿越河道段示意见图1。

图1 盾构穿越河道段示意

由于河道段隧道埋深度小于一倍洞径，且地层破碎，土压平衡盾构穿越工程中存在极大的施工风险。若采取的施工措施控制不当，极易产生河床坍塌或涌水现象，甚至出现盾构机被水淹没而报废的重大经济损失。

2 施工控制措施

结合类似工程的经验教训[6]，决定采取以下施工控制措施：(1)施工前对河床进行加固；(2)合理选取注浆压力，缩短浆液的初凝时间;(3)盾构下穿河道工程中选取合适的掘进参数;(4)跟进现场施工监测，根据施工数据及时调整施工。

2.1 河床加固

由于工程地段属于超浅埋、断层破碎带，为了保证盾构安全顺利通过龙王港河道地段，必须在盾构施工前对该区段进行加固处理。借鉴其他类似工程，穿河道地段时一般采用袖阀管注浆、抗浮板以及旋喷桩等加固方式对河床进行加固。

结合本工程的特点，在盾构施工前对河道区段进行了袖阀管注浆加固。加固范围超出河道两端各5 m，深入盾构隧道底部，嵌入中风化板岩0.5 m以上，加固区示意如图2所示。

图2 加固区域剖面示意

2.2 同步注浆参数的确定

盾构隧道盾尾注浆浆液的优劣与隧道施工质量及地表沉降紧密相关。同步注浆浆液的凝结时间是浆液性能的重要参数之一[7]。浆液的凝结时间越长，浆液越容易向土体内流失，容易被地下水稀释，而且难以形成早期强度，不利于管片抗浮及地面沉降的控制。浆液凝结时间太短则会影响填充效果。

现有的研究成果表明，水泥是调整浆液凝结时间的主要因素，砂和水是次要因素[8]。在保证浆液稠度、泌水率和7 d抗压强度等指标的基础上，可以通过适当增加水泥或砂掺量，或减少用水量缩短凝结时间。

现场同步注浆浆液初凝时间主要通过增加水泥用量的方式进行调整缩短。为了得到水泥浆液的合理配合比，采用室内实验的方式，对不同配合比的浆液初凝时间、7 d抗压强度进行测试。试验参照JGJ70-90《建筑砂浆基本性能试验方法》进行，试验工况设计及相应的试验结果见表1所示。

表1 不同配比下浆液性能 kg/m3

根据图3可知，随着水泥的参量的增加，浆液的初凝时间逐渐降低的同时7 d抗压强度得到了较大的提高。考虑到浆液的其它性能，经更多的室内试验及现场试验验证，最后确定了如表2所示的盾构穿越该河道的同步注浆配比。此时，浆液的初凝时间在5 h以内，7 d抗压强度达到了2.6 MPa以上。

图3 不同配比下浆液性能变化曲线

材料用量材料名称水泥水砂粉煤灰膨润土配合比12．975．192．930．38每m3用量/kg14543075242555

此外，为保证注浆效果，在总结隧道穿越龙王港河前的经验基础上，选取注浆压力为0.25～0.3 MPa, 每环管片理论同步注浆量不少于理论注浆量的1.5倍，即6 m3。

2.3 合理掘进参数现场试验

大量理论研究和工程实践表明，盾构施工引起的地表沉降，在一定条件下是盾构开挖面土体移动的结果，而开挖面土体的移动与盾构土仓压力息息相关。根据韩日美等人的研究成果，在满足盾构前方土体不被破坏的前提下, 增加土仓压力是减小地层沉降的有效手段[9]。

为了得出土压平衡式盾构下穿该河道的合理掘进参数(主要为土仓压力)，施工人员在左线300～309环区域范围内开展了现场试验研究，通过分析不同盾构掘进参数下地表沉降变化规律，给出土压平衡盾构下穿该河道的合理掘进参数，现场沉降监测点的布置见图4所示，监测频率为2次/环。试验段盾构隧道采用的同步注浆浆液配比如表2所示。

图4 现场试验段地表沉降点布置示意

首先根据杨永强[10]给出理论计算方法得到土压平衡盾构的初始土仓压力为0.6 bar，以0.6 bar的土仓压力掘进西线隧道的第300～302环。隧道掘进过程中，各监测点的沉降见表3所示。

表3 地表沉降检测数据(300～302环)

根据隧道掘进300～302环隧道时地表各监测点的沉降值可知，当土压仓压力0.6 bar时，地点沉降值偏大，需对加大土压仓压力以控制地表沉降。以0.8 bar的土压仓压力掘进隧道的第303～305环，此时地表各监测点的沉降值见表4所示。

表4 地表沉降检测数据(303～305环)

根据现场监测数据显示，当以0.8 bar的土仓压力掘进时，相应地表沉降得到了极大的改善，根据此参数继续进行盾构隧道第306～309的掘进，以验证掘进参数的可靠性。地表沉降检测数据见表5，监测点沉降变化曲线见图5。

表5 地表沉降检测数据(306～309环)

图5 各监测点沉降变化曲线

根据现场监测数据可知，采取土仓压力为0.8 bar，能有效控制地表沉降。根据试验段隧道其余固定的掘进参数，拟定隧道在穿越龙王港河道的施工参数见表6。

表6 盾构参数

此外，在盾构推进过程中严格控制隧道轴线。使盾构尽量沿着设计轴线推进，每环均匀纠偏，减少对土体的扰动。确保每环管片之间紧密连接，在管片脱离盾尾后重新拧紧所有纵向螺栓。

3 监测结果分析

考虑到该河道水位较浅且水流速度缓慢，在隧道左线中心线上方的河床上每隔5环管片打一木桩，通过监测木桩的沉降以及时反映地面河流的沉降情况，进而适时调整推进参数达到动态施工。隧道穿越河道后，隧道左线的沉降见图6所示。

图6 沉降变化曲线

区间左线、右线先后分别顺利穿越龙王港河，隧道内渗漏、管片错台控制良好，地面监测数据稳定，地表下沉量普遍小于8 mm，河面未有异常情况，说明土压平衡盾构掘进对河底和地表的扰动较小，施工成果显著。

4 结论

根据土压平衡盾构隧道穿越超浅埋且土层破碎河道的施工难题, 分别从施工前的河床加固、施工过程的中施工参数分析及同步注浆参数确定等角度出发，提出了土压平衡盾构穿越超浅埋复杂地层的施工控制措施。经现场实践表明，该措施对河底和地表的扰动较小，施工效果显著，具有一定的工程推广及参考价值。

[1] 顾岷.中国大陆城市轨道交通的现状与展望[J].城市轨道交通,2011(6):53 -56.

[2] 李大伟. 长沙地铁超浅埋河道地段盾构施工技术[J]. 铁道建筑技术,2012(11):29-31.

[3] 王伟,辛振省,彭加强. 土压平衡式盾构下穿河流施工技术研究[J]. 铁道标准设计,2011(4):92-94.

[4] 朱玉龙,赵青,晏启祥. 土压平衡盾构隧道下穿城市景观河道受力特性模拟研究[J]. 路基工程,2016(6):68-71.

[5] 郭海. 浅谈土压平衡盾构机在富水砂层下穿风险源的施工技术[J]. 施工技术,2015,44(S1):251-255.

[6] 黄昌洋,苗宪强,褚东升,等. 土压平衡盾构下穿湘江西岸堤坝施工风险分析与控制措施[J]. 铁道建筑,2013(3):53-55.

[7] 许可. 盾构泥砂高性能注浆材料的研究与应用[D].武汉理工大学,2011.

[8] 周麟,毛文,施墨华. 盾构隧道同步注浆浆液配合比优化设计[J]. 武汉工程大学学报,2013,35(9):29-33.

[9] 杨永强. 土压平衡盾构土仓压力设定与控制方法探讨[J]. 施工技术,2012,41(8):22-26.

[10] 韩日美,宋战平,谢永利,等. 土压平衡盾构土仓压力对地表沉降的影响[J]. 长安大学学报: 自然科学版,2010,30(1):59-62.