地铁施工中软弱地层浅覆土盾构始发与掘进技术

冯 浩

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司，湖北 武汉 430061）

当前，我国多数大中型城市均在进行地铁工程建设，同时诸如北京、上海等城市已经形成了高度发达的地下轨道交通网络。但纵观当前的工程现状，在软弱地层浅覆土盾构的施工难度普遍偏大，其中存在诸多亟待解决的技术难题，严重制约了地铁工程的开展。对此，有必要进行相应的技术探讨，本文提出的浅覆土盾构掘进技术，可以创造更为稳定的施工环境，大幅提升工程质量。

1 工程概况

1.1 区间概况

某市地铁3号线工程建设中，该施工区段对应总长为1 317.744m，以盾构机设备为基础，由南站作为始发掘进点，最终施工至北郊车辆段。勘察结果表明，盾构机始发区域的覆土为4.1m，其中最低处为3.7m，在此之后出现转折并以3.2%的幅度下坡。

1.2 工程难点

工程技术人员对项目所在区域进行了勘察，发现出段线隧道拱顶埋深浅层地层具有明显的软弱特性，这对盾构机始发与掘进作业提出了较高的要求。此现象对于省道公路下方而言更为明显，受其车流量较大的影响，路面及其周边均会出现不同程度的沉降。地面沉降控制是本工程的重点内容。

2 控制地面沉降的主要措施

盾构机在进行掘进施工时将会引发地面沉降现象，其诱发因素多种多样，诸如支护力超出了合理范围、浅覆土土压明显偏低等。考虑到此类问题，工程采取了针对性处理措施:①对地面土体进行加固处理，由此提升其承载水平；②给予隧道上方一定的压力；③对所使用的盾构设备参数进行优化；④基于同步注浆的方式进行施工，并在间隙处填入适量的浆液。

2.1 始发井端头加固技术

对于南站盾构始发端头井区域而言，其表现为明显的硬塑状特性。经勘察后得知，该区域内地下水较少，因此以大管棚注浆技术为基础，并综合引入了地面袖阀管注浆技术。经施工后，所得到的地基加固长度达8m，宽度达3m，同时深度达4m，基本可以满足后续的施工要求。

2.1.1 大管棚注浆加固

定位到始发洞门隧道顶部120°区间，在此基础上进行大管棚注浆加固处理，所使用管棚材料的规格和布置方法如图1所示。在施工过程中，以水泥单液浆为宜，控制水灰比1∶1的状态，将注浆压力稳定在0.3～0.5MPa。

图1 始发井端头管棚加固孔布置

2.1.2 地面袖阀管注浆加固

在进行地面袖阀管注浆加固施工时，所得到的加固范围与上述相同。但需注意的是:孔间距应控制为800mm，并采用梅花形布置方式。将水泥和膨润土作为原材料，由此制得袖阀管套壳料，施工中二者的水灰比以1∶1.5为宜；在进行注浆施工时需使用到双液浆材料，水泥和水玻璃的配比以1∶1为宜。注浆压力对于施工质量起到了尤为重要的影响，应将其控制在0.2～0.5MPa，加固孔布置方案如图2所示。

图2 始发井端头地面袖阀管加固孔布置

2.2 浅覆土区间地面加固技术

经勘察后可知，浅覆土中含有大量的杂填土及黏土，受此影响应采用袖阀管注浆的方式进行加固处理，经此操作后可确保土体抗压强度达到1MPa及其以上水平，由此避免出现地面沉降现象。施工中应控制好加固范围，将始发井端头作为起始点，对其线路200m范围内进行处理，以2m为间距进行布孔，单个间距内的孔量以4个为宜，所得到的孔深应达到3m，同时直径以90mm为宜。

2.3 地面钢板反压

出于对盾构掘进安全方面的考虑，对原方案中的堆土反压设计做出了相应的改进，由此形成沿隧道轴线而铺设的40mm厚钢板，此举进一步提高了盾构安全性，保障了道路交通安全。

2.4 盾构机掘进控制技术

2.4.1 盾构机掘进参数确定

1）土仓压力 受区域内浅覆土的影响，在对出段线进行掘进施工时，难以将土压控制在合理范围内，因此极易出现冒顶和超挖等问题。从成因上考虑，诱发因素以水土压力为主，此外还伴有一定程度的外部荷载。相比于隧道埋深高度而言，本工程中浅覆土段的水位明显低于该值。因此，可以根据公式:土仓压力=（土容重×埋深+外部荷载）×土的静比侧压力系数+水密度×埋深进行计算。

2）推进力及掘进速度 这两大因素会对施工区域的上部土体造成严重影响，随之引发土体变形。对于浅覆土层而言，盾构设备的重点施工对象为黏土层，出于提升地面稳定性的目的，应将掘进速度控制在合理范围内，本工程中以20～40mm/min为宜，此外推进力以6 000～8 000kN为宜。

3）出土量控制 伴随着出土量的变化，对应的浅埋段地面沉降程度也不尽相同，通常情况下应以42.4～43.7m3为宜。

2.4.2 同步注浆

应严格控制同步注浆量，本工程以4.20～4.86m3为宜，尽管注浆量会对施工质量带来一定影响，但注浆压力所带来的影响更为明显。经同步注浆施工，28d后其强度应达到2.5MPa。

2.4.3 洞内二次注浆

完成上述施工后，有可能存在少量空隙，此时需进行二次注浆处理，由此起到稳定隧道管片状态的作用。此环节所使用的材料以双液浆为宜，严格遵循2.1.2节的配比进行配制，并将胶凝时间控制在20～35s。当管片脱离盾尾且数量达到2环后，则由正1环作为起始点进行注浆，此时应以2环为间距进行注浆。考虑到本工程的实际情况，将3点和9点作为本次的注浆点，施工中将压力稳定在0.25～0.30MPa。

2.4.4 盾构姿态控制

由于上部覆土层的物理性质较为薄弱，因此增大了掘进中出现冒顶现象的可能性。对此，应重点关注掘进坡度与平面轴线这两大因素，尽可能使二者处于一致状态。施工中的影响因素较为复杂，需频繁进行监测，并对偏差现象做出调整。基于此方式，在最大程度上避免了土体扰动的现象。

3 沉降控制效果分析

3.1 盾构机始发与掘进

各个阶段所对应的掘进速度存在差异，端头井区域应以2mm/min为宜，同时设备推力应≤8 000kN，以方案中的理论值作为基准，所得到的土仓压力应比该值略低，本工程中以0.15MPa为宜。在后续的推进过程中，可以加入适量的泡沫剂，由此缓解刀盘受损。当完成20环掘进后，需对区域内的地面沉降情况进行检测。对于浅覆土上部区域，压力以32～36kPa为宜。

3.2 地面沉降量监测

对实际监测结果进行分析可知，在进行浅埋段施工时，其对应的沉降量应处于-8～15mm。由参考工程所提出的10～30mm可知，此次施工的地面沉降得到了良好的控制。

4 结语

文章以地铁工程为背景，围绕其软弱地层浅覆土盾构施工展开探讨，提出了大管棚注浆和地面袖阀管注浆两种技术方法，实际结果表明加固效果良好，可以为盾构掘进施工创造稳定的环境，而周边的地面交通也不会受到影响。文章所探讨的工艺方法具有高度可行性，具有一定的参考价值。