软弱地层大直径盾构超浅覆土始发及试掘进关键技术控制

2021-02-22刘涛涛上海地铁咨询监理科技有限公司上海210301

建设监理 2021年11期

赵光，刘涛涛（上海地铁咨询监理科技有限公司，上海 210301）

1 工程概况

1.1 工程概述

盾构隧道总长2 664.6 m，盾采用单洞双线方案，为国内首条大直径盾构法铁路隧道。隧道外径14.5 m、内径13.3 m，采用1台φ14.93 m泥水气压平衡盾构机进行盾构掘进施工，隧道最小平曲线半径1 600 m，纵坡为单向坡，最大纵坡30‰，隧道埋深为7.75 m～28.00 m。

1.2 工程地质及水文条件

1.2.1 工程地质

本工程始发段及试推进盾构隧道断面内涉及的土层为软弱地层，从上至下依次为②1淤泥层、②2淤泥层、③1淤泥质黏土层，详见表1。

表1 土层物理力学指标

1.2.2 水文条件

隧道位于入海口，潮汐比值（HK1＋HO1）/HM2＜0.5，一昼夜两潮（潮高不等现象较为明显，落潮历时大于涨潮历时，潮差大），是我国显著的强潮海区之一，且水位高低变化较大。

1.2.3 工程周边环境

盾构从工作井始发后100环试推进段，周边环境空旷，多为农田、防洪林，需穿越的建（构）筑物主要为S77省道、昆北路，道路下埋设有DN1 400污水管和DN300燃气管道。

2 软弱地层下超浅覆土始发

本工程盾构始发段土层以软弱地层为主，地基承载力较差。软弱地层含水率高、压缩性高、承载力低，且具有易触变性，盾构在该地层中掘进盾构姿态、地面沉降难以控制，极易造成盾构“磕头”现象，并且隧道顶最小覆土厚度约7.75 m，为0.51D（D为隧道直径），一般来说，盾构始发隧道顶覆土厚度不应＜1D。当隧道顶部覆土厚度过小时，所产生的荷载不足以克服成型隧道衬砌管片所受浮力，会导致成型隧道轴线偏移超出上限，管片错台、破损，更甚者管片开裂、渗水，给隧道后续运营工作及隧道耐久性造成影响，并且浅覆土始发极易造成地面冒浆、隧道上浮现象的发生。

2.1 地层处理

针对现场实际地质情况，通过三轴搅拌桩（水泥掺量7%～20%）、单点三重管旋喷桩（水泥掺量≥28%）对软弱地层进行加固，加固范围为隧道边线外侧1.8 m及隧道下半部至遂底以下5 m范围内，以此来解决盾构“磕头”、姿态难以控制的问题，详见图1。

图1 隧底加固横断面布置图

针对现场覆土厚度不足情况，通过三轴搅拌桩在始发段覆土＜12 m的范围内对隧道边线外侧1.8 m、高度为遂顶上方3 m范围内进行加固，并且在上方进行堆载处理以解决隧道顶覆土厚度不足问题。浅覆土段隧顶加固平面及横断面位置，如图2、图3所示。

图2 浅覆土段隧顶加固平面图

图3 浅覆土段隧顶加固横断面图

2.2 施工参数控制及始发辅助措施

在软弱地层、超浅覆土的施工条件下始发，盾构机的各项性能及施工参数的控制尤为重要，因此必须选择最优推进参数以及始发姿态，并根据实际推进情况对推进速度、推力、刀盘扭矩、切口水压、同步注浆、泥水质量以及盾构姿态的实时变化进行微调。

2.2.1 盾构始发姿态的控制

盾构始发时机头脱离始发基座后刀盘中心距离加固土体的距离约3.85 m，洞门钢圈直径略大于盾构刀盘单侧间隙约为285 mm，因此在刀盘靠上加固区的过程中极易出现盾构机“磕头”现象。为保证盾构机体进入洞圈内得到足够支撑，在钢洞圈底部45°范围内浇筑了一定高度砂浆混凝土作为洞圈内导向装置，让盾构机在刚进入洞圈后底部就可得到支撑。

2.2.2 泥水平衡建立及切口水压控制

盾构初始推力完全靠钢筋混凝土后靠及负环管片提供，因此为了提高管片拼装的安全性及增大千斤顶顶力，盾构在刚刚进入止水箱体的第二道橡胶帘布板时建立泥水平衡。

初始切口水压按照岸上段理论计算

式1中：P为切口水压值(kPa)；γx为各层土的容重(kN/m3)；Hx为各层土的厚度(m)（算至隧道中心）。

始发段施工时，由于盾构处于加固区域，且洞门还未封堵，切口水压的设定不宜过高，但必须能维持正常的泥水循环。在前18 m加固区内盾构推进过程中，为了减弱泥水后窜至工作井内等不利状况，在该阶段的推进中切口水压一般取0.08 MPa～0.12 MPa。

在已经完成洞门封堵后，根据计算切口水压逐步提高至0.15 MPa（刀盘破加固区理论切口压力），并根据地面沉降情况及时进行调整。盾构前100环掘进切口压力值变化，如图4所示。

图4 前100环切口压力变化值

2.2.3 泥水管理

大直径泥水气压平衡盾构施工循环泥浆性能指标是重中之重，根据不同的土体，泥水管理的要求和方法也不同。根据需要加入高分子材料调节比重、黏度、塑弯值、胶凝强度、泥壁形成性、润滑性，以此来满足不同地层施工要求。泥水平衡盾构使用泥水的目的也就是用泥水压力形成泥壁来谋求开挖面稳定，在防止塌方的同时，将切削下来的泥膜形成泥水并输送到地面。

（1）盾构掘进中进泥比重不易过高或过低，过高将影响泥水的输送能力，过低则会破坏开挖面的稳定。盾构在正常段推进时，泥水比重范围控制在1.20～1.25之间，但由于始发段覆土较浅、地层土质较差且穿越市政管线，因此实际施工中泥浆比重上调为1.26～1.28，以保证开挖面的稳定。前100环具体泥水比重变化情况，如图5所示。

图5 泥水比重变化折线

（2）在施工过程中，现场配备了泥水土工试验室，每一环推进前测试调整槽内工作泥浆的指标，及时调整至满足施工要求并记录在案，这样持续几环后，就可得出泥水指标的变化趋势，在指导配比的基础上，再根据推进地层情况作轻微调整。泥水监控是一个动态变化过程，而唯一检验配比是否合理的标准是地面沉降量，当沉降量得到控制后就基本可以控制泥水指标的变化趋势，使之稳定在某一区域内。

2.3 始发辅助措施

盾构在始发过程中，洞口与盾构壳体将形成环形的建筑空隙，本次始发的单边建筑空隙将达到285 mm（洞门与管片之间间隙）。为防止始发时土体大量从洞门外通过此建筑空隙窜入井内，影响开挖面泥水压力建立、开挖面土体的稳定以及工作井和盾构内的施工，必须设置性能良好的密封止水装置确保初始压力平衡的正确建立和施工安全。

本次盾构始发将在洞圈预埋钢板上布置一个止水装置。该止水装置按照实测盾构外形制造安装，在钢洞圈安装两道止水橡胶帘布板和铰链板。

由于始发工作井内衬墙为垂直墙，为确保止水装置中心与盾构3.0%的坡度中心线保持一致，止水箱体上部和下部加工时考虑3.0%的理论偏差量，最窄处750 mm，最宽处1 225 mm，以保证盾构始发后洞圈的止水效果。在洞圈外侧至钢洞圈内预埋布置24组2″注浆孔，在盾尾壳体进入箱体，当最后一道盾尾钢板束进入箱体100 mm即对洞门进行封堵，并通过预留注浆孔对洞门钢圈进行注浆以加强洞圈封堵效果。止水箱体下部60°范围内用混凝土充填，以支撑止水箱体。

为防止底部止水橡胶帘布板和翻板因自重无法翻起，拟对洞圈下部60°范围内的止水橡胶帘布板和铰链板翻板进行部分粘贴，通过翻板上的防翻限位使止水橡胶帘布板及时竖起，起到挡泥止水效果。洞门止水箱体结构，如图6所示。

图6 洞门止水装置及洞门封堵示意图

3 盾构掘进

盾构始发后，为了尽快熟悉掌握盾构的各类参数设置掘进试验段，通过盾构试验段推进过程中各参数设定与地层变化之间的关系，并对推进时的各项技术数据进行采集、统计、分析，在最短时间内确定盾构推进施工参数的设定范围为后续正常掘进提供掘进参数依据。

盾构穿越管线及通勤道路。盾构始发完成在掘进至第8环即需穿越规划在建道路，掘进至79环～103环时需穿越国道，330国道为主干道路，车辆通勤量较大无法进行改道或封堵，且下方埋设有燃气、电力、给水和通讯管线与隧道正交或斜交。为保证管线正常使用功能及道路正常通勤不受影响，因此应做好土体变形控制使盾构在各项参数稳定的情况下一次性通过，以此来减少推进过程中对土层的影响。

3.1 推进速度的控制

盾构穿越管线过程中，如若速推进度过快，则可能导致刀盘切削土体体积与干方量不平衡，造成盾构前方地面隆起，或者管片脱出盾尾后同步注浆浆液未凝固，造成管片上浮，以及盾尾密封油脂注入速度过慢、压力不足，导致盾尾涌水、涌砂造成地面沉降，且推进过程中应保证盾构机连续推进，盾构停机则可能导致盾构后退、机体下沉而造成刀盘前方土体失稳沉降和机体上方土体沉降。

3.2 同步注浆

由于盾构外径大于管片直径，管片与土体间会随着盾构推进产生建筑空隙，通过盾构掘进施工引起的地表沉降分析与研究表明及时填充这些空隙[1]，可减少施工对地面影响，故采用同步注浆法对建筑空隙进行及时注浆填充，保证实际注浆量为理论建筑间隙的120%～140%之间，并对注浆点进行压力、注浆量双参数控制以保证填充效果。

同步注浆浆液通过对砂、石灰、粉煤灰、膨润土外加剂等材料按照一定的比例进行配比可使其具有以下特点：流动性好，以保证注浆材料能充分填充到盾尾间隙的每一个角落且可进行长距离压送；保证填充后能在早期取得与土体相当或以上的强度；硬化后体积收缩量小、止水性好，由地下水造成的稀释小；施工方便且对地层无污染。

注浆压力差及上下注浆量差会对管片上浮产生影响，为了有效的控制盾构成型隧道轴线与设计轴线位置的最大程度贴合，在注浆过程中对注浆压力及注浆量采用双控原则，即隧道上部注浆量及注浆压力应略大于下部。

4 盾构停机

由于盾构台车以及盾构始发段结构特点，盾构始发后试掘进过程中需要对进行3号车架的行走机构进行转接，车架转接需分为2次进行，前轮转接在盾构掘进至＋5环进行、后轮转接在盾构掘进至＋27环处进行。

4.1 盾构停机措施

盾构两次车架转接停机都需较长时间，其中第一次停机还需人工凿除结构底板上部弧形混凝土时间较长，因此应做好软弱地层下停机保证措施。

（1）盾构停机期间盾构操作人员密切关注切口水压变化，每隔1 h记录一次中心液位；切口水压低于设定值0.2 bar即对泥水仓内进行补液，保证切口前方压力平衡。

（2）根据地面及管线沉降监测数据采取补压浆施工。若沉降达到警报值，将通过盾构车架上自带的注浆设备对沉降区域进行补压浆。压浆过程采取少量多次原则，压浆过程与监测施工配合进行，在确保沉降的同时保证管片的稳定。

（3）盾构长时间停顿有可能下沉。在此期间将通过自动测量系统对盾构轴线进行实施监控，若盾构下沉超过1cm将通过盾体注浆孔对盾构底部进行适量注浆。

（4）盾构停机期间通过壳体注浆系统对盾构壳体使用克泥效应急压注，按壳体注浆孔点位均匀对称压注，较好地起到及时填充间隙和止水的效果。

4.2 停机过程中所遇问题

两次车架转接分别耗时14 d、10 d，盾构长时间的停机造成了27环～33环处地面隆起报警、36环、39环处沉降报警。

4.2.1 原因分析

（1）地面隆起。27环在停机期间地面累计沉降达到23 mm，盾构复推后在盾尾脱离27环处，拟通过增大注浆量使地层隆起以保证地层损失率；管片脱离盾尾后，由于管片壁后流塑态砂浆产生浮力致使管片上浮较大，导致地面隆起报警。

（2）地面沉降。盾构机本体为锥形设计，盾尾与土体间存在30 mm的理论建筑空隙。在正常连续掘进过程中刀盘切削土体后，盾体背部的土体自重应力释放，会表现为微沉趋势，但随着盾尾通过后的同步注浆填充，理论建筑空隙会被充填。

由于停机时间过长，盾构机切口前方一定区域的土体在泥水的渗透下，自身的抗剪强度降低，盾构切削扰动后土体沉降可能会较为明显，因此位于盾体背部的36环、39环处沉降值偏大。

4.2.2 采取措施

（1）调整同步注浆量，控制注浆压力。

（2）加密监测27环～39环处的沉降变化情况。

（3）后续推进过程中控制隧道上浮。

5 沉降监测

盾构施工中地表沉降监测是盾构掘进过程中对地层影响的直观反应，也是对盾构推进速度、刀盘总压力、气泡仓压力、同步注浆等参数设定是否满足掘进要求以及掌子面稳定的直观体现。因此施工过程中应根据GB 50446－2017《盾构法隧道施工及验收规范》要求及施工现场具体情况布设监测点。

5.1 轴线监测点及断面监测点布设

始发段100环内延盾构轴线每3环设1个轴线测点；第9环、18环、27环、36环、45环、54环各布设1个监测断面。每条断面均为8个测点，隧道轴线正上方1点，两侧各4点，并垂直隧道轴线两侧对称分布，点距离分别为3 m、4 m、4 m、10 m。

正常推进区域（非试验段）6 m（3环）布置1点，同时在轴线走向上每30 m（15环）布置1条监测断面，在轴线左右两侧设点，断面测点间距为距离轴线3 m、4 m、4 m、10 m。监测点横断面布置情况，如图7所示。

图7 监测断面点位布置示意图

5.2 道路及管线监测点布设

5.2.1 通勤道路及施工厂区内硬化路面监测点布设

（1）地表沉降监测在穿越敏感建（构）筑物时可采用深层监测点，布设时穿透路面结构硬壳层，沉降标杆采用φ25 mm螺纹钢标杆，螺纹钢标杆深入原状土60 cm以上，沉降标杆外侧采用内径大于13 cm的金属套管保护。保护套管内的螺纹钢标杆间隙用黄砂回填。为确保测量精度，螺纹钢标杆顶部应在管盖下20 cm。具体示意，如图8所示。