软土地层盾构下穿浅覆土河床的施工技术研究

魏红波

中铁一局集团有限公司广州分公司，广东 广州 511400

近年来，我国各地区路桥工程、轨道交通工程建设规模越来越大，其中涉及大量的隧道工程，而盾构法在隧道施工中越来越常见。在部分地区，隧道需要穿过河流、湖泊，而此时隧道顶部和河床之间的距离比较短，这部分土层厚度小于盾构直径，被称作浅覆土。加上大多数河流湖泊底部土壤都属于典型的软土层，导致盾构下穿施工难度高，且面临较大的风险。因此，有必要就软土地层盾构下穿浅覆土河床施工技术进行深入研究，提高施工质量。

1 工程概况

绍兴市轨道交通1号线镜湖站—凤林路站区间左右线全长分别为1338.4m和1337m，投入2台ϕ6910中铁装备土压平衡盾构机施工，管片外径为6700mm，厚350mm。工程在右K31+958.8～右K32+300、左K31+955.8～左K32+300下穿大溇河（河宽约350m），水域段隧道中心埋深在9～12.5m，上部水深3m左右，河道底部覆土最小厚度为5.1m。在该工程盾构下穿浅覆土河床区域中，软土地层主要由粉质黏土、淤泥质粉质黏土等构成，土层透水性和渗透性都非常差。

2 工程施工难点和风险

通常情况下，采用盾构法进行下穿浅覆土河床施工时，河道段的浅覆土区域埋深变化存在不确定性，同时覆土的厚度变化对施工也会产生一定影响。在该工程中，从河岸位置转入河底区域的浅覆土有约2m的直线高差。在盾构掘进过程中，土层压力变化较大，如果此时没有调整好土层压力，或者掘进过程中的出渣量超过合理范围，都可能导致支护系统失稳，很容易造成河底冒顶。另外，在盾构穿越河床底部位置时，如果盾构机盾尾密封装置出现问题，此时注浆压力过大，可能会造成涌水问题，给工程施工带来严重不良影响。

因此，如何处理软土层、浅覆土河床等施工条件带来的影响，降低施工风险，提高施工质量，是施工单位需要深入思考和探究的问题。

3 施工技术应用要点

3.1 前期勘察

在盾构下穿施工之前，需对施工现场及周边地质结构、水文条件进行全面勘察，尤其要明确河道、桥桩结构状态。同时，勘察分析河底隔水层连续性、结构状态、渗透系数等，为后续下穿施工方案的制订提供可靠的数据参考。然后，在盾构穿越前进行模拟推进，优化施工方案。

3.2 盾构姿态调节

基于试验段掘进姿态的模拟分析，结合该工程现场实际情况，确保盾构姿态可以充分做到可控。然后，考虑到该工程可能出现的隧道上浮的情况，在下穿施工之前做好技术交底，确保各单位明确盾构设备相关参数及工程施工方案具体标准。接着，按照施工班次，明确每个环节的盾构姿态，并设定好推进姿态的相关参数。该工程中，盾构推进姿态目标值分别如下：水平前点和后点均为-10～10mm，垂直前点和后点分别为-25～-20mm和-30～-25mm。

3.3 土压力及掘进速度控制

下穿大溇河采取分段计算土压方式，依次为下穿前（试验段）→下穿中→下穿后。掘进过程中土仓内的压力等于盾构顶部静止土压Pe乘以土的静止侧向压力系数k，据此进行控制，根据静止土压力的变化，应及时进行调整，使土仓压力始终保持在静止土压力与被动土压力之间。下穿前和下穿后土仓压力计算公式均为

式中：Ps为围岩的竖向压力，kN/m2；γ为天然重度，kN/m3；h为分层厚度，m。γ和h由地勘报告中相应土层物理力学参数获得，④2粉质黏土层侧压力系数k取0.43。

下穿过程中土仓压力计算公式为

式中：P0为地面荷载，按20kN/m2取值；PW为河水的竖向压力。

式中：γw为水的重度，按9.8kN/m3取值；H为河水深度。

经过勘测计算，穿越段施工期间，将土压力由初期的0.1MPa逐步调整至0.06MPa，最后调整至0.1MPa。在掘进施工前期，要充分结合渣土称重记录及各类监测数据对土压力进行合理调整。另外，盾构下穿施工中要严格控制好盾构机的掘进速度。该工程中，将设备刀盘转速控制在0.6～0.8r/min，掘进速度控制在20～30mm/min。

3.4 出渣量控制

出土量计算公式如下：

式中：D为开挖直径，m；L为管片宽度，m，取1.2；η为松散系数，取1.1。

中铁装备开挖直径为6910mm，计算得出排土量V=49.5m3。根据绍兴类似地层掘进出土情况，盾构掘进时的实际出土体积约为49m3/环。用18m3渣车出土计量，每环不超过3斗，过程中一旦有超量现象，必须对该区段进行处理，包括洞内二次注浆等措施。施工过程中要做好渣土比重试验，施工各环节要控制好出土量，以环为单位收集相关渣土承重数据，再结合试验数据进行合理性分析，可对土压进行调整。

3.5 注浆控制

在盾构掘进过程中，管片会脱离盾尾，管片外壁与地层土体之间会形成一道环形空隙。为了尽快填充环形间隙，防止地层变形过大而危及建（构）筑物安全，需要进行注浆。同步注浆量根据下式计算：

式中：V为注浆量，m3；L为管片长度，m；D1为开挖直径，m；D2为管片外径，m；λ为充填系数，根据地层情况确定，该工程软土地层取1.5。经计算，可得V=[π×1.5×1.2×（6.92-6.72）]÷4=3.8m3。

在下穿浅覆土河流的过程中，需对同步注浆加强控制，暂定初始穿越水域时的注浆量为3.8～4m3/环，浆液比重控制在1.8g/cm3以上，确保注浆饱满、注浆压力适当降低，做到缓慢、均匀注浆。注浆作业过程中的压力控制在0.18～0.23MPa，注浆要与掘进同步进行，如不能注浆，严禁推进，通过控制同步注浆压力和注浆量两个参数来保证注浆质量，避免后期沉降超过允许标准。

同步注浆基本上已经填充了掘进开挖时的空隙，受管片渗漏、管片姿态及地面沉降等因素的影响，通常要进行二次补浆，二次注浆压力要略高于同步注浆的压力。在该工程中，二次注浆要严格按照规范流程进行作业，根据盾构穿越施工中隧道上浮情况，注浆压力为0.22～0.25MPa，注浆量为同步注浆量的20%，具体要结合现场实际情况进行调整。注浆过程中要时刻观察管片状态，一旦发现裂缝、漏浆、变形等异常状况，要立刻停止注浆，分析原因，采取控制措施后再进行注浆施工。无论是同步注浆还是二次注浆，都应当保证一个区域及工程结构的注浆连贯性，非特殊情况下要避免停滞、中断。

4 施工安全质量保证措施

（1）加强设备管理。为了进一步保证施工质量，在盾构机掘进到距浅覆土河床区域约20环位置时，要暂停施工，对设备进行检修和保养。合理的检修保养是保证盾构机等关键设备运行稳定的关键，有助于降低设备故障率，提高设备运行效率，确保工程按照计划正常推进。针对盾构机设备的检修、保养项目主要包括以下几方面：①检查主驱动系统是否正常运转，检查刀盘减速机、液压泵等是否存在异响；②检查盾尾封油脂注入系统是否处于正常状态，杜绝任何渗漏情况，确保注入管道畅通无阻；③检查同步注浆设备状态，避免管路出现固结、堵塞现象，每次检修保养都要对注浆系统进行清理；④检查渣土改良系统，确保泡沫、水、气等管路畅通，改良效果良好。特别要注意，在盾构机施工及停机检查阶段，要持续通过气体检测仪对结构内部有害气体进行监测，便于判断是否存在有害气体泄露的现象，保障作业人员安全。

（2）制订相应的应急预案。在软土地层盾构下穿浅覆土河床施工中，可能面临多种复杂情况以及各种风险，为了保证施工质量和安全，有必要制订一套完善的应急预案，做好施工队伍及管理队伍的组织管理，在施工现场设置必要的避难室，并储备相应的应急物资。在施工中，要通过各类仪器监测及专人的定期巡查及时发现各类风险，做好事故预警，从而有效规避和应对风险。

5 结束语

虽然目前我国盾构法施工技术越来越成熟，但是在复杂的施工条件下，依然面临各种困难和风险。比如软土地层盾构下穿浅覆土河床的工程，需要施工单位做好充分的施工准备，基于全面的现场地质、水文条件勘察，结合大量的监测数据分析，制订合适的盾构下穿施工方案。同时，施工中要严格加强各个环节的施工管理，做好盾构机设备的日常检修、维护和管理工作，结合完善的应急预案，严格保证施工质量和安全。