超浅埋富水卵石地层公铁合建大断面盾构隧道掘进施工技术研究

巴伟军

（杭州市富阳区建设工程质量安全监督站，浙江 杭州 311499）

随着城市人口规模的不断扩大，城市的交通压力急剧增大，城市地面交通难以承受巨大的交通压力。因此许多大型城市开始建设地下交通网络，地下交通也成为城市交通网的重要一环，地铁隧道、地下公路隧道建设越来越多[1]。

在城市内部开挖隧道时，要求对周围土体的扰动较小以及尽量不影响城市地面的交通运行，所以城市内隧道开挖通常采用盾构法进行施工[2]。过江地铁隧道、过江公路隧道通常是位于富水卵石地层中的超浅埋隧道。由于隧道上层覆土的深度较浅，并且位于饱和水体中，在盾构开挖过程中浮力和隧道自身重力难以平衡，存在着隧道上浮偏离轴线的问题[3]。并且在盾构推进过程中隧道还会受到地基回弹的影响，一定程度上加剧隧道的向上偏离[4]。在开挖过程中，不采取一定的加固措施，隧道可能会出现开裂、漏水的情况，造成极大的生产事故。

针对上述的问题，许多学者对富水卵石地层中的超浅埋隧道施工进行了研究。胡长明等[5]为了提高盾构设备在富水砂卵石地层中掘进施工的能力，研究对富水卵石地层进行碴土改良的方法，并通过试验和数值模拟分析验证渣土改良剂的比例。戴志仁等[6]提出在隧道开挖过程中向中盾注入惰性浆液以增加隧道盾构掘进时可控性的方法。这为富水卵石地层中的超浅埋隧道掘进问题提供新思路。

本文基于杭州秦望通道工程盾构段线路工程实例，针对该类隧道施工问题，提出一种适用于超浅埋富水卵石地层公铁合建大断面盾构隧道掘进的施工技术。

1 工程概况

1.1 背景介绍

杭州秦望通道工程盾构段线路起始于富春江东南侧的江南始发井，如图1 所示。盾构机穿越江滨南大道和江南大堤进入富春江，横跨富春江后再下穿江北大堤和江滨西大道，最后到达江北工作井进行接收。线路全长为1253.9m，盾构机开挖隧道直径为15.76m。隧道段靠近江南始发井一侧120m 范围内为粉细砂、卵石土夹杂少量圆砾地层，后续934m 为全断面卵石地层，最后靠近江北工作井一侧200m 范围内为卵石土夹杂少量圆砾土地层。施工期间盾构隧道的覆土厚度仅为9.5m～13.6m，均小于1 倍隧道洞径，最小覆土厚度仅0.63D。该隧道属于超浅埋富水卵石地层的大断面盾构隧道。

图1 工程平面示意图

1.2 施工难点

本工程江南始发井附近地层主要由粉细砂、卵石土构成，该地层具有较强的透水性。盾构机在江南始发井开始进入土体时容易发生涌水、涌砂的情况，处理不当将会出现掌子面塌方等严重事故。

本工程隧道下穿富春江的防洪大堤，一旦大堤受损后果不堪设想。施工过程中必须减少对防洪大堤的扰动，确保防洪大堤的安全稳定。

本工程盾构隧道超大断面掘进且穿越富春江江底覆土层较浅，掘进过程中容易出现覆土击穿和管片上浮的问题。一旦发生覆土击穿将会使开挖过程中的泥浆进入富春江造成污染。管片上浮则会导致管片出现渗水、漏水的问题，严重时导致管片间隙间涌水、涌砂。

本工程盾构穿越透水性极强的地层时，保证盾构整体的密封状态，是本工程施工的难点。盾构机掘进过程中需要保持良好的姿态来取得较好的密封效果。

2 技术原理及方法

2.1 始发井土体稳定性问题

隧道的始发井靠近富春江，地质条件较差。盾构机在江南始发井开始进入土体时，需要打通洞门范围内的地下连续墙，穿越洞门。始发井周围地层主要由含水量高的粉细砂、卵石土构成，土体强度较低。打通地下连续墙时，土体极易发生涌水、涌砂的问题，处理不当将会出现掌子面塌方等严重事故。因此需要针对洞门处土体稳固问题，做出保险措施并装备应急预案。

2.2 盾构掘进产生扰动问题

在城市内部开挖隧道时，要求对周围土体扰动较小，盾构段尽量不影响城市地面的交通运行；同时，工程隧道下穿富春江的防洪大堤，保证富春江防洪大堤的安全。始发井到富春江大堤的距离为80m，地质条件较差，掘进过程中泥浆流失过多将对大堤产生影响。如何确保盾构平稳穿越富春江大堤，同时对周边土体产生较小的扰动，是隧道施工的难题。

2.3 隧道上浮偏离轴线问题

该工程隧道是穿越富春江江底的超大断面超浅埋隧道，覆土厚度为9.5m～13.6m，不足0.8D。由于隧道上层覆土的深度较浅，并且位于饱和水体中，在盾构开挖过程中隧道位于饱和土体中，浮力以及隧道自身重力难以平衡，存在着隧道上浮偏离轴线的问题。在盾构推进过程中，隧道还会受到地基回弹的影响，一定程度上加剧隧道的向上偏离。富春江是一级饮用水源，为一级风险源，一旦发生覆土被击穿，将会使开挖过程中的泥浆进入富春江造成污染。

2.4 隧道密封性问题

富水卵石地层中超浅埋隧道掘进过程中，管片受到浆液的浮力大于在饱和土中受到的浮力，管片会出现上浮问题。这会导致管片间隙出现渗水、漏水的问题出现，严重时导致管片间隙间涌水、涌砂；同时，隧道向上偏离也会影响管片的拼装，影响工程质量。

3 施工技术要点

3.1 始发井土体稳定性问题

始发井土体不稳定的问题在许多盾构工程项目中都会出现，这与隧道始发井所处的位置有关。对于这一类问题解决的方法、措施较为成熟，并且解决方案与工程实际地质条件有关。本文将介绍杭州秦望通道工程江南始发井采取措施，以供参考。

如图2 所示，该工程隧道掘进前先对地下连续墙的土体进行加固，提高墙后土体的强度稳定性。同时在开挖区域布置井点降水管，降低地下水水位至盾构设备能够安全进洞水平。破除洞门地下连续墙需要进行合理的设计，确保在快速拆除洞门时，墙后土体处于安全稳定状态。在盾构机推进的过程中应当缓慢掘进，不能损坏了洞门橡胶密封圈。

图2 洞门破除

3.2 盾构稳定掘进综合问题

盾构掘进产生扰动问题、隧道上浮偏离轴线问题以及隧道密封性问题这三类问题之间有相互联系，在实际工程中应当综合考虑。为解决隧道盾构稳定掘进综合问题，杭州秦望通道工程盾构段运用了一种适用于超浅埋富水卵石地层公铁合建大断面盾构隧道掘进的施工技术。该项施工技术研发了一种适用于大断面盾构隧道的同步双液注浆技术，以及一种基于VMT 隧道自动导向系统外加人工测量辅助的盾构姿态监测技术，并且在隧道掘进过程中利用预埋钢板抑制隧道上浮问题，确保施工质量与施工安全。

在技术研发中，同步双液注浆技术对原有的盾构注浆系统进行改进，在原有的基础上额外增加B液注浆系统。原理如图3 所示。原有的注浆管道在这一改动下变为了双液注浆管，从而能够完成浆液混合、同步注入以及清洗功能，同时同步双液注浆也显著提高了施工效率。混合浆液中添加快速凝胶，提高浆液质量的同时也加快凝胶速度，这使得管片脱离盾尾后能够快速被固定。同步双液注浆技术能够有效控制管片的安装姿态，抑制管片发生上浮的情况，有效减少管片间隙开裂发生渗水情况。

图3 同步双液注浆原理图

注浆系统采用8 个注浆孔同步注浆。为了更好控制注浆状况，在注浆孔布置压力传感器，从而实现注浆情况实时监控，保证达到设计注浆量。同步注浆让管片外侧因为开挖流失土体的区域得到浆液的填充，隧道掘进区域的地层沉降能够得到控制。在局部区域，可能存在管片外侧浆液分布不均匀、浆液稀释流失的情况，必要时需要进行二次补强注浆。特殊地段（尤其是本工程防洪大堤段）在施工过程中可以采用地表沉降信息实时监测外加管片侧超声波探测的方法，来判断隧道该地段是否需要进行二次补强注浆。

VMT 隧道自动导向系统能够全天候显示盾构机所处的实际位置，以及当前状态下和预先设计隧道轴线的偏差，并能够预测隧道掘进的趋势。VMT 隧道自动导向系统示意图如图4 所示。隧道掘进可根据VMT 隧道自动导向系统给出的信息调整控制盾构机掘进方向，使其按照施工计划进行掘进。盾构机掘进过程中导向系统的后视基准点需要通过人工来进行前移。为保证隧道掘进方向不发生偏差，每周至少需要进行两次人工测量来对自动导向系统校核，以确保盾构机的掘进姿态稳定正常。

图4 VMT 隧道自动导向系统示意图

盾构机使用的管片在管片的内环面侧布置沿环向和沿纵向的预埋钢板，在管片安装后可用T 形焊铁将管片环内部环与环、块与块之间的预埋钢板焊接起来，如图5 所示。预埋件焊接牢固后，再将剪力销安装到管片端面处，用于减小管片由推力产生的竖向分力，同时还能提高管片的安装精度。

图5 焊铁分布图

如图6 所示，采用预埋钢板外加焊接的方法相比于传统施工方法，能够有效保证隧道管片环的刚度。这对于富水地层隧道上浮向上偏离轴线的问题起到抑制作用，确保盾构掘进过程中隧道安全性和稳定性。

图6 管片外部预埋钢板焊接图

4 结论

针对超浅埋富水卵石地层公铁合建大断面盾构隧道掘进施工遇到的一系列问题，本文基于杭州秦望通道工程盾构段线路工程实例，对该类隧道施工问题进行研究：

（1）研发了一种适用于大断面盾构隧道的同步双液注浆技术，提高掘进效率的同时抑制管片发生上浮的情况，有效减少管片间隙开裂发生渗水的情况。同步注浆的快速凝固特性能够让管片外侧因为开挖流失土体的区域得到浆液的填充，隧道掘进区域的地层沉降能够得到控制。

（2）研发了一种基于VMT 隧道自动导向系统外加人工测量辅助的盾构姿态监测技术，能够实现盾构机实际位置和掘进姿态的全天监测，掘进方向发生偏转时能够及时纠偏。外加人工测量来对自动导向系统校核，以确保盾构机的掘进姿态稳定正常。

（3）研发了一种预埋钢板外加T 形焊铁焊接固定的方法，能够有效保证隧道管片环的刚度，减小管片由推力产生的竖向分力，同时还能提高管片的安装精度。这对隧道上浮向上偏离轴线的问题起到了抑制作用，确保了盾构掘进过程中隧道的安全性和稳定性。