富水軟弱地層淺覆土盾構掘進施工技術研究

摘要：文章以深圳地鐵11號線11301-1標項目在深圳市城市主干道深圳大道下開展淺覆土盾構掘進施工經驗為依托，針對復雜地面交通環境、富水軟弱地層條件下淺覆土盾構掘進施工技術開展研究，分析了影響淺覆土富水軟弱地層盾構掘進地面沉降控制的兩個重要因素，并結合實際監測結果逐步確定同步注漿壓力、同步注漿量和土倉壓力等相關技術參數，在保證地表沉降可控的條件下，開展提升淺覆土掘進盾構施工效率的技術研究。

關鍵詞：富水地層；軟弱圍巖；淺覆土；盾構掘進；同步注漿；土倉壓力 文獻標識碼：A

中圖分類號：U455 文章編號：1009-2374（2015）03-0121-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0250

1 概述

伴隨近些年來城市地下軌道交通的高速發展，國內多個一線城市形成了密集、便利的地下軌道交通網絡，也因此給地鐵隧道施工提出了許多關于上下重疊隧道、淺覆土盾構施工、地面環境復雜的隧道施工等技術難題，尤其是在地面交通量大、覆土厚度不足1倍洞徑、覆土地層軟弱而且含水量大的情況下，進行雙線隧道長距離盾構施工，在國內城市軌道交通施工層面尚無經驗資料可以參考。

深圳地鐵11號線11301-1標福田站～車公廟站區間工程位于深圳市福田區深南大道沿線敷設，左右線隧道采用盾構法施工，盾構直徑6.28m，襯砌管片厚度30cm，承擔左線隧道施工任務的是德國海瑞克土壓平衡盾構機，右線采用國產中鐵裝備土壓平衡盾構機。由于隧道與深圳地鐵1號線購香區間分別在DK1+561.8和DK1+591.6處存在上跨交叉關系，左、右線盾構在穿越1號線既有區間之前一直處于連續上坡掘進，因此左線在ZDK1+337.404～ZDK1+500、右線在YDK1+344.3～YDK1+500處覆土厚度達到小于一倍洞涇的淺覆土狀態，左、右線在淺覆土狀態下掘進長度分別為162.6m和155.7m，而且在這段隧道掘進過程中同時面臨著洞頂覆土軟弱（圍巖等級為Ⅵ級）、上覆隔水層不連續、透水性和富水性好等不良地質條件，從地面情況上分析由于隧道埋設位置位于深圳市深南大道路面以下，屬于深圳市交通主干道，交通量達6萬量/日，具有行車荷載大和塌陷后果嚴重等特點。在以上一系列不利因素影響下開展淺覆土盾構掘進面臨著路面沉降過大甚至塌陷、地面涌泥冒漿、周邊建筑物基礎變形等眾多風險，因此在進行淺覆土掘進施工之前，承擔施工任務的中鐵六局盾構分公司組織多次技術討論會和專家會，制定了降低和控制土倉壓力，保證一定的掘進速度嚴格控制出土量，根據地面監測結果調整同步注漿量等措施最終達到平穩、連續掘進，地面沉降可控的理想目標，并且成功掌握了復雜狀況下的淺覆土盾構掘進技術，取得了較好的社會經濟效益。

2 工程技術特點

2.1 工期保證

利用本工法所提出的渣土改良技術和盾構機操作方法，在螺旋機轉速不超過15轉/min的情況下最快可以將掘進速度提高至90mm/min以上，有效地保證了單班掘進進度，在本項目單線一列電瓶車編組掘進情況下可以保證平均7環/班的進度。

2.2 安全保證

在本標段利用淺覆土盾構掘進技術施工過程中沒有發生累積沉降超標或地面沉陷事故，也有效避免了地面涌泥冒漿、人員傷亡等事件的發生。

2.3 成本保證

本工法實施階段通過對注漿量和地面監測情況的實時比較，確定了淺覆土掘進的可控同步注漿量，不僅達到了控制地面變形的目的，同時節約了注漿材料，節約了部分項目開支。同時由于工程進度沒有因為技術難題而延誤和滯后，避免了工期和資金浪費。

3 適用范圍

隧道埋深小于1倍洞徑，施工地層主要為礫質粘性土、淤泥質粘性土、可塑狀粘性土等軟弱圍巖的盾構掘進施工，地面環境較為簡單、上層覆土含水量小且比較穩定，也可以參考本工法的技術要點進行統籌組織施工。

4 工藝原理

通過盾構機逐步進入淺覆土掘進階段對地面沉降變形情況進行連續監測，從而對推進過程中的土壓、推力、泡沫注入量、渣土改良手段和效果、推進速度、螺旋機轉速等參數進行全面改進，盾體通過后對監測點的繼續觀測確定同步注漿量與地層變化之間的相互關系從而確定淺覆土掘進同步注漿的具體方量和漿液配比，在穩定地表變化的基礎上，對掘進過程中操作技術加以改進和提高，達到進一步提高推進速度和加快施工進度的目的，最終形成一整套關于富水軟弱地層淺覆土盾構掘進施工的具體技術方法。

5 施工工藝流程及操作要點

5.1 施工工藝

5.2 操作要點

5.2.1 土倉壓力等關鍵參數的確定。頂板上方覆土厚度不足1倍洞徑的地下隧道定義為淺覆土隧道，采用盾構法進行淺覆土隧道掘進施工時，首先應確定土倉壓力控制值，按照以往施工經驗，在Ⅳ級礫質粘性土地層中開展盾構施工土倉壓力應按照上壓1.1bar進行控制，但對于淺覆土軟弱圍巖尚無掘進記錄可以參考，因此只能先制定地面變形控制指標，以此逐步指導土壓控制值。

（1）土倉壓力的確定及分析。在進入淺覆土掘進階段初期（ZDK1+330），監測點ZD75處出現地表最大垂直變形為3.77mm，經過與推進參數的比較發現土倉上部壓力按照1.0bar進行推進不能夠滿足淺覆土軟弱地層的控制變形要求，應及時進一步降低土倉上部壓力。因此在ZDK1+340附近掘進時土倉上部壓力控制在0.9bar左右，此時監測點ZD76最大垂直變形為2.79mm，依然不能滿足0.5～1mm的控制要求。最終經過數次試驗與摸索，土倉上部壓力控制值最終確定為0.3～0.4bar。地表垂直變形最大為0.51mm，最小為0.22mm，達到預期的控制目標。

（2）單個監測點垂直變形分析。在盾構掘進至某個里程段直至盾體通過之后對里程段內單個監測點的地表垂直變形進行統計分析發現，土倉壓力保持在0.3～0.4bar左右，在這個掘進過程中和盾體通過之后都不會造成地表變形過大的不利影響，能夠滿足安全性控制要求。

5.2.2 注漿量及漿液配比的確定。在進行同步注漿量控制值確定過程中也采用了結合監測結果同步比較的方式進行，與土倉壓力確定過程不同的是注漿量的確定指標是依據盾體穩定通過后地表變化逐步趨于靜止時所累積的垂直變形。

（1）理論注漿量計算。根據以往施工經驗來講，同步注漿量一般由刀盤切口環與管片之間空隙體積及漿液的擴散系數來決定，對于直徑為6.28m，管片長度1.5m盾構隧道來說，每環同步注漿量計算如下：

注漿量=π×（R2-r2）×L×a/4

式中：

R——刀盤切口環直徑

r——成形隧道直徑

L——每環管片長度

a——擴散系數（一般按1.5考慮）

根據項目實際情況計算后，每環注漿量控制值應為6.07m3。

（2）實際注漿量確定。但是對于淺覆土軟弱地層掘進施工來說，公式所計算的理論注漿量并不能直接套用，仍需考慮淺覆土自身能夠承受的充填壓力，還需考慮經過盾構施工擾動后對覆土造成的破壞，這種破壞對于同步注漿來說極易引起漿液上竄至地表造成涌泥冒漿。因此只有在實際施工中聯系地表累積垂直變形情況和地表感官反應才能最終確定同步注漿量。

在淺覆土掘進初期階段，同步注漿量首先確定為5.5m3，結果不僅造成了垂直累積變形過大的情況，而且出現漿液沿勘探孔上升冒出地面的事件，因此在后續施工中一直采取結合監測結果逐步減小同步注漿量的措施，最終確定每環同步注漿量為3.0～3.5m3，地表累積垂直變形也最終穩定于1.62mm。

（3）注漿材料配比確定。在同步注漿材料的配比上，考慮到覆土地層的富水性，應對注漿材料的防水性能加以著重考慮，因此同步注漿材料應考慮加入膨潤土以增強注漿后的防水效果；水泥采用P0.32.5，以提高注漿結石體的耐腐蝕性，使管片處在耐腐蝕注漿結石體的包裹內，減弱地下水對管片混凝土的腐蝕；同時考慮到漿液在注入后受到地下水的稀釋，凝結時間不宜控制，因此可以在漿液中適當增加粉煤灰的比例；由于在實際施工中砂的質量一般不容易保證，經常造成堵塞注漿管的現象，因此應適當減少砂的含量。所采用同步注漿配合比為：水泥100kg/m3，膨潤土80kg/m3，粉煤灰220kg/m3，，砂350kg/m3，水330kg/m3。經多次抽樣檢測砂漿稠度值平均為107mm，比重為1.89kg/L，凝結時間為6～8h，能較好滿足實際施工需要。

5.2.3 保證掘進速度的措施。軟弱地層中開展盾構掘進，控制出土量的前提條件是盡量減少擾動，適當提高掘進速度。由于粘性土自身強度不高，掘進中刀盤扭矩一般不會成為限制掘進速度提高的因素，在實際施工中，做好渣土改良成為提高掘進效率的關鍵環節。

由于隧道區間埋設于深南大道路面下，但是對于綠化帶和車行道來說，其地下土質也不盡相同。綠化帶下覆土松散、含水量大，與其地表種植環境的濕潤、荷載作用小有很大關系。而車行道下土質密實、含水量較低，與其地表車行荷載重、道路基層排水性好、路基在碾壓過程中施工質量高有直接關系，因此在掘進中應按不同土質環境來選擇不同的掘進方法。

（1）重荷載路面下掘進方法。土質較為密實、含水量低時采取加入水適當稀釋的措施來降低螺旋機壓力，提高出土連續性。在實踐中采用膨潤土罐來貯存改良用水，同時在土倉壁上連接兩根水管同時向土倉內補水。膨潤土罐的注入流量設置為170L/min，循環水的壓力在掘進過程中要保持0.4bar以上，確保水的注入量充足。在地層較為密實的情況下利用這種改良方式可以保證螺旋機在14r/min的運轉中壓力不超過80bar，此時在土倉壓力恒定的條件下提供80mm/min以上的掘進速度，同時應兼顧刀盤扭矩的變化，發現扭矩持續增大時應適當減小掘進速度。

（2）綠化帶下掘進方法。掘進過程中應密切注意出渣口土質的改良效果及皮帶機的轉動情況，防止土質含水過大產生噴涌，避免土質過干導致出渣口堆積過多粘土增大皮帶阻力而產生打滑現象。一旦在掘進中產生噴涌，應立即將螺旋機轉速調整至1.0r/min以下，同時將螺旋機閘門關小，直至皮帶機轉動可以支持出土量的運送為止，及時調整渣土改良手段，適當減小或關閉土倉內水分注入，在刀盤扭矩不大的情況下可以提高掘進速度，盡量縮短噴涌持續時間。

由于在實際操作中渣土改良工作一直執行較好，掘進速度一直可以穩定在75mm/min左右，出土量穩定可控，約63方/環。

5.2.4 掘進操作技術的改進。經過每一環施工各關鍵工作環節的時間進行統計可以發現，掘進時間在循環中所占比例非常高，同時也是最具有可壓縮性的一個環節，技術熟練的操作司機可以大幅度縮短掘進時間，提高整個循環的工作效率。單環盾構掘進施工工藝流程為：（1）電瓶車進入吊運管片位置（占整環工作時間11%）；（2）解編進入出渣位置（占整環工作時間2%）；（3）盾構掘進（占整環工作時間25%）；（4）連接電瓶車編組駛出隧道（占整環工作時間12%）；（5）吊運渣土（占整環工作時間33%）；（6）管片裝車進入下一循環（占整環工作時間17%）。

在提高掘進效率方面，首先應做好渣土改良工作，保證充足的用水供應。其次可以在電瓶車解編時操作司機有意識地提前開啟刀盤并開始掘進，保證留有充足的時間使掘進速度能夠穩步建立，解編后渣車就位時掘進速度已經穩定，再開始轉動螺旋機并出土，這樣可以有效控制出土量，同時節約了推進所占時間。

在每一個渣斗即將裝滿時可以提前把掘進速度降低至50mm/min，螺旋機出土速度保持不變，更換渣斗時可以繼續保持低速掘進，換斗后先將土倉中積土排出，控制土倉壓力恒定，再大幅度提高掘進速度、高速推進。

5.2.5 監控量測。采用精密水準尺儀，銦鋼水準尺、30m檢定過的鋼卷尺進行沉降觀測。線路沿線一般的多層建筑物和地表沉降，按國家三等水準測量技術要求作業，高程中誤差≤±2.0mm，相鄰點高差中誤差≤±1.0mm。

正常情況下，沿隧道中線上方地面每隔5m布設一個沉降觀測點，每隔20m建立一個監測橫斷面，該斷面垂直于隧道中線，每個斷面上布設5個觀測點，其中隧道中線上方一個點，左右間隔5m各一個點。對于軟弱土層、或埋深較淺的區域，應根據隧道埋深和圍巖地質條件，加密監測斷面和測點。為了防止路面硬殼層不能及時、準確反映地層實際沉降情況，造成路面下方虛空，需鉆穿混凝土路面并在路面以下地層中打入短鋼筋布設觀測點，以便對地層的沉降情況進行監測。

盾構機機頭前10m和后20m范圍每天早晚各觀測一次，并隨施工進度遞進；范圍之外的監測點每周觀測一次，直至穩定。當沉降或隆起超過規定限差（-30/+10mm）或變化異常時，則加大監測頻率和監測范圍。操作人員應及時了解監測數據變化情況，同時與掘進中所保持的土倉壓力、注漿壓力、注漿量等參數進行反復比對，確保地表變形控制在最低限度。

6 結語

通過在富水軟弱淺覆土條件下開展盾構掘進施工，在過程中反復摸索土倉壓力、同步注漿壓力和同步注漿量的參數，形成了一整套關于淺覆土盾構施工的技術控制指標，將地表累積垂直變形控制在20mm以內，達到了設計及相關規范的要求。在深圳地鐵11號線11301-1標淺覆土盾構施工中未出現地下空洞、坍塌等工程事故，圓滿完成施工任務，取得了良好的經濟效益及社會效益。

作者簡介：王宇聲（1985-），男，遼寧鳳城人，中鐵六局鄭州市南四環至鄭州南站城郊鐵路工程一期工程06標段工程管理部副部長，助理工程師，研究方向：城市軌道交通、盾構隧道施工。

（責任編輯：陳 倩）