石家莊地鐵1號線土壓平衡盾構施工掘進參數研究

關輝輝，王 軍，劉中心

(1.中鐵西南科學研究院有限公司，四川成都 610031;2.中鐵港航局集團有限公司，廣東廣州 510660;3.中鐵上海工程局有限公司，上海 200436)

石家莊地鐵1號線是石家莊市首條地鐵線，該線路貫穿中山路東西方向，地質條件及環境較為復雜，埋深淺、周圍建(構)筑物多，施工難度大，也是首次將盾構法應用于該市地鐵隧道施工。1號線一期工程共有21個區間，其中盾構法施工隧道占區間隧道總長的2/3，因此，研究盾構法施工對該市地鐵建設有重大意義。本文以石家莊地鐵1號線地質條件為背景，依據三種地層盾構先期施工情況，分析歸納其盾構掘進參數，并通過監控量測驗證施工參數的合理性，優化盾構施工技術，為該地區后續盾構施工提供參考。

1 工程概況

石家莊地鐵1號線西起西王，沿中山路向東，穿過京珠高速公路后，轉向南至長江大道，之后沿長江大道向東至秦嶺大街向北，到達終點南村站。全長23.9 km，均為地下線，共21個車站，平均站間距1.215 km。

石家莊地鐵1號線沿線穿越地層主要有新近沉積黃土狀粉土②3層、黃土狀粉質黏土③1層、黃土狀粉土③2層、粉細砂④1層、中粗砂④2層、粉質黏土⑤1層等。

工程沿線45 m深度范圍內地下水類型以潛水為主，地下水位普遍較深，整體地下水位沿東西方向呈漏斗狀，以省博物館站為漏斗中心，地下水位埋深達55 m，地下水位向東西方向逐漸變淺，埋深一般在25～50 m。

2 地鐵工程特點分析

1)地質條件的典型性

石家莊地鐵1號線呈東西走向，工程地質環境較為復雜，具有一定代表性，地層物理力學性質差異大。根據隧道穿越的地層可分為三段，分別為黃土狀粉土、粉質黏土段;黏土質與砂質結合段(復合段);粉細砂、中粗砂段。

2)地鐵工程的復雜性

本工程沿線地表環境較為復雜，主要穿越石家莊繁華地帶，且路面車流量大。同時地下管線密集，種類繁多。為保證地鐵沿線道路、管線及居民區的安全，地鐵施工過程中控制地表沉降是施工的重中之重，因此優選盾構法作為地鐵隧道掘進的施工方法。

3 典型地層盾構施工技術

3.1 黏土質地層段

1)地質情況

本段調研的典型盾構區間為西王站—時光街站和時光街站—長城橋站。根據勘察資料，該地層段區間隧道穿越地層主要為黃土狀粉土層、粉質黏土層和粉土層，覆土厚度約為9.9 m。

①黃土狀粉土層:黃褐色，孔隙比0.712，密實，含水率16.9%，稍濕，可見小孔，含鐵錳氧化物和云母片，少量姜石，無搖振反應。

②粉質黏土層:黃褐色，可塑，中等壓塑性，土質不均一，含姜石，局部富集，夾粉土、細沙薄層，連續分布。

③粉土層:黃褐色，孔隙比0.684，密實，含水率21.2%，濕，中等壓縮性，土質不均，含姜石較多，可見鐵、錳質浸染，局部與粉質黏土呈互層，層內夾細砂薄層。

2)盾構掘進施工關鍵參數的確定

盾構掘進過程中，合理選擇盾構施工參數(土倉壓力、盾構機總推力、刀盤扭矩、掘進速度、注漿壓力、注漿量等)能有效地保持開挖面穩定和控制地表沉降，盾構始發段尤為重要。

所選參數是否合理，需要地表沉降、管線沉降等監測數據來驗證，只有將監測結果與施工有效地結合，才能優化盾構掘進參數，保證盾構順利推進。根據設計文件及工程實際情況，沿隧道軸線方向每10 m布設一個沉降測點，每50 m布設一個監測斷面，斷面上布設11個測點。通過在掘進過程中現場采集并記錄的盾構施工參數，繪制出盾構在掘進過程中的施工參數曲線，見圖1。盾構在黏土地層掘進時地表累計沉降曲線見圖2。

圖1 黏土地層各掘進參數變化曲線

圖2 盾構在黏土地層掘進時地表累計沉降曲線

分析圖1、圖2可知，盾構機掘進至4環時，由于考慮洞門密封效果及反力架強度、剛度等因素，盾構土倉壓力、注漿壓力、同步注漿量及總推力均要相應降低，故該處地表產生了－11.62 mm的沉降。當盾構掘進至37環時，因土倉壓力(0.08 MPa)較小，且同步注漿量(4.0 m3)未控制好，推力(7 150 kN)較小，致使該處地表沉降較大，達到－10.15 mm，對比其余斷面地表沉降及施工參數，該區域盾構施工參數控制明顯較差。

通過統計盾構始發段的掘進參數與地表沉降的關系可知，在出土量、注漿壓力相同或相似時，地表沉降隨土倉壓力及注漿量增大而有所減小，隨掘進速度增大而增大，而盾構機推力及扭矩對地表沉降影響較小，且刀盤轉速過快容易產生高溫，使刀盤結泥餅的幾率增大。因此合理選擇土倉壓力、注漿量及掘進速度是控制黏土地層地表沉降的有效途徑。

對石家莊地鐵1號線西王站—和平醫院站盾構區間掘進參數及地表沉降數據進行統計分析，見表1。

表1 黏土質地層段盾構掘進參數及地表沉降值

3.2 復合地層段

1)地質情況

本段現場調研的典型盾構區間為和平醫院站—烈士陵園站、烈士陵園站—中山廣場站、省博物館站——體育館站及北宋站—談固站。根據勘察資料，該段盾構區間穿越地層主要為粉質黏土層、粉細砂層和中粗砂層，覆土厚度約為7.9 m。

①粉質黏土層:黃褐色，可塑，中等壓塑性，土質不均一，含姜石，局部富集，夾粉土、細沙薄層，沿區間線路零星分布。

②粉細砂層:褐黃色，中密，稍濕，砂質較純，以石英、長石為主，含少量粉質黏土塊，顆粒均勻，分選較好，沿線路連續分布。

③中粗砂層:褐黃色，中密，稍濕，砂質純凈，主要成分為石英、長石、云母，含少量粉質黏土塊，向下粒徑漸粗，層底可見礫砂薄層，沿線路連續分布。

2)復合地層盾構掘進關鍵參數的確定

掘進速度、土倉壓力、總推力及扭矩是評價盾構機工作性能的重要指標，一般在掘進過程中呈動態變化。復合地層中施工時掘進參數變化曲線見圖3。

圖3 復合地層各掘進參數變化曲線

分析圖3可知，復合地層段中盾構總推力、扭矩及土倉壓力數據離散性較大，可說明復合地層段由于地質條件不斷變化，總推力及扭矩不易控制。根據多個區間統計得出該復合段推力宜為7 100～8 500 kN，扭矩2 100～2 300 kN·m，土倉壓力0.08～0.10 MPa。在軟硬不均地層刀盤轉速及掘進速度離散性較小，說明該種地層對刀盤轉速及掘進速度影響不大;復合段出土量與同步注漿量基本控制較好，注漿率達到160%，在復合地層段由于巖性軟弱，顆粒松散，因此注漿壓力不宜過大，避免出現跑漿現象。通過地表沉降數據進行驗證，該段所選施工參數較為合理。

對和平醫院站—中山廣場站盾構區間、省博物館站—體育館站盾構區間及北宋站—談固站盾構區間的掘進參數及地表沉降進行統計分析，結果見表2。

表2 復合地層段盾構掘進參數及地表沉降值

3.3 砂質地層段

1)地質情況

本段調研的典型盾構區間為朝暉橋站—留村站、火炬廣場站—南村站。根據勘察資料，該段盾構區間穿越地層主要為粉細砂層和中粗砂層，覆土厚度約為10.9 m。

①粉細砂層:黃褐～灰白色，中密～稍密，稍濕，中～低壓縮性，砂質純凈，顆粒均勻，以長石為主，含少量粉土塊，顆粒均勻，分選較好，沿線路連續分布。

②中粗砂層:灰白色，中密～稍密，中～低壓縮性，砂質純凈，以石英、云母為主，沿線路連續分布。

2)復合地層盾構掘進關鍵參數的確定

砂質地層中掘進時地表累計沉降曲線見圖4。砂質地層中施工時各掘進參數變化曲線見圖5。

圖4 砂質地層中掘進時地表累計沉降曲線

圖5 砂質地層中施工時各掘進參數變化曲線

分析圖4、圖5可知，盾構機自始發至40環，其出土量、刀盤扭矩、土倉壓力、刀盤轉速、推進速度基本保持一致，而注漿量和推力隨著環數的增加而不斷變化，但地表沉降變化較小。說明該段地表沉降主要受注漿量和推力的影響，即地表沉降隨注漿量增大而減少，隨推力增大而減少。當盾構機由40環掘進至100環時，因注漿量減少地表沉降明顯增大。因此，在砂質地層中盾構掘進時注漿量是影響地表沉降的最主要因素。通過對多個區間掘進參數與地表沉降的分析，盾構機在砂質地層段掘進時，宜采用小推力、低壓力、高注漿量的推進模式。

對石家莊地鐵1號線砂質地層段的掘進參數及地表沉降數據進行統計分析，結果見表3。

表3 砂質地層段盾構掘進參數及地表沉降值

4 結論

通過對石家莊三種地層中盾構掘進參數的統計，結合地表沉降監測數據，得出以下結論:

1)對于總推力、土倉壓力而言，黏土地層段＞復合地層段＞砂質地層段;對于同步注漿量而言，由于地層特性不同，砂質地層段要比黏土地層段和復合地層段大。出土量及注漿壓力相同或相似時，同步注漿量及土倉壓力是三種地層地表沉降影響最大因素。在砂質地層段適當增加同步注漿量，保持土倉壓力合理性是控制盾構施工地表沉降的有效途徑。

2)軟弱地層或者盾構始發段宜采用小推力、低壓力、高注漿量、低掘進速度、洞門早封閉的掘進模式。

3)盾構穿越的地質條件不同對地表沉降的影響也不同。黏土地層段地表沉降值較小，復合地層段次之，砂質地層段最大。

4)盾構在掘進過程選擇的施工參數是否合理，需要地表沉降等監測數據進行驗證，只有將監測結果與施工有效的結合，才能保證盾構順利掘進。

［1］張恒，陳壽根，鄧稀肥.盾構掘進參數對地表沉降的影響分析［J］.現代隧道技術，2010，47(5):48-53.

［2］趙耀強，李元梅，朱世友，等.不同地層條件盾構始發對地表沉降影響規律研究［J］.隧道建設，2011，31(4):463-469.

［3］劉建國.深圳地鐵軟硬不均復雜地層盾構施工對策［J］.現代隧道技術，2010，47(5):79-83.

［4］宋天田，周順華，徐潤澤.盾構隧道盾尾同步注漿機理與注漿參數的確定［J］.地下空間與工程學報，2007，4(1):130-133.

［5］劉招偉，王夢恕，董新平.地鐵隧道盾構法施工引起的地表沉降分析［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(8):1297-1301.

［6］衛俊杰，羅漢中，黃醒春.復雜地層盾構施工信息化及擾動位移控制［J］.地下空間與工程學報，2010，6(5):1044-1052.

［7］張云，殷宗澤，徐永福.盾構法隧道引起的地表變形分析［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(3):90-94.

［8］朱合華，丁文其，李小軍.盾構隧道施工力學性態模擬及工程應用［J］.土木工程學報，2000，24(7):98-103.

［9］劉建航，侯學淵.盾構法隧道［M］.北京:中國鐵道出版社，1991.