富水含砂軟土地層軌道交通盾構選型及施工效果

王全華

(蘇州市軌道交通集團有限公司， 江蘇蘇州 215004)

富水含砂軟土地層軌道交通盾構選型及施工效果

王全華

(蘇州市軌道交通集團有限公司， 江蘇蘇州 215004)

蘇州軌道交通2號線盾構隧道主要穿越黏土、粉細砂土層，地下水位較高，選擇合適的盾構機形式是實現洞通的關鍵。通過參考國外選型經驗及國內盾構選型狀況，根據2號線的工程地質和水文地質條件，結合其工程特點，按照“安全性、適應性、經濟性、環保性”的原則，對加泥式土壓平衡盾構和泥水平衡式盾構這兩類型盾構進行比選，確定2號線區間隧道使用土壓平衡盾構，最終成功穿越運營城際鐵路風險較大的工程，未發生重大安全事故，并按計劃順利實現洞通節點目標，相關經驗可供類似工程參考。

軌道交通； 軟土地層； 盾構選型； 土壓平衡盾構

盾構法以其施工環境影響小、施工速度較快、自動化程度高、勞動強度低、隧道結構質量易于保證等優點，廣泛應用于城市軌道交通區間隧道施工中。經過多年的快速發展，盾構法已經積累了豐富的設計施工經驗，隨之產生了多種形式的盾構，在富水軟土地層中，因開挖面穩定要求極高，通常選用封閉式盾構機施工，施工技術較成熟。國內常用的封閉式盾構主要有加泥式土壓平衡盾構和泥水平衡式盾構兩種類型。

盾構選型對于城市軌道交通區間隧道施工具有重要的作用，選擇合適的盾構形式能夠有效降低施工風險，安全、順利、有序地推進工程實施，同時能夠有效地控制成本，保護環境，滿足施工現場安全文明施工需求。

蘇州軌道交通2號線南北向穿越市區，處于長三角典型地層，地下線區間隧道全部采用盾構法施工。為按時貫通隧道，順利完成施工任務，筆者根據工程地質和水文地質條件，結合其工程特點，按照“安全性、適應性、經濟性、環保性”的原則，簡述2號線區間隧道掘進盾構選型情況以及盾構機的配置，并分析已有經驗及試驗摸索出盾構施工相關技術，最后總結盾構施工始發與到達、正常掘進段、穿越建(構)筑物段、穿越橋梁、穿越鐵路的施工效果。

1 工程概況

蘇州軌道交通2號線是一條城市南北方向的軌道交通主干線路，全長26.557 km，其中高架線6.57 km，地下線19.146 km，敞開段0.67 km。2號線工程于2009年底開工建設，2013年底開通試運營。依據2號線勘察設計文件，有關工程條件有以下幾點。

1.1工程地質

2號線位于廣闊的沖湖積平原，水系發育，地勢平坦，系典型的水網平原。沿線地面標高一般在1.50～4.00m之間，普遍在3.0m左右，地勢較平坦。地面至-71.30m為淺地基土屬第四系(Q)全新統至下更新統沉積地層，按其成因類型、巖性和工程特性可劃分9個工程地質層，25個工程地質亞層。區間隧道主要穿越土層如表1所示。

表1 隧道主要穿越的土層分布

1.2水文地質

蘇州市地處長江流域太湖水系區，地表水系極其發育，由于受到區內河網連同江海及大氣降水的補給，以及季節的變化，長江流域水位的高低會引起區內水位的升降，并受人為控制，常年水位(黃海標高)在1.10～1.30m，其年變幅在1.0m左右。地下水按埋藏條件分為潛水、微承壓水及承壓水三類。潛水主要賦存于淺部黏性土層中，受區域地質、地形及地貌等條件的控制。微承壓水賦存于第一隔水層下的砂性土層中，埋深5～6m，厚度8～15m，賦水性中等。承壓水主要賦存于深部的砂性土層中，埋深大于25m，賦水性中等。

1.3隧道線路及結構

2號線地下區間正線采用單圓盾構法施工，最小曲線半徑為350m。區間正線最大縱坡為30‰。地下線區間盾構隧道內徑5500mm，外徑6200mm，每環管片寬度為1200mm。隧道結構采用裝配式C50鋼筋混凝土管片襯砌，每環管片由3塊標準塊、2塊鄰接塊、1塊封頂塊組成，環間錯縫拼裝。

2 工程特點及選型需求

2.1工程特點

1) 蘇州是我國重要的歷史文化名城和風景旅游城市，對文物古跡、古城風貌等歷史文化遺產保護要求高。

2) 盾構隧道穿越主要富水含砂軟土地層，主要有粉細砂、黏土等，這種地層的施工難度和風險較大，需要所選盾構機具有良好的地層適應性。

3) 盾構施工影響范圍內環境復雜，沿線穿越400多棟不同基礎形式及高度的建筑物、京杭大運河、滬寧城際鐵路、城市橋梁等建(構)筑物，對盾構施工沉降控制要求嚴格。

4) 市區段提供的施工場地狹小，尤其是途經的石路商業區交通流量大，居民區建筑物密集，交通疏解、管線遷改工作量極大。

2.2選型需求

為確保2號線盾構安全有序、合理地開展施工，結合盾構工程特點，提出如下盾構選型需求。

1) 適應蘇州復雜的工程地質和水文地質條件，對局部土層差異大等不可預知事件有對應措施，遭遇流砂和管涌時能確保施工安全。

2) 適應工程環境，確保工程安全，可針對不同區段、不同地質進行隧道施工，盡可能選用同類型盾構，實現盾構的靈活配置。

3) 配置需滿足工期要求，推進速度快，一次無檢修推進距離應大于區間隧道長度。應滿足通用楔形環襯砌管片的拼裝要求，逐環調整楔形襯砌環的旋轉角度，進行線路擬合，確保設計軸線的精度要求。

4) 滿足保護環境的要求，能有效減少施工對周圍土體的影響，在掘進過程中能確保沿線建筑及地下管線的安全。

5) 施工占地少，能適應市區道路狹窄、建筑物密集、拆遷難度大等現實條件。

6) 盾構機性能良好，能避免在穿越建(構)筑物時發生同步注漿管路堵塞或設備故障引起的盾構機停機。

3 盾構原理、特點及選型經驗

對于富水含砂軟土地層，由于開挖面土體的自穩性較差，一般情況選用密閉式盾構。密閉式盾構應用成熟的有加泥式土壓平衡盾構和泥水平衡式盾構，本文主要對這兩類型盾構進行比選。

3.1盾構工作原理

加泥式土壓平衡盾構，主要依靠刀盤轉動使得開挖面的土體進入位于刀盤前方的土倉內，通過螺旋送機將土倉內的土排出，土倉內的水土提供支撐開挖面的水土壓力使得開挖面保持平衡。泥水平衡盾構，主要預先配置一定比例的泥漿，輸入至盾構的密封倉內，利用泥漿的循環置換開挖面的土體，通過泥漿提供的水壓力使得開挖面保持平衡。

3.2兩類盾構比較

根據2號線選型需求對兩類盾構的特點進行對比分析，各自的主要特點如表2所示。

表2 兩類盾構主要特點比較

3.3國外選型經驗

根據德國[5]的盾構施工經驗，可依據地層的滲透系數初步選用盾構類型，選用情況如表3所示。

表3 滲透系數法選型

3.4國內選型狀況

經調研發現，盡管國內地鐵區間隧道工程條件各異，除越江及大直徑隧道外，主要選用加泥式土壓平衡盾構機施工，從各地施工實施效果來看，該類機型能夠安全、順利、快速地完成施工，其中部分城市選用盾構機情況如表4所示。

表4 部分城市選型狀況

4 盾構選型分析

綜合國內外選型經驗，2號線盾構選型分析如下。

1) 土層滲透系數影響，盾構穿越土層的滲透系數為1.6×10-6～3.5×10-4m/s，處于10-7～10-4m/s范圍內，就該項指標而言,選用泥水平衡盾構或土壓平衡盾構施工均可。

2) 從安全方面考慮，泥水平衡盾構或土壓平衡盾構均能保證開挖面穩定，采取一定安全技術措施后，精心施工，能有效控制地表沉降，安全順利地穿越建(構)筑物。

3) 從經濟方面考慮，泥水盾構需要泥水制造、分離等裝備，帶來額外經濟成本，因此其成本比土壓平衡盾構高。

4) 從環保方面考慮，泥水盾構配置的泥水處理系統占用的場地較大，鑒于2號線市區段場地狹小，宜選用土壓平衡盾構。

綜上所述，蘇州軌道交通2號線區間隧道工程施工選用土壓平衡盾構。同時，結合1號線的施工經驗，對2號線所使用的土壓平衡盾構機提出的技術要求為：1) 盾構刀盤為面板式或復合式，開口率在28%～43%,盾構機額定扭矩大于4 000 kN·m，額定推力大于3 200 t；2) 螺旋輸送機有2道防水閘門,盾尾密封設置3道及以上，密封刷質量優良。

5 土壓平衡盾構施工效果

2號線區間隧道施工多數標段選用日本小松公司制造的直徑為6 340 mm的TM634PMX型盾構機，外觀如圖1所示。

圖1 個別標段盾構機Fig.1 Individual section shield machine icon

5.1盾構機配置

1) 刀盤為輻條式和面板式(開口率40%)，刀盤配置中心刀，輻條邊緣配置刮刀切削土體，周邊配置超挖刀滿足在曲線段掘進時適時調整開挖面直徑。

2) 除切削廣濟橋樁基區間的盾構機選用帶式螺旋輸送機外，其余均選用中心軸式螺旋輸送機，并設置兩道閘門防止在河底砂性土及含水量較大的黏性土中出現噴涌現象。

3) 盾尾設置3道由彈簧鋼板和鋼絲刷組成的盾尾刷，注入油脂密封，在盾尾刷與油脂的共同作用下達到止水效果。

4) 盾構配置加泡沫系統，根據需要改良開挖面土體流塑性，便于順利排土。

5.2施工技術措施

結合1號線的經驗及試驗段的實施效果，確定2號線盾構掘進的主要施工參數，同步注漿材料選用準厚漿(消石灰∶粉煤灰∶中細砂∶膨潤土∶水∶減水劑=60∶400∶800∶70∶530∶2，kg/m3)，二次注漿材料選用水泥、水玻璃雙液漿，相關參數或指標如表5所示，施工中根據監測數據反饋及時調整。

表5 施工相關參數

5.3施工效果

2號線區間隧道盾構在總體上施工效果良好，對周邊環境的影響在可控范圍內，尤其是有效控制了切削穿越橋梁樁基以及穿越運營城際鐵路風險較大的工程，未發生重大安全事故，最終按計劃順利實現洞通節點目標，為2號線工程順利開通運營奠定了良好的基礎。

1) 盾構始發與到達。盾構端頭井區域土體沿隧道方向采用φ850mm@600mm三軸攪拌樁進行地基加固，分為A區(沿隧道軸線方向長度為3m，水泥摻量20%)、B區(長度為6m，水泥摻量15%)，三軸攪拌樁加固區和端頭井地連墻之間施作φ800mm@600mm的旋噴樁加固，盾構始發或到達時，將水位降低至盾構機底部以下。個別地面不具備條件的端頭井采用凍結法加固,各標段盾構始發到達施工時未發生重大安全事故。

2) 盾構正常掘進(盾構施工影響范圍內無建(構)筑物)。經過現場試驗監測，蘇州富水軟弱地層盾構施工橫向影響范圍一般在隧道軸線左右各20m范圍內；盾構掘進的縱向影響區域為前15m(以切口為零點)至后25m范圍內，盾構切口到達前，地表變形較小，地表沉降主要產生在盾尾到達及盾尾脫出后。盾尾同步注漿及二次注漿對沉降控制作用顯著。地表沉降基本能夠控制在-16～+6mm的范圍以內。

3) 盾構穿越建筑物。2號線穿越400多棟建筑物，這是施工的一大難點，在摸清盾構施工的特性后，成立盾構穿越建筑物安全管理機構，制定施工的操作規程和管理制度，針對穿越不同風險建筑物劃分為A區、B區、T區三類級別管理，最終保證了盾構順利穿越，建筑物沉降控制合理。

4) 盾構穿越橋梁。2號線施工中有側穿、下穿城市橋梁，其中風險和難度最大的為三醫院站—石路站,盾構區間隧道全斷面切削穿越廣濟橋梁14根鋼筋混凝土樁基，該項目為國內罕見，施工前對盾構機的刀具配置、同步注漿管道、螺旋輸送機等部位進行了適當改造后，通過切削試驗樁基摸索施工參數，在正式切削施工中，出現了刀盤扭矩增大現象，但無刀盤被卡死情況發生，部分斷筋能夠隨渣土排出，橋梁及隧道結構安全。橋梁墩臺最大累計沉降為-17.1mm，墩臺最大累計水平變形為-6.9mm。

5) 盾構穿越鐵路?；疖囌尽t院站盾構區間隧道需穿越蘇州火車站高速及普速鐵路站場，沉降要求嚴格，預先對火車站站場鐵路路基采用三軸攪拌樁和袖閥管注漿相結合的方案加固，特別是在盾構穿越滬寧城際正線段采用“板+樁”加強保護。同時，在刀盤面板上新增加先行刀以改善盾構在加固區的切削條件，在工程實施過程中，盾構按照經優化的施工參數掘進施工，最終普速線和滬寧城際鐵路過渡線最大沉降為-3mm，沉降滿足要求，確保了鐵路列車運行安全。

6 結語

本文依據蘇州軌道交通2號線的工程地質和水文地質條件，結合工程特點，參考國內外相關選型經驗，確定了2號線區間隧道使用土壓平衡盾構，并提出相關配置要求。結合蘇州軌道交通1號線的施工情況，經過試驗后，確定了2號線施工掘進參數，最終成功穿越建筑物、橋梁、鐵路等風險較大工程。

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Selection and Construction Effect of Rail Transit Shield in Soft Soil Layer with Rich Water and Sand

WANG Quanhua

(Suzhou Rail Transit Group Co., Ltd., Suzhou 215004)

Shield selection is very important for building the shield tunnel for Suzhou Rail Transit Line 2 because a large part of the tunnel has to pass through the areas with the clay and fine sand soil with high groundwater level. The paper introduces the shield selection and the construction effect of the rail transit tunnels in the soft soil layer of rich water and sand. The shield selection for the project of Suzhou Rail Transit refers to the domestic and foreign experiences of shield selection, takes into account the engineering geological conditions and the characteristics and follows the principles of "being safe, economic and friendly to the environment." By comparing the two types of shield tunnel, that is, the earth pressure balance shield (EPB) and slurry balanced shield, the EPB shield is adopted for Line 2. With the adopting of the EPB shield, the tunnel ultimately succeeded in crossing the in-operation intercity railway with high construction risks, without causing major accidents, and the node target is reached with throughing hole as planned.

urban rail transit; soft soil stratum; shield selection; EPB

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.014

2016-10-14

2017-05-15

王全華，男，碩士，工程師，從事城市軌道交通盾構施工和安全生產監督管理研究，w20051326@126.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0078-05

(編輯：郝京紅)