成都地鐵軟弱地層淺覆土盾構(gòu)始發(fā)與掘進(jìn)技術(shù)研究

馬 義 平

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

·橋梁·隧道·

成都地鐵軟弱地層淺覆土盾構(gòu)始發(fā)與掘進(jìn)技術(shù)研究

馬 義 平

(中鐵三局集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

以成都地鐵3號線3.7 m軟弱地層淺覆土為例，介紹了隧道端頭井及淺覆土區(qū)間加固、隧道內(nèi)二次注漿以及盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)設(shè)置等綜合施工技術(shù)。通過工程實(shí)踐證明，這些技術(shù)能夠有效控制本區(qū)段地層變形沉降，對確保隧道施工安全具有重要作用，并對今后同類工程施工提供實(shí)踐參考。

盾構(gòu)機(jī),軟弱地層,淺覆土,加固,始發(fā)與掘進(jìn)

1 工程概況

1.1區(qū)間概況

成都地鐵3號線出段線從天回鎮(zhèn)南站站前引出與北郊車輛段連接，隧道線路總長1 317.744 m，施工組織設(shè)計(jì)使用盾構(gòu)機(jī)從天回鎮(zhèn)南站始發(fā)后，掘進(jìn)到達(dá)北郊車輛段盾構(gòu)井接收。盾構(gòu)機(jī)始發(fā)處隧道覆土4.1 m，始發(fā)后0.2%的上坡，通過最小處3.7 m之后以3.2%下坡，淺覆土區(qū)間(覆土厚度小于盾構(gòu)機(jī)直徑6.28 m)長度達(dá)172 m。淺覆土區(qū)間縱斷面見圖1。

1.2地質(zhì)及水文情況

根據(jù)巖土工程勘察報(bào)告資料，出段線盾構(gòu)施工穿越的土層主要為：①-1雜填土、④-1-1粘土、⑤-1全風(fēng)化泥巖、⑤-2強(qiáng)風(fēng)化泥巖、⑤-3中風(fēng)化泥巖、③-6-2卵石土。其中盾構(gòu)始發(fā)段地質(zhì)土層上部為①-1雜填土，④-1-1下部為粘土，地質(zhì)情況參見圖1。

經(jīng)勘察成都地鐵3號線出段線盾構(gòu)區(qū)間地下水主要有賦存于填土里的上層滯水和基巖裂隙水，其水量相對小，對本區(qū)間工程基本無影響。

1.3工程難點(diǎn)

出段線隧道拱頂埋深淺地層軟弱，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)和掘進(jìn)時(shí)土倉壓力難以建立和控制，特別是該段線路位于川陜公路下方，車流量大，很多重載車輛通過，極易引起地面及周邊建筑物沉降，嚴(yán)重時(shí)會造成地面坍塌，危及地面建筑物和公路安全交通。因此控制地面沉降成為本工程的難點(diǎn)。

2 控制地面沉降的主要措施

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)引起地面沉降的主要因素有掘進(jìn)面支護(hù)力的過大或過小、盾構(gòu)機(jī)超挖或經(jīng)擾動土再固結(jié)導(dǎo)致的土體損失、淺覆土土壓不足導(dǎo)致的隧道上浮，地面隆起。本項(xiàng)目擬采取控制地面沉降的主要措施有：對地面土體加固，提高土體穩(wěn)定性和承載力；在地面隧道上方加壓，提高地面抗隧道上浮力；科學(xué)設(shè)置盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)，并根據(jù)地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，對掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)整；盾構(gòu)同步注漿及隧道內(nèi)二次注漿，及時(shí)填充土體中間隙。

2.1始發(fā)井端頭加固技術(shù)

天回鎮(zhèn)南站盾構(gòu)始發(fā)端頭井位置地層為硬塑狀粘土層和雜填土，地下水量小，不考慮降水措施，端頭井采取“大管棚注漿+地面袖閥管注漿”加固技術(shù)。地基加固長度為8 m，加固寬度為盾構(gòu)外徑兩側(cè)和頂部3 m,深度4 m。

2.1.1大管棚注漿加固

在始發(fā)洞門隧道頂部120°范圍采用大管棚注漿加固，管棚鋼管直徑108 mm,壁厚6 mm，長度10 m，環(huán)向中心距400 mm布置，鋼管外插角1°。管棚位置布置見圖2。大管棚注漿采用水泥單液漿，水灰比1∶1，注漿壓力0.3 MPa～0.5 MPa，注漿量0.51 m3/根。

2.1.2地面袖閥管注漿加固

地面端頭加固長度8 m，加固寬度為盾構(gòu)外徑兩側(cè)各3 m、深度為4 m。孔間距800 mm，梅花形布置。袖閥管套殼料采用水泥、膨潤土配置，水泥∶膨潤土水灰比1∶1.5，注漿材料為水泥—水玻璃雙液漿，水灰比1∶1，水玻璃體積比1∶1，水玻璃濃度15比特～20比特。注漿以壓力控制為主，壓力范圍0.2 MPa～0.5 MPa。盾構(gòu)始發(fā)井端頭地面袖閥管加固孔布置見圖3。

2.2淺覆土區(qū)間地面加固技術(shù)

隧道淺覆土為雜填土與粘土，在盾構(gòu)通過之前對隧道上方土體施作袖閥管注漿加固，使土體抗壓強(qiáng)度大于1 MPa，達(dá)到控制地面沉降的目的。加固范圍自始發(fā)井端頭起線路200 m范圍，在隧道軸線每2 m布置4個孔，孔間距1.5 m，鉆孔直徑90 mm，深度為3 m。袖閥管注漿采用水泥單液漿，水灰比1∶1，注漿壓力0.2 MPa～1 MPa。

2.3地面鋼板反壓

原施工圖設(shè)計(jì)在隧道上方川陜路上采用1.3 m厚的堆土反壓，從盾構(gòu)掘進(jìn)安全影響及地面道路交通疏解綜合考慮，將堆土反壓設(shè)計(jì)改為沿隧道軸線地面鋪設(shè)40 mm厚的鋼板，從而達(dá)到盾構(gòu)安全掘進(jìn)，道路安全交通的目的。鋼板鋪設(shè)范圍為隧道結(jié)構(gòu)邊線各1 m(總寬度8 m)，刀盤前10 m，盾尾后10 m，總共長度為30 m。單塊鋼板規(guī)格為長8 m，寬2 m，厚度為40 mm。

2.4盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)控制技術(shù)

2.4.1盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)確定

1)土倉壓力。出段線因?yàn)闇\覆土掘進(jìn)土壓控制不好容易冒頂或超挖，而決定土壓力的主要有水土壓力和外部荷載，由于本淺覆土段水位低于隧道埋深所以不做考慮，經(jīng)過本標(biāo)段其他區(qū)間的掘進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，土倉壓力=(土容重×埋深+外部荷載)×土的靜止側(cè)壓力系數(shù)+水比重×埋深。

P=(1.95×4.1×10+0.314×10)×0.5=41.54 kPa。

粘土層土的容重為1.95 t/m3，外部荷載是40 mm的鋼板，為0.314 t/m2，水土壓力系數(shù)為0.5，始發(fā)覆土埋深為4.1 m。

所以淺覆土段(3.7 m～7 m)刀盤頂部土倉壓力暫定為37.6 kPa～69.8 kPa。

2)推進(jìn)力及掘進(jìn)速度。盾構(gòu)機(jī)推力及推進(jìn)速度對上部土體的變形有較大的影響。在淺覆土層階段，盾構(gòu)主要在粘土層掘進(jìn)，為控制地面沉降和隆起，掘進(jìn)速度宜控制在20 mm/min～40 mm/min左右，盾構(gòu)機(jī)推力宜控制在6 000 kN～8 000 kN。

3)出土量控制。每環(huán)理論出土量=K×π/4×D2×L=1.2×37.15=44.58 m3。為預(yù)防淺埋段地面沉降，盾構(gòu)推進(jìn)出土量控制在理論量95%～98%之間，即42.4 m3～43.7 m3。

2.4.2同步注漿

同步注漿量控制以施工形成建筑孔隙的130%～150%為宜，則同步注漿量4.2 m3～4.86 m3；注漿上壓力控制在0.08 MPa～0.11 MPa，下壓力控制在0.1 MPa～0.12 MPa，注漿時(shí)以壓力控制為主注漿量控制為輔。漿液膠凝時(shí)間控制在4 h以內(nèi)，固結(jié)體強(qiáng)度1 d值不小于0.2 MPa，28 d值不小于2.5 MPa。

2.4.3洞內(nèi)二次注漿

隧道洞內(nèi)二次注漿能夠及時(shí)填補(bǔ)同步注漿后遺留的空隙，已經(jīng)成為穩(wěn)定隧道管片狀態(tài)，預(yù)防地面沉陷的主要施工措施。二次注漿液使用水泥—水玻璃雙液漿，水灰比1∶1，水玻璃體積比1∶1，漿液凝結(jié)時(shí)間20 s～35 s。管片脫離盾尾2環(huán)后，從正1環(huán)開始每2環(huán)1次的頻次進(jìn)行注漿，注漿點(diǎn)選擇在隧道3點(diǎn),9點(diǎn)位置，二次注漿以壓力控制為主，注漿壓力控制在0.25 MPa～0.3 MPa。

2.4.4盾構(gòu)姿態(tài)控制

為防止上部覆土層較薄，在掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)抬頭造成“冒頂”現(xiàn)象，盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，盾構(gòu)掘進(jìn)坡度和平面軸線盡可能與設(shè)計(jì)軸線保持一致，采取“勤測勤糾”，保持盾構(gòu)平穩(wěn)推進(jìn)，減少糾偏，減少對正面土體的擾動，同時(shí)要控制各分區(qū)油缸壓力差不超過2 MPa，避免因管片環(huán)上下受力不均造成管片上浮。

3 沉降控制效果分析

3.1盾構(gòu)機(jī)始發(fā)與掘進(jìn)

盾構(gòu)機(jī)始發(fā)后，在端頭井加固體內(nèi)掘進(jìn)速度控制在2 mm/min左右，推力控制在8 000 kN以內(nèi)，土倉壓力略低于理論值，保持在0.15 MPa，推進(jìn)過程中加入泡沫劑，以減少刀盤所受扭矩，盾構(gòu)順利通過加固體。淺覆土段盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)根據(jù)前20環(huán)掘進(jìn)對地面沉降監(jiān)測情況，適當(dāng)降低土倉壓力，淺覆土區(qū)土倉上部土壓控制在32 kPa～36 kPa，出土量控制在42.4 m3～43.7 m3，嚴(yán)格按照以上方案進(jìn)行同步注漿和二次注漿施工。

3.2地面沉降量監(jiān)測

地面監(jiān)測成果表明，淺埋段地面沉降量在-8 mm～-15 mm范圍內(nèi)，完全滿足+10 mm～-30 mm控制目標(biāo)要求如圖4所示。

4 結(jié)語

1)實(shí)踐證明，對無水粘土層淺埋端頭井使用“大管棚注漿+地面袖閥管注漿”加固方案，能滿足盾構(gòu)淺覆土無水地層安全始發(fā)技術(shù)要求。2)對于盾構(gòu)隧道淺覆土采取“地面袖閥管注漿加固+鋼板預(yù)壓”技術(shù)，特別是隧道上方為交通公路路面，使用鋪設(shè)鋼板預(yù)壓方案能夠有效緩解地面交通壓力，對同類工程提供成功借鑒。3)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，通過采取同步注漿及二次加注雙液漿以及對掘進(jìn)參數(shù)動態(tài)調(diào)整技術(shù)，能夠?qū)Φ孛娉两颠M(jìn)行可靠控制。

[1] 張義同.隧道盾構(gòu)掘進(jìn)土力學(xué)[M].天津:天津大學(xué)出版社,2010:63-120.

[2] 陳 饋.盾構(gòu)施工技術(shù)[M].北京：人民交通出版社，2009:51-69,153-172.

StudyonshieldlaunchingandtunnelingtechnologyofsoftgroundwithshallowcoverinChengdumetro

MaYiping

(ChinaRailwayNo.3EngineeringGroupCo.,Ltd,Taiyuan030001,China)

Takes the 3.7 m shallow overburden of Chengdu metro Line 3 as an example, introduces comprehensive construction technologies of the tunnel end well and shallow cover soil reinforcement, secondary grouting in tunnel and scientific settings of shield tunneling parameters. Engineering practice proves these technologies are significant to controlling stratum deformation and settlement in this section, it plays an important role in ensuring the safety of tunnel construction, and provide practical reference for similar engineering construction in the future.

shield machine, soft ground, shallow overburden, reinforcement, launching and tunneling

1009-6825(2017)30-0152-02

2017-08-11

馬義平(1969- )，男，高級工程師

U455

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