淺覆土多盾構平行始發施工技術

黃雪梅

(北京住總集團有限責任公司軌道交通市政工程總承包部，北京 100021)

0 引言

隨著城市地鐵一體化建設的發展，各大城市開始大力建設綜合性大型交通樞紐，多隧道盾構共用一個始發車站的現象也越來越多。受始發場地和交通樞紐綜合功能需求的影響，同一車站盾構、淺覆土、大縱坡同時始發或接收的幾率也逐步增加。馬義平[1]介紹了雙線小縱坡始發施工條件下閥管注漿加固和地面鋼板反壓技術，可減小淺覆土施工影響；姜以安等[2]介紹了雙線、小凈距始發條件下地面堆載+洞內水平注漿加固+先行隧道內鋼拱架支撐加固+盾構始發坡度分解施工技術，可解決雙線、小凈距、淺覆土施工難題；李乾等[3]通過數值模擬分析雙線隧道淺覆土施工技術對隧道沉降的影響。以上研究成果均對淺覆土、大縱坡條件下盾構始發技術進行了系統研究，北京地鐵八通線施園站—環球影城站盾構區間工程通過采用科學的始發順序、合理的盾構掘進參數、地面預壓等輔助措施完善了多臺盾構機淺覆土、大縱坡、同站平行始發難題下的施工技術。

1 工程概況

八通線施園站—環球影城站盾構區間總長1 369.782m， 隧道拱頂埋深2.8～18m，區間由四線隧道組成，采用4臺土壓平衡盾構機掘進施工，四線隧道平面布置如圖1所示。4臺盾構機交替從環球影城站始發，八通線施園站接收，始發段相鄰隧道最小間距僅10m。

圖1 四線隧道線路

施園站—環球影城站區間盾構左、右線始發段埋深2.8～6.0m，覆土深度最小2.8m，不足1倍洞徑，屬于淺覆土始發，且始發后即進入首寰開發酒店基坑(基坑深4.3m，已回填2m厚砂卵石級配混合料)，左、右線淺覆土范圍為1～102環。始發段縱向坡度為2.198%。八通線南延盾構區間在里程K21+105—K21+210疊落，左線在下，右線在上，交叉段最小豎向距離為3.8m。

隧道頂區間所在土層主要為雜填土①1、砂質粉土②、粉質黏土②1、粉細砂②2，區間隧道結構始發段所在土層主要為黏質粉土②1、粉細砂②2、粉質黏土③1。

隧道范圍內水文地質情況：①潛水(二) 水頭埋深 8.60～12.88m，水頭標高7.720～9.680m，含水層為粉土③、粉細砂③2；②承壓水(三) 水頭埋深 15.59～23.57m，水頭標高-2.910～3.600m，含水層為中粗砂③3、粉細砂④2。實際潛水水位標高為11.500m，位于結構線附近。

2 工程重難點分析

1)淺覆土掘進的盾構，上下受力不平衡，盾構姿態上揚，在2.198%下坡掘進時，壓坡困難、盾構機上浮，推進軸線難以控制[4]。

2)盾構機掘進會造成土體損失，淺覆土情況下易出現沉降大或冒頂現象；淺覆土土壓不足導致成型隧道上浮，進而造成地面隆起[1]。

3)拼裝完成的管片脫開盾尾后，隧道被包圍在壁后注漿的漿液中，受到漿液的浮力；盾構推進挖出土方導致地基卸載，隧道會受地基回彈作用向上偏離中心軸線，以上情況均會導致成型隧道結構上浮[5]。

4)在淺覆土條件下掘進，盾構正面壓力小，管片縱向壓緊力不足，易造成管片拼裝整體性較差、結構防水難度加大，若不采取相應的加固措施，極易引起隧道局部開裂、漏水[4]。

5)多線始發，間距為10m，相鄰地層間存在干擾[2]。

3 數值模擬分析

為研究4臺盾構機淺覆土并行始發對隧道本身的影響，利用MADIS按四線并行施工從不同始發順序、不同始發距離、淺覆土堆載3方面對地面沉降進行數值分析。

3.1 模型建立

采用土體彈塑性本構模型，并基于莫爾-庫侖準則。按巖土勘察報告進行參數選取，地層參數如表1所示。模型材料力學參數如表2所示。

表1 數值模型地層參數

表2 模型材料力學參數

4條隧道直徑D均為6m，位于同一水平線上，相互平行，間距分別為19，16.4，18.8m，埋深為4m。

隧道模型如圖2所示。模型x方向寬80.3m，y方向長500m，z方向深25.6m。

圖2 隧道模型(單位：m)

模型的邊界條件為：土層底部為固定邊界，限制水平和垂直移動；土層左、右兩邊為水平向約束，限制水平移動；土層上表面為地表，設為自由邊界[6-7]。

3.2 模擬結果分析

3.2.1不同施工順序對地層沉降的影響

不同施工順序會導致不同的土體擾動，影響地表沉降。設置2組計算模型：①工況1 按預設施工順序開挖，即7右(即7號線東延右線，余同)、8左(即八通線南延左線，余同)、7左、8右(2-3-1-4)，其余參數不變；②工況2 按錯開步驟開挖，7左、8左、7右、8右(1-3-2-4)，其余參數不變。兩種始發順序地表沉降變化曲線如圖3，4所示。

圖3 10m處中心沉降點兩種始發順序地表沉降量

圖4 100m處中心沉降點兩種始發順序地表沉降量

由圖3，4可知，采用2-3-1-4，1-3-2-4的順序開挖，分別掘進10m，地表最終沉降值均為15.2mm，影響不大；采用2-3-1-4，1-3-2-4的順序開挖，分別掘進100m，地表最終沉降值分別為19.1，17.9mm，對地表沉降影響也不大。

綜上可知，由于相鄰兩線相距較遠，超過1倍洞徑，只要錯開前后施工距離，2種開挖順序對地表最終沉降的影響差異約1mm，說明開挖順序對地表沉降影響不大。

3.2.2不同始發間距對地層沉降的影響

其他條件不變的情況下，選擇2-3-1-4始發順序，按四線始發間距80，100m進行模擬，不同始發間距地表最終沉降曲線如圖5所示。由圖5可知，8右線盾構通過50m處，始發間距的變化對地面最終沉降影響不大，均為18mm；8右線盾構通過100m處，始發間距為80，100m的地面最終沉降值分別為19.5，17.9mm，相差1.6mm，說明加大始發間距有利于控制地表沉降。

圖5 不同始發間距地表最終沉降曲線

3.2.3未施加外部荷載的施工模擬

采用2-3-1-4的始發順序，按間距100m進行模擬。10，50m處的地表沉降如圖6所示。

圖6 2-3-1-4始發順序下100m始發間距地表最終沉降(單位：m)

由圖6可知，最大沉降點均在中間2條線的中線上，即八通線左線和7號線右線中心線。始發10m處，7右、8左線地表最大沉降值分別為22.30，22.20mm；始發50m處，7右、8左線地表最大沉降值分別為21.40，18.80mm。根據坡度計算可知，10m處比50m處覆土增加0.88m，每增加0.88m，沉降減少1.04～3.4mm，每增加1m沉降減少1.18～3.86mm，符合PECK原理。地表最終沉降值均<30mm，滿足設計要求。在注漿充分、及時、凝結時間滿足設計要求的情況下，可按此方案施工。

3.2.4施加外部荷載的施工模擬

因四線盾構始發處<1倍洞徑，根據相關文獻[1,3]，可通過增加負荷減小管片上浮，擬采用80cm厚鋼板進行壓重。模擬結果如圖7所示。

圖7 施加外部荷載后地表最終沉降

由圖7可知，始發10m處，8左線地面最終沉降從22.20mm下降到15.70mm；始發50m處，7右線地面最終沉降從21.40mm下降到16.90mm，說明增加荷載能有效降低地表沉降。80cm厚鋼板質量約為3.1m厚覆土深度的質量，即增加3m厚覆土，地表沉降4.35～6.29mm。由于鋼板太厚不易施工，因此采用等效替代，如采用增加硬化路面厚度、堆載管片、結合鋼板等反壓措施增加荷載。

綜上所述，盾構施工可按2-3-1-4的順序、間距100m先后始發，為減少淺覆土質量損失，采取等荷壓重施工措施。

4 施工技術

由于八通線線路中部存在疊落交叉，八通線左線下行，雙線交互后7號線東延右線與八通線右線在接收端水平相隔僅3.8m，同時7號線因始發場地等限制需先施工右線，以減少近距離施工相互干擾、隧道開挖先下后上為原則，按7號線東延右線→八通線南延左線→7號線東延左線→八通線南延右線順序進行掘進，與模擬結果2-3-1-4的順序一致，每條線始發間隔≥100m。

4.1 始發井端頭地層加固技術

始發端地層加固范圍為隧道結構線上、下3m，左、右3m，長8m，即為12m×12m×8m加固體。采取深孔注漿進行加固，考慮現場水位較高，盾構淺覆土掘進開挖土方卸載后易造成突涌，結合現場情況進行井點降水。

4.2 淺覆土地面加載技術

根據設計圖紙在始發淺覆土區域采取壓重、鋪鋼板等措施。參考數值模擬結果每增加1m覆土，地表沉降減少1.18～3.86mm。施工淺覆土區域沿隧道長約102m，圍擋范圍內左、右線場地面積不大，而場區外行車道路范圍交通不能中斷，因此圍擋內采用混凝土地面、鋼板壓重、管片，場外行車道路位置采用鋼板壓重，使上方負重為相同開挖直徑的覆土質量，達到平衡。盾構通過淺覆土段后，逐步卸載減少淺覆土區域的額外增加荷載，防止成型隧道結構變形[1,3]。

混凝土地面厚200mm，混凝土強度等級為C25，配置φ8@150×150鋼筋網(道路分幅施工)。右線影響區域(覆土約4m)混凝土地面上鋪設40mm厚鋼板。圍擋內左線隧道上方堆放3層管片壓重，圍擋外左線隧道上方路面(覆土約5m)鋪設40mm厚鋼板壓重，鋼板間利用鋼筋幫條焊形成整體，鋼板鋪設范圍為隧道結構邊線各1m(總寬度8m)。

基坑范圍內采用黏性土回填密實，壓實度達95%。

4.3 大坡度盾構始發技術措施

1)始發架、反力架位置設置 始發處于2.198%大坡度下坡位置，盾構刀盤重，極易發生“磕頭”現象，同時為防止盾構大坡度始發滑出始發架，盾構需“抬頭”始發。在始發基座前段墊1層20mm厚鋼板墊片，共4排，合計4塊，使前端比后端高20mm左右。根據始發坡度安裝反力架，保證反力架法面與推進軸線垂直。

2)千斤頂油缸 下坡掘進時，受刀盤自重影響，易造成盾構機栽頭，需平衡盾構機刀盤自重，因此在盾構掘進過程中，需加大下部千斤頂推力，以抵消刀盤自重，將盾構姿態調整至設計坡度趨勢時，保持設計軸線趨勢方向前進，上下油壓差保持最佳平衡狀態。掘進時在中盾位置堆壓管片，防止扎頭。姿態調整過程中遵循“勤糾偏、少量糾偏”的原則，避免快調、猛調[2]。

3)管片拼裝 下坡掘進時多選下部點位進行拼裝。每環推進結束后，須擰緊當前環管片連接螺栓，并在下環推進時進行復緊，克服作用于管片推力產生的垂直分力，減少成環隧道浮動。清除盾殼內雜物，盡量做到盾殼內管片居中拼裝，同時保證環面平整度[4]。

4.5 盾構掘進控制技術

4.5.1盾構掘進參數確定

1)盾構土壓力

當始發位置h≤D，σv=γH，采用主動土壓力計算方法計算：

P=γHtan(45°-φ/2)2-2c[tan(45°-φ/2)]

(1)

式中：γ為掘削地層土體容重；H為上層覆土厚度(刀盤上部距地面3.8～6m)；c為土體黏聚力；φ為土體內摩擦角。

經計算P=0.012 2～0.044 6MPa；盾構掘進實際土壓力(刀盤上土壓) 控制在1.3倍理論值左右，即0.016～0.058MPa。

本始發位置上層土以粉質黏土②1為主。因施工覆土非常淺，開挖面壓力允許管理范圍較小，小誤差會給開挖面帶來非常大的影響，應控制好壓力波動，緩慢從0.016MPa增加到0.058MPa。

2)盾構機推力

Fd=F1+F2+F3+F4+F5+F6

(2)

式中：F1為盾構外殼與周圍地層的摩擦阻力；F2為盾構正面刀盤面板推進阻力；F3為管片與盾尾間摩擦阻力；F4為切口環貫入地層的貫入阻力；F5為變向阻力；F6為后接臺車的牽引阻力。

經計算盾構機的推力為9 475.57kN，盾構推進推力應控制在9 500kN以下，緩慢增加，嚴格控制。

3)開挖土方量

以左線為例，V虛=KπD2L/4=(1.15～1.2)×π×6.182×1.2/4=(41.37～43.17)m3，其中K為土體松散系數，取決于土質、盾構掘進參數、土體改良情況等，本工程土質為粉質黏土、粉土和砂土，綜合松散系數K取1.15～1.2；D為盾構機開挖直徑(m)；L為每環掘進長度，取1.2m。

因覆土淺，需嚴格控制土方開挖量，防止超挖，實際施工中不得超過43m3。

4.5.2同步注漿漿液

每推進一環的建筑空隙為：

(3)

式中：D1為盾構外徑，取6.18m；D2為管片外徑，取6m；L為管片寬度，取1.2m。

每環壓漿量一般為建筑空隙的130%～180%，Q注漿=(1.3～1.8)Q；淺覆土注漿漿液體積控制在180%以上，約3.72m3。盾尾進入連續墻洞門后進行同步注漿，注漿壓力控制在0.20～0.35MPa，觀察洞門漏漿情況，待盾尾距洞門6～8環時，進行集中多次補漿，補漿壓力控制在0.4MPa以內。

同步注漿采用預拌砂漿。砂漿配合比為干拌料∶水=6.5∶3.5；干拌料配合比為水泥∶礦物摻合料∶砂∶外加劑=15∶54∶30∶1。

4.5.3二次補漿

二次補漿量原則上為同步注漿量的30%，一般為1.2～1.5m3，二次補漿施工過程以注漿壓力控制為主，注漿壓力控制在0.25～0.30MPa。

4.5.4徑向注漿

脫離盾尾8～9環后，采取壁外上半斷面徑向深孔注漿加固，補償地層沉降損失，同時控制地層壓力不足造成的管片上浮。在隧洞管片注漿孔內打入2.5m長φ42×3.75注漿管，其中2m在管片外側，為鋼花管；0.5m在管片內側，為無孔鋼管。注漿壓力0.5～0.8MPa，漿液采用水泥漿。注漿后采用快速堵漏劑封堵注漿孔，抹平后用管片吊裝孔螺母封口。

5 沉降分析

現場掘進前100m監測點布設如圖8所示。

圖8 地面監測點布設

根據監測數據，選取典型斷面DB-05，繪制不同時間沉降曲線，如圖9所示。

圖9 典型斷面沉降

由圖9可知，通過井點降水、壓重、背后注漿及合理調整掘進參數等，可將本工程始發區域的沉降量控制在15mm以內；始發50m后，八通線左線中心線DB-05-03最終沉降為14.2mm，比未加荷載的理論值18.80mm降低4.58mm。由于相鄰隧道7號線右線先行施工，八通線左線地表沉降量略大于右線施工沉降；后續沉降可通過徑向注漿控制，同時徑向注漿可減少盾構管片上浮。

選取八通線左線中心監測點，繪制地表沉降隨時間變化曲線，如圖10所示。

圖10 八通線左線中心監測點地表沉降變化曲線

由圖10可知，除去剛進洞的DB-01-03點和進入后固結區域的DB-07-01，DB-08-01，DB-09-01，DB-10-01點，其他點的地面沉降均得到有效控制；監測點DB-01-03最大沉降值約27mm，是由于盾構機頭進入加固段同步注漿壓力不宜較大，發生注漿漿液不飽和現象，導致地表沉降較大，可通過后續補漿穩定地面沉降；監測點DB-08-01，DB-09-01，DB-10-01因處于2m的后填土基坑內，屬于新近未完全固結土層，地表沉降較大；監測點DB-02-01，DB-02-02，DB-03-01在施工圍擋內，除鋪設鋼板外，另外有3層管片壓重，因此地表沉降能控制在15mm以內。

6 結語

1)結合現場實際狀況進行數值模擬，在北京地區砂黏性土層中，能將4m原狀淺覆土地層大坡度多隧道并行始發盾構施工地表沉降控制在15mm以內。

2)通過合理安排施工順序，調整施工間距，能使此類淺覆土大坡度多隧道盾構施工地表最終沉降減少3～5mm。

3)地面通過反壓加載可減少沉降，<6m的此類性質淺覆土地層，每增加1m土層壓重即可減少沉降1.18～3.86mm。實踐證明，增加荷載能減少地層沉降。

4)徑向注漿能在此類淺覆土地層中起到控制盾構管片上浮、減少后續沉降的作用。