盾構法隧道軟土地層盾構進出洞施工技術

劉振國

中交一公局第三工程有限公司 北京 101102

1 工程實例中軟土地層概況

本工程區間隧道在里YCK18+187.000～YCK18+341.000處雙線正下穿繞城高速路基段，最小豎向凈距約23.8m。盾構穿越過程中施工重、難點如下：

（1）本風險源段高速公路為低路堤，由于穿越段路基是在軟土地層填筑而成，對沉降敏感度較高，隧道上方土體易在盾構掘進的擾動、由路基傳遞至基底原狀土的車輛動荷載及路基土自重引起的恒荷載的結合作用下產生較大沉降。進而引起路基沉降和路面開裂等情況；

（2）穿越繞城高速時盾構機及其他配套設備的運行狀況是影響盾構正常掘進的一大因素；

（3）盾構掘進參數及同步注漿量控制直接影響著盾構上方土體的沉降、隆起情況。

2 盾構法隧道軟土地層盾構進出洞施工技術

2.1 穩定正面土體

2.1.1 洞口狀況調查

大同站（原順風村站）～石羊站盾構區間隧道在里程YCK18+918.600～YCK18+977.00處雙線下穿地鐵9號線正線及入場線，最小豎向凈距為3.278m，穿越地層為中風化泥巖。9號線正線外徑為6.7m，內徑6m的盾構隧道，入線外徑6m，內徑5.4m區間的盾構隧道，目前已經洞通。

考慮到隧道埋深較淺，盾構機采用泥水平衡盾構，盾構機配置兩臺ZWG-16/30型泥水平衡式盾構機，其總推力約為8.14 kN，刀盤扭矩為8300N·m。根據現場調查，盾構機在進入洞門前進行了空載試驗，時總推力為3263.48 kN，刀盤扭矩為4356N·m，在進出洞過程中，刀盤扭矩一直在8300N·m左右波動，同時盾構機在進入洞口前未進行同步注漿[1]。

2.1.2 對洞門外土體進行加固或穩定處理

（1）降水

在隧道開挖前，必須對盾構進出洞處的前方土體進行加固處理，通常采用地面降水的方式對其進行加固。地表降水是利用井點系統和井點降水井，在井點系統上埋設管道，使地下水從井點系統的井中排出，達到降低地下水位的目的。根據降水深度、結構的不同，可以采用井點系統法進行降水。在開挖隧道前，先在隧道周圍布置一圈直徑約為30m的井點系統，并通過一根直徑約為3m的出水孔將水排至地面。井點降水井的深度不小于10m，并將出水管線埋入地下，在井點降水井的頂部設置集水坑，利用水泵將地下水抽至集水坑中，再由集水坑中的管道將地下水排至地面。當地下水位較高時，可采用潛水泵抽水，將地下水排至地面。

（2）地基加固

根據已有的隧道結構設計資料，結合本工程現場實際情況，在盾構機推進至距隧道洞口約50m范圍內，采用高壓旋噴樁對隧道洞口及洞門土體進行加固。

旋噴樁加固范圍包括：隧道洞口四周30m范圍內的土體；在地表設置鋼筋混凝土支撐，支撐采用50 cm×50 cm的方木，支撐間距為30m；在地表設置20 cm×20 cm的混凝土墊層。加固完成后，在隧道洞口及洞門土體外側施作一圈混凝土樁板進行加固。由于本工程的特殊性，盾構機采用了小直徑螺旋鉆機進行土體開挖，螺旋鉆機最大鉆進速度為5m/min，最大扭矩為350 kN·m。

在盾構掘進過程中，當螺旋鉆機在洞門范圍內連續鉆進時，應采取以下措施：①采用人工配合風鎬開挖；②對于較大的地層應分次開挖，每次開挖厚度控制在30 cm左右；③對盾構機進出洞門位置的地層采取有效加固措施。

采用小直徑螺旋鉆機對盾構進出洞門地層進行加固后，對土體進行了三軸攪拌樁加固，并在洞門上方設置鋼筋混凝土支撐。旋噴樁和鋼筋混凝土支撐均采用50 cm×50 cm的方木，支撐間距為30m，并且采用C25混凝土進行澆筑。施工前根據實際地層情況設置好各層旋噴樁的漿液配比、注漿壓力和注漿量，并通過試驗確定各項參數。

2.1.3 對井內或洞門口采取的措施

（1）外封門形式

針對不同的井身結構，采用不同的封門形式，采用了以下封門形式：

①平移式封門：盾構掘進至與井內頂板設計位置時，在井身結構底部設置外封門，外封門與地面頂板平移90°，再利用管片施工時預留的預留孔及管片外口封堵板對管片進行封堵。

②組合式封門：盾構掘進至與井內設計位置時，在井身結構底部設置組合式封門。該封門形式施工工藝要求：1）盾構掘進至井內設計位置，在井身結構底部設置一道臨時封門，封門與地面頂板平行；2）管片施工時預留的管片外口封堵板對管片進行封堵；3）盾構掘進至與井內設計位置時，采用鋼管支撐進行支撐[2]。

③井內采用鋼板樁封死。該封門形式施工工藝要求：1）基坑開挖至底板后，在井內設置兩道混凝土固定梁，并將井內所有結構封閉，形成一道臨時圍護結構；2）在臨時圍護結構外側采用C30混凝土進行封固，并采用鋼支撐進行支撐；3）施工中嚴格控制封門后的地下水，采用降水設備對井內進行降水；4）封門施工完畢后進行基坑開挖，開挖完成后及時拆除臨時圍護結構及鋼支撐。

（2）內封門形式

內封門形式一般由兩種結構組成：在盾構機艙蓋上設置的門結構和在井內設置的門結構。當采用內封門形式時，應根據地面和地下工程地質條件、周邊環境等因素進行分析，對其結構形式、強度及穩定性等進行驗算。盾構機艙蓋內封門結構形式一般為現澆鋼筋混凝土，施工前應對其進行加固，加固方式一般有兩種：①注漿加固；②注漿加固體。根據現場情況，確定采用哪種方式進行加固。由于盾構機正面土體的穩定性較差，為確保盾構機正面土體的穩定，通常采用注漿加固體形式。注漿加固體分為：注漿體、注漿管、注漿孔和止水塞等。

2.2 基座設置

2.2.1 基座設置前的準備

基座的設計尺寸應與隧道中線控制點的位置一致，但基坑開挖完成后，在基坑開挖面范圍內設置基座時，應考慮到該基座是為了解決盾構進出洞時的側向支撐而設置的，其結構強度不應小于其所受豎向荷載，設計應采用鋼筋混凝土結構，同時設置在基坑開挖面以下。基座的支撐體系應能承受盾構進出洞施工過程中的側向力；基座基礎鋼筋網片應采用間距為400 mm×400 mm的鋼筋網片；基座底部及兩側鋪設厚度不小于100 mm的C25混凝土墊塊；基座底部及兩側設置縱向及橫向盲溝，以方便進行盾構進出洞期間的地面降水作業[3]。

2.2.2 基座軸線測定

（1）用全站儀進行基座中心軸線的測定，在隧道出口及進出口處設3個全站儀測量點，并在進出洞洞口的直線段和曲線段設置4個點位，分別為：A、B、C、D。

（2）測量方法：采用全站儀對3個測點進行坐標測量，然后用軟件對測量結果進行擬合，得到A、B、C、D點的坐標。

（3）采用全站儀對3個測點進行坐標測量，然后將擬合結果帶入3個測點的坐標中，根據3個測點的坐標計算出3個測點的實際位置。

2.2.3 導向軌設置

根據測量結果，確定出基座安裝軸線，在盾構進出洞段采用水平鋼導軌進行導向，可有效避免因水平導軌不垂直而產生的盾構姿態偏差。

（1）確定出基座安裝軸線后，首先在進出洞段采用水平鋼導軌進行導向，對安裝過程中出現的問題進行分析，對導軌長度進行調整。將出、入洞段導向軌的兩個端頭與基座的預留鋼軌進行焊接，焊接完成后再將出、入洞段導向軌與基座進行焊接，這樣可有效避免因導向軌端頭焊接位置不在同一平面內而產生的水平導軌不垂直問題。

（2）設置水平鋼導軌前需先將基座中預留的鋼軌按照要求進行打磨、焊接及防腐處理，處理完成后再根據測量結果確定出導向軌長度。鋼軌焊接完成后，將出、入洞段導向軌焊接于基座中預留的鋼軌上，水平鋼導軌與出完成后再將其與基座焊接，這樣可有效避免因出、入洞段導向軌不在同一平面內而產生的水平導軌不垂直現象。

（3）安裝水平鋼導軌時應注意以下幾個方面：①將導向軌兩端焊接于基座中預留的鋼軌上；②在安裝過程中應隨時檢查，確保其垂直度滿足要求；③按要求對其進行防腐處理。

2.3 后座設置

2.3.1 后靠

在盾構進出洞施工過程中，后靠的設置需根據現場實際情況進行合理布置，既能滿足盾構的正常推進，又能對地表沉降起到有效控制。

本區間采用雙側壁導坑法施工，故在盾構的推進方向上有一對斜井。為避免盾構機在斜井內發生偏轉，同時滿足盾構推進的需要，在斜井內設置后靠。后靠采用H型鋼焊接而成，主要作用是使盾構機在推進方向上能保持水平、穩定的狀態，并通過自身的連接螺栓與后靠橫梁連接。后靠橫梁采用Φ200 mm×10 mm鋼筋焊接而成，在每節后靠中間部位預留1m左右的空間，便于安裝后靠橫梁，連接螺栓為Φ70 mm×10 mm的高強螺栓，采用雙螺母緊固。后靠橫梁安裝在斜井內，可根據實際情況進行調整，每節后靠均需進行預拼裝，每節后靠的兩個端頭均需設置連接螺栓，為Φ60 mm×10 mm的高強螺栓，連接螺栓采用雙螺母緊固。后靠安裝完成后需進行相應的檢查與調整，保證其水平度和垂直度符合要求[4]。

2.3.2 頂力傳遞

在盾構掘進過程中，為防止盾構盾尾與掌子面間的相對位移，需根據盾構的推進速度控制好土倉壓力，即以掘進速度為主要控制指標。由于本工程采用的是小直徑盾構機，且對土倉壓力的要求不高，故以掘進速度為主要控制指標。

當盾構推進到某一環（即盾構進出洞）時，需通過人工的方式來控制盾構機的前進方向，即通過測量人員在盾構機頭上方架設千斤頂來調整盾構機頭向線路方向的推進速度。具體做法為：將一臺小型千斤頂安裝在機頭上方，并用鋼繩固定在機頭上，將另一臺千斤頂安裝在機頭后方，并用鋼繩連接兩臺千斤頂。

鋼繩通過連接的兩臺千斤頂之間的連接處連接，當千斤頂與鋼繩連接后，將千斤頂安裝在鋼繩上，使其受力均勻，以保證千斤頂受力均勻。千斤頂安裝完成后，將千斤頂的兩個支點之間的距離調整至合適的距離，即中間距離約為1.2m左右。

盾構進洞時，測量人員在千斤頂后方鋪設一塊枕木，枕木之間用鋼絲繩連接并固定在鋼軌上。盾構推進到設定的位置后，測量人員通過測量儀器記錄盾構的推進速度、土倉壓力、出土量等信息。當盾構機到達指定位置后，測量人員通過觀察鋼軌上的讀數變化情況來判斷盾構的掘進速度是否符合要求。

2.4 洞口間隙密封技術

2.4.1 出洞時間隙密封

為確保盾構進出洞期間的隧道安全，必須在盾構機掘進過程中對洞口間隙進行密封，以確保盾構機安全通過。針對本工程洞口的地層特性，盾構機在掘進過程中采取以下措施進行洞內密封：

（1）掘進過程中對盾構機進行跟蹤觀測，判斷盾構機的掘進姿態，保證掘進方向與隧道軸線一致，避免出現偏磨。

（2）對盾構機進行定期維護保養，確保盾構機處于良好的工作狀態。在盾構機掘進過程中，每隔2個小時檢查一次盾構機的各項參數，如刀盤扭矩、刀盤轉速、出土量、土艙壓力等，發現異常情況及時處理，確保盾構機各項參數正常。通過盾構機參數監測及時發現問題，保證隧道安全。

（3）在盾構機出洞前提前對管片進行拼裝，防止管片錯臺；盾構機出洞前進行管片拼裝檢查，發現異常情況及時處理；在盾構機出洞時進行檢查和保養，發現問題及時處理。

2.4.2 進洞時間隙密封

（1）盾構推進至距離洞口約30～40m時，調整刀盤中心距洞口的距離，將刀盤中心距洞口的距離控制在20～25m，以保證盾構在進入洞門口后與地面保持一定的間隙。

（2）采用3臺全斷面注漿管片（約8環），從盾尾后注漿孔向洞口后方10～20m范圍內注入水泥基注漿液進行注漿加固，注漿材料為水泥漿、水泥—水玻璃雙液漿。

（3）在距離洞口20～30m范圍內，沿盾尾后注漿孔向洞門口附近開挖2～3個直徑約為300 mm的小注漿孔，安裝注漿管路，開始注漿施工。

（4）當盾構通過洞門時，立即停止注漿施工，并將注漿管路的閥門關閉。

（5）在盾構通過洞門后，進行地表沉降觀測，測量地表沉降。當地表沉降監測數據達到預警值時，立即停止注漿施工，并將注漿管路閥門關閉。

（6）在盾構通過洞門后，對盾構管片進行切割，同時對洞口進行密封處理[5]。

3 結束語

總而言之，盾構法隧道進出洞施工是盾構法隧道施工過程中的重要環節，直接影響隧道工程的質量與安全，應采取有效的技術措施加以控制。本文以成都軌道交通30號線一期工程土建二工區（1分部）大同站～石羊站區間為例，通過分析盾構機姿態及地面沉降監測數據，對盾構進出洞施工過程中的姿態變化進行了研究，提出了一系列的關鍵技術措施，保證了盾構機姿態與地面沉降的協調性。并且通過對進出洞施工過程中地表沉降監測數據分析，結合盾構機姿態及地面沉降情況，對進出洞施工工藝進行了優化。