周虎 喻青儒

摘 要：淺覆土盾構(gòu)掘進(jìn)施工主要指土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在淺覆土中掘進(jìn)施工，因該類似區(qū)段盾構(gòu)掘進(jìn)對施工控制及措施要求非常高，施工人員對淺覆土認(rèn)識不足常帶來多種影響和危害。本文主要以佛山地鐵2號線出入場線盾構(gòu)區(qū)間為研究對象，系統(tǒng)的分析和研究在軟弱地層淺覆土盾構(gòu)掘進(jìn)施工的風(fēng)險(xiǎn)以及相應(yīng)的應(yīng)對措施。

關(guān)鍵詞：軟弱地層;淺覆土;盾構(gòu)掘進(jìn)

中圖分類號：U455 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）01-0088-02

0 引言

盾構(gòu)隧道常常要求一定的最小覆土厚度，以保證盾構(gòu)正常施工和結(jié)構(gòu)抗浮安全。當(dāng)盾構(gòu)施工時(shí)，覆土厚度不足易造成地表隆沉量過大，甚至導(dǎo)致機(jī)體背土的現(xiàn)象。再者，當(dāng)覆土有效壓重、結(jié)構(gòu)重等向下合力不足以抵抗?jié){液或地下水浮力時(shí)，所建隧道將會(huì)發(fā)生局部或整體上浮。隧道上浮將導(dǎo)致軸線偏離、結(jié)構(gòu)安全度降低和防水效果變差等不良后果。

隨著軌道交通在國內(nèi)各個(gè)大型城市的交通功能日趨重要，各類事故也越來越多，大力發(fā)展軌道交通施工技術(shù)顯得非常的重要。目前國內(nèi)對軟弱地層淺覆土的研究應(yīng)用主要還是依托于常規(guī)的盾構(gòu)施工技術(shù)，對參數(shù)等相關(guān)因素進(jìn)行調(diào)整和摸索，本文主要以實(shí)際工程案例為依托，對風(fēng)險(xiǎn)及相應(yīng)的盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)做系統(tǒng)的研究和探討。

1 工程概述

佛山地鐵2號線出入場線盾構(gòu)區(qū)間是連接正線與停車場的一條地下盾構(gòu)線路，整體坡度約為6.25‰向上的趨勢，在部分區(qū)域的覆土都比較淺。全線覆土深度過淺在4～10m之間。其中盾構(gòu)區(qū)間盾構(gòu)隧道斷面基本上全部位于淤泥質(zhì)土中，該區(qū)間地表為1～2m的回填土，回填土下部為25～30m的淤泥質(zhì)土，更深的地方為淤泥質(zhì)粉砂、砂層等，地下水較豐富，地表徑流明顯。

該盾構(gòu)區(qū)間主要采用6.25m直徑的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)，需穿越季華西路、宏德路、九曲涌、佛山一環(huán)、高壓燃?xì)夤芫€，側(cè)穿多個(gè)高壓電塔，地面其他建構(gòu)筑物較少。

2 沉降及隆起發(fā)生的機(jī)理

地層變形的基本原因是盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，所引起的地層損失和隧道周圍地層受到擾動(dòng)和剪切破壞的再固結(jié)。

2.1 沉降發(fā)生機(jī)理

地面沉降的基本原因是盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)所引起的地層損失和隧道周圍地層受到擾動(dòng)再固結(jié)。地層損失是指盾構(gòu)施工中實(shí)際開挖的土體體積與竣工隧道體積之差（竣工隧道體積包括襯砌外圍包裹的注入漿體體積）。地層損失引起的地面沉降，大都在施工期間呈現(xiàn)出來。而再固結(jié)引起的地面沉降，在砂性土中呈現(xiàn)較快，但在粘性土中則要延續(xù)較長時(shí)間。淺覆土地層掘進(jìn)時(shí)，因土體拱效應(yīng)弱，沉降在短期內(nèi)有明顯波動(dòng)（如圖1）。

2.2 隆起發(fā)生機(jī)理

盾構(gòu)通過時(shí)由于土倉壓力與外部土體水體不能達(dá)到平衡，超過平衡點(diǎn)后引起隆起。螺旋機(jī)出土速度控制的方量超過軟土中掘進(jìn)理論方量。注漿引起地面隆起，直接且明顯（如圖2）。

3 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的設(shè)置

3.1 掘進(jìn)推力控制

盾構(gòu)的掘進(jìn)總推力是由各種推進(jìn)阻力的總和來確定。推進(jìn)阻力主要由以下幾項(xiàng)構(gòu)成：盾構(gòu)外周和土體的摩擦阻力;盾構(gòu)正面阻力（土倉壓力）;管片與盾構(gòu)本體內(nèi)壁之間的摩擦力;后配套臺車的牽引阻力。按照《Mechanised Shield Tunnelling》一書介紹的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行驗(yàn)算：F=β.D2式中：F——盾構(gòu)機(jī)推力（kN）;D——盾構(gòu)機(jī)外徑（m）;β——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，β=500～1200。當(dāng)D=6.28m時(shí)，據(jù)此可計(jì)算出：盾構(gòu)機(jī)裝備推力F=19531～46875（kN）。

綜合實(shí)際的施工經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在淺覆土掘進(jìn)過程中為保證地面不因推力過大引地面隆起，軟弱土層推力應(yīng)遵循以下原則進(jìn)行綜合考慮：（1）掘進(jìn)推力一般應(yīng)控制在裝備推力的50%以下;（2）正常情況下主要根據(jù)地質(zhì)條件、掘進(jìn)速度、刀盤扭矩、土倉壓力等因素控制掘進(jìn)推力;（3）管片的承受能力、盾構(gòu)姿態(tài)控制以及線路轉(zhuǎn)彎等要求;（4）推力設(shè)置應(yīng)充分考慮地面隆起與盾構(gòu)機(jī)抬頭的問題，掘進(jìn)推力的設(shè)置應(yīng)取β的下限值;（5）監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反映到推力、土壓力上，推力調(diào)整應(yīng)與監(jiān)測數(shù)據(jù)聯(lián)動(dòng)，不得隨意調(diào)整。

3.2 土壓力的設(shè)定

土壓力根據(jù)埋深、地層及沉降要求的不同，可采用主動(dòng)土壓力、松弛土壓力或靜止土壓力：

（1）對于覆土厚度H

（2）對于覆土厚度H

在淺覆土盾構(gòu)掘進(jìn)施工過程中，應(yīng)采取主動(dòng)土壓力進(jìn)行計(jì)算盾構(gòu)掘進(jìn)所需的壓力?？紤]到軟弱土層且覆土比較淺的情況下，掘進(jìn)的過程中應(yīng)保證盾構(gòu)機(jī)前方土體有微弱的隆起，隆起量控制在10cm以內(nèi)為宜。根據(jù)出入場線盾構(gòu)掘進(jìn)及監(jiān)測的數(shù)據(jù)分析，要使得地面有微弱的隆起，倉內(nèi)超壓設(shè)置應(yīng)為30KPa為宜。

3.3 轉(zhuǎn)速及推進(jìn)速度設(shè)置

淺覆土情況下，宜采取較低的轉(zhuǎn)速推進(jìn)（1-1.5rpm）;轉(zhuǎn)速控制應(yīng)均勻平緩，不得忽大忽小，盡量減小對敏感土體的擾動(dòng)。

軟弱地層淺覆土掘進(jìn)主要考慮的是地層的高敏感性，掘進(jìn)速度應(yīng)與注漿速度相匹配，不宜太快。同時(shí)，掘進(jìn)速度應(yīng)滿足盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的控制要求，盡量減少停機(jī)時(shí)間，停機(jī)時(shí)應(yīng)滿倉土狀態(tài)。在淺覆土狀態(tài)下的推進(jìn)速度不宜超過40mm/min。

3.4 扭矩設(shè)置

刀盤的扭矩是由地質(zhì)條件、盾構(gòu)刀盤型式、盾構(gòu)機(jī)推力等因素來決定，主要組成為：刀具的開挖阻力產(chǎn)生的扭矩;刀盤和碴土地摩擦阻力產(chǎn)生的扭矩;攪拌碴土的阻力產(chǎn)生的扭矩;刀盤主軸承阻力產(chǎn)生的扭矩;軸承密封的摩擦阻力產(chǎn)生的扭矩;減速機(jī)的機(jī)械損失產(chǎn)生的扭矩。刀盤扭矩的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式：T=α.D3，式中：T—盾構(gòu)機(jī)扭矩（kN.m）;D—盾構(gòu)機(jī)外徑（m）;α—扭矩系數(shù)，α=18。

通過對出入場線施工的各項(xiàng)參數(shù)收集，研究分析的結(jié)果為：淺覆土施工時(shí)，正常情況下扭矩應(yīng)在裝備扭矩的40%左右，過大易引起盾構(gòu)機(jī)偏轉(zhuǎn)。

4 其他措施

4.1 地面處理措施

盾構(gòu)掘進(jìn)處理控制掘進(jìn)參數(shù)外，在覆土深度小于一倍洞徑的位置，在地面采取反壓措施來確保覆土過淺的問題能夠有效的解決盾構(gòu)機(jī)抬頭及地面嚴(yán)重隆起的問題。反壓主要采取堆載的方式，堆載高度通過計(jì)算滿足堆載與原裝土的壓力滿足一倍洞徑覆土壓力的要求，堆載寬度按照隧道邊線外擴(kuò)1～2m。在盾構(gòu)到達(dá)前100環(huán)堆載完畢。

根據(jù)軟弱地層的特點(diǎn)，可以采取的另外一種措施就是隔離或是地層加固措施，例如：MJS、水平定向鉆、管棚預(yù)注漿、袖閥管預(yù)注漿、攪拌樁隔離墻等。

4.2 渣土改良

淺覆土層的地質(zhì)基本以雜填土、回填土、粘土、淤泥質(zhì)土等居多，且土壤中空隙率一般較大。盾構(gòu)機(jī)在淺覆土層中掘進(jìn)時(shí)，極易造成對土體的擾動(dòng)，且不易在土倉內(nèi)形成合適的氣壓（漏氣），對地層擾動(dòng)、掘進(jìn)出渣影響特別大。為確保土倉內(nèi)渣土均勻，并能降低掘進(jìn)前方土體的空隙率，一般情況下均需要對渣土進(jìn)行改良。

在分析了出入場線整個(gè)渣土改良的過程和效果后，出入場線渣土改良采取變動(dòng)的方式進(jìn)行不斷調(diào)整，主要改良原則為：（1）只要含水率達(dá)到18%，只需要添加適量的泡沫;（2）空隙率較大或大顆粒物質(zhì)較多的地層，加入礦物類材料改良補(bǔ)充細(xì)顆粒，控制指標(biāo)含泥量15%～35%;（3）砂層比例超過60%，應(yīng)采用膨潤土作為主要改良材料;（4）淺覆蓋層往往采用泡沫劑結(jié)合膨潤土的改良方案;（5）淤泥質(zhì)土（腐殖質(zhì)含量超過8%時(shí)），只需添加水或極少量泡沫;（6）渣土改良后渣土塌落度控制在100-150mm范圍。

4.3 監(jiān)控量測

監(jiān)測是對風(fēng)險(xiǎn)和盾構(gòu)掘進(jìn)施工各參數(shù)的一個(gè)監(jiān)督和不斷修正的過程，一般情況下，盾構(gòu)沉降和隆起影響主要比重分布情況為：推進(jìn)前方15%-35%，盾構(gòu)通過時(shí)20%-60%，盾構(gòu)通過后9%-55%，范圍主要位于盾構(gòu)刀盤前方2H，盾構(gòu)通過后方2H的范圍進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)控。監(jiān)控的參數(shù)和預(yù)警值按照規(guī)范規(guī)定即可，但在施工過程中應(yīng)時(shí)刻關(guān)注趨勢的變化。監(jiān)控量測是信息化指導(dǎo)施工的重要手段，施工監(jiān)測的目的就是為了獲取隧道施工時(shí)對周圍建（構(gòu)）筑物影響程度的量化指標(biāo)，以便了解其變化的態(tài)勢，以及利用監(jiān)控信息的反饋分析，更好的預(yù)測系統(tǒng)的變化趨勢，及時(shí)指導(dǎo)施工，必要時(shí)進(jìn)行優(yōu)化或修改設(shè)計(jì)，確保工期和施工安全。

5 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防

淺覆土盾構(gòu)掘進(jìn)施工主要指土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在淺覆土中掘進(jìn)施工，因該類似區(qū)段盾構(gòu)掘進(jìn)對施工控制及措施要求非常高，如施工人員對淺覆土認(rèn)識不足常帶來多種影響和危害。常見的風(fēng)險(xiǎn)主要有：地面冒漿、隆起沉降、管線破壞、建構(gòu)筑物破壞、盾構(gòu)機(jī)抬頭、管片破損、管片上浮、隧道滲漏水、有毒有害氣體等。

在盾構(gòu)掘進(jìn)施工前應(yīng)進(jìn)行必要的補(bǔ)勘和踏勘工作，對沿線的管線、建構(gòu)筑物進(jìn)行充分的調(diào)查和研究，同時(shí)對地形進(jìn)行測量和放樣，準(zhǔn)確的把握盾構(gòu)掘進(jìn)的要點(diǎn)和存在的難題。尤其是在試掘進(jìn)階段應(yīng)對制定的目標(biāo)有充分的理解，在試掘進(jìn)完成后提出合理、科學(xué)的措施，確定盾構(gòu)掘進(jìn)的參數(shù)和原則，確保盾構(gòu)掘進(jìn)過程中的風(fēng)險(xiǎn)可控。

6 結(jié)語

軟弱地層淺覆土施工分布范圍較廣，在國內(nèi)多條地鐵線路中均存在該類情況。施工應(yīng)不停的在過程中反復(fù)摸索，不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，將盾構(gòu)掘進(jìn)的參數(shù)與各種手段相結(jié)合起來，使之達(dá)到盾構(gòu)施工與運(yùn)營后期隧道穩(wěn)定、安全的要求。控制技術(shù)指標(biāo)不能僅僅靠已有的經(jīng)驗(yàn)和公式來判定，應(yīng)通過調(diào)查、研究，過程中采取監(jiān)測的手段，運(yùn)用合適科學(xué)的工藝措施及參數(shù)的設(shè)置來控制盾構(gòu)的掘進(jìn)施工，從而取得較理想的成果。本文主要依托佛山地鐵2號線出入場線盾構(gòu)掘進(jìn)施工中經(jīng)驗(yàn)參數(shù)以及科學(xué)的總結(jié)，從而達(dá)到了隧道施工、運(yùn)營均能滿足設(shè)計(jì)、規(guī)范及社會(huì)的效益。