劉 斌

（中鐵十八局集團市政工程有限公司 天津市 300222）

1 工程概況

盾構(gòu)區(qū)間位于呼和浩特市城市軌道交通2號線呼和浩特站～公主府站區(qū)間，施工區(qū)間需下穿火車站，左線里程545.610m，右線里程549.152m，主體結(jié)構(gòu)為由管片錯縫拼裝而成的環(huán)形結(jié)構(gòu)。

1.1 地形地貌

盾構(gòu)區(qū)間從火車站前廣場穿越火車站、火車股道、車站后街、道北二小區(qū)、道北三小區(qū)、勝利街至鑫和銀座，地形較平緩，地面高程介于1060.567～1062.109m，地貌單元屬山前沖洪積傾斜平原。

1.2 地層條件

盾構(gòu)區(qū)間沿線穿越的地層主要以細礫、中砂、粉質(zhì)黏土為主，局部穿過粉砂層。區(qū)間在下穿鐵路股道地鐵區(qū)段主要穿越中砂、細砂、粉砂、粉質(zhì)黏土層。

1.3 水文地質(zhì)

水位在左線盾構(gòu)區(qū)間頂面以上8.352m，在右線盾構(gòu)區(qū)間頂面以上8.718m。地下水屬潛水類型，鉆孔內(nèi)量測的穩(wěn)定水位埋深7.4～9.4m，相應標高1052.111～1054.009m，高差1.898m，水位年變幅1.5～3.0m。各含水層多為強透水層，下部的隔水層多不連續(xù)且不完整，地下水相互滲透。

本文以盾構(gòu)下穿火車段為工程背景，重點對洞門加固、盾構(gòu)施工控制參數(shù)、管片安裝和施工過程沉降監(jiān)測進行介紹，以期為同類工程施工提供參考。

2 洞門加固措施

為確保施工正常進行，洞門需進行加固[1～3]，本文采用洞門注漿法進行加固。洞門注漿采用梅花形布置，孔間距0.6m、深12m，注漿角度與洞門成90°。總體注漿順序遵從先環(huán)向、后中間、由下至上、由邊向中的原則。注漿材料采用雙槳液，即水泥（A 液）和水玻璃（B 液），A 液采用PO42.5號硅酸鹽水泥，B 液模數(shù)為2.4～3.4，波美度為30～40Be。其中A 液水灰比為1：1，B 液水玻璃與水按1：2 進行配置，雙液漿A 與B 體積比為1：1。根據(jù)現(xiàn)場鉆探結(jié)果，端頭位置所處的地層主要為礫砂、粉質(zhì)黏土，同時考慮到注漿管壓力損失，注漿壓力控制在1.0～1.5MPa。

3 盾構(gòu)下穿施工參數(shù)控制

本工程全程采用平衡推進法進行掘進。在施工正式開始前，選取100m 試驗段進行試驗，以校核是否有施工參數(shù)存在異常的狀況，達到有效保證盾構(gòu)前進速度、推力、扭矩等整體平衡的效果。此外，在前進過程中，實時根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)進行參數(shù)調(diào)整，保證各施工參數(shù)的合理設定，避免因地層條件變化而導致的平衡模式被破壞，影響施工進度的后果。

3.1 土壓參數(shù)控制

為確定土壓參數(shù)，應首先對盾構(gòu)機豎向承擔的土壓力進行計算，計算公式見式（1）：

式中：P為盾構(gòu)機豎向土壓力；λ為土的側(cè)壓力系數(shù)，根據(jù)勘察報告取0.43；γ為土的容重，考慮地層含水率，取24kN/m3；D為盾構(gòu)機外徑，取6.41m；H為盾構(gòu)機的覆土深度，取17.24m。

由式(1)可以算出，P=0.43×24×（17.24+6.41/2）=2.1 bar。據(jù)此可以確定，在盾構(gòu)穿越掘進過程中，平均土壓力控制在2.1bar 左右，并根據(jù)地面監(jiān)測報表反饋的信息及時進行土倉壓力P值調(diào)整。

3.2 推進速度控制

根據(jù)平衡掘進原則，掘進速度的控制是以保證施工平順為目的。當掘進速度過快時，容易導致土倉壓力不穩(wěn)，引發(fā)掌子面失穩(wěn)。而當掘進速度過慢時，又容易導致盾構(gòu)對地層的極大擾動，且不利于出渣量的控制。因此，掘進速度應選取適當值以保證土倉壓力和出土的平衡。本工程段經(jīng)試驗后發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)掘進速度以15～30mm/min 最佳。

3.3 刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩控制

刀盤轉(zhuǎn)速既應考慮掘進速度，也應考慮管片剛度，防止過大轉(zhuǎn)速導致管片變形，從而引發(fā)隧道軸向發(fā)生偏差的狀況。此外，過小的轉(zhuǎn)速會導致盾構(gòu)機回轉(zhuǎn)角速度變化快，從而導致盾構(gòu)姿態(tài)控制不穩(wěn)，促使管片損耗。因此根據(jù)實際試驗及相關(guān)經(jīng)驗，刀盤轉(zhuǎn)速設定為0.8～1.6 rpm。

而關(guān)于刀盤扭矩，需根據(jù)不同的地層情況進行不同的設定。本工程下穿火車站（盾構(gòu)左線及盾構(gòu)右線DK14+869.729～DK14+971.846 段）過程中遇到以砂層為主以及含少量粉質(zhì)黏土的地層條件時，控制刀盤扭矩為1800～2000kN·m，總推力為18000～19000kN；遇到以粉質(zhì)黏土層為主以及含少量中砂的地層條件時（盾構(gòu)右線DK14+791.659～DK14+869.729 段），刀盤扭矩控制在1100～1200kN· m，總推力控制在12000～15000kN。

3.4 掘進方向控制

掘進方向的控制屬于精細控制。在盾構(gòu)機行進過程中，應通過合理調(diào)整各分區(qū)千斤頂?shù)膲毫?、鉸接油缸壓力及刀盤轉(zhuǎn)向來調(diào)整盾構(gòu)機的姿態(tài)等方式嚴格控制其掘進方向，保證軸線糾偏幅度控制在±5cm 以內(nèi)，傾角偏差控制在±3mm 以內(nèi)，避免大幅度糾偏動作。

3.5 出土量控制

盾構(gòu)用于城市地下隧道修建時，出土量是控制地表沉降、減小地表變形的重要參數(shù)[4～5]。本工程采用螺旋輸送機保證進土量和出土量的相互匹配，從而使得盾構(gòu)開挖面處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是由于地質(zhì)條件的差異性，在施工過程中需要對出土量進行調(diào)整，其理論計算如式（2）所示。在盾構(gòu)行進過程中，由于地層條件和土體參數(shù)變化，致使松散系數(shù)不同，因此在盾構(gòu)開挖過程中，需要根據(jù)實際情況實時調(diào)整螺旋輸送機的轉(zhuǎn)速來控制出土量。出土量過大，會導致盾構(gòu)開挖面地層損失過大而坍塌或者引起地表沉降過大；出土量過小，則會使土艙內(nèi)壓力迅速增大，導致開挖面上方地表隆起。

本工程在施工中嚴格按理論出土量出土，每環(huán)出土量偏差不超過1m3。每環(huán)理論出土量：

式中：D為刀盤直徑，L為管片寬度，S為松散系數(shù)，根據(jù)土層情況查表確定。經(jīng)計算可以得出其理論控制出土量為V=3.14×(6.44/2)2×1.5×1.20=58.60m3／環(huán)。

采用土壓平衡模式掘進時，實際出土量控制出土量在理論的98%～100%之間，以維持土壓力平衡，保證盾構(gòu)正面土體的穩(wěn)定。

3.6 同步注漿參數(shù)控制

盾構(gòu)行進時，需嚴格控制

盾尾同步注漿量和漿液質(zhì)量是盾構(gòu)行進過程中應嚴格控制的問題。當盾構(gòu)向前掘進、盾尾形成空隙時，利用同步注漿系統(tǒng)及盾尾的內(nèi)置注漿管實現(xiàn)同步注漿。漿液采用水泥砂漿摻粉煤灰，同時應保證漿液泌水率＜3%，1 天強度≥0.2MPa，28 天強度≥3.0MPa，并確保在列車振動和地震作用下不發(fā)生液化。漿液傾析率（靜置沉淀后上浮水體積與總體積之比）低于5%，固結(jié)收縮率低于5%，初凝時間不大于6h。對于特殊段漿液配合比，經(jīng)試驗合格后使用，具體配合比見表1。

表1 特殊段漿液配合比表

為保證地層穩(wěn)定，同步注漿時要求漿液壓力大于該點的靜止水壓及土壓力之和。通常同步注漿壓力一般為1.1～1.2 倍的靜止土壓力，因此注漿壓力須控制在0.2MPa～0.3MPa。

此外，對于同步注漿量，理論上是充填盾尾建筑空隙，并考慮盾構(gòu)推進過程中的糾偏、漿液滲透（與地質(zhì)情況有關(guān)）及注漿材料固結(jié)收縮等因素。盾尾同步注漿量應為理論注漿量的200%～250%。為同時要求同步注漿速度必須與盾構(gòu)推進速度一致，如果發(fā)現(xiàn)注漿量不夠，要及時進行補注漿。每環(huán)同步注漿量如式（3）：

式中：1D為刀盤直徑；2D為管片外徑；L為管片寬度；a為注漿率，根據(jù)土層情況，選用2.0～2.5。經(jīng)計算，本工程注漿量宜為7.1 m3～8.9 m3，盾尾通過后地面沉降在±3mm 內(nèi)。盾構(gòu)通過鐵路線期間，要進行24h 實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)反饋，及時調(diào)整注漿量。同步注漿盡可能保證均勻、連續(xù)壓注，防止推進尚未結(jié)束而注漿停止的情況發(fā)生。

3.7 二次注漿參數(shù)控制

二次壓漿在管片出盾尾5 環(huán)后進行，為全斷面注漿。施工中對壓漿位置、壓入量、壓力值做詳細記錄，并根據(jù)地層變形監(jiān)測信息及時調(diào)整。二次漿液同樣采用水泥砂漿摻粉煤灰，漿液要求泌水率＜3%，1 天強度≥0.2MPa，28 天強度≥1.0MPa，初凝時間正常情況下不大于10h，特殊情況下可根據(jù)地層條件和掘進速度調(diào)整。

二次注漿順序一般從隧道的兩腰開始，應先壓注可能存在較大空隙的一側(cè)，注完頂部再注底部，注漿完畢后封閉注漿孔，二次注漿壓力不大于0.5 MPa。注漿量按每環(huán)同步注漿量的10～20%控制，并根據(jù)地質(zhì)情況及注漿記錄情況，分析注漿效果，結(jié)合監(jiān)測情況確定。

3.8 管片拼裝控制

本工程盾構(gòu)襯砌管片為裝配式鋼筋砼管片，強度等級C50，抗?jié)B等級P12，管片拼裝采用錯縫拼裝方式。襯砌管片圓環(huán)構(gòu)造如表2 所示。管片選型以滿足隧道線型為前提，重點考慮管片安裝后盾尾間隙要滿足下一循環(huán)掘進限值，確保有合適的盾尾間隙，以防盾尾接觸并擠壓管片，造成管片破損。管片安裝必須從隧道底部開始，先安裝標準塊然后依次安裝相鄰塊，最后安裝封頂塊。封頂塊安裝前，應對止水條進行潤滑處理，安裝時先徑向插入2/3，調(diào)整位置后緩慢縱向頂推插入。管片安裝到位后，應及時伸出相應位置的推進油缸頂緊管片，其頂推力應大于穩(wěn)定管片所需力，然后方可移開管片安裝機。管片安裝完后應及時進行連接螺栓緊固，并在管片脫離盾尾后要對管片連接螺栓進行二次緊固，以達到嚴格管片拼裝控制的目的。

表2 襯砌圓環(huán)構(gòu)造參數(shù)

4 路基沉降監(jiān)控

盾構(gòu)施工期間需在呼和浩特站鐵路股道間盾構(gòu)下穿影響范圍內(nèi)（下穿盾構(gòu)左右線與相應線路交叉中心點沿鐵路大、小里程側(cè)各延伸40m）的路基位置布設自動化監(jiān)測設備，在1 道與3 道、2 道與4道、9 道與11 道、5 道與7 道、6 道與8 道、10 道與12 道間共布置6 條測線，每條測線選取11 個測點，在各測線監(jiān)測范圍外大里程側(cè)20m 處各設置1 個自動化監(jiān)測基點，各測線根據(jù)現(xiàn)場安裝條件進行布置，保持測線內(nèi)液路高度一致，監(jiān)測頻率：施工關(guān)鍵期自動采集頻率每小時1 次，一般施工狀態(tài)每2小時采集1 次；施工前連續(xù)采集初始值，直到變形趨于穩(wěn)定。

圖1 表示盾構(gòu)下穿過程中每個測點的最大路基沉降量與測點編號的關(guān)系。在所有測點中，測試時間內(nèi)最大的沉降變化量是1.168mm，遠低于10mm 的目標控制值，表明采取的盾構(gòu)下穿施工控制技術(shù)取得了良好效果。

圖1 路基測點最大沉降監(jiān)測結(jié)果

5 結(jié)語

本文以實際工程為背景，對盾構(gòu)下穿火車站中的施工參數(shù)控制方法進行了詳細的說明，經(jīng)實踐檢驗取得了良好的成效，使得盾構(gòu)機在復雜土層中順利推進，避免了因施工控制不當而產(chǎn)生的土層變形、沉陷等安全事故風險，可為類似工程提供實際經(jīng)驗。