成都地铁软弱地层浅覆土盾构始发与掘进技术研究

马 义 平

(中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001)

·桥梁·隧道·

成都地铁软弱地层浅覆土盾构始发与掘进技术研究

马 义 平

(中铁三局集团有限公司，山西 太原 030001)

以成都地铁3号线3.7 m软弱地层浅覆土为例，介绍了隧道端头井及浅覆土区间加固、隧道内二次注浆以及盾构机掘进参数设置等综合施工技术。通过工程实践证明，这些技术能够有效控制本区段地层变形沉降，对确保隧道施工安全具有重要作用，并对今后同类工程施工提供实践参考。

盾构机,软弱地层,浅覆土,加固,始发与掘进

1 工程概况

1.1区间概况

成都地铁3号线出段线从天回镇南站站前引出与北郊车辆段连接，隧道线路总长1 317.744 m，施工组织设计使用盾构机从天回镇南站始发后，掘进到达北郊车辆段盾构井接收。盾构机始发处隧道覆土4.1 m，始发后0.2%的上坡，通过最小处3.7 m之后以3.2%下坡，浅覆土区间(覆土厚度小于盾构机直径6.28 m)长度达172 m。浅覆土区间纵断面见图1。

1.2地质及水文情况

根据岩土工程勘察报告资料，出段线盾构施工穿越的土层主要为：①-1杂填土、④-1-1粘土、⑤-1全风化泥岩、⑤-2强风化泥岩、⑤-3中风化泥岩、③-6-2卵石土。其中盾构始发段地质土层上部为①-1杂填土，④-1-1下部为粘土，地质情况参见图1。

经勘察成都地铁3号线出段线盾构区间地下水主要有赋存于填土里的上层滞水和基岩裂隙水，其水量相对小，对本区间工程基本无影响。

1.3工程难点

出段线隧道拱顶埋深浅地层软弱，盾构机始发和掘进时土仓压力难以建立和控制，特别是该段线路位于川陕公路下方，车流量大，很多重载车辆通过，极易引起地面及周边建筑物沉降，严重时会造成地面坍塌，危及地面建筑物和公路安全交通。因此控制地面沉降成为本工程的难点。

2 控制地面沉降的主要措施

盾构机掘进引起地面沉降的主要因素有掘进面支护力的过大或过小、盾构机超挖或经扰动土再固结导致的土体损失、浅覆土土压不足导致的隧道上浮，地面隆起。本项目拟采取控制地面沉降的主要措施有：对地面土体加固，提高土体稳定性和承载力；在地面隧道上方加压，提高地面抗隧道上浮力；科学设置盾构机掘进参数，并根据地面沉降监测数据，对掘进参数进行动态调整；盾构同步注浆及隧道内二次注浆，及时填充土体中间隙。

2.1始发井端头加固技术

天回镇南站盾构始发端头井位置地层为硬塑状粘土层和杂填土，地下水量小，不考虑降水措施，端头井采取“大管棚注浆+地面袖阀管注浆”加固技术。地基加固长度为8 m，加固宽度为盾构外径两侧和顶部3 m,深度4 m。

2.1.1大管棚注浆加固

在始发洞门隧道顶部120°范围采用大管棚注浆加固，管棚钢管直径108 mm,壁厚6 mm，长度10 m，环向中心距400 mm布置，钢管外插角1°。管棚位置布置见图2。大管棚注浆采用水泥单液浆，水灰比1∶1，注浆压力0.3 MPa～0.5 MPa，注浆量0.51 m3/根。

2.1.2地面袖阀管注浆加固

地面端头加固长度8 m，加固宽度为盾构外径两侧各3 m、深度为4 m。孔间距800 mm，梅花形布置。袖阀管套壳料采用水泥、膨润土配置，水泥∶膨润土水灰比1∶1.5，注浆材料为水泥—水玻璃双液浆，水灰比1∶1，水玻璃体积比1∶1，水玻璃浓度15比特～20比特。注浆以压力控制为主，压力范围0.2 MPa～0.5 MPa。盾构始发井端头地面袖阀管加固孔布置见图3。

2.2浅覆土区间地面加固技术

隧道浅覆土为杂填土与粘土，在盾构通过之前对隧道上方土体施作袖阀管注浆加固，使土体抗压强度大于1 MPa，达到控制地面沉降的目的。加固范围自始发井端头起线路200 m范围，在隧道轴线每2 m布置4个孔，孔间距1.5 m，钻孔直径90 mm，深度为3 m。袖阀管注浆采用水泥单液浆，水灰比1∶1，注浆压力0.2 MPa～1 MPa。

2.3地面钢板反压

原施工图设计在隧道上方川陕路上采用1.3 m厚的堆土反压，从盾构掘进安全影响及地面道路交通疏解综合考虑，将堆土反压设计改为沿隧道轴线地面铺设40 mm厚的钢板，从而达到盾构安全掘进，道路安全交通的目的。钢板铺设范围为隧道结构边线各1 m(总宽度8 m)，刀盘前10 m，盾尾后10 m，总共长度为30 m。单块钢板规格为长8 m，宽2 m，厚度为40 mm。

2.4盾构机掘进控制技术

2.4.1盾构机掘进参数确定

1)土仓压力。出段线因为浅覆土掘进土压控制不好容易冒顶或超挖，而决定土压力的主要有水土压力和外部荷载，由于本浅覆土段水位低于隧道埋深所以不做考虑，经过本标段其他区间的掘进经验，土仓压力=(土容重×埋深+外部荷载)×土的静止侧压力系数+水比重×埋深。

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

粘土层土的容重为1.95 t/m3，外部荷载是40 mm的钢板，为0.314 t/m2，水土压力系数为0.5，始发覆土埋深为4.1 m。

所以浅覆土段(3.7 m～7 m)刀盘顶部土仓压力暂定为37.6 kPa～69.8 kPa。

2)推进力及掘进速度。盾构机推力及推进速度对上部土体的变形有较大的影响。在浅覆土层阶段，盾构主要在粘土层掘进，为控制地面沉降和隆起，掘进速度宜控制在20 mm/min～40 mm/min左右，盾构机推力宜控制在6 000 kN～8 000 kN。

3)出土量控制。每环理论出土量=K×π/4×D2×L=1.2×37.15=44.58 m3。为预防浅埋段地面沉降，盾构推进出土量控制在理论量95%～98%之间，即42.4 m3～43.7 m3。

2.4.2同步注浆

同步注浆量控制以施工形成建筑孔隙的130%～150%为宜，则同步注浆量4.2 m3～4.86 m3；注浆上压力控制在0.08 MPa～0.11 MPa，下压力控制在0.1 MPa～0.12 MPa，注浆时以压力控制为主注浆量控制为辅。浆液胶凝时间控制在4 h以内，固结体强度1 d值不小于0.2 MPa，28 d值不小于2.5 MPa。

2.4.3洞内二次注浆

隧道洞内二次注浆能够及时填补同步注浆后遗留的空隙，已经成为稳定隧道管片状态，预防地面沉陷的主要施工措施。二次注浆液使用水泥—水玻璃双液浆，水灰比1∶1，水玻璃体积比1∶1，浆液凝结时间20 s～35 s。管片脱离盾尾2环后，从正1环开始每2环1次的频次进行注浆，注浆点选择在隧道3点,9点位置，二次注浆以压力控制为主，注浆压力控制在0.25 MPa～0.3 MPa。

2.4.4盾构姿态控制

为防止上部覆土层较薄，在掘进过程中盾构机抬头造成“冒顶”现象，盾构掘进过程中，盾构掘进坡度和平面轴线尽可能与设计轴线保持一致，采取“勤测勤纠”，保持盾构平稳推进，减少纠偏，减少对正面土体的扰动，同时要控制各分区油缸压力差不超过2 MPa，避免因管片环上下受力不均造成管片上浮。

3 沉降控制效果分析

3.1盾构机始发与掘进

盾构机始发后，在端头井加固体内掘进速度控制在2 mm/min左右，推力控制在8 000 kN以内，土仓压力略低于理论值，保持在0.15 MPa，推进过程中加入泡沫剂，以减少刀盘所受扭矩，盾构顺利通过加固体。浅覆土段盾构机掘进时根据前20环掘进对地面沉降监测情况，适当降低土仓压力，浅覆土区土仓上部土压控制在32 kPa～36 kPa，出土量控制在42.4 m3～43.7 m3，严格按照以上方案进行同步注浆和二次注浆施工。

3.2地面沉降量监测

地面监测成果表明，浅埋段地面沉降量在-8 mm～-15 mm范围内，完全满足+10 mm～-30 mm控制目标要求如图4所示。

4 结语

1)实践证明，对无水粘土层浅埋端头井使用“大管棚注浆+地面袖阀管注浆”加固方案，能满足盾构浅覆土无水地层安全始发技术要求。2)对于盾构隧道浅覆土采取“地面袖阀管注浆加固+钢板预压”技术，特别是隧道上方为交通公路路面，使用铺设钢板预压方案能够有效缓解地面交通压力，对同类工程提供成功借鉴。3)盾构掘进过程中，通过采取同步注浆及二次加注双液浆以及对掘进参数动态调整技术，能够对地面沉降进行可靠控制。

[1] 张义同.隧道盾构掘进土力学[M].天津:天津大学出版社,2010:63-120.

[2] 陈 馈.盾构施工技术[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

马义平(1969- )，男，高级工程师

U455

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