淤泥质土层浅埋盾构始发施工技术研究

宋之勇

（中铁二十二局集团轨道工程有限公司，北京 100043）

文章深入研究了某洲支线的施工项目中盾构隧道位于浅埋的淤泥层的工况，剖析了盾构隧道穿越淤泥层施工发掘过程中可能出现的问题，并提出了可行的解决措施，使其顺利地穿过了被淤泥覆盖的土层，并且在这一构建区间内的成型管片没有出现大规模的超限情况。

1 项目概况

某洲支线的施工过程中的隧道部分包括竖井—莲花站盾构区间，左侧线长度约2640m，右线长度约3257.361m；明挖口的隧道，左侧起止线长度约195.41m，右线长度约195.41m；路基段，起止里程约185.41m；某中段桥，起止里程约93.2m。整条线路跨越了5个村镇，隧道总长度为4.047km，项目总投资高达8.65亿元，合同工期48个月，从2018年12月26日至2022年12月26日。

1.1 施工流程

按照该盾构的施工质量和程序要求，先布置盾构的加固和始发场地，接着按照盾构掘进的发展，清理盾构的解体物质，安排施工的通道。在施工的过程中，隧道使用两台平衡机对土质进行压实，盾构机自始发后，每次试着掘进100m。

1.2 盾构施工的地质条件

在该盾构区间隧道的施工过程中，掘进土层的质地分布状态比较均匀，主要是淤泥层，且含水量较高，属于软土，具有流塑性；局部有黏土，呈粉质状态，具有可塑造性，属于硬土，性质较好。

1.3 区间结构设计总体方案

在该盾构隧道施工区间内，始发时所需要的管片和轨道等从明挖洞口吊装进入井内，始发进行掘进后，拆除盾构的管片和反压力架等工具。为了保证盾构的平稳性，在两边分别设置了支撑；为了保持管片的状态，在防翻支撑上设置了纵向工字钢。

2 盾构掘进施工控制技术

盾构施工过程中参数的控制是盾构技术控制方案中的主要内容。此次隧道施工过程中，对盾构机器设备进行推动时，根据推动力、刀盘施工转速、出产土量、仓管压力、管片形状控制等对盾构隧道在浅埋淤泥质土层的施工进行了有效管理和控制，解决了施工过程中浅埋淤泥层隧道的沉降问题，盾构施工安全地穿过浅埋淤泥层，项目顺利完成。以下对具体的控制方案进行分析。

2.1 推动力控制

分析盾构机器设备的推力构成，除了需要控制盾体在前进过程中和地面间产生的摩擦力，还要考虑配备台车的牵引力以及土体对施工面的压力。土压力大小关系推动力的大小，土压力大推动力就相对较大，土压力小推动力也就相应较小。整体而言，浅埋淤泥质土层的推动力偏小。在隧道中，区间推动力的大小约为5000kN，由于推动力过小不能形成有效的区间压力，不利于盾构姿态的调整，需要调整盾构姿态时，必须在合适的位置放置千斤顶以抵抗压力。例如，向右侧纠偏时，可以适当加大左施工面的区间压力，同时减小其他方位的压力值；也可以减少区间内千斤顶的数量，进而减小压力，这样可以在相同的程度上增加相应区间的压力差异值。需要注意的是，在每一块管片的推进过程中，至少需要一个千斤顶作为支撑，以确保在推进过程中管片不会造成移动带来的风险。

2.2 刀盘控制

浅埋淤泥层盾构施工过程中，采用的刀盘是转速相对较低的刀片，其转速约0.5r/min，以减少对整个隧道施工过程中的扰动。正常施工中，则宜采用转速略高的刀盘，这样可以让整个工程施工的贯入程度保持在一个较好的水平。

2.3 出渣控制

施工过程中，按照特定的公式计算出渣量和出土量，设定预期的出渣量数值。在盾构始发过程中，还需要专业人员根据实际出渣情况进行过程控制和工况调整。用施工渣斗车分区域进行量化，从顶部顺着渣土车向下数，按每10cm对应的出渣情况进行土量的准确计量和计算。保证每个环节的出渣情况能够得到准确计算，并及时地做好计算记录。同时，结合地表情况的监测数据和结果反馈，判断是否出现超方的情况。经过隧道时，在施工过程中需要严格控制出渣和出土的情况，当装满一斗的渣土时，需要按照盾构的设计方案，比对合适盾构掘进的工程量和里程，尽量避免在施工过程中出现超方掘进的情况，进而保障隧道施工的安全。

2.4 土压控制

土压的理论计算值采用朗金土质压力理论。为了保证土体压力在适当的水平，顺利地进行盾构施工，在实际控制土体压力时，需要在理论值基础上，增加大约0.02MPa的压力值作为土仓的压力初始值。在推进盾构的施工过程中，应根据地表监测情况和刀盘推进引起的地表沉降和变形情况，及时进行监测和控制，并将实时情况通知盾构机器设备操作人员，使操作人员通过对监测情况和地表沉降现象的分析，更加合理地控制盾构机器设备，调整掘进的速度和力度，控制出土的速度和体积量，以确保土体压力在可控范围。

2.5 盾构机施工状态控制

在区间内，隧道中存在着富水的浅埋淤泥质土层，容易导致盾构机的盾尾、管片设备以及管片上浮。在推进的过程中需要将盾构机的状态控制在预先设计的轴线水平之下，采取较低位置的施工模式推进施工。通过控制管片的施工方式，结合管片的状态形式，适当地控制和调整盾构机的施工状态。在富水层，已经成型的管片如果脱出盾构机的尾部，会受到浮力的影响造成上浮。在施工过程中需要考虑以下问题：第一，调整浆液的初凝时间，控制管片上浮的时间。第二，增加上面部位的注浆量，缩小管片上浮的空间，以减少上浮量。管片在拼装过程中在下部存在适当的超前量，使盾构机在推进过程中油缸和管片之间存在向下的分力，可以抵消一部分管片上浮的力。需要注意的是，管片的超前控制量不能太大，太大有可能会损坏管片。第三，在管片拼装过程中，可以结合具体情况降低3mm左右的水平标高，以此为管片的上浮提供一定的空间，减少顶部管片在上浮过程中可能存在的破损。第四，在进行二次注浆时，要及时跟进控制，分析测量结果。上浮量较大时，需对该管片的顶部进行加压注浆，在底部开孔，释放适当的压力，如有必要，对管片进行更换和调整。

2.6 隧道内注浆控制

在隧道盾构施工过程中，随着掘进不断推进，盾构机的挖掘直径逐渐大于管片的直径，在土壤结构和管片之间会形成空隙。为了填补这些空隙，盾构机在推进中需要保证适当的压力，持续不断地从盾尾部向后注浆。在该项目中，始发土层为浅埋淤泥质土，地基的自稳定性较差，在外力的作用下容易因搅动干扰造成强度降低，这给盾构施工保持土体压力造成了很大的困难。若前期出现沉降现象，则盾构推进后沉降将得不到及时的收敛，会阻碍施工进程；如不能及时地进行注浆加固，可能造成盾构在隧道中管片上浮等施工问题。用注浆的方式填充管片周边填充的目的主要包括以下三个方面：第一，防止地表变形，减少地表沉降；第二，防止管片在隧道施工中的变形和位移，提高工程的稳定性水平；第三，为隧道工程加设一道防水层，有效改善隧道后期的抗渗性能。

2.7 盾构机在掘进过程中引起的沉降控制

在盾构施工时会对土体造成扰动，引起土层损失以及周边结构受到重塑和剪切的土质再次固定，这是施工过程中出现沉降的原因之一。在浅埋淤泥层中，利用盾构的原理进行隧道施工，盾构机在通过时会引起地表的下沉。而且盾尾脱离之后，这一现象会加速，形成沉降地带，下沉速度随着时间的推进而减慢。与此同时，沉降状况还会受到盾构施工经过的土层地质情况以及施工工程量和地表负荷能力的影响，因而存在很大的差异性。

2.8 同步注浆控制

为了及时填充土体形成的空隙，防止再次沉降，采用尾部单注浆的方式，即盾构机在推进时始终向后注浆，停止后不再注浆。该方式能够填补土层破坏形成的空隙，有效地进行填补注浆，充实隧道的空腔，紧实浅埋的淤泥层土体。

3 效果及总结

在目前的施工进度中，盾构区间呈现出较好的施工效果。在整个施工过程中，节约了项目加固的费用，增加了项目的经济效益，同时对周边的建筑物和土体保护起到了很好的作用，顺利克服了隧道淤泥质地层的施工风险，并且有效地控制了全隧道的沉降问题。