富水软弱地层浅覆土盾构掘进施工技术研究

摘要：文章以深圳地铁11号线11301-1标项目在深圳市城市主干道深圳大道下开展浅覆土盾构掘进施工经验为依托，针对复杂地面交通环境、富水软弱地层条件下浅覆土盾构掘进施工技术开展研究，分析了影响浅覆土富水软弱地层盾构掘进地面沉降控制的两个重要因素，并结合实际监测结果逐步确定同步注浆压力、同步注浆量和土仓压力等相关技术参数，在保证地表沉降可控的条件下，开展提升浅覆土掘进盾构施工效率的技术研究。

关键词：富水地层；软弱围岩；浅覆土；盾构掘进；同步注浆；土仓压力 文献标识码：A

中图分类号：U455 文章编号：1009-2374（2015）03-0121-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.0250

1 概述

伴随近些年来城市地下轨道交通的高速发展，国内多个一线城市形成了密集、便利的地下轨道交通网络，也因此给地铁隧道施工提出了许多关于上下重叠隧道、浅覆土盾构施工、地面环境复杂的隧道施工等技术难题，尤其是在地面交通量大、覆土厚度不足1倍洞径、覆土地层软弱而且含水量大的情况下，进行双线隧道长距离盾构施工，在国内城市轨道交通施工层面尚无经验资料可以参考。

深圳地铁11号线11301-1标福田站～车公庙站区间工程位于深圳市福田区深南大道沿线敷设，左右线隧道采用盾构法施工，盾构直径6.28m，衬砌管片厚度30cm，承担左线隧道施工任务的是德国海瑞克土压平衡盾构机，右线采用国产中铁装备土压平衡盾构机。由于隧道与深圳地铁1号线购香区间分别在DK1+561.8和DK1+591.6处存在上跨交叉关系，左、右线盾构在穿越1号线既有区间之前一直处于连续上坡掘进，因此左线在ZDK1+337.404～ZDK1+500、右线在YDK1+344.3～YDK1+500处覆土厚度达到小于一倍洞泾的浅覆土状态，左、右线在浅覆土状态下掘进长度分别为162.6m和155.7m，而且在这段隧道掘进过程中同时面临着洞顶覆土软弱（围岩等级为Ⅵ级）、上覆隔水层不连续、透水性和富水性好等不良地质条件，从地面情况上分析由于隧道埋设位置位于深圳市深南大道路面以下，属于深圳市交通主干道，交通量达6万量/日，具有行车荷载大和塌陷后果严重等特点。在以上一系列不利因素影响下开展浅覆土盾构掘进面临着路面沉降过大甚至塌陷、地面涌泥冒浆、周边建筑物基础变形等众多风险，因此在进行浅覆土掘进施工之前，承担施工任务的中铁六局盾构分公司组织多次技术讨论会和专家会，制定了降低和控制土仓压力，保证一定的掘进速度严格控制出土量，根据地面监测结果调整同步注浆量等措施最终达到平稳、连续掘进，地面沉降可控的理想目标，并且成功掌握了复杂状况下的浅覆土盾构掘进技术，取得了较好的社会经济效益。

2 工程技术特点

2.1 工期保证

利用本工法所提出的渣土改良技术和盾构机操作方法，在螺旋机转速不超过15转/min的情况下最快可以将掘进速度提高至90mm/min以上，有效地保证了单班掘进进度，在本项目单线一列电瓶车编组掘进情况下可以保证平均7环/班的进度。

2.2 安全保证

在本标段利用浅覆土盾构掘进技术施工过程中没有发生累积沉降超标或地面沉陷事故，也有效避免了地面涌泥冒浆、人员伤亡等事件的发生。

2.3 成本保证

本工法实施阶段通过对注浆量和地面监测情况的实时比较，确定了浅覆土掘进的可控同步注浆量，不仅达到了控制地面变形的目的，同时节约了注浆材料，节约了部分项目开支。同时由于工程进度没有因为技术难题而延误和滞后，避免了工期和资金浪费。

3 适用范围

隧道埋深小于1倍洞径，施工地层主要为砾质粘性土、淤泥质粘性土、可塑状粘性土等软弱围岩的盾构掘进施工，地面环境较为简单、上层覆土含水量小且比较稳定，也可以参考本工法的技术要点进行统筹组织施工。

4 工艺原理

通过盾构机逐步进入浅覆土掘进阶段对地面沉降变形情况进行连续监测，从而对推进过程中的土压、推力、泡沫注入量、渣土改良手段和效果、推进速度、螺旋机转速等参数进行全面改进，盾体通过后对监测点的继续观测确定同步注浆量与地层变化之间的相互关系从而确定浅覆土掘进同步注浆的具体方量和浆液配比，在稳定地表变化的基础上，对掘进过程中操作技术加以改进和提高，达到进一步提高推进速度和加快施工进度的目的，最终形成一整套关于富水软弱地层浅覆土盾构掘进施工的具体技术方法。

5 施工工艺流程及操作要点

5.1 施工工艺

5.2 操作要点

5.2.1 土仓压力等关键参数的确定。顶板上方覆土厚度不足1倍洞径的地下隧道定义为浅覆土隧道，采用盾构法进行浅覆土隧道掘进施工时，首先应确定土仓压力控制值，按照以往施工经验，在Ⅳ级砾质粘性土地层中开展盾构施工土仓压力应按照上压1.1bar进行控制，但对于浅覆土软弱围岩尚无掘进记录可以参考，因此只能先制定地面变形控制指标，以此逐步指导土压控制值。

（1）土仓压力的确定及分析。在进入浅覆土掘进阶段初期（ZDK1+330），监测点ZD75处出现地表最大垂直变形为3.77mm，经过与推进参数的比较发现土仓上部压力按照1.0bar进行推进不能够满足浅覆土软弱地层的控制变形要求，应及时进一步降低土仓上部压力。因此在ZDK1+340附近掘进时土仓上部压力控制在0.9bar左右，此时监测点ZD76最大垂直变形为2.79mm，依然不能满足0.5～1mm的控制要求。最终经过数次试验与摸索，土仓上部压力控制值最终确定为0.3～0.4bar。地表垂直变形最大为0.51mm，最小为0.22mm，达到预期的控制目标。

（2）单个监测点垂直变形分析。在盾构掘进至某个里程段直至盾体通过之后对里程段内单个监测点的地表垂直变形进行统计分析发现，土仓压力保持在0.3～0.4bar左右，在这个掘进过程中和盾体通过之后都不会造成地表变形过大的不利影响，能够满足安全性控制要求。

5.2.2 注浆量及浆液配比的确定。在进行同步注浆量控制值确定过程中也采用了结合监测结果同步比较的方式进行，与土仓压力确定过程不同的是注浆量的确定指标是依据盾体稳定通过后地表变化逐步趋于静止时所累积的垂直变形。

（1）理论注浆量计算。根据以往施工经验来讲，同步注浆量一般由刀盘切口环与管片之间空隙体积及浆液的扩散系数来决定，对于直径为6.28m，管片长度1.5m盾构隧道来说，每环同步注浆量计算如下：

注浆量=π×（R2-r2）×L×a/4

式中：

R——刀盘切口环直径

r——成形隧道直径

L——每环管片长度

a——扩散系数（一般按1.5考虑）

根据项目实际情况计算后，每环注浆量控制值应为6.07m3。

（2）实际注浆量确定。但是对于浅覆土软弱地层掘进施工来说，公式所计算的理论注浆量并不能直接套用，仍需考虑浅覆土自身能够承受的充填压力，还需考虑经过盾构施工扰动后对覆土造成的破坏，这种破坏对于同步注浆来说极易引起浆液上窜至地表造成涌泥冒浆。因此只有在实际施工中联系地表累积垂直变形情况和地表感官反应才能最终确定同步注浆量。

在浅覆土掘进初期阶段，同步注浆量首先确定为5.5m3，结果不仅造成了垂直累积变形过大的情况，而且出现浆液沿勘探孔上升冒出地面的事件，因此在后续施工中一直采取结合监测结果逐步减小同步注浆量的措施，最终确定每环同步注浆量为3.0～3.5m3，地表累积垂直变形也最终稳定于1.62mm。

（3）注浆材料配比确定。在同步注浆材料的配比上，考虑到覆土地层的富水性，应对注浆材料的防水性能加以着重考虑，因此同步注浆材料应考虑加入膨润土以增强注浆后的防水效果；水泥采用P0.32.5，以提高注浆结石体的耐腐蚀性，使管片处在耐腐蚀注浆结石体的包裹内，减弱地下水对管片混凝土的腐蚀；同时考虑到浆液在注入后受到地下水的稀释，凝结时间不宜控制，因此可以在浆液中适当增加粉煤灰的比例；由于在实际施工中砂的质量一般不容易保证，经常造成堵塞注浆管的现象，因此应适当减少砂的含量。所采用同步注浆配合比为：水泥100kg/m3，膨润土80kg/m3，粉煤灰220kg/m3，，砂350kg/m3，水330kg/m3。经多次抽样检测砂浆稠度值平均为107mm，比重为1.89kg/L，凝结时间为6～8h，能较好满足实际施工需要。

5.2.3 保证掘进速度的措施。软弱地层中开展盾构掘进，控制出土量的前提条件是尽量减少扰动，适当提高掘进速度。由于粘性土自身强度不高，掘进中刀盘扭矩一般不会成为限制掘进速度提高的因素，在实际施工中，做好渣土改良成为提高掘进效率的关键环节。

由于隧道区间埋设于深南大道路面下，但是对于绿化带和车行道来说，其地下土质也不尽相同。绿化带下覆土松散、含水量大，与其地表种植环境的湿润、荷载作用小有很大关系。而车行道下土质密实、含水量较低，与其地表车行荷载重、道路基层排水性好、路基在碾压过程中施工质量高有直接关系，因此在掘进中应按不同土质环境来选择不同的掘进方法。

（1）重荷载路面下掘进方法。土质较为密实、含水量低时采取加入水适当稀释的措施来降低螺旋机压力，提高出土连续性。在实践中采用膨润土罐来贮存改良用水，同时在土仓壁上连接两根水管同时向土仓内补水。膨润土罐的注入流量设置为170L/min，循环水的压力在掘进过程中要保持0.4bar以上，确保水的注入量充足。在地层较为密实的情况下利用这种改良方式可以保证螺旋机在14r/min的运转中压力不超过80bar，此时在土仓压力恒定的条件下提供80mm/min以上的掘进速度，同时应兼顾刀盘扭矩的变化，发现扭矩持续增大时应适当减小掘进速度。

（2）绿化带下掘进方法。掘进过程中应密切注意出渣口土质的改良效果及皮带机的转动情况，防止土质含水过大产生喷涌，避免土质过干导致出渣口堆积过多粘土增大皮带阻力而产生打滑现象。一旦在掘进中产生喷涌，应立即将螺旋机转速调整至1.0r/min以下，同时将螺旋机闸门关小，直至皮带机转动可以支持出土量的运送为止，及时调整渣土改良手段，适当减小或关闭土仓内水分注入，在刀盘扭矩不大的情况下可以提高掘进速度，尽量缩短喷涌持续时间。

由于在实际操作中渣土改良工作一直执行较好，掘进速度一直可以稳定在75mm/min左右，出土量稳定可控，约63方/环。

5.2.4 掘进操作技术的改进。经过每一环施工各关键工作环节的时间进行统计可以发现，掘进时间在循环中所占比例非常高，同时也是最具有可压缩性的一个环节，技术熟练的操作司机可以大幅度缩短掘进时间，提高整个循环的工作效率。单环盾构掘进施工工艺流程为：（1）电瓶车进入吊运管片位置（占整环工作时间11%）；（2）解编进入出渣位置（占整环工作时间2%）；（3）盾构掘进（占整环工作时间25%）；（4）连接电瓶车编组驶出隧道（占整环工作时间12%）；（5）吊运渣土（占整环工作时间33%）；（6）管片装车进入下一循环（占整环工作时间17%）。

在提高掘进效率方面，首先应做好渣土改良工作，保证充足的用水供应。其次可以在电瓶车解编时操作司机有意识地提前开启刀盘并开始掘进，保证留有充足的时间使掘进速度能够稳步建立，解编后渣车就位时掘进速度已经稳定，再开始转动螺旋机并出土，这样可以有效控制出土量，同时节约了推进所占时间。

在每一个渣斗即将装满时可以提前把掘进速度降低至50mm/min，螺旋机出土速度保持不变，更换渣斗时可以继续保持低速掘进，换斗后先将土仓中积土排出，控制土仓压力恒定，再大幅度提高掘进速度、高速推进。

5.2.5 监控量测。采用精密水准尺仪，铟钢水准尺、30m检定过的钢卷尺进行沉降观测。线路沿线一般的多层建筑物和地表沉降，按国家三等水准测量技术要求作业，高程中误差≤±2.0mm，相邻点高差中误差≤±1.0mm。

正常情况下，沿隧道中线上方地面每隔5m布设一个沉降观测点，每隔20m建立一个监测横断面，该断面垂直于隧道中线，每个断面上布设5个观测点，其中隧道中线上方一个点，左右间隔5m各一个点。对于软弱土层、或埋深较浅的区域，应根据隧道埋深和围岩地质条件，加密监测断面和测点。为了防止路面硬壳层不能及时、准确反映地层实际沉降情况，造成路面下方虚空，需钻穿混凝土路面并在路面以下地层中打入短钢筋布设观测点，以便对地层的沉降情况进行监测。

盾构机机头前10m和后20m范围每天早晚各观测一次，并随施工进度递进；范围之外的监测点每周观测一次，直至稳定。当沉降或隆起超过规定限差（-30/+10mm）或变化异常时，则加大监测频率和监测范围。操作人员应及时了解监测数据变化情况，同时与掘进中所保持的土仓压力、注浆压力、注浆量等参数进行反复比对，确保地表变形控制在最低限度。

6 结语

通过在富水软弱浅覆土条件下开展盾构掘进施工，在过程中反复摸索土仓压力、同步注浆压力和同步注浆量的参数，形成了一整套关于浅覆土盾构施工的技术控制指标，将地表累积垂直变形控制在20mm以内，达到了设计及相关规范的要求。在深圳地铁11号线11301-1标浅覆土盾构施工中未出现地下空洞、坍塌等工程事故，圆满完成施工任务，取得了良好的经济效益及社会效益。

作者简介：王宇声（1985-），男，辽宁凤城人，中铁六局郑州市南四环至郑州南站城郊铁路工程一期工程06标段工程管理部副部长，助理工程师，研究方向：城市轨道交通、盾构隧道施工。

（责任编辑：陈 倩）