富水含砂软土地层轨道交通盾构选型及施工效果

王全华

(苏州市轨道交通集团有限公司， 江苏苏州 215004)

富水含砂软土地层轨道交通盾构选型及施工效果

王全华

(苏州市轨道交通集团有限公司， 江苏苏州 215004)

苏州轨道交通2号线盾构隧道主要穿越黏土、粉细砂土层，地下水位较高，选择合适的盾构机形式是实现洞通的关键。通过参考国外选型经验及国内盾构选型状况，根据2号线的工程地质和水文地质条件，结合其工程特点，按照“安全性、适应性、经济性、环保性”的原则，对加泥式土压平衡盾构和泥水平衡式盾构这两类型盾构进行比选，确定2号线区间隧道使用土压平衡盾构，最终成功穿越运营城际铁路风险较大的工程，未发生重大安全事故，并按计划顺利实现洞通节点目标，相关经验可供类似工程参考。

轨道交通； 软土地层； 盾构选型； 土压平衡盾构

盾构法以其施工环境影响小、施工速度较快、自动化程度高、劳动强度低、隧道结构质量易于保证等优点，广泛应用于城市轨道交通区间隧道施工中。经过多年的快速发展，盾构法已经积累了丰富的设计施工经验，随之产生了多种形式的盾构，在富水软土地层中，因开挖面稳定要求极高，通常选用封闭式盾构机施工，施工技术较成熟。国内常用的封闭式盾构主要有加泥式土压平衡盾构和泥水平衡式盾构两种类型。

盾构选型对于城市轨道交通区间隧道施工具有重要的作用，选择合适的盾构形式能够有效降低施工风险，安全、顺利、有序地推进工程实施，同时能够有效地控制成本，保护环境，满足施工现场安全文明施工需求。

苏州轨道交通2号线南北向穿越市区，处于长三角典型地层，地下线区间隧道全部采用盾构法施工。为按时贯通隧道，顺利完成施工任务，笔者根据工程地质和水文地质条件，结合其工程特点，按照“安全性、适应性、经济性、环保性”的原则，简述2号线区间隧道掘进盾构选型情况以及盾构机的配置，并分析已有经验及试验摸索出盾构施工相关技术，最后总结盾构施工始发与到达、正常掘进段、穿越建(构)筑物段、穿越桥梁、穿越铁路的施工效果。

1 工程概况

苏州轨道交通2号线是一条城市南北方向的轨道交通主干线路，全长26.557 km，其中高架线6.57 km，地下线19.146 km，敞开段0.67 km。2号线工程于2009年底开工建设，2013年底开通试运营。依据2号线勘察设计文件，有关工程条件有以下几点。

1.1工程地质

2号线位于广阔的冲湖积平原，水系发育，地势平坦，系典型的水网平原。沿线地面标高一般在1.50～4.00m之间，普遍在3.0m左右，地势较平坦。地面至-71.30m为浅地基土属第四系(Q)全新统至下更新统沉积地层，按其成因类型、岩性和工程特性可划分9个工程地质层，25个工程地质亚层。区间隧道主要穿越土层如表1所示。

表1 隧道主要穿越的土层分布

1.2水文地质

苏州市地处长江流域太湖水系区，地表水系极其发育，由于受到区内河网连同江海及大气降水的补给，以及季节的变化，长江流域水位的高低会引起区内水位的升降，并受人为控制，常年水位(黄海标高)在1.10～1.30m，其年变幅在1.0m左右。地下水按埋藏条件分为潜水、微承压水及承压水三类。潜水主要赋存于浅部黏性土层中，受区域地质、地形及地貌等条件的控制。微承压水赋存于第一隔水层下的砂性土层中，埋深5～6m，厚度8～15m，赋水性中等。承压水主要赋存于深部的砂性土层中，埋深大于25m，赋水性中等。

1.3隧道线路及结构

2号线地下区间正线采用单圆盾构法施工，最小曲线半径为350m。区间正线最大纵坡为30‰。地下线区间盾构隧道内径5500mm，外径6200mm，每环管片宽度为1200mm。隧道结构采用装配式C50钢筋混凝土管片衬砌，每环管片由3块标准块、2块邻接块、1块封顶块组成，环间错缝拼装。

2 工程特点及选型需求

2.1工程特点

1) 苏州是我国重要的历史文化名城和风景旅游城市，对文物古迹、古城风貌等历史文化遗产保护要求高。

2) 盾构隧道穿越主要富水含砂软土地层，主要有粉细砂、黏土等，这种地层的施工难度和风险较大，需要所选盾构机具有良好的地层适应性。

3) 盾构施工影响范围内环境复杂，沿线穿越400多栋不同基础形式及高度的建筑物、京杭大运河、沪宁城际铁路、城市桥梁等建(构)筑物，对盾构施工沉降控制要求严格。

4) 市区段提供的施工场地狭小，尤其是途经的石路商业区交通流量大，居民区建筑物密集，交通疏解、管线迁改工作量极大。

2.2选型需求

为确保2号线盾构安全有序、合理地开展施工，结合盾构工程特点，提出如下盾构选型需求。

1) 适应苏州复杂的工程地质和水文地质条件，对局部土层差异大等不可预知事件有对应措施，遭遇流砂和管涌时能确保施工安全。

2) 适应工程环境，确保工程安全，可针对不同区段、不同地质进行隧道施工，尽可能选用同类型盾构，实现盾构的灵活配置。

3) 配置需满足工期要求，推进速度快，一次无检修推进距离应大于区间隧道长度。应满足通用楔形环衬砌管片的拼装要求，逐环调整楔形衬砌环的旋转角度，进行线路拟合，确保设计轴线的精度要求。

4) 满足保护环境的要求，能有效减少施工对周围土体的影响，在掘进过程中能确保沿线建筑及地下管线的安全。

5) 施工占地少，能适应市区道路狭窄、建筑物密集、拆迁难度大等现实条件。

6) 盾构机性能良好，能避免在穿越建(构)筑物时发生同步注浆管路堵塞或设备故障引起的盾构机停机。

3 盾构原理、特点及选型经验

对于富水含砂软土地层，由于开挖面土体的自稳性较差，一般情况选用密闭式盾构。密闭式盾构应用成熟的有加泥式土压平衡盾构和泥水平衡式盾构，本文主要对这两类型盾构进行比选。

3.1盾构工作原理

加泥式土压平衡盾构，主要依靠刀盘转动使得开挖面的土体进入位于刀盘前方的土仓内，通过螺旋送机将土仓内的土排出，土仓内的水土提供支撑开挖面的水土压力使得开挖面保持平衡。泥水平衡盾构，主要预先配置一定比例的泥浆，输入至盾构的密封仓内，利用泥浆的循环置换开挖面的土体，通过泥浆提供的水压力使得开挖面保持平衡。

3.2两类盾构比较

根据2号线选型需求对两类盾构的特点进行对比分析，各自的主要特点如表2所示。

表2 两类盾构主要特点比较

3.3国外选型经验

根据德国[5]的盾构施工经验，可依据地层的渗透系数初步选用盾构类型，选用情况如表3所示。

表3 渗透系数法选型

3.4国内选型状况

经调研发现，尽管国内地铁区间隧道工程条件各异，除越江及大直径隧道外，主要选用加泥式土压平衡盾构机施工，从各地施工实施效果来看，该类机型能够安全、顺利、快速地完成施工，其中部分城市选用盾构机情况如表4所示。

表4 部分城市选型状况

4 盾构选型分析

综合国内外选型经验，2号线盾构选型分析如下。

1) 土层渗透系数影响，盾构穿越土层的渗透系数为1.6×10-6～3.5×10-4m/s，处于10-7～10-4m/s范围内，就该项指标而言,选用泥水平衡盾构或土压平衡盾构施工均可。

2) 从安全方面考虑，泥水平衡盾构或土压平衡盾构均能保证开挖面稳定，采取一定安全技术措施后，精心施工，能有效控制地表沉降，安全顺利地穿越建(构)筑物。

3) 从经济方面考虑，泥水盾构需要泥水制造、分离等装备，带来额外经济成本，因此其成本比土压平衡盾构高。

4) 从环保方面考虑，泥水盾构配置的泥水处理系统占用的场地较大，鉴于2号线市区段场地狭小，宜选用土压平衡盾构。

综上所述，苏州轨道交通2号线区间隧道工程施工选用土压平衡盾构。同时，结合1号线的施工经验，对2号线所使用的土压平衡盾构机提出的技术要求为：1) 盾构刀盘为面板式或复合式，开口率在28%～43%,盾构机额定扭矩大于4 000 kN·m，额定推力大于3 200 t；2) 螺旋输送机有2道防水闸门,盾尾密封设置3道及以上，密封刷质量优良。

5 土压平衡盾构施工效果

2号线区间隧道施工多数标段选用日本小松公司制造的直径为6 340 mm的TM634PMX型盾构机，外观如图1所示。

图1 个别标段盾构机Fig.1 Individual section shield machine icon

5.1盾构机配置

1) 刀盘为辐条式和面板式(开口率40%)，刀盘配置中心刀，辐条边缘配置刮刀切削土体，周边配置超挖刀满足在曲线段掘进时适时调整开挖面直径。

2) 除切削广济桥桩基区间的盾构机选用带式螺旋输送机外，其余均选用中心轴式螺旋输送机，并设置两道闸门防止在河底砂性土及含水量较大的黏性土中出现喷涌现象。

3) 盾尾设置3道由弹簧钢板和钢丝刷组成的盾尾刷，注入油脂密封，在盾尾刷与油脂的共同作用下达到止水效果。

4) 盾构配置加泡沫系统，根据需要改良开挖面土体流塑性，便于顺利排土。

5.2施工技术措施

结合1号线的经验及试验段的实施效果，确定2号线盾构掘进的主要施工参数，同步注浆材料选用准厚浆(消石灰∶粉煤灰∶中细砂∶膨润土∶水∶减水剂=60∶400∶800∶70∶530∶2，kg/m3)，二次注浆材料选用水泥、水玻璃双液浆，相关参数或指标如表5所示，施工中根据监测数据反馈及时调整。

表5 施工相关参数

5.3施工效果

2号线区间隧道盾构在总体上施工效果良好，对周边环境的影响在可控范围内，尤其是有效控制了切削穿越桥梁桩基以及穿越运营城际铁路风险较大的工程，未发生重大安全事故，最终按计划顺利实现洞通节点目标，为2号线工程顺利开通运营奠定了良好的基础。

1) 盾构始发与到达。盾构端头井区域土体沿隧道方向采用φ850mm@600mm三轴搅拌桩进行地基加固，分为A区(沿隧道轴线方向长度为3m，水泥掺量20%)、B区(长度为6m，水泥掺量15%)，三轴搅拌桩加固区和端头井地连墙之间施作φ800mm@600mm的旋喷桩加固，盾构始发或到达时，将水位降低至盾构机底部以下。个别地面不具备条件的端头井采用冻结法加固,各标段盾构始发到达施工时未发生重大安全事故。

2) 盾构正常掘进(盾构施工影响范围内无建(构)筑物)。经过现场试验监测，苏州富水软弱地层盾构施工横向影响范围一般在隧道轴线左右各20m范围内；盾构掘进的纵向影响区域为前15m(以切口为零点)至后25m范围内，盾构切口到达前，地表变形较小，地表沉降主要产生在盾尾到达及盾尾脱出后。盾尾同步注浆及二次注浆对沉降控制作用显著。地表沉降基本能够控制在-16～+6mm的范围以内。

3) 盾构穿越建筑物。2号线穿越400多栋建筑物，这是施工的一大难点，在摸清盾构施工的特性后，成立盾构穿越建筑物安全管理机构，制定施工的操作规程和管理制度，针对穿越不同风险建筑物划分为A区、B区、T区三类级别管理，最终保证了盾构顺利穿越，建筑物沉降控制合理。

4) 盾构穿越桥梁。2号线施工中有侧穿、下穿城市桥梁，其中风险和难度最大的为三医院站—石路站,盾构区间隧道全断面切削穿越广济桥梁14根钢筋混凝土桩基，该项目为国内罕见，施工前对盾构机的刀具配置、同步注浆管道、螺旋输送机等部位进行了适当改造后，通过切削试验桩基摸索施工参数，在正式切削施工中，出现了刀盘扭矩增大现象，但无刀盘被卡死情况发生，部分断筋能够随渣土排出，桥梁及隧道结构安全。桥梁墩台最大累计沉降为-17.1mm，墩台最大累计水平变形为-6.9mm。

5) 盾构穿越铁路。火车站—三医院站盾构区间隧道需穿越苏州火车站高速及普速铁路站场，沉降要求严格，预先对火车站站场铁路路基采用三轴搅拌桩和袖阀管注浆相结合的方案加固，特别是在盾构穿越沪宁城际正线段采用“板+桩”加强保护。同时，在刀盘面板上新增加先行刀以改善盾构在加固区的切削条件，在工程实施过程中，盾构按照经优化的施工参数掘进施工，最终普速线和沪宁城际铁路过渡线最大沉降为-3mm，沉降满足要求，确保了铁路列车运行安全。

6 结语

本文依据苏州轨道交通2号线的工程地质和水文地质条件，结合工程特点，参考国内外相关选型经验，确定了2号线区间隧道使用土压平衡盾构，并提出相关配置要求。结合苏州轨道交通1号线的施工情况，经过试验后，确定了2号线施工掘进参数，最终成功穿越建筑物、桥梁、铁路等风险较大工程。

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Selection and Construction Effect of Rail Transit Shield in Soft Soil Layer with Rich Water and Sand

WANG Quanhua

(Suzhou Rail Transit Group Co., Ltd., Suzhou 215004)

Shield selection is very important for building the shield tunnel for Suzhou Rail Transit Line 2 because a large part of the tunnel has to pass through the areas with the clay and fine sand soil with high groundwater level. The paper introduces the shield selection and the construction effect of the rail transit tunnels in the soft soil layer of rich water and sand. The shield selection for the project of Suzhou Rail Transit refers to the domestic and foreign experiences of shield selection, takes into account the engineering geological conditions and the characteristics and follows the principles of "being safe, economic and friendly to the environment." By comparing the two types of shield tunnel, that is, the earth pressure balance shield (EPB) and slurry balanced shield, the EPB shield is adopted for Line 2. With the adopting of the EPB shield, the tunnel ultimately succeeded in crossing the in-operation intercity railway with high construction risks, without causing major accidents, and the node target is reached with throughing hole as planned.

urban rail transit; soft soil stratum; shield selection; EPB

10.3969/j.issn.1672-6073.2017.05.014

2016-10-14

2017-05-15

王全华，男，硕士，工程师，从事城市轨道交通盾构施工和安全生产监督管理研究，w20051326@126.com

U231

A

1672-6073(2017)05-0078-05

(编辑：郝京红)