软土地质超浅埋盾构施工隧道变形控制技术

(中铁十六局集团有限公司，北京 100018)

1 引言

盾构法隧道施工具有自动化程度高、节省人力、施工速度快、一次成洞、不受气候影响、开挖时可控制地面沉降、减少对地面建筑物的影响和在水下开挖时不影响地面交通等特点，在隧洞洞线较长、埋深较大的情况下，盾构法施工更为经济合理。随着我国经济的高速发展和城市化进程的日益加快，盾构法施工获得了广泛推广、应用，与此同时，盾构隧道在下穿江河、湖泊的建设过程中也存在诸多尚未解决的问题，需要进一步展开研究。

超浅覆土隧道在下穿湖泊施工中，使用传统土压平衡盾构法普遍存在覆土层软弱不稳定、管片上浮、覆土隆起等弊病，同时国内外尚缺乏针对土压平衡盾构下穿超浅覆土湖泊及筑岛加固技术的相关研究。针对水下浅覆土盾构隧道施工覆土隆起、穿越软土地层加固等方面，国内有大量的针对性研究，并形成诸多成果。如：张庆贺等[1]提出超浅覆土情况下水底隧道盾构施工应采取的工程对策；颜治国等[2]提出盾构掌子面土仓压力的安全范围、并在施工中采取河道内堆载与合理控制土仓压力的措施，有效控制了地层变形。温法庆等[3]提出通过加强盾构掘进施工参数的控制与设备保障，并辅助静压注浆加固和桥体临时支撑相结合的方法，可有效控制在富水砂砾地层条件下，土压平衡盾构下穿浅埋深古石拱桥的桥体变形；杨泽平[4]分析了地铁盾构下穿湖区施工的重难点，提出了隧道的防渗漏与防喷涌措施。

目前针对盾构下穿江河施工的诸多案例，大多采用泥水盾构，然而综合地层等因素，有时不可能由于局部水域而改变盾构的原定型式。因此，有必要对土压平衡盾构下穿湖泊等水域的掘进施工加固技术进行研究。当采用土压盾构穿越超浅淤泥质覆土的湖底施工时风险很高，所以如何确保盾构安全下穿湖泊、合理控制掌子面土压力、有效控制管片上浮、对地层进行合理加固显得至关重要。

2 工程背景

厦门市某地铁隧道区间线路长约527m，其中约390m 下穿内湖（图1），隧道顶板埋深5.8～10.0m。区间属滨海堆积区，覆盖层主要为第四纪全新统长乐组海积层（Qm）、海陆交互沉积层（Qmc），隧道洞身主要为淤泥、淤泥质土、粉质黏土、砂土及残积砂质黏性土。本区间采用土压平衡盾构法施工。该区间穿越内湖段地质极为软弱，为控制覆土隆起和管片上浮，控制土压平衡盾构掘进施工隧道变形技术是该工程的重难点。

图1 厦门某地铁隧道区间工程平面图

3 主要控制措施

通过在海沧内湖湖底淤泥增加长段筑岛、旋喷桩加固等辅助施工措施来有效解决盾构掘进掌子面的保压问题，避免因施工因素引起的湖底被击穿后的冒顶风险，以及砂层扰动引起的涌砂、透水等事故，增加盾构掘进的安全系数。

筑岛宽度为37.7m，筑岛平台周围采用吹填沙袋围堰，中间采用普通土回填，回填的普通土体满足搅拌加固及对湖水环境影响小的要求。筑岛平台分两段实施，具体分段长度结合施工需要并满足海沧内湖湖水正常流动的要求，施工第二段平台时，将第一段平台120m 范围清除至日常最低湖水面以下0.2m；旋喷桩采用∅850@600三轴搅拌成桩，桩身嵌入持力层。

4 筑岛加固淤泥地层技术

4.1 吹填沙袋筑岛施工技术（表1）

表1 吹填砂袋施工工艺表

4.2 回填筑岛施工技术

1）回填采用前进式回填。回填料为粘性土，填筑至设计高程时，在围堰保护下进行施工。

2）为保证各工序的衔接，采用分段流水作业，填筑料交错上升。围堰土石料可用挖掘机、自卸汽车运输直接进入围堰后卸料，土石料分层回填，压路机碾压密实，保证边缘部位压实质量，边坡拍实整平，并用小型振冲打夯机打密实，通常堰体填筑分层高度（与防渗体施工分层高度结合）不大于30cm。

3）围堰内基坑排水包括围堰施工基坑一次性排水及围堰形成后的基坑经常性排水。堰体水下填筑形成后，利用排水泵排除基坑内积水。

5 三轴搅拌桩淤泥层加固技术

5.1 施工工艺流程（图2）

图2 三轴搅拌桩施工工艺流程图

5.2 施工关键技术控制（表2）

表2 施工关键技术控制表

6 数值计算分析

6.1 模型建立

通过FLAC3D 建立三维数值计算模型，隧道埋深取为6m，横向土层选取113m 区域，下部土体高度取为37m，纵向取为528m，依据边界条件、工程实际地勘资料并结合相关参考文献中相关参数进行选取，建模如图3 所示。

图3 隧道三维模型与横断面图

6.2 计算分析

采用修正剑桥模型进行分析，计算参数如表3、表4 所示。

7 现场监测结果分析

7.1 监测点布置

依据现场监测点布置情况，分别在y=90，150，210，270，330，390 共4 个断面设置湖底沉降、拱顶沉降、周边收敛、底部隆起监测点（图4）；在2 条隧道中线正上方各布置1 条纵向湖底沉降测线。

表3 土层计算参数表

表4 支护计算参数表

图4 隧道变形监测点布置

7.2 不同筑岛条件掘进对湖底沉降的影响研究

分别对比研究①不筑岛，②筑岛1m，③筑岛2m，④筑岛3m 四种工况下盾构以6m/d 的速度掘进时对湖底沉降产生的影响。四种工况下y=210 断面处沉降时程曲线如图5 所示，横向沉降槽曲线如图6 所示。

由图5、图6 可得以下结论。

1）不筑岛条件下，盾构掘进会使湖底隆起，最大隆起值在1mm 左右；筑岛条件下，盾构掘进会使湖底产生沉降，最大沉降值均在3mm 以内。筑岛高度对湖底最终沉降值的影响较小。左线掘进对沉降影响时间长，在掌子面通过30d 左右达到稳定，右线掘进对沉降影响时间相对较短，在掌子面通过10d 左右达到稳定。

图5 不同工况下湖底沉降历时曲线

2）左线贯通后，湖底变形主要发生在左线隧道上方，最大沉降值：不筑岛＜筑岛3m ＜筑岛1m ＜筑岛2m；右线贯通后，最大沉降值：不筑岛＜筑岛1m ＜筑岛2m ＜筑岛3m，不筑岛时沉降槽呈M 型分布，筑岛1m 和筑岛2m 时沉降槽呈U 型分布，筑岛3m 时沉降槽呈W 型分布。

7.3 不同筑岛条件掘进对隧道变形的影响研究

分别对比研究①不筑岛，②筑岛1m，③筑岛2m，④筑岛3m 四种工况下盾构以6m/d 的速度掘进时对拱顶沉降、周边收敛、底部隆起产生的影响。四种工况下y=210 断面处隧道变形时程曲线如图7 所示。

图6 不同工况下沉降槽曲线

图7 不同工况下y=210处隧道变形时程曲线

对比分析不同工况下盾构掘进对隧道变形的影响可以得出：不筑岛工况下拱顶和底部均向上变形，变形值在1mm 左右，筑岛工况下拱顶和拱部均向下变形，变形值均在2mm 左右，四种工况下洞身均向内收敛，收敛值：不筑岛＜筑岛1m＜筑岛2m＜筑岛3m，且收敛值较小，最大不超过0.5mm。

根据以上分析，因筑岛工况的不同，湖底沉降和隧道变形略有不同，但差别很小，为防止覆土层太浅出现冒顶涌水等事故，且兼顾将筑岛作为加固平台，故将筑岛高度确定为3m。

7.4 淤泥层加固对湖底沉降的控制效果研究

有限差分模型与监测点布置情况同前文所述。分别对比研究筑岛3m 条件下淤泥层不采取措施和淤泥层搅拌桩预加固两种工况下，盾构以6m/d 的速度掘进时对湖底沉降产生的影响。两种工况下y=210 断面处湖底沉降时程曲线如图8所示，横向沉降槽曲线如图9 所示。

图8 不同工况下湖底沉降时程曲线

图9 不同工况下沉降槽曲线

由图8、图9 可得，两种工况下湖底沉降时程曲线基本一致，加固前沉降槽形状为W 型，加固后沉降槽形状为U 型，淤泥层加固可以减小中线左右各25m 范围内的湖底沉降，并将最大沉降值控制在2mm 以内，其中，对加固区域上方湖底沉降控制作用最显著，可以减少50%左右的沉降值。

7.5 淤泥层加固对隧道变形的控制效果研究

分别对比研究筑岛3m 条件下淤泥层不采取措施和淤泥层搅拌桩预加固两种工况下，盾构以6m/d 的速度掘进时对拱顶沉降、周边收敛、底部隆起产生的影响。四种工况下y=90 断面处隧道变形时程曲线如图10 所示。

图10 不同工况下隧道变形时程曲线

由图10 可得，两种工况下，隧道变形时程曲线相似，右线隧道开挖对左线隧道变形影响不大。通过加固淤泥层，可以减少25%～40%的拱顶沉降，减少15%的周边收敛，减少40%～60%的底部隆起。

根据以上分析，对隧道周边的淤泥层进行加固可以有效控制湖底沉降和隧道变形。

7.6 筑岛清除对新建隧道的影响研究

筑岛清除后左、右线隧道拱顶、拱底、两侧变形分别如图11 所示。

图11 隧道变形曲线

由图11 可知，清除筑岛后左右线隧道变形规律一致，隧道拱顶向上隆起17mm 左右，拱底向上隆起16mm 左右，小于拱顶沉降和坑底隆起的控制值20mm。左右线隧道两侧变形值均在0.5mm以内，远小于净空收敛的控制值10mm。可见施工完成后清除筑岛是安全可行的。

8 结论

通过资料调研、数值计算和现场试验，分别对水下土压盾构施工方案、淤泥地层筑岛加固技术进行了研究，得出以下结论。

1）在不筑岛条件下，盾构掘进会使湖底隆起；在筑岛条件下，盾构掘进会使湖底产生沉降。筑岛高度对湖底最终沉降值的影响较小。不筑岛工况下拱顶和底部均向上变形；筑岛工况下拱顶和拱部均向下变形。根据筑岛工况的不同，湖底沉降和隧道变形略有不同，但差别很小。

2）吹填沙袋、回填筑岛作为加固平台，采用三轴搅拌桩加固淤泥层对加固区域上方湖底沉降控制作用最显著，可以减少50%左右的沉降。同时隧道内可以减少25%～40%的拱顶沉降，减少15%的周边收敛，减少40%～60%的底部隆起。

3）清除筑岛后左右线隧道变形规律一致，均在控制值20mm 以内。左右线隧道两侧变形值均在0.5mm 以内，远小于净空收敛控制值10mm。