基于徐州市黏土地层及上土下岩复合地层的盾构施工技术

张旭

关键词：徐州地区;盾构黏土层施工;盾构上土下岩复合地层施工;掘进参数

近年来，徐州地区跟随地铁建设的浪潮，大力进行地铁建设施工，目前徐州地区3条地铁线路相继进行施工，尤其是盾构隧道，占区间总数的70%，盾构工法因其施工速度快、对周围环境影响小、机械化程度高等优势地铁隧道施工中得到了广泛应用。在总结本标段两条盾构区间盾构施工经验的基础上，为后期同样地层及类似地层施工提供施工掘进参数等施工经验，确保掘进盾构姿态，保证土体改良效果，管片拼装质量，及成型隧道偏差。

1工程概况

两区间隧道线路纵坡设计为“人”型坡，左右线最大纵坡为5‰。隧道拱顶覆土7.2～10.95m。隧道衬砌为钢筋混凝土管片，一环管片包括3块标准块、2块邻接块、1块封顶块，错缝拼装，为满足小半径平面曲线拟合要求，避免拟合误差超过超出规范允许的拼装误差要求，允许个别环通缝拼装。钢筋混凝土管片设计强度为C50，抗渗等级为P10。

本标段两区间均穿越5-3-4黏土层（褐黄色、硬塑、中等压缩性，土质不均匀，含铁锰结核及钙质结核，干强度高、韧性高）及上方为5-3-4黏土层，下部为10-5-3中风化石灰岩（岩石强度高达80MPa）的复合地层。掘进施工中盾构姿态较难控制，而且对刀盘刀具的损坏也是很严重的，必要时需要进行带压开仓换刀作业。在5-3-4黏土层中掘进刀盘易结泥饼，严重影响土体改良，大大减小了出土效率，影响了施工工期。

2盾构掘进施工技术

盾构掘进参数的确定是通过掘进实践验证其合理性，由理论计算后再通过实践进行修正。因此，我们在始发段地质条件下选择了具有代表性的地层断面来计算掘进参数。我们选择了两个典型断面，作为土压平衡模式掘进参数的计算断面。一是选取盾尾完全进入洞门时刀盘所处位置，此时也恰好处于上软下硬地层中;二是选取盾构掘进100环时刀盘所处位置，此时盾构处于均一地层中。通过理论计算结合我项目部以往的盾构施工经验，盾构始发前我们拟定了如下表的盾构掘进参数。

根据上表掘进参数进行盾构掘进施工，盾构姿态控制在水平偏差控制在-30～20mm范围内，高程偏差控制在-38～35mm范围内，成型管片隧道高程合格率100%，其数值在-30mm～+11mm范围内，其隧道平面合格率100%，其数值在-29mm～+25mm范围内;盾构姿态及隧道偏差满足要求且达到较高水平。

在约110m的上土下岩隧道掘进过程中，积极控制掘进速度，同时根据出土情况查看掌子面岩石情况，确定岩石量及岩石性质，以便更好的反馈盾构掘进。并加强施工监测，加强同步注浆浆液质量及注浆压力和注浆量，根据监测情况及时对沉降部位进行二次注浆充填间隙，避免继续沉降。根据上表掘进参数进行盾构掘进施工，盾构姿态控制在水平偏差控制在-32～24mm范围内，高程偏差控制在-39～36mm范围内，成型管片隧道高程合格率100%，其数值在-28mm～+13mm范围内，其隧道平面合格率100%，其数值在-26mm～+23mm范围内;盾构姿态及隧道偏差满足要求且达到较高水平。

3渣土改良

区间穿越老黏土层<5-3-4>过程中，其主要特征：

（1）土体粘度大，易结泥饼;

（2）改良材料不易进入切削下来的土体内部将其改良成流塑性渣土;

（3）螺旋机口容易堵;

（4）皮带易打滑。

泡沫注入通道共18路（6路位于刀盘，4路位于土仓内壁，8路位于螺旋输送机），在

前期掘进的时候渣土改良环节中无法达到理想的状态，出来的渣土比较稀，泡沫使用量比较大，同时渣土出现打滑现象，严重浪费泡沫，增加成本，后调整渣土改良参数，左线掘进出土基本顺畅，从目前状况来看，前100环盾构掘进渣土改良效果均良好。

改良参数：原液比例3%，发泡率：10-18，每环用量：50-60L;

辅助措施：视情况在土仓内间断性加水及膨润土;

出渣情况：出渣流畅;

4管片拼装

拼装过程中出现个别破碎，个别错台问题，分析原因有以下几点：

（1）盾尾间隙不均匀，上半部间隙偏小，盾构调整姿态时，盾尾容易刮到管片，管片受压，导致管片局部受力不均，容易造成管片破損;

（2）管线迁改进度缓慢，导致盾构机长时间停机，发生整体沉降;

（3）上下油缸行程差过大，导致管片径向受力产生分力较大，容易导致管片错台、破损;

（4）同步注浆量和注浆压力控制不合理;

（5）施工过程中盾尾没有定时清理，堆积泥浆，管片拼装时影响管片成形，推进过程中这些杂物也可能刮到管片，导致管片拼装质量较差，严重的容易造成管片破损。

针对以上分析原因，我项目部就盾构施现场存在问题采取了以下措施：

（1）盾构值班技术员每环管片拼装完成必须测量盾尾间隙，并告知盾构司机和拼装手，以便提前纠正、调整。

（2）盾构司机和值班技术员，在盾构掘进和管片选型上要严格按照施工规范操作，要有超前意识，控制好各项技术指标，对有问题的指标要提前纠偏。

（3）盾构司机和值班技术员要定期检查盾尾情况，对盾尾杂物要及时组织施工班组清理。

（4）同步注浆要求注浆量和注浆压力双控，注浆量控制在4.5～5方/环，注浆压力控制在2～3bar。

（5）测量人员要保证每天监测一次管片姿态，并形成书面文字对盾构司机和值班技术员进行交底。坚持监测数据的收集，并做有效的对比，掌握不同地层条件下管片姿态变化情况，以便为后续施工做参考。

（6）管片在现场安装前仍要进行一次检查，在确认管片质量完好无缺和止水条粘结无脱落后，才允许安装，管片拼装成环时，其连接螺栓先逐片初步拧紧，脱出盾尾后再次拧紧。当后续盾构掘进至每环管片拼装之前，对相邻已成环的3环范围内管片螺栓进行全面检查并复紧。

5监测分析

为研究盾构施工对地表沉降的影響，以地表某一沉降点为例，根据盾构掘进前后过程，其监测点沉降变化，分析沉降原因，并根据沉降情况判断是否采取注浆等措施;

盾构施工引起的隧道上方地表位移沿盾构前进方向可以分为5个不同的区段：

1—初始沉降，这部分的沉降是由于盾构掘进扰动土体前方一定距离外压密使孔隙比减小引起的;

2—盾构工作面前方的沉隆，这是由于正面土体受挤压而向上隆起以及孔隙水压力增加引起;

3—盾构通过时的沉降，这是由于土体扰动和盾构与土体之间的剪切错动引起的;

4—盾尾空隙沉降。这是由于土体脱离盾构支撑后应力释放引起的;

5—土体次固结沉降，这是由于土体扰动，变形随时间而增长引起的。

从图中可以看出，盾构推进过程中同一中线盾构隧道拱顶上方产生的沉降最大，两边依次减小，沉降横向分布曲线近视可用正态曲线进行拟合。

（2）地层沉降原因

伴随盾构推进一般会发生一定的地基变形，其发生原因可以分为以下几点：

a 开挖面上的土水压力不平衡导致开挖面失去稳定性。此时，压力舱压力大于开挖面土压力和水压力时出现地基隆起，相反会出现地基沉降;

b 盾构推进对周围土体的扰动。盾构壳板和土体的摩擦、以及土体的扰动会引起地基隆起和沉降;

c 盾尾空隙的发生和壁后注浆的不足。盾构施工必然产生盾尾空隙，这一空隙会引起地基的应力释放而产生弹塑性变形。一般可通过实施壁后注浆来控制。;

6结论

在本标段两区间盾构施工过程中总结出在黏土地层及上土下岩复合地层的掘进参数、土体改良、管片拼装及监测等方面的施工经验，希望能够为后期类似地铁盾构隧道施工提供参考经验;

参  考  文 献

[1] 西南交通大学 2008 《地铁盾构施工对临近结构物的影响预测与控制方法》.

[2] 北京工业大学 2008《土中自行走式掘进机轴向增组片合理参数的数值模拟与研究》

[3] 《科技风》2008年17期《盾构过程中常见问题及其控制方法》

[4] 《复杂地层中盾构空推过矿山法隧道的施工风险及质量控制措施》    [J].  建材与装饰，2018（13）

[5] 《土压平衡盾构掘进地表沉降规律及控制方法》    [J].  低温建筑技术2019（11）