盾构穿越浅覆土河床施工技术研究与应用*

杨浩伟，段军朝，赵旭坤

(1.湖北大学，湖北 武汉 430062； 2.中建三局基础设施建设投资有限公司，湖北 武汉 430061；3.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714025)

0 引言

随着我国城市化建设的不断推进，城市人口和面积不断扩大，城市化建设在提高人民生活品质的同时，也带来了过多人口涌入城市、城市交通拥堵等一系列社会问题[1]。地铁以其安全、快速、环保等优点，逐渐成为人们首选出行方式，国家和各级政府也高度重视城市地下交通的建设[2]。而在地铁建设中，盾构以其安全、高效、环保、适用地层多样等优势，成为地铁施工的首选方案。

由于城市地形、地层条件相对复杂，地铁线路常常需要穿越既有房屋、桥梁、道路、河流等，盾构施工过程中，如何快速、安全、经济地穿越既有构(建)筑物，成为摆在地铁施工管理人员面前的难题[3]。本文以成都地铁6号线三期工程新龙盾构区间为例，研究了在汛期条件下，通过调整工序、采取针对性措施，使盾构安全、快速穿越沙河沟桥，并满足工期和经济性要求。

1 工程概况

沙河沟位于新龙盾构区间，采用土压平衡盾构施工，盾构管片外径6m，管片内径5.4m。据地勘资料显示，隧道平均埋深4.669m，区间隧道下穿沙河沟区域主要地层为素填土和中风化砂岩，年平均降水量879.3mm，隧道垂直穿过沙河沟，河沟平均宽6m，深4m，地表水与地下水联系弱。现场地质断面如图1所示。

图1 沙河沟地质断面

由于沙河沟段隧道埋深浅(小于1倍洞径)，且地层较差，采用土压平衡盾构，在穿越沙河沟桥过程中，存在重大施工安全风险，加之项目工期受汛期影响，已经严重滞后，若按常规施工方法，先施作抗浮压板，再穿越河段将无法按时完成整个项目，所以项目根据实际情况调整工序，采用河床加固和洞内加载等措施，使盾构先穿越沙河沟，再施作抗浮压板的施工方案，控制盾构掘进参数，防止河床坍塌或涌水现象发生。

2 工程控制措施

结合类似工程经验教训，决定采取以下施工控制措施：①施工前对河床进行加固；②合理选取注浆压力，缩短浆液的初凝时间；③盾构下穿河道过程中选取合适的掘进参数。

2.1 河床加固措施

由于盾构穿河段埋深浅，地质条件差，若不采取河床加固措施，极易产生河道翻浆冒泥，盾构土压无法保证，影响盾构掘进姿态，进而影响掘进速度，致使盾构机长时间停留在河流地段，增加了盾构机被埋、被淹风险[4-5]。项目主要采取的河床加固措施分为两类：河床覆土回填反压和河床素喷混凝土。

1)覆土回填高度计算

目前沙河沟河道已导流至南侧承台边，现状河床标高为485.800m，距隧道顶竖向距离为5.74m。计划再进行覆土回填，以满足盾构穿越条件。对管片上浮计算，不考虑上覆土体摩阻力，简化计算如图2所示。

图2 临界覆土高度计算简图

单位长度管片自重：

Gc=π(R2-r2)γc

(1)

单位长度管片所受浮力：

F浮=πR2γg

(2)

单位长度管片上覆土体有效质量：

W=2Rhγ+2R(d-h)(γs-γw)

(3)

由力学平衡分析,临界状态得到：

W+Gc=F浮

(4)

水下隧道抗浮临界覆土厚度为：

(5)

式中：γg为同步砂浆容重，取17.5N/m3；γs为回填土饱和容重，取19kN/m3；γw为水的容重，取10kN/m3；γ为回填土天然容重，取17kN/m3；γc为管片容重，取24.5kN/m3；R为管片外半径，取3.0m；r为管片内半径，取2.7m。

据调查，沙河沟水位距离隧道顶标高为5.3m，因此将以上数据代入最小覆土厚度公式，得到：h=0.75m。

临界覆土厚度为6.05m，取安全系数1.15计算，得到堆土厚度为6.958m，目前现状覆土厚度为5.74m，即覆土还需回填1.218m，满足盾构穿越条件。

回填采用渣土车运土至现场，卸土后采用挖机配合推土机由北向南、由东向西回填，每层回填厚度≤50cm，每层回填完成后采用20t压路机压实，直至回填到设计标高。回填土下部埋设DN2 000混凝土涵管进行河流导流。

2)河床表面喷混凝土

由于施工期间正值成都地区雨季，为防止回填土被雨水冲刷流失，回填后的河床表面采用C25混凝土喷面。

2.2 洞内同步注浆加固

盾构洞内同步注浆是为了及时填充管片壁后间隙，控制地表沉降，同时能够作为管片外部防水及结构加强层。而初凝时间是同步注浆浆液的主要性能指标，浆液初凝时间过长容易造成浆液流失，初凝时间过短容易造成管片壁后空隙填充不完全。根据地质条件选择性能与之匹配的同步注浆浆液，是确保注浆效果的关键。

沙河沟盾构施工区段地层为素填土和中风化砂岩，属于典型的上软下硬地层，地层条件较差，根据已有研究和施工经验表明，水泥用量是影响浆液初凝时间的主要因素。故根据沙河沟的地层条件，设计室内试验，在确保浆液流动性、泌水率和抗压强度的前提下，研究不同水泥用量条件下浆液的初凝时间(见图3)，试验结果如表1所示。

图3 不同水泥用量下浆液初凝时间变化曲线

表1 不同配比下浆液性能 kg·m-3

由图3可知，浆液初凝时间随着水泥用量的增加而减少，相反初期强度随着水泥用量的增加而增加。根据已有经验并结合现场施工情况，最终确定如表2所示浆液配合比，可以看出，此时浆液的初凝时间<4h，初期强度>3.5MPa。

表2 沙河沟盾构施工同步注浆配合比与材料用量

2.3 盾构掘进参数选取

2.3.1土仓压力

根据土压平衡工况的特点，确定并保持合理的土仓压力是关键。因此，土压平衡工况中掘进参数的确定以土仓压力为基准点考虑，掘进控制程序也应以保持土仓压力为目的[6-8]。

根据以往施工经验和相关科研成果，采用近似上覆土重理论分段进行土压力计算。P值应能与地层土压力和静水压力相平衡。设刀盘中心地层静水压力、土压力之和为P1：

P1=γh

(6)

式中：γ为土的加权平均重度(沙河沟覆土回填后，刀盘中心以上为1.4m中风化砂岩、8.25m素填土，中风化砂岩平均重度取23.5kN/m3，素填土平均重度取18.5kN/m3；γ取19.23kN/m3；h为刀盘中心至地表的垂直距离，取9.655m)。

P=KP1+P2

(7)

式中：K为土的侧向静止土压力系数，取0.2；P2为附加荷载，取20kPa。

根据回填覆土高度，综合计算，P=0.057MPa，同时考虑1.1的系数，土压力应控制在0.06～0.07MPa。

2.3.2推进速度

穿越期间，推进速度应适当放缓，速度宜控制在30～40mm/min，并根据监测结果和排土情况调整。螺旋机转速根据设定土压力与推进速度匹配。

2.3.3出土量

每环出土量计算：

(8)

式中：K为土体松散系数，取1.3；D为盾构开挖直径，6.28m；L为掘进长度，1.5m。

计算得到：V=60.4m3，每环出土方量控制在61m3以内。

3 施工监测

盾构下穿过程中，对盾构管片拱顶沉降和地表沉降进行了监测。

3.1 地表沉降监测

在沙河沟桥附近15m范围内，对地表沉降进行监测，盾构下穿过程中，隧道中心线的地面隆起和沉降量应控制在+10～-30mm[9]。盾构穿越期间，在隧道轴线沿中心线每5m设1个监测断面，以右线为例，盾构穿越沙河沟期间地表监测数据如表3所示。右线地表沉降变化曲线如图4所示。

表3 右线地表沉降监测数据 mm

图4 右线地表沉降变化曲线

由图4可以看出，在盾构穿越沙河沟过程中，地表沉降累积量表现为先增加，盾构穿越完成之后，地表沉降量逐渐减小，直至稳定。地表沉降-21.1mm<控制值(-30mm)。

3.2 管片拱顶沉降监测

盾构洞通后抗浮板施工时进行管片拱顶下沉、收敛变形监测。监测频率从下穿过程中1～3次/d调整为1次/2d，直到稳定。管片拱顶沉降监测日变化量报警值±3mm、累计变化量报警值±10mm[10]。以右线为例，盾构穿越沙河沟期间管片拱顶累积沉降监测数据如表4，图5所示。

表4 右线拱顶沉降监测数据 mm

图5 右线拱顶沉降变化曲线

由图5可以看出，在盾构穿越沙河沟桥过程中，右线拱顶日变形量最大为0.65mm，累积最大变形量为2.65mm，监测数据稳定，变形量可控，管片未出现上浮量过大的现象，说明采取河面覆土反压和洞内二次注浆等措施对管片拱顶沉降控制安全可行。

4 结语

本文以成都地铁6号线三期工程新龙区间盾构穿越沙河沟为例，研究盾构在汛期条件下穿越上软下硬地层时，通过采取地表及洞内相结合的加固措施，选取合理掘进参数，使得盾构安全快速穿越沙河沟，主要结论如下。

1)为确保盾构安全通过沙河沟，结合理论计算得安全覆土高度为6.958m，需回填的覆土高度为1.218m。覆土回填压实之后，采用C25混凝土进行表面素喷。

2)根据沙河沟地质条件，结合室内试验给出了适用于该地层的浆液配合比，此时浆液初凝时间<4h，初期强度>3.5MPa。

3)根据理论计算和已有施工经验给出了盾构穿越沙河沟的掘进参数：土仓压力0.06～0.09MPa，推进速度30～40mm/min，出土量<61m3/环。

4)制定监测方案，对盾构穿河前后地表沉降和管片拱顶沉降进行监测，监测数据稳定，工程安全保障措施效果显著。