软弱地层浅覆土盾构掘进施工技术

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　　摘 要：浅覆土盾构掘进施工主要指土压平衡盾构机在浅覆土中掘进施工，因该类似区段盾构掘进对施工控制及措施要求非常高，施工人员对浅覆土认识不足常带来多种影响和危害。本文主要以佛山地铁2号线出入场线盾构区间为研究对象，系统的分析和研究在软弱地层浅覆土盾构掘进施工的风险以及相应的应对措施。
　　關键词：软弱地层;浅覆土;盾构掘进
　　中图分类号：U455 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）01-0088-02
　　0 引言
　　盾构隧道常常要求一定的最小覆土厚度，以保证盾构正常施工和结构抗浮安全。当盾构施工时，覆土厚度不足易造成地表隆沉量过大，甚至导致机体背土的现象。再者，当覆土有效压重、结构重等向下合力不足以抵抗浆液或地下水浮力时，所建隧道将会发生局部或整体上浮。隧道上浮将导致轴线偏离、结构安全度降低和防水效果变差等不良后果。
　　随着轨道交通在国内各个大型城市的交通功能日趋重要，各类事故也越来越多，大力发展轨道交通施工技术显得非常的重要。目前国内对软弱地层浅覆土的研究应用主要还是依托于常规的盾构施工技术，对参数等相关因素进行调整和摸索，本文主要以实际工程案例为依托，对风险及相应的盾构掘进技术做系统的研究和探讨。
　　1 工程概述
　　佛山地铁2号线出入场线盾构区间是连接正线与停车场的一条地下盾构线路，整体坡度约为6.25‰向上的趋势，在部分区域的覆土都比较浅。全线覆土深度过浅在4～10m之间。其中盾构区间盾构隧道断面基本上全部位于淤泥质土中，该区间地表为1～2m的回填土，回填土下部为25～30m的淤泥质土，更深的地方为淤泥质粉砂、砂层等，地下水较丰富，地表径流明显。
　　该盾构区间主要采用6.25m直径的土压平衡盾构机进行掘进，需穿越季华西路、宏德路、九曲涌、佛山一环、高压燃气管线，侧穿多个高压电塔，地面其他建构筑物较少。
　　2 沉降及隆起发生的机理
　　地层变形的基本原因是盾构掘进时，所引起的地层损失和隧道周围地层受到扰动和剪切破坏的再固结。
　　2.1 沉降发生机理
　　地面沉降的基本原因是盾构掘进时所引起的地层损失和隧道周围地层受到扰动再固结。地层损失是指盾构施工中实际开挖的土体体积与竣工隧道体积之差（竣工隧道体积包括衬砌外围包裹的注入浆体体积）。地层损失引起的地面沉降，大都在施工期间呈现出来。而再固结引起的地面沉降，在砂性土中呈现较快，但在粘性土中则要延续较长时间。浅覆土地层掘进时，因土体拱效应弱，沉降在短期内有明显波动（如图1）。
　　2.2 隆起发生机理
　　盾构通过时由于土仓压力与外部土体水体不能达到平衡，超过平衡点后引起隆起。螺旋机出土速度控制的方量超过软土中掘进理论方量。注浆引起地面隆起，直接且明显（如图2）。
　　3 盾构掘进参数的设置
　　3.1 掘进推力控制
　　盾构的掘进总推力是由各种推进阻力的总和来确定。推进阻力主要由以下几项构成：盾构外周和土体的摩擦阻力;盾构正面阻力（土仓压力）;管片与盾构本体内壁之间的摩擦力;后配套台车的牵引阻力。按照《Mechanised Shield Tunnelling》一书介绍的经验公式进行验算：F=β.D2式中：F——盾构机推力（kN）;D——盾构机外径（m）;β——经验系数，β=500～1200。当D=6.28m时，据此可计算出：盾构机装备推力F=19531～46875（kN）。
　　综合实际的施工经验数据，在浅覆土掘进过程中为保证地面不因推力过大引地面隆起，软弱土层推力应遵循以下原则进行综合考虑：（1）掘进推力一般应控制在装备推力的50%以下;（2）正常情况下主要根据地质条件、掘进速度、刀盘扭矩、土仓压力等因素控制掘进推力;（3）管片的承受能力、盾构姿态控制以及线路转弯等要求;（4）推力设置应充分考虑地面隆起与盾构机抬头的问题，掘进推力的设置应取β的下限值;（5）监测数据实时反映到推力、土压力上，推力调整应与监测数据联动，不得随意调整。
　　3.2 土压力的设定
　　土压力根据埋深、地层及沉降要求的不同，可采用主动土压力、松弛土压力或静止土压力：
　　（1）对于覆土厚度H<D（隧道直径）的无法形成拱效应的软粘土或沙土（标贯级数N<10）地层，可以采用主动土压力计算土压力;
　　（2）对于覆土厚度H<D的无法形成拱效应的软粘土，且施工要求地表沉降极小的地层，可采用静止土压力计算土压力。
　　在浅覆土盾构掘进施工过程中，应采取主动土压力进行计算盾构掘进所需的压力。考虑到软弱土层且覆土比较浅的情况下，掘进的过程中应保证盾构机前方土体有微弱的隆起，隆起量控制在10cm以内为宜。根据出入场线盾构掘进及监测的数据分析，要使得地面有微弱的隆起，仓内超压设置应为30KPa为宜。
　　3.3 转速及推进速度设置
　　浅覆土情况下，宜采取较低的转速推进（1-1.5rpm）;转速控制应均匀平缓，不得忽大忽小，尽量减小对敏感土体的扰动。
　　软弱地层浅覆土掘进主要考虑的是地层的高敏感性，掘进速度应与注浆速度相匹配，不宜太快。同时，掘进速度应满足盾构机姿态的控制要求，尽量减少停机时间，停机时应满仓土状态。在浅覆土状态下的推进速度不宜超过40mm/min。
　　3.4 扭矩设置
　　刀盘的扭矩是由地质条件、盾构刀盘型式、盾构机推力等因素来决定，主要组成为：刀具的开挖阻力产生的扭矩;刀盘和碴土地摩擦阻力产生的扭矩;搅拌碴土的阻力产生的扭矩;刀盘主轴承阻力产生的扭矩;轴承密封的摩擦阻力产生的扭矩;减速机的机械损失产生的扭矩。刀盘扭矩的经验计算公式：T=α.D3，式中：T—盾构机扭矩（kN.m）;D—盾构机外径（m）;α—扭矩系数，α=18。 　　通过对出入场线施工的各项参数收集，研究分析的结果为：浅覆土施工时，正常情况下扭矩应在装备扭矩的40%左右，过大易引起盾构机偏转。
　　4 其他措施
　　4.1 地面处理措施
　　盾构掘进处理控制掘进参数外，在覆土深度小于一倍洞径的位置，在地面采取反压措施来确保覆土过浅的问题能够有效的解决盾构机抬头及地面严重隆起的问题。反压主要采取堆载的方式，堆载高度通过计算满足堆载与原装土的压力满足一倍洞径覆土压力的要求，堆载宽度按照隧道边线外扩1～2m。在盾构到达前100环堆载完毕。
　　根据软弱地层的特点，可以采取的另外一种措施就是隔离或是地层加固措施，例如：MJS、水平定向钻、管棚预注浆、袖阀管预注浆、搅拌桩隔离墙等。
　　4.2 渣土改良
　　浅覆土层的地质基本以杂填土、回填土、粘土、淤泥质土等居多，且土壤中空隙率一般较大。盾构机在浅覆土层中掘进时，极易造成对土体的扰动，且不易在土仓内形成合适的气压（漏气），对地层扰动、掘进出渣影响特别大。为确保土仓内渣土均匀，并能降低掘进前方土体的空隙率，一般情况下均需要对渣土进行改良。
　　在分析了出入场线整个渣土改良的过程和效果后，出入场线渣土改良采取变动的方式进行不断调整，主要改良原则为：（1）只要含水率达到18%，只需要添加适量的泡沫;（2）空隙率较大或大颗粒物质较多的地层，加入矿物类材料改良补充细颗粒，控制指标含泥量15%～35%;（3）砂层比例超过60%，应采用膨润土作为主要改良材料;（4）浅覆盖层往往采用泡沫剂结合膨润土的改良方案;（5）淤泥质土（腐殖质含量超过8%时），只需添加水或极少量泡沫;（6）渣土改良后渣土塌落度控制在100-150mm范围。
　　4.3 监控量测
　　监测是对风险和盾构掘进施工各参数的一个监督和不断修正的过程，一般情况下，盾构沉降和隆起影响主要比重分布情况为：推进前方15%-35%，盾构通过时20%-60%，盾构通过后9%-55%，范围主要位于盾构刀盘前方2H，盾构通过后方2H的范围进行重点监控。监控的参数和预警值按照规范规定即可，但在施工过程中应时刻关注趋势的变化。监控量测是信息化指导施工的重要手段，施工监测的目的就是为了获取隧道施工时对周围建（构）筑物影响程度的量化指标，以便了解其变化的态势，以及利用监控信息的反馈分析，更好的预测系统的变化趋势，及时指导施工，必要时进行优化或修改设计，确保工期和施工安全。
　　5 风险预防
　　浅覆土盾构掘进施工主要指土压平衡盾构机在浅覆土中掘进施工，因该类似区段盾构掘进对施工控制及措施要求非常高，如施工人员对浅覆土认识不足常带来多种影響和危害。常见的风险主要有：地面冒浆、隆起沉降、管线破坏、建构筑物破坏、盾构机抬头、管片破损、管片上浮、隧道渗漏水、有毒有害气体等。
　　在盾构掘进施工前应进行必要的补勘和踏勘工作，对沿线的管线、建构筑物进行充分的调查和研究，同时对地形进行测量和放样，准确的把握盾构掘进的要点和存在的难题。尤其是在试掘进阶段应对制定的目标有充分的理解，在试掘进完成后提出合理、科学的措施，确定盾构掘进的参数和原则，确保盾构掘进过程中的风险可控。
　　6 结语
　　软弱地层浅覆土施工分布范围较广，在国内多条地铁线路中均存在该类情况。施工应不停的在过程中反复摸索，不断总结经验，将盾构掘进的参数与各种手段相结合起来，使之达到盾构施工与运营后期隧道稳定、安全的要求。控制技术指标不能仅仅靠已有的经验和公式来判定，应通过调查、研究，过程中采取监测的手段，运用合适科学的工艺措施及参数的设置来控制盾构的掘进施工，从而取得较理想的成果。本文主要依托佛山地铁2号线出入场线盾构掘进施工中经验参数以及科学的总结，从而达到了隧道施工、运营均能满足设计、规范及社会的效益。
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