復雜地質條件下地鐵盾構關鍵技術問題研究

臧延偉 章天楊 許原騎 徐乃芳

(中國水電顧問集團華東勘測設計研究院，浙江杭州 310000)

0 引言

盾構法是利用盾構機在地面以下進行暗挖隧道的一種施工方法，具有自動化程度高、作業環境安全、施工速度快、成型隧道質量好、對周邊環境影響小等特點，是地鐵工程中一種常用的施工方法，尤其是在城市中心的復雜地段，盾構法的優點尤為突出［1］。地鐵盾構工程具有地質條件復雜、周邊建(構)筑物密集、地下水位高等特點，本文以某盾構區間工程為例，對區間復雜地質條件下盾構始發與接收加固、盾構選型及管片結構設計、立交樁基近距施工等關鍵技術問題進行探討研究。

1 工程概況

1.1 地質概況

本盾構區間總長1 083 m，最小平曲線半徑為1 200 m，最小縱坡為4‰，最大縱坡為21‰，設一處聯絡通道及泵站。盾構區間主要穿越③1淤泥、④粉質粘土、④a粉質粘土夾細砂、④j中砂、⑤1淤泥質土、⑤2細砂夾淤泥、⑤3淤泥質土夾細砂、⑦粉質粘土、○14全風化花崗巖。盾構區間穿越的地層復雜，既有淤泥層，又有砂層以及風化巖層，在盾構施工的線路上會遇到復合地層或由一種地層向另外一種地層的突變，既存在不透水層也有承壓水層。相關的主要地層參數見表1。

表1 主要地層物理力學性質指標

1.2 盾構選型

盾構是根據區間工程地質、水文地質、地貌、地面建筑物及地下管線和構筑物等具體特征來選擇的，設計盾構區間采用軟土盾構，盾構機為復合式土壓平衡盾構機，盾構掘進時通過千斤頂向刀盤施加推力，在推進過程中刀盤旋轉，刀具切削和刮挖巖層及土層，渣土進入土倉內通過螺旋輸送機和皮帶輸送機送入渣土車，運抵地面，從而完成隧道掘進。

考慮地層中有45 m全風化花崗巖，復合刀盤適應軟土及巖層相對發育不良的地質，盾構機整機總長(含后配套)74 m，主機長度8 780 mm(不含刀具)，開挖直徑6 490 mm，盾尾間隙25 mm。

2 盾構端頭井加固

2.1 始發端頭井地層加固

盾構機在始發階段，會對地下土體產生較大擾動，從而影響周圍建筑物或地下管線，因此為了保證始發掘進階段的安全，必須對始發端頭井的土體進行加固，目前加固的方式有很多，常用的有旋噴樁以及水泥深層攪拌樁等［2］。

本區間盾構始發段所處地層主要為④粉質粘土，上部為③1淤泥，下部為⑤1淤泥質土，端頭井加固采用三軸攪拌樁加一排旋噴樁，地層加固剖面圖如圖1所示，三軸攪拌樁樁徑為650 mm，咬合量為200 mm;攪拌樁與端頭井圍護結構之間的縫隙采用三重管旋噴樁進行補加固，樁徑為800 mm，咬合量為200 mm，施工時先施作三軸攪拌樁，再施作旋噴樁。加固區分強加固區和弱加固區，強加固區加固后的土體無側限抗壓強度大于0.8 MPa。沿區間縱向加固長度為6 m，隧道上下、左右各加固3m為強加固區，隧道上部3m以上為弱加固區［3］。

圖1 盾構始發端頭井地層加固圖

2.2 接收端頭井地層加固

盾構接收井所處地層主要為④a粉質粘土夾細砂、⑤3淤泥質土夾細砂，兩種土層為弱透水性(滲透系數E-07 cm/s)，接收端頭井加固采用三軸攪拌樁加一排旋噴樁，樁型同始發端頭加固，沿區間縱向加固長度為4 m，地層加固剖面圖如圖2所示。

圖2 盾構接收端頭井地層加固圖

盾構接收現場實際情況存在透水層，水量較大，由于盾構接收時已先將圍護結構鑿除，土倉壓力減為0，致使水從盾尾漏入土倉內，而加固體內仍為干燥環境;現場采用11口降水井降水，水位也僅能降至10 m深。經過多方論證，最后采用在盾構井內填土至洞門高度，如圖3所示，加大土倉壓力的方案順利完成盾構接收。從本盾構區間接收結果來看，在地質情況較好的情況下，4 m的加固長度是適用的;盾構接收時在盾構機貼上圍護結構后再鑿除圍護結構較為合適;應探明地層中是否存在透水層，若存在透水層，加固長度為盾構機長度加上一環管片的長度為宜。

圖3 盾構接收盾構井內現場圖

3 管片結構設計

3.1 管片結構設計形式

管片設計是盾構隧道結構設計中比較關鍵的一環，管片設計的成敗直接關系到工程的安全、造價及使用。本盾構區間管片襯砌環全環由小封頂(F)，兩塊鄰接塊(L1)，(L2)以及三塊標準塊(B1)，(B2)，(B3)構成。環與環、塊與塊間均采用彎螺栓連接。

采用通用楔形環襯砌結構形式。襯砌環最小計算可擬合曲線半徑為R=200 m。環間采用錯縫拼裝方式，環寬采用1 200 mm，厚度采用350 mm。對隧道不同埋深或土性不同的地段，通過分段設計、分段配筋的辦法達到節省投資的目的［4］。

3.2 管片結構設計主要問題分析

從管片拼裝情況來看，管片局部發生破裂，破裂主要集中在封頂塊及隧道底部，如圖4所示。分析的原因主要是:1)封頂塊拼裝時擠碎;2)盾構姿態未控制好，千斤頂頂力過大;3)盾構上浮不均勻;4)盾構機盾尾間隙過大，造成管片上浮量大。

針對以上問題，可以通過以下方案控制和減少管片破裂:1)管片角部加強鋼筋可減少破裂程度，但千斤頂頂力過大，仍不能避免管片破損;2)通過國內其他地鐵工程的經驗，同步注漿采用惰性漿液可有效減小管片的不均勻上浮;3)增加凹凸隼的間距可減小管片的破損，但不能根本解決問題。

圖4 管片局部破裂現場圖

4 立交樁基近距施工

規劃立交樁基共67根，立交樁基為φ1 200 mm，其中距盾構隧道在5 m之內的樁基共有24根，與本盾構隧道最小間距1.5 m。對于樁基，由于受盾構施工的影響，可能會因周圍土體的移動作用而產生新的變形和內力。并且，由于盾構施工時開挖面土體的挖掘和盾尾脫出后間隙的存在，周圍土體可能會在樁基的作用下發生坍塌，從而引起樁的極限承載破壞。

原設計要求立交樁基在盾構隧道推進前實施，按現場實際情況，對與盾構隧道凈距在5 m范圍內的24根樁基采用全套管全回轉鉆機加沖擊成孔施作，以保證盾構隧道施工的安全，如圖5所示。其余樁基采用旋挖鉆機加沖擊成孔工藝。

圖5 全套管全回轉鉆機施工示意圖

盾構機在近距離穿越立交樁基時，對立交樁基加強監測，根據監測數據的分析來調整盾構機參數，控制盾構機掘進速度，保證盾構施工及近距立交樁基的安全。

5 結語

1)地鐵盾構區間存在地質條件復雜的問題，盾構機應結合區間工程地質、水文地質、地貌、地面建筑物及地下管線和構筑物等具體特征來選型。2)盾構區間始發端頭井加固采用三軸攪拌樁加一排旋噴樁為適宜，加固長度取6 m。接收端頭井加固采用三軸攪拌樁加一排旋噴樁，加固長度取4 m為適宜，盾構接收存在透水層，水從盾尾漏入土倉內，可采用加大土倉壓力的方案。3)管片結構設計局部發生破裂的原因是多樣的，可以采用管片角部加強鋼筋，同步注漿采用惰性漿液以及增加凹凸隼的間距等方案控制和減少管片破裂。4)立交近距施工對與盾構隧道凈距在5 m范圍內的樁基采用全套管全回轉鉆機加沖擊成孔施作，同時加強對樁基的監測，以保證盾構隧道施工的安全。

［1］ 張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］ 趙立鋒，付黎龍.富水軟弱地層盾構隧道施工端頭加固技術研究［J］.鐵道標準設計，2008(9):83-85.

［3］ 高文華.關于地鐵盾構法施工的關鍵技術探討［J］.施工技術，2011(36):280.

［4］ 劉建國.深圳地鐵盾構隧道施工技術與經驗［J］.隧道建設，2012，32(1):72-87.