南京地鐵軟土地層盾構掘進技術探討

摘要：盾構施工普遍處于繁華的鬧市區，地面情況復雜，如何快速順利安全地完成盾構掘進就成了施工單位面臨的課題。文章介紹了軟土地層中盾構參數在各施工階段的選擇、掘進姿態控制、管片選型以及同步注漿的實施等。

關鍵詞：地鐵工程；軟土地層；盾構施工；盾構掘進技術；管片選型；同步注漿 文獻標識碼：A

中圖分類號：U455 文章編號：1009-2374（2016）17-0094-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.17.045

盾構施工普遍處于繁華的鬧市區，地面情況復雜，如何快速順利安全地完成盾構掘進就成了施工單位面臨的課題，本文介紹了在南京地鐵軟土地層施工中的一些具體做法，從始發階段到正常掘進階段的掘進參數控制，盾構在掘進中的姿態控制和管片選型，最后還介紹了同步注漿參數的設定。從本工程實施的結果來看，本文介紹的這些具體方法都使得本區間盾構施工達到了很好的效果。

1 工程概況

南京地鐵三號線D3-TA09標常府街站～夫子廟站區間北端起始于太平南路小火瓦巷，沿太平南路向南至四象橋北側向東偏轉并下穿秦淮河。隧道區間長度為869.490m，盾構區間線路設計最小曲線半徑為350m，盾構掘進最大上坡為25‰，盾構最大下坡為17‰。

2 區間地質情況

隧道斷面型式為圓形，內徑5.5m，外徑6.2m，軌頂標高為-5.296～-16.346m，底板埋深約在14.40～26.80m之間，覆土厚度為9.3～20.7m，其中過河段覆土厚度為14.0m左右，填土層之下，深度25.6～34.6m以上為粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉土、粉細砂及其交互沉積層。

3 盾構掘進參數

3.1 始發階段

夫子廟站北端設置盾構始發井，隧道頂部埋深16m，頂部及上半部洞身為③-3b1-2粉質黏土，下半部洞身及底部為③-4b2-3+d2粉質黏土夾粉細砂。加固方法為三軸攪拌樁加上高壓旋噴封堵，加固長度9m，加固寬度為隧道外徑外3m，加固深度為隧道底部下3m。

刀盤進入加固區后，逐步建立土倉壓力，在上部壓力達到0.8bar后開始出土，然后以每環增加0.2bar的土壓，到出加固區前上部土壓達到2bar。加固區內的掘進參數：推力1000～1200t，速度5～10mm/min，刀盤轉速1rpm，刀盤扭矩800～1000kNm。加固區內通過注入水進行渣土改良，每環注入量為2～3m3。加固區三軸攪拌樁主要為水泥漿置換土，掌子面水泥含量高、強度高，掘進速度慢，刀盤與掌子面摩擦產生大量熱量，很容易結泥餅，要注意渣土狀態和溫度，做好渣土改良。

刀盤出加固區進入原狀土后，隧道埋深16m，隧道斷面地層為③-3b1-2粉質黏土、③-4b2-3+d2粉質黏土夾粉細砂，隧道上部為3m厚的③-3b1-2粉質黏土弱透水層，下部為③-4b2-3+d2粉質黏土夾粉細砂含層壓水，上部土壓保持在2bar，推力為1200～1500t，掘進速度為30～40mm/min，刀盤轉速為1～1.5rpm，刀盤扭矩為1000～1500kNm，注入泡沫進行渣土改良，發泡率FER為3∶1，濃度為1.5%～3%，每環注入混合液量為1～2m3。

3.2 劉公巷-秦淮河段

隧道斷面地質為③-3b1-2粉質黏土、③-4b1-2粉質黏土、③-4b2-3+d2粉質黏土夾粉細砂。土壓隧道埋深的增加而增加，土壓為2.1～2.3bar，推力為1200～1500t，推進速度為30～40mm/min，刀盤轉速為1～1.5rpm，刀盤扭矩為1500～2500kNm，由于下穿建筑物較多，土壓的穩定非常重要，推進嚴格控制出土量，控制好出土速度與推進速度匹配，防止土壓波動過大，推進速度要穩定不能過快，在下穿秦淮河時由于河道內埋深較淺，在刀盤到達河堤南端時開始降低壓力，在河底土壓為1.9bar，刀盤到達河堤北端時土壓增加到2.3bar。注入泡沫進行渣土改良，發泡率FER為3∶1，濃度為1.5%～3%，每環注入混合液量1～2m3，為預防結泥餅，泡沫中加入分散劑混合使用。

3.3 秦淮河-馬府街

過秦淮河后盾構沿太平南路向北，區間地質主要為③-3b1-2粉質黏土、③-4b1-2粉質黏土，隧道處于弱透水層中，狀態為硬～可塑，干強度、韌性中等。盾構推進土壓為2.1～2.4bar，由于土層較硬、土質韌性高，推力和扭矩都比較大，推力為1400～1700t，掘進速度為40～60mm/min，刀盤轉速為1.5～2.0rpm，刀盤扭矩為2500～3500kNm。注入泡沫進行渣土改良，發泡率FER為3∶1，濃度為1.5%～3%，每環注入混合液量為2～3m3，為預防結泥餅，泡沫中加入分散劑混合使用。

3.4 馬府街-小火瓦巷

過馬府街后隧道繼續沿著太平南路向北，區間地層主要為②-3b4+c3粉質黏土、淤泥質粉質黏土夾薄層粉土，粉質黏土為流塑（局部軟塑）、粉土稍密，飽和，局部夾層狀粉土，水平層理較發育，光澤反應弱，有輕微搖震反應，韌性、干強度中等偏低。推進土壓為2.0～2.3bar，推力為1100～1500t，掘進速度為30～50mm/min，刀盤轉速為1.0～1.5rpm，刀盤扭矩為700～1500kNm。由于土層為飽和、流塑狀態，是很理想的渣土狀態，無需進行渣土改良。

4 姿態控制

在實際施工中，由于地質突變等原因盾構機推進方向可能會偏離設計軸線并達到管理警戒值；在穩定地層中掘進，因地層提供的滾動阻力小，可能會產生盾體滾動偏差；在線路變坡段或急彎段掘進，有可能產生較大的偏差，因此應及時調整盾構機姿態、糾正偏差。

4.1 豎直方向糾偏與水平方向糾偏

控制盾構機方向的主要因素是千斤頂的單側推力，當盾構機出現下俯時，可加大下側千斤頂的推力，當盾構機出現上仰時，可加大上側千斤頂的推力來進行糾偏。盾構糾偏的基本原則是盾構與設計軸線水平與豎向偏差控制在75mm（設計容許偏差100mm）以內為目標，避免糾偏過猛，保證管片拼裝所需的最小盾尾間隙，每環的最大糾偏量不大于9.0mm。

4.2 盾構上下傾斜與水平傾斜

盾構掘進過程中可能存在盾構機軸線與隧道設計軸線方向的偏差，為了保持盾構良好姿態，避免管片的受力不均，盾構上下傾斜與水平傾斜應控制在2%以內。避免因管片襯砌環的中心和盾構機的中心有偏移，使管片局部受力過大引起管片破損。

5 管片選型

通過對管片選型的影響因素進行分析，確定管片選型的原則有兩個：（1）管片選型要適合隧道設計線路；（2）管片選型要適應盾構機的姿態。

采用通用楔形管片作為隧道襯砌，管片外徑為6200mm，內徑為5500mm，厚為350mm，長為1200mm，管片楔形量為37mm，分為左轉、右轉、標準三類。轉彎環通過不同的旋轉位置，將產生不同的上、下、左、右超前量，左轉環拼裝在15點位置，3點位置的超前量最大，12點位置的超前量最小，右轉環拼裝在1點位置，12點位置的超前量最大，3點位置的超前量最小。通過不同位置管片的拼裝，實現對隧道軸線的擬合，因此拼裝前管片的選型至關重要。管片及拼裝點位的選擇根據盾構姿態、油缸行程、交接行程、盾尾間隙進行綜合的運算，并預測未來幾環的盾構姿態、盾尾間隙的趨勢。

運算步驟為：（1）從導向系統上記錄主機位置和姿態的所有信息，以及盾尾間隙的數據；（2）列出公式的首部分、趨勢、油缸行程差和盾尾間隙；（3）計算掘進完成的趨勢和油缸行程差；（4）預測管片的類型和安裝點位；（5）計算安裝完成后的油缸行程和盾尾間隙；（6）把趨勢和油缸行程以及盾尾間隙作為初始條件列入下一個計算循環。

當所選管片及拼裝點位在跟調整油缸行程和調整盾尾間隙之間出現沖突時，如果盾尾間隙沒有達到警戒值，優先考慮調整油缸行程，如果盾尾間隙達到警戒值，優先考慮調整盾尾間隙。

6 同步注漿

同步注漿材料采用新型厚漿，新型厚漿漿液材料在具備大比重、低稠度、高剪切性能的同時，提高了材料的保水、抗稀釋性能，這不僅保證了隧道長距離施工工況條件下漿液的質量和易性，有效提高了隧道整體質量，而且使得漿液在注入土層后的分散性大大降低，起到了有效控制地面沉降，保持隧道穩定的作用，其缺點是初凝時間長，固結后強度低，使管片上浮量大。

漿液通過盾尾安裝的四條管路注入管片外圍與土層之間的建筑間隙，注漿量計算公式為：

Q=kπ（D2-d2）L/4

式中：Q為注漿量；V為理論空隙量；D為刀盤開挖直徑6.42m；d為管片外徑6.2m；L為管片長度1.2m；k為注漿率。

為了使漿液注飽滿，起到很好的填充支護作用，防止地面沉降，漿液注入量要比理論空隙量大，結合地質情況、盾尾間隙等因素，注漿率k一般為120%～200%，每環注漿量就控制在3～5m3。在劉公巷—秦淮河這段，為控制地表沉降，每環注漿量在5m3左右；秦淮河-馬府街這一段地層為③-3b1-2粉質黏土、③-4b1-2粉質黏土，隧道處于弱透水層中，注漿量為3.5m3左右；馬府街-小火瓦巷這段地層是②-3b4+c3粉質黏土、淤泥質粉質黏土夾薄層粉土，狀態為流塑，注漿量為4～5m3。

注漿壓力過大，會造成土體擾動而造地面成后期沉降及隧道沉降，還會造成跑漿；注漿壓力過小，注漿速率降低，注漿量不足，加大地面沉降。根據實際地質情況和厚漿的特性同步注漿壓力控制在0.3～0.8MPa。

7 結語

?！騾^間的盾構施工已安全順利完成，如本文所述，作為一名盾構施工管理人員，應該與盾構司機建立通暢的交流機制，在施工中做到如下三點：（1）對參數的敏感性：所有的參數都不是一個固定的值，都是在一個范圍內不斷變化著，要對參數的任何一個變化都做出分析和判斷，還要對前面的參數總結出其中的規律，為后面的掘進工作進行指導；（2）對渣土進行分析的能力：根據渣土的狀態分析能判斷出土層的狀態、地質的變化情況、渣土改良狀況等；（3）預測能力：能根據當前的坡度、轉彎半徑、掘進參數、盾構姿態、盾尾間隙這些資料，經過綜合分析和運算，預測未來幾環的盾構姿態、地質變化情況等，為未來幾環提前做好參數調整、姿態調整、管片選型。

參考文獻

[1] 周文波.盾構法隧道施工技術及應用[M].北京：中國建筑工程出版社，2004.

[2] 竺維彬，鞠世健.復合地層中的盾構施工技術[M].北京：中國科學技術出版社，2006.

作者簡介：龔彬（1981-），男，湖南長沙人，供職于中鐵五局集團電務城通工程有限責任公司，研究方向：盾構施工。

（責任編輯：小 燕）