蘇州地鐵3號線土壓平衡盾構(gòu)復(fù)合地層掘進(jìn)技術(shù)研究

沈芳芳

（蘇州市軌道交通集團有限公司建設(shè)分公司 江蘇蘇州 215000）

1 概述

隨著城市地鐵的大量修建，安全性高、環(huán)境擾動小的盾構(gòu)施工技術(shù)愈加廣泛地被應(yīng)用于城市隧道施工當(dāng)中，盾構(gòu)所面對的地質(zhì)情況與施工環(huán)境也更加復(fù)雜多樣——復(fù)合地層就是其中對盾構(gòu)施工影響較大的施工環(huán)境之一。復(fù)合地層總體可分為三類：①掘進(jìn)斷面上不同地層的組合；②掘進(jìn)方向上不同地層的交錯；③前兩種狀況的結(jié)合，盾構(gòu)在上軟下硬地層中施工經(jīng)常遇到掘進(jìn)速度減慢、極易超挖、地面沉降嚴(yán)重甚至坍塌、盾構(gòu)刀具磨損嚴(yán)重、卡機、螺旋機噴涌等問題。嚴(yán)重降低施工效率，增加施工成本。

以復(fù)合蘇州地鐵2號線何山路站～蘇州樂園站盾構(gòu)區(qū)間施工段穿復(fù)合地層為例，從技術(shù)手段的角度分析論述了盾構(gòu)機穿上軟下硬地層與全斷面地層時的處理方法和加固措施，并提出建議方案，為類似復(fù)合地層條件下的設(shè)計與施工提供參考借鑒。

2 工程概況

2.1 設(shè)計概況

蘇州市軌道交通3號線5標(biāo)段何山路站-蘇州樂園站區(qū)間左右線總長2326.166m。呈南北走向沿長江路兩側(cè)展開，設(shè)計為地下雙線單圓盾構(gòu)隧道。區(qū)間左右線均采用兩段曲線，最小曲線半徑為450m，線路線間距為14～17m。隧道埋深10.8～16.4m；區(qū)間在里程右DK10+059.000（左DK10+054.900）處設(shè)置一座聯(lián)絡(luò)通道。

2.2 施工方案與難點

盾構(gòu)區(qū)間采用選擇2臺復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機進(jìn)行掘進(jìn)施工。考慮盾構(gòu)機從復(fù)合地層向軟土地層掘進(jìn)比盾構(gòu)機從軟土地層向復(fù)合地層掘進(jìn)更加安全可靠，兩臺盾構(gòu)機先后于2016年11月27日和2017年2月1日何山路站始發(fā)，平均已每天2～3環(huán)的進(jìn)度穿越復(fù)合地層，然后掘進(jìn)軟土地層至蘇州樂園站吊出盾構(gòu)機。經(jīng)補充勘察揭示，本區(qū)間上軟下硬復(fù)合地層下部硬巖主要為中風(fēng)化凝灰?guī)r，其巖石天然抗壓強度最大可達(dá)121MPa，平均天然抗壓強度為82.5MPa，巖石完整性RQD值在70～90%。上部軟土主要為黏質(zhì)粉土層與粉質(zhì)黏土層，地層呈軟塑狀，均為沉積物，標(biāo)貫在12.1左右，工程性質(zhì)一般，且含水量在30%左右，含水量較大，其分布厚度為2～4m不等，主要分布于隧道洞身范圍上部及隧道拱頂。在上軟下硬地層中主要的施工難點在于：

（1）上部土體較軟，擾動大，易發(fā)生土體坍塌，掘進(jìn)過程中極易出現(xiàn)“超排”，造成地面沉降過大甚至塌陷由于盾構(gòu)；并且機有“避硬趨軟”的趨勢，其掘進(jìn)施工參數(shù)變化大，盾構(gòu)姿態(tài)不好控制，盾構(gòu)容易出現(xiàn)“蛇形”現(xiàn)象；

（2）推進(jìn)過程中，下部巖石較硬，破巖效率低，掘進(jìn)速度較小，推力較大，刀盤易結(jié)泥餅，同時由于上部土體與下部土體的不一致，使刀盤受力不均，刀具極易產(chǎn)生偏磨，且在全斷面巖層與上軟下硬地層過渡段圍巖強度變化懸殊，需要更換刀具和刀盤開口率適應(yīng)地層掘進(jìn)速度避免偏磨；在掘進(jìn)，同時需要變換盾構(gòu)施工模式平衡開挖面土壓，掘進(jìn)參數(shù)控制要求高；

（3）上軟下硬地段掘進(jìn)時近距離穿越多棟磚混結(jié)構(gòu)建筑物、多條帶壓燃?xì)夤芫€和水管，施工對地表建筑物和管線影響風(fēng)險較大，極易產(chǎn)生地表塌陷的風(fēng)險，造成對第三方損害。

3 解決方案及相關(guān)措施

根據(jù)本區(qū)間線路條件并結(jié)合沿線工程地質(zhì)特點和現(xiàn)場施工條件等因素，針對2.2提出的施工難點，設(shè)計實施三類相應(yīng)解決方案：

（1）對復(fù)合地層上部軟土層加固，提高掌子面上部及拱頂土體穩(wěn)定性及承載力，封堵巖土交界面滲水和防止開挖面坍塌。

（2）對柱下獨立基礎(chǔ)建筑物采用鉆孔灌注隔離樁，減少地層擾動對建筑物基礎(chǔ)影響。

（3）常壓開倉檢查與換刀。

3.1 復(fù)合地層軟土層加固

為控制上軟下硬地段沉降，對復(fù)合地層中上部黏質(zhì)粉土層、粉質(zhì)黏土層以及土巖交接面進(jìn)行地表靜力注漿預(yù)加固，靜力注漿范圍為隧道外輪廓1.5m，注漿方式采用分段式后退注漿，以壓密注漿為主，兼有劈裂注漿。注漿材料外包封閉體采用P.O.42.5水泥、水玻璃，封閉體內(nèi)采用P.O.42.5水泥。設(shè)備選用ZYG-150型地質(zhì)鉆機、活塞雙液注漿泵。計算可得最大注漿壓力為2.0MPa，單孔最大注漿量371.4L。

為確保地表與建筑物無安全，本區(qū)間盾構(gòu)穿越建筑物段須實時監(jiān)控地表、建筑物沉降變形，設(shè)置沉降變形預(yù)警值、報警值和控制值，當(dāng)達(dá)到報警值時需要進(jìn)行地面跟蹤注漿。地面跟蹤注漿仍然采用靜壓注漿。

為解決施工過程中，上部軟弱地層擾動后松弛問題，及時做好洞內(nèi)徑向注漿。注漿范圍為上軟下硬地層每5環(huán)做一次，注漿深度為3m。注漿材料為注漿材料為水泥－水玻璃雙液漿，注漿設(shè)備選用盾構(gòu)機自帶二次注漿機。注漿采用預(yù)埋D42鋼花管，每斷面三個，間距20cm左右。注漿壓力必須滿足終壓0.3MPa。現(xiàn)場實施效果揭示，注漿后地層漿脈清晰，形成了網(wǎng)站加固結(jié)構(gòu)，取芯可見灰色水泥土，芯樣完整。

3.2 鉆孔灌注隔離樁

考慮到在上軟下硬地段施工時易造成地表塌陷的風(fēng)險，在盾構(gòu)隧道影響范圍區(qū)內(nèi)的荷瀾庭小區(qū)的27#別墅采用隔離樁保護(hù)。隔離樁“主要承受開挖施工引起的側(cè)向土壓力和地基差異沉降產(chǎn)生的摩阻力”當(dāng)土體產(chǎn)生滑移變形時，隔離樁通過提高滑移面的抗剪能力以及樁身提供的樁側(cè)阻力以限制樁后土體的變形發(fā)展，減小樁后保護(hù)建筑的沉降。

為有效控制土體變形，隔離樁需具備一定的強度和剛度。但剛度達(dá)到一定極限后，繼續(xù)增加隔離樁的剛度，其減沉效果不會有明顯提高。由于攪拌樁的剛度和強度較低，而地下連續(xù)墻剛度太大，作為隔離體性價比不高，故本次施工選用φ800@1000mm鉆孔灌注樁作為隔離樁。隔離樁頂部設(shè)置1000×800mm的冠梁連接。隔離樁底部低于隧道結(jié)構(gòu)底部2m，若隧道底部位于巖層內(nèi)，則隔離樁底部嵌入巖層1m，中心距離隧道邊緣2m。

4 掘進(jìn)實施方案及控制效果

4.1 掘進(jìn)實施方案

本工程盾構(gòu)機在上軟下硬地層推進(jìn)過程中使用閉胸式模式掘進(jìn)或欠壓模式（上部土體加固效果較好），在全斷面中風(fēng)化巖層中采用敞開式掘進(jìn)。通過試驗段的掘進(jìn)選定土倉壓力、推進(jìn)速度、總推力、排土量、刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩六個施工管理指標(biāo)來進(jìn)行掘進(jìn)控制管理，針對不同掘進(jìn)地層控制參數(shù)指標(biāo)如表1。

表1 不同地質(zhì)條件下掘進(jìn)參數(shù)控制值

4.2 實施效果

通過上述掘進(jìn)控制與實施方案，盾構(gòu)通過復(fù)合地層全過程嚴(yán)格按照實施方案進(jìn)行注漿加固、隔離樁設(shè)置和開倉施工，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和掘進(jìn)模式嚴(yán)格按照方案要求控制，最終盾構(gòu)順利安全通過該區(qū)間。相應(yīng)控制點沉降結(jié)果如圖2所示，其中測得地面最大沉降為17mm，遠(yuǎn)小于30mm的地表沉降控制要求。對于建筑的沉降監(jiān)測采用更加嚴(yán)格的20mm的控制標(biāo)準(zhǔn)，本區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)過程中盾構(gòu)掘進(jìn)順利。

圖2 主要控制斷面地表沉降圖

分析沉降曲線可知，控制點在盾構(gòu)刀盤經(jīng)過的時候沉降較大，但很快趨于穩(wěn)定，且最大沉降與沉降槽寬度始終控制在合理范圍內(nèi)，本方案成功實現(xiàn)了盾構(gòu)安全高效通過復(fù)合地層的要求。

5 結(jié)論

在蘇州地鐵3號線何山路站～蘇州樂園站盾構(gòu)穿復(fù)合地層的工程中，通過線路優(yōu)化設(shè)計、地表注漿預(yù)加固、澆筑隔離樁保護(hù)臨近建筑、及時開倉作業(yè)、掘進(jìn)參數(shù)與掘進(jìn)模式優(yōu)化控制等技術(shù)手段，合理控制了地表與建筑物沉降，大大提升了盾構(gòu)施工效率，最終順利安全通過上軟下硬復(fù)合地層，總結(jié)結(jié)論如下：

（1）復(fù)合地層對盾構(gòu)施工影響極大，要求在施工之前準(zhǔn)確勘探，制定充分合理的施工方案。

（2）對軟土地層的注漿加固和對周邊建筑的隔離樁澆筑都能出色的控制地表及建筑沉降，需要對注漿量、注漿范圍、隔離樁位置及尺寸進(jìn)行合理的模擬計算，以求得在確保安全的情況下得到最經(jīng)濟、最簡潔的施工方案。

（3）開倉作業(yè)具有較高風(fēng)險，須全面統(tǒng)籌，盡可能確保開倉施工的安全性和可靠性。

帶壓開倉需要地面加固時，應(yīng)綜合考慮水文地質(zhì)及周邊工程環(huán)境，應(yīng)盡可能減少應(yīng)地面加固對周邊環(huán)境及交通的影響。開倉方案在保證安全的情況下，應(yīng)考慮成本的降低，在加固條件及加固強度滿足常壓開倉要求時，可通過降水后常壓開倉，縮短開倉時間降低開倉成本；在必須帶壓開倉時，應(yīng)計算滿足強度、止水要求的最小加固范圍，縮短地面加固時間、降低開倉成本及對周邊環(huán)境的影響。