地鐵施工中軟弱地層淺覆土盾構(gòu)始發(fā)與掘進(jìn)技術(shù)

馮 浩

（中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司，湖北 武漢 430061）

當(dāng)前，我國多數(shù)大中型城市均在進(jìn)行地鐵工程建設(shè)，同時諸如北京、上海等城市已經(jīng)形成了高度發(fā)達(dá)的地下軌道交通網(wǎng)絡(luò)。但縱觀當(dāng)前的工程現(xiàn)狀，在軟弱地層淺覆土盾構(gòu)的施工難度普遍偏大，其中存在諸多亟待解決的技術(shù)難題，嚴(yán)重制約了地鐵工程的開展。對此，有必要進(jìn)行相應(yīng)的技術(shù)探討，本文提出的淺覆土盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)，可以創(chuàng)造更為穩(wěn)定的施工環(huán)境，大幅提升工程質(zhì)量。

1 工程概況

1.1 區(qū)間概況

某市地鐵3號線工程建設(shè)中，該施工區(qū)段對應(yīng)總長為1 317.744m，以盾構(gòu)機(jī)設(shè)備為基礎(chǔ)，由南站作為始發(fā)掘進(jìn)點(diǎn)，最終施工至北郊車輛段。勘察結(jié)果表明，盾構(gòu)機(jī)始發(fā)區(qū)域的覆土為4.1m，其中最低處為3.7m，在此之后出現(xiàn)轉(zhuǎn)折并以3.2%的幅度下坡。

1.2 工程難點(diǎn)

工程技術(shù)人員對項目所在區(qū)域進(jìn)行了勘察，發(fā)現(xiàn)出段線隧道拱頂埋深淺層地層具有明顯的軟弱特性，這對盾構(gòu)機(jī)始發(fā)與掘進(jìn)作業(yè)提出了較高的要求。此現(xiàn)象對于省道公路下方而言更為明顯，受其車流量較大的影響，路面及其周邊均會出現(xiàn)不同程度的沉降。地面沉降控制是本工程的重點(diǎn)內(nèi)容。

2 控制地面沉降的主要措施

盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)行掘進(jìn)施工時將會引發(fā)地面沉降現(xiàn)象，其誘發(fā)因素多種多樣，諸如支護(hù)力超出了合理范圍、淺覆土土壓明顯偏低等。考慮到此類問題，工程采取了針對性處理措施:①對地面土體進(jìn)行加固處理，由此提升其承載水平；②給予隧道上方一定的壓力；③對所使用的盾構(gòu)設(shè)備參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化；④基于同步注漿的方式進(jìn)行施工，并在間隙處填入適量的漿液。

2.1 始發(fā)井端頭加固技術(shù)

對于南站盾構(gòu)始發(fā)端頭井區(qū)域而言，其表現(xiàn)為明顯的硬塑狀特性。經(jīng)勘察后得知，該區(qū)域內(nèi)地下水較少，因此以大管棚注漿技術(shù)為基礎(chǔ)，并綜合引入了地面袖閥管注漿技術(shù)。經(jīng)施工后，所得到的地基加固長度達(dá)8m，寬度達(dá)3m，同時深度達(dá)4m，基本可以滿足后續(xù)的施工要求。

2.1.1 大管棚注漿加固

定位到始發(fā)洞門隧道頂部120°區(qū)間，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大管棚注漿加固處理，所使用管棚材料的規(guī)格和布置方法如圖1所示。在施工過程中，以水泥單液漿為宜，控制水灰比1∶1的狀態(tài)，將注漿壓力穩(wěn)定在0.3～0.5MPa。

圖1 始發(fā)井端頭管棚加固孔布置

2.1.2 地面袖閥管注漿加固

在進(jìn)行地面袖閥管注漿加固施工時，所得到的加固范圍與上述相同。但需注意的是:孔間距應(yīng)控制為800mm，并采用梅花形布置方式。將水泥和膨潤土作為原材料，由此制得袖閥管套殼料，施工中二者的水灰比以1∶1.5為宜；在進(jìn)行注漿施工時需使用到雙液漿材料，水泥和水玻璃的配比以1∶1為宜。注漿壓力對于施工質(zhì)量起到了尤為重要的影響，應(yīng)將其控制在0.2～0.5MPa，加固孔布置方案如圖2所示。

圖2 始發(fā)井端頭地面袖閥管加固孔布置

2.2 淺覆土區(qū)間地面加固技術(shù)

經(jīng)勘察后可知，淺覆土中含有大量的雜填土及黏土，受此影響應(yīng)采用袖閥管注漿的方式進(jìn)行加固處理，經(jīng)此操作后可確保土體抗壓強(qiáng)度達(dá)到1MPa及其以上水平，由此避免出現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象。施工中應(yīng)控制好加固范圍，將始發(fā)井端頭作為起始點(diǎn)，對其線路200m范圍內(nèi)進(jìn)行處理，以2m為間距進(jìn)行布孔，單個間距內(nèi)的孔量以4個為宜，所得到的孔深應(yīng)達(dá)到3m，同時直徑以90mm為宜。

2.3 地面鋼板反壓

出于對盾構(gòu)掘進(jìn)安全方面的考慮，對原方案中的堆土反壓設(shè)計做出了相應(yīng)的改進(jìn)，由此形成沿隧道軸線而鋪設(shè)的40mm厚鋼板，此舉進(jìn)一步提高了盾構(gòu)安全性，保障了道路交通安全。

2.4 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)控制技術(shù)

2.4.1 盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)確定

1）土倉壓力 受區(qū)域內(nèi)淺覆土的影響，在對出段線進(jìn)行掘進(jìn)施工時，難以將土壓控制在合理范圍內(nèi)，因此極易出現(xiàn)冒頂和超挖等問題。從成因上考慮，誘發(fā)因素以水土壓力為主，此外還伴有一定程度的外部荷載。相比于隧道埋深高度而言，本工程中淺覆土段的水位明顯低于該值。因此，可以根據(jù)公式:土倉壓力=（土容重×埋深+外部荷載）×土的靜比側(cè)壓力系數(shù)+水密度×埋深進(jìn)行計算。

2）推進(jìn)力及掘進(jìn)速度 這兩大因素會對施工區(qū)域的上部土體造成嚴(yán)重影響，隨之引發(fā)土體變形。對于淺覆土層而言，盾構(gòu)設(shè)備的重點(diǎn)施工對象為黏土層，出于提升地面穩(wěn)定性的目的，應(yīng)將掘進(jìn)速度控制在合理范圍內(nèi)，本工程中以20～40mm/min為宜，此外推進(jìn)力以6 000～8 000kN為宜。

3）出土量控制 伴隨著出土量的變化，對應(yīng)的淺埋段地面沉降程度也不盡相同，通常情況下應(yīng)以42.4～43.7m3為宜。

2.4.2 同步注漿

應(yīng)嚴(yán)格控制同步注漿量，本工程以4.20～4.86m3為宜，盡管注漿量會對施工質(zhì)量帶來一定影響，但注漿壓力所帶來的影響更為明顯。經(jīng)同步注漿施工，28d后其強(qiáng)度應(yīng)達(dá)到2.5MPa。

2.4.3 洞內(nèi)二次注漿

完成上述施工后，有可能存在少量空隙，此時需進(jìn)行二次注漿處理，由此起到穩(wěn)定隧道管片狀態(tài)的作用。此環(huán)節(jié)所使用的材料以雙液漿為宜，嚴(yán)格遵循2.1.2節(jié)的配比進(jìn)行配制，并將膠凝時間控制在20～35s。當(dāng)管片脫離盾尾且數(shù)量達(dá)到2環(huán)后，則由正1環(huán)作為起始點(diǎn)進(jìn)行注漿，此時應(yīng)以2環(huán)為間距進(jìn)行注漿。考慮到本工程的實(shí)際情況，將3點(diǎn)和9點(diǎn)作為本次的注漿點(diǎn)，施工中將壓力穩(wěn)定在0.25～0.30MPa。

2.4.4 盾構(gòu)姿態(tài)控制

由于上部覆土層的物理性質(zhì)較為薄弱，因此增大了掘進(jìn)中出現(xiàn)冒頂現(xiàn)象的可能性。對此，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注掘進(jìn)坡度與平面軸線這兩大因素，盡可能使二者處于一致狀態(tài)。施工中的影響因素較為復(fù)雜，需頻繁進(jìn)行監(jiān)測，并對偏差現(xiàn)象做出調(diào)整。基于此方式，在最大程度上避免了土體擾動的現(xiàn)象。

3 沉降控制效果分析

3.1 盾構(gòu)機(jī)始發(fā)與掘進(jìn)

各個階段所對應(yīng)的掘進(jìn)速度存在差異，端頭井區(qū)域應(yīng)以2mm/min為宜，同時設(shè)備推力應(yīng)≤8 000kN，以方案中的理論值作為基準(zhǔn)，所得到的土倉壓力應(yīng)比該值略低，本工程中以0.15MPa為宜。在后續(xù)的推進(jìn)過程中，可以加入適量的泡沫劑，由此緩解刀盤受損。當(dāng)完成20環(huán)掘進(jìn)后，需對區(qū)域內(nèi)的地面沉降情況進(jìn)行檢測。對于淺覆土上部區(qū)域，壓力以32～36kPa為宜。

3.2 地面沉降量監(jiān)測

對實(shí)際監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行分析可知，在進(jìn)行淺埋段施工時，其對應(yīng)的沉降量應(yīng)處于-8～15mm。由參考工程所提出的10～30mm可知，此次施工的地面沉降得到了良好的控制。

4 結(jié)語

文章以地鐵工程為背景，圍繞其軟弱地層淺覆土盾構(gòu)施工展開探討，提出了大管棚注漿和地面袖閥管注漿兩種技術(shù)方法，實(shí)際結(jié)果表明加固效果良好，可以為盾構(gòu)掘進(jìn)施工創(chuàng)造穩(wěn)定的環(huán)境，而周邊的地面交通也不會受到影響。文章所探討的工藝方法具有高度可行性，具有一定的參考價值。