軟土地層盾構下穿淺覆土河床的施工技術研究

魏紅波

中鐵一局集團有限公司廣州分公司，廣東 廣州 511400

近年來，我國各地區路橋工程、軌道交通工程建設規模越來越大，其中涉及大量的隧道工程，而盾構法在隧道施工中越來越常見。在部分地區，隧道需要穿過河流、湖泊，而此時隧道頂部和河床之間的距離比較短，這部分土層厚度小于盾構直徑，被稱作淺覆土。加上大多數河流湖泊底部土壤都屬于典型的軟土層，導致盾構下穿施工難度高，且面臨較大的風險。因此，有必要就軟土地層盾構下穿淺覆土河床施工技術進行深入研究，提高施工質量。

1 工程概況

紹興市軌道交通1號線鏡湖站—鳳林路站區間左右線全長分別為1338.4m和1337m，投入2臺?6910中鐵裝備土壓平衡盾構機施工，管片外徑為6700mm，厚350mm。工程在右K31+958.8～右K32+300、左K31+955.8～左K32+300下穿大溇河（河寬約350m），水域段隧道中心埋深在9～12.5m，上部水深3m左右，河道底部覆土最小厚度為5.1m。在該工程盾構下穿淺覆土河床區域中，軟土地層主要由粉質黏土、淤泥質粉質黏土等構成，土層透水性和滲透性都非常差。

2 工程施工難點和風險

通常情況下，采用盾構法進行下穿淺覆土河床施工時，河道段的淺覆土區域埋深變化存在不確定性，同時覆土的厚度變化對施工也會產生一定影響。在該工程中，從河岸位置轉入河底區域的淺覆土有約2m的直線高差。在盾構掘進過程中，土層壓力變化較大，如果此時沒有調整好土層壓力，或者掘進過程中的出渣量超過合理范圍，都可能導致支護系統失穩，很容易造成河底冒頂。另外，在盾構穿越河床底部位置時，如果盾構機盾尾密封裝置出現問題，此時注漿壓力過大，可能會造成涌水問題，給工程施工帶來嚴重不良影響。

因此，如何處理軟土層、淺覆土河床等施工條件帶來的影響，降低施工風險，提高施工質量，是施工單位需要深入思考和探究的問題。

3 施工技術應用要點

3.1 前期勘察

在盾構下穿施工之前，需對施工現場及周邊地質結構、水文條件進行全面勘察，尤其要明確河道、橋樁結構狀態。同時，勘察分析河底隔水層連續性、結構狀態、滲透系數等，為后續下穿施工方案的制訂提供可靠的數據參考。然后，在盾構穿越前進行模擬推進，優化施工方案。

3.2 盾構姿態調節

基于試驗段掘進姿態的模擬分析，結合該工程現場實際情況，確保盾構姿態可以充分做到可控。然后，考慮到該工程可能出現的隧道上浮的情況，在下穿施工之前做好技術交底，確保各單位明確盾構設備相關參數及工程施工方案具體標準。接著，按照施工班次，明確每個環節的盾構姿態，并設定好推進姿態的相關參數。該工程中，盾構推進姿態目標值分別如下：水平前點和后點均為-10～10mm，垂直前點和后點分別為-25～-20mm和-30～-25mm。

3.3 土壓力及掘進速度控制

下穿大溇河采取分段計算土壓方式，依次為下穿前（試驗段）→下穿中→下穿后。掘進過程中土倉內的壓力等于盾構頂部靜止土壓Pe乘以土的靜止側向壓力系數k，據此進行控制，根據靜止土壓力的變化，應及時進行調整，使土倉壓力始終保持在靜止土壓力與被動土壓力之間。下穿前和下穿后土倉壓力計算公式均為

式中：Ps為圍巖的豎向壓力，kN/m2；γ為天然重度，kN/m3；h為分層厚度，m。γ和h由地勘報告中相應土層物理力學參數獲得，④2粉質黏土層側壓力系數k取0.43。

下穿過程中土倉壓力計算公式為

式中：P0為地面荷載，按20kN/m2取值；PW為河水的豎向壓力。

式中：γw為水的重度，按9.8kN/m3取值；H為河水深度。

經過勘測計算，穿越段施工期間，將土壓力由初期的0.1MPa逐步調整至0.06MPa，最后調整至0.1MPa。在掘進施工前期，要充分結合渣土稱重記錄及各類監測數據對土壓力進行合理調整。另外，盾構下穿施工中要嚴格控制好盾構機的掘進速度。該工程中，將設備刀盤轉速控制在0.6～0.8r/min，掘進速度控制在20～30mm/min。

3.4 出渣量控制

出土量計算公式如下：

式中：D為開挖直徑，m；L為管片寬度，m，取1.2；η為松散系數，取1.1。

中鐵裝備開挖直徑為6910mm，計算得出排土量V=49.5m3。根據紹興類似地層掘進出土情況，盾構掘進時的實際出土體積約為49m3/環。用18m3渣車出土計量，每環不超過3斗，過程中一旦有超量現象，必須對該區段進行處理，包括洞內二次注漿等措施。施工過程中要做好渣土比重試驗，施工各環節要控制好出土量，以環為單位收集相關渣土承重數據，再結合試驗數據進行合理性分析，可對土壓進行調整。

3.5 注漿控制

在盾構掘進過程中，管片會脫離盾尾，管片外壁與地層土體之間會形成一道環形空隙。為了盡快填充環形間隙，防止地層變形過大而危及建（構）筑物安全，需要進行注漿。同步注漿量根據下式計算：

式中：V為注漿量，m3；L為管片長度，m；D1為開挖直徑，m；D2為管片外徑，m；λ為充填系數，根據地層情況確定，該工程軟土地層取1.5。經計算，可得V=[π×1.5×1.2×（6.92-6.72）]÷4=3.8m3。

在下穿淺覆土河流的過程中，需對同步注漿加強控制，暫定初始穿越水域時的注漿量為3.8～4m3/環，漿液比重控制在1.8g/cm3以上，確保注漿飽滿、注漿壓力適當降低，做到緩慢、均勻注漿。注漿作業過程中的壓力控制在0.18～0.23MPa，注漿要與掘進同步進行，如不能注漿，嚴禁推進，通過控制同步注漿壓力和注漿量兩個參數來保證注漿質量，避免后期沉降超過允許標準。

同步注漿基本上已經填充了掘進開挖時的空隙，受管片滲漏、管片姿態及地面沉降等因素的影響，通常要進行二次補漿，二次注漿壓力要略高于同步注漿的壓力。在該工程中，二次注漿要嚴格按照規范流程進行作業，根據盾構穿越施工中隧道上浮情況，注漿壓力為0.22～0.25MPa，注漿量為同步注漿量的20%，具體要結合現場實際情況進行調整。注漿過程中要時刻觀察管片狀態，一旦發現裂縫、漏漿、變形等異常狀況，要立刻停止注漿，分析原因，采取控制措施后再進行注漿施工。無論是同步注漿還是二次注漿，都應當保證一個區域及工程結構的注漿連貫性，非特殊情況下要避免停滯、中斷。

4 施工安全質量保證措施

（1）加強設備管理。為了進一步保證施工質量，在盾構機掘進到距淺覆土河床區域約20環位置時，要暫停施工，對設備進行檢修和保養。合理的檢修保養是保證盾構機等關鍵設備運行穩定的關鍵，有助于降低設備故障率，提高設備運行效率，確保工程按照計劃正常推進。針對盾構機設備的檢修、保養項目主要包括以下幾方面：①檢查主驅動系統是否正常運轉，檢查刀盤減速機、液壓泵等是否存在異響；②檢查盾尾封油脂注入系統是否處于正常狀態，杜絕任何滲漏情況，確保注入管道暢通無阻；③檢查同步注漿設備狀態，避免管路出現固結、堵塞現象，每次檢修保養都要對注漿系統進行清理；④檢查渣土改良系統，確保泡沫、水、氣等管路暢通，改良效果良好。特別要注意，在盾構機施工及停機檢查階段，要持續通過氣體檢測儀對結構內部有害氣體進行監測，便于判斷是否存在有害氣體泄露的現象，保障作業人員安全。

（2）制訂相應的應急預案。在軟土地層盾構下穿淺覆土河床施工中，可能面臨多種復雜情況以及各種風險，為了保證施工質量和安全，有必要制訂一套完善的應急預案，做好施工隊伍及管理隊伍的組織管理，在施工現場設置必要的避難室，并儲備相應的應急物資。在施工中，要通過各類儀器監測及專人的定期巡查及時發現各類風險，做好事故預警，從而有效規避和應對風險。

5 結束語

雖然目前我國盾構法施工技術越來越成熟，但是在復雜的施工條件下，依然面臨各種困難和風險。比如軟土地層盾構下穿淺覆土河床的工程，需要施工單位做好充分的施工準備，基于全面的現場地質、水文條件勘察，結合大量的監測數據分析，制訂合適的盾構下穿施工方案。同時，施工中要嚴格加強各個環節的施工管理，做好盾構機設備的日常檢修、維護和管理工作，結合完善的應急預案，嚴格保證施工質量和安全。