趙 光，劉濤濤（上海地鐵咨詢監(jiān)理科技有限公司， 上海 210301）

1 工程概況

1.1 工程概述

盾構(gòu)隧道總長2 664.6 m，盾采用單洞雙線方案，為國內(nèi)首條大直徑盾構(gòu)法鐵路隧道。隧道外徑14.5 m、內(nèi)徑13.3 m，采用1臺φ14.93 m泥水氣壓平衡盾構(gòu)機進行盾構(gòu)掘進施工，隧道最小平曲線半徑1 600 m，縱坡為單向坡，最大縱坡30‰，隧道埋深為7.75 m～28.00 m。

1.2 工程地質(zhì)及水文條件

1.2.1 工程地質(zhì)

本工程始發(fā)段及試推進盾構(gòu)隧道斷面內(nèi)涉及的土層為軟弱地層，從上至下依次為②1淤泥層、②2淤泥層、③1淤泥質(zhì)黏土層，詳見表1。

表1 土層物理力學指標

1.2.2 水文條件

隧道位于入?？冢毕戎担℉K1＋HO1）/HM2＜0.5，一晝夜兩潮（潮高不等現(xiàn)象較為明顯，落潮歷時大于漲潮歷時，潮差大），是我國顯著的強潮海區(qū)之一，且水位高低變化較大。

1.2.3 工程周邊環(huán)境

盾構(gòu)從工作井始發(fā)后100環(huán)試推進段，周邊環(huán)境空曠，多為農(nóng)田、防洪林，需穿越的建（構(gòu)）筑物主要為S77省道、昆北路，道路下埋設有DN1 400污水管和DN300燃氣管道。

2 軟弱地層下超淺覆土始發(fā)

本工程盾構(gòu)始發(fā)段土層以軟弱地層為主，地基承載力較差。軟弱地層含水率高、壓縮性高、承載力低，且具有易觸變性，盾構(gòu)在該地層中掘進盾構(gòu)姿態(tài)、地面沉降難以控制，極易造成盾構(gòu)“磕頭”現(xiàn)象，并且隧道頂最小覆土厚度約7.75 m，為0.51D（D為隧道直徑），一般來說，盾構(gòu)始發(fā)隧道頂覆土厚度不應＜1D。當隧道頂部覆土厚度過小時，所產(chǎn)生的荷載不足以克服成型隧道襯砌管片所受浮力，會導致成型隧道軸線偏移超出上限，管片錯臺、破損，更甚者管片開裂、滲水，給隧道后續(xù)運營工作及隧道耐久性造成影響，并且淺覆土始發(fā)極易造成地面冒漿、隧道上浮現(xiàn)象的發(fā)生。

2.1 地層處理

針對現(xiàn)場實際地質(zhì)情況，通過三軸攪拌樁（水泥摻量7%～20%）、單點三重管旋噴樁（水泥摻量≥28%）對軟弱地層進行加固，加固范圍為隧道邊線外側(cè)1.8 m及隧道下半部至遂底以下5 m范圍內(nèi)，以此來解決盾構(gòu)“磕頭”、姿態(tài)難以控制的問題，詳見圖1。

圖1 隧底加固橫斷面布置圖

針對現(xiàn)場覆土厚度不足情況，通過三軸攪拌樁在始發(fā)段覆土＜12 m的范圍內(nèi)對隧道邊線外側(cè)1.8 m、高度為遂頂上方3 m范圍內(nèi)進行加固，并且在上方進行堆載處理以解決隧道頂覆土厚度不足問題。淺覆土段隧頂加固平面及橫斷面位置，如圖2、圖3所示。

圖2 淺覆土段隧頂加固平面圖

圖3 淺覆土段隧頂加固橫斷面圖

2.2 施工參數(shù)控制及始發(fā)輔助措施

在軟弱地層、超淺覆土的施工條件下始發(fā)，盾構(gòu)機的各項性能及施工參數(shù)的控制尤為重要，因此必須選擇最優(yōu)推進參數(shù)以及始發(fā)姿態(tài)，并根據(jù)實際推進情況對推進速度、推力、刀盤扭矩、切口水壓、同步注漿、泥水質(zhì)量以及盾構(gòu)姿態(tài)的實時變化進行微調(diào)。

2.2.1 盾構(gòu)始發(fā)姿態(tài)的控制

盾構(gòu)始發(fā)時機頭脫離始發(fā)基座后刀盤中心距離加固土體的距離約3.85 m，洞門鋼圈直徑略大于盾構(gòu)刀盤單側(cè)間隙約為285 mm，因此在刀盤靠上加固區(qū)的過程中極易出現(xiàn)盾構(gòu)機“磕頭”現(xiàn)象。為保證盾構(gòu)機體進入洞圈內(nèi)得到足夠支撐，在鋼洞圈底部45°范圍內(nèi)澆筑了一定高度砂漿混凝土作為洞圈內(nèi)導向裝置，讓盾構(gòu)機在剛進入洞圈后底部就可得到支撐。

2.2.2 泥水平衡建立及切口水壓控制

盾構(gòu)初始推力完全靠鋼筋混凝土后靠及負環(huán)管片提供，因此為了提高管片拼裝的安全性及增大千斤頂頂力，盾構(gòu)在剛剛進入止水箱體的第二道橡膠簾布板時建立泥水平衡。

初始切口水壓按照岸上段理論計算

式1中：P為切口水壓值(kPa)；γx為各層土的容重(kN/m3)；Hx為各層土的厚度(m)（算至隧道中心）。

始發(fā)段施工時，由于盾構(gòu)處于加固區(qū)域，且洞門還未封堵，切口水壓的設定不宜過高，但必須能維持正常的泥水循環(huán)。在前18 m加固區(qū)內(nèi)盾構(gòu)推進過程中，為了減弱泥水后竄至工作井內(nèi)等不利狀況，在該階段的推進中切口水壓一般取0.08 MPa～0.12 MPa。

在已經(jīng)完成洞門封堵后，根據(jù)計算切口水壓逐步提高至0.15 MPa（刀盤破加固區(qū)理論切口壓力），并根據(jù)地面沉降情況及時進行調(diào)整。盾構(gòu)前100環(huán)掘進切口壓力值變化，如圖4所示。

圖4 前100環(huán)切口壓力變化值

2.2.3 泥水管理

大直徑泥水氣壓平衡盾構(gòu)施工循環(huán)泥漿性能指標是重中之重，根據(jù)不同的土體，泥水管理的要求和方法也不同。根據(jù)需要加入高分子材料調(diào)節(jié)比重、黏度、塑彎值、膠凝強度、泥壁形成性、潤滑性，以此來滿足不同地層施工要求。泥水平衡盾構(gòu)使用泥水的目的也就是用泥水壓力形成泥壁來謀求開挖面穩(wěn)定，在防止塌方的同時，將切削下來的泥膜形成泥水并輸送到地面。

（1）盾構(gòu)掘進中進泥比重不易過高或過低，過高將影響泥水的輸送能力，過低則會破壞開挖面的穩(wěn)定。盾構(gòu)在正常段推進時，泥水比重范圍控制在1.20～1.25之間，但由于始發(fā)段覆土較淺、地層土質(zhì)較差且穿越市政管線，因此實際施工中泥漿比重上調(diào)為1.26～1.28，以保證開挖面的穩(wěn)定。前100環(huán)具體泥水比重變化情況，如圖5所示。

圖5 泥水比重變化折線

（2）在施工過程中，現(xiàn)場配備了泥水土工試驗室，每一環(huán)推進前測試調(diào)整槽內(nèi)工作泥漿的指標，及時調(diào)整至滿足施工要求并記錄在案，這樣持續(xù)幾環(huán)后，就可得出泥水指標的變化趨勢，在指導配比的基礎上，再根據(jù)推進地層情況作輕微調(diào)整。泥水監(jiān)控是一個動態(tài)變化過程，而唯一檢驗配比是否合理的標準是地面沉降量，當沉降量得到控制后就基本可以控制泥水指標的變化趨勢，使之穩(wěn)定在某一區(qū)域內(nèi)。

2.3 始發(fā)輔助措施

盾構(gòu)在始發(fā)過程中，洞口與盾構(gòu)殼體將形成環(huán)形的建筑空隙，本次始發(fā)的單邊建筑空隙將達到285 mm（洞門與管片之間間隙）。為防止始發(fā)時土體大量從洞門外通過此建筑空隙竄入井內(nèi)，影響開挖面泥水壓力建立、開挖面土體的穩(wěn)定以及工作井和盾構(gòu)內(nèi)的施工，必須設置性能良好的密封止水裝置確保初始壓力平衡的正確建立和施工安全。

本次盾構(gòu)始發(fā)將在洞圈預埋鋼板上布置一個止水裝置。該止水裝置按照實測盾構(gòu)外形制造安裝，在鋼洞圈安裝兩道止水橡膠簾布板和鉸鏈板。

由于始發(fā)工作井內(nèi)襯墻為垂直墻，為確保止水裝置中心與盾構(gòu)3.0%的坡度中心線保持一致，止水箱體上部和下部加工時考慮3.0%的理論偏差量，最窄處750 mm，最寬處1 225 mm，以保證盾構(gòu)始發(fā)后洞圈的止水效果。在洞圈外側(cè)至鋼洞圈內(nèi)預埋布置24組2″注漿孔，在盾尾殼體進入箱體，當最后一道盾尾鋼板束進入箱體100 mm即對洞門進行封堵，并通過預留注漿孔對洞門鋼圈進行注漿以加強洞圈封堵效果。止水箱體下部60°范圍內(nèi)用混凝土充填，以支撐止水箱體。

為防止底部止水橡膠簾布板和翻板因自重無法翻起，擬對洞圈下部60°范圍內(nèi)的止水橡膠簾布板和鉸鏈板翻板進行部分粘貼，通過翻板上的防翻限位使止水橡膠簾布板及時豎起，起到擋泥止水效果。洞門止水箱體結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

圖6 洞門止水裝置及洞門封堵示意圖

3 盾構(gòu)掘進

盾構(gòu)始發(fā)后，為了盡快熟悉掌握盾構(gòu)的各類參數(shù)設置掘進試驗段，通過盾構(gòu)試驗段推進過程中各參數(shù)設定與地層變化之間的關(guān)系，并對推進時的各項技術(shù)數(shù)據(jù)進行采集、統(tǒng)計、分析，在最短時間內(nèi)確定盾構(gòu)推進施工參數(shù)的設定范圍為后續(xù)正常掘進提供掘進參數(shù)依據(jù)。

盾構(gòu)穿越管線及通勤道路。盾構(gòu)始發(fā)完成在掘進至第8環(huán)即需穿越規(guī)劃在建道路，掘進至79環(huán)～103環(huán)時需穿越國道，330國道為主干道路，車輛通勤量較大無法進行改道或封堵，且下方埋設有燃氣、電力、給水和通訊管線與隧道正交或斜交。為保證管線正常使用功能及道路正常通勤不受影響，因此應做好土體變形控制使盾構(gòu)在各項參數(shù)穩(wěn)定的情況下一次性通過，以此來減少推進過程中對土層的影響。

3.1 推進速度的控制

盾構(gòu)穿越管線過程中，如若速推進度過快，則可能導致刀盤切削土體體積與干方量不平衡，造成盾構(gòu)前方地面隆起，或者管片脫出盾尾后同步注漿漿液未凝固，造成管片上浮，以及盾尾密封油脂注入速度過慢、壓力不足，導致盾尾涌水、涌砂造成地面沉降，且推進過程中應保證盾構(gòu)機連續(xù)推進，盾構(gòu)停機則可能導致盾構(gòu)后退、機體下沉而造成刀盤前方土體失穩(wěn)沉降和機體上方土體沉降。

3.2 同步注漿

由于盾構(gòu)外徑大于管片直徑，管片與土體間會隨著盾構(gòu)推進產(chǎn)生建筑空隙，通過盾構(gòu)掘進施工引起的地表沉降分析與研究表明及時填充這些空隙[1]，可減少施工對地面影響，故采用同步注漿法對建筑空隙進行及時注漿填充，保證實際注漿量為理論建筑間隙的120%～140%之間，并對注漿點進行壓力、注漿量雙參數(shù)控制以保證填充效果。

同步注漿漿液通過對砂、石灰、粉煤灰、膨潤土外加劑等材料按照一定的比例進行配比可使其具有以下特點：流動性好，以保證注漿材料能充分填充到盾尾間隙的每一個角落且可進行長距離壓送；保證填充后能在早期取得與土體相當或以上的強度；硬化后體積收縮量小、止水性好，由地下水造成的稀釋?。皇┕し奖闱覍Φ貙訜o污染。

注漿壓力差及上下注漿量差會對管片上浮產(chǎn)生影響，為了有效的控制盾構(gòu)成型隧道軸線與設計軸線位置的最大程度貼合，在注漿過程中對注漿壓力及注漿量采用雙控原則，即隧道上部注漿量及注漿壓力應略大于下部。

4 盾構(gòu)停機

由于盾構(gòu)臺車以及盾構(gòu)始發(fā)段結(jié)構(gòu)特點，盾構(gòu)始發(fā)后試掘進過程中需要對進行3號車架的行走機構(gòu)進行轉(zhuǎn)接，車架轉(zhuǎn)接需分為2次進行，前輪轉(zhuǎn)接在盾構(gòu)掘進至＋5環(huán)進行、后輪轉(zhuǎn)接在盾構(gòu)掘進至＋27環(huán)處進行。

4.1 盾構(gòu)停機措施

盾構(gòu)兩次車架轉(zhuǎn)接停機都需較長時間，其中第一次停機還需人工鑿除結(jié)構(gòu)底板上部弧形混凝土時間較長，因此應做好軟弱地層下停機保證措施。

（1）盾構(gòu)停機期間盾構(gòu)操作人員密切關(guān)注切口水壓變化，每隔1 h記錄一次中心液位；切口水壓低于設定值0.2 bar即對泥水倉內(nèi)進行補液，保證切口前方壓力平衡。

（2）根據(jù)地面及管線沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)采取補壓漿施工。若沉降達到警報值，將通過盾構(gòu)車架上自帶的注漿設備對沉降區(qū)域進行補壓漿。壓漿過程采取少量多次原則，壓漿過程與監(jiān)測施工配合進行，在確保沉降的同時保證管片的穩(wěn)定。

（3）盾構(gòu)長時間停頓有可能下沉。在此期間將通過自動測量系統(tǒng)對盾構(gòu)軸線進行實施監(jiān)控，若盾構(gòu)下沉超過1cm將通過盾體注漿孔對盾構(gòu)底部進行適量注漿。

（4）盾構(gòu)停機期間通過殼體注漿系統(tǒng)對盾構(gòu)殼體使用克泥效應急壓注，按殼體注漿孔點位均勻?qū)ΨQ壓注，較好地起到及時填充間隙和止水的效果。

4.2 停機過程中所遇問題

兩次車架轉(zhuǎn)接分別耗時14 d、10 d，盾構(gòu)長時間的停機造成了27環(huán)～33環(huán)處地面隆起報警、36環(huán)、39環(huán)處沉降報警。

4.2.1 原因分析

（1）地面隆起。27環(huán)在停機期間地面累計沉降達到23 mm，盾構(gòu)復推后在盾尾脫離27環(huán)處，擬通過增大注漿量使地層隆起以保證地層損失率；管片脫離盾尾后，由于管片壁后流塑態(tài)砂漿產(chǎn)生浮力致使管片上浮較大，導致地面隆起報警。

（2）地面沉降。盾構(gòu)機本體為錐形設計，盾尾與土體間存在30 mm的理論建筑空隙。在正常連續(xù)掘進過程中刀盤切削土體后，盾體背部的土體自重應力釋放，會表現(xiàn)為微沉趨勢，但隨著盾尾通過后的同步注漿填充，理論建筑空隙會被充填。

由于停機時間過長，盾構(gòu)機切口前方一定區(qū)域的土體在泥水的滲透下，自身的抗剪強度降低，盾構(gòu)切削擾動后土體沉降可能會較為明顯，因此位于盾體背部的36環(huán)、39環(huán)處沉降值偏大。

4.2.2 采取措施

（1）調(diào)整同步注漿量，控制注漿壓力。

（2）加密監(jiān)測27環(huán)～39環(huán)處的沉降變化情況。

（3）后續(xù)推進過程中控制隧道上浮。

5 沉降監(jiān)測

盾構(gòu)施工中地表沉降監(jiān)測是盾構(gòu)掘進過程中對地層影響的直觀反應，也是對盾構(gòu)推進速度、刀盤總壓力、氣泡倉壓力、同步注漿等參數(shù)設定是否滿足掘進要求以及掌子面穩(wěn)定的直觀體現(xiàn)。因此施工過程中應根據(jù)GB 50446－2017《盾構(gòu)法隧道施工及驗收規(guī)范》要求及施工現(xiàn)場具體情況布設監(jiān)測點。

5.1 軸線監(jiān)測點及斷面監(jiān)測點布設

始發(fā)段100環(huán)內(nèi)延盾構(gòu)軸線每3環(huán)設1個軸線測點；第9環(huán)、18環(huán)、27環(huán)、36環(huán)、45環(huán)、54環(huán)各布設1個監(jiān)測斷面。每條斷面均為8個測點，隧道軸線正上方1點，兩側(cè)各4點，并垂直隧道軸線兩側(cè)對稱分布，點距離分別為3 m、4 m、4 m、10 m。

正常推進區(qū)域（非試驗段）6 m（3環(huán)）布置1點，同時在軸線走向上每30 m（15環(huán)）布置1條監(jiān)測斷面，在軸線左右兩側(cè)設點，斷面測點間距為距離軸線3 m、4 m、4 m、10 m。監(jiān)測點橫斷面布置情況，如圖7所示。

圖7 監(jiān)測斷面點位布置示意圖

5.2 道路及管線監(jiān)測點布設

5.2.1 通勤道路及施工廠區(qū)內(nèi)硬化路面監(jiān)測點布設

（1）地表沉降監(jiān)測在穿越敏感建（構(gòu)）筑物時可采用深層監(jiān)測點，布設時穿透路面結(jié)構(gòu)硬殼層，沉降標桿采用φ25 mm螺紋鋼標桿，螺紋鋼標桿深入原狀土60 cm以上，沉降標桿外側(cè)采用內(nèi)徑大于13 cm的金屬套管保護。保護套管內(nèi)的螺紋鋼標桿間隙用黃砂回填。為確保測量精度，螺紋鋼標桿頂部應在管蓋下20 cm。具體示意，如圖8所示。

圖8 深層監(jiān)測點布設示意圖

（2）當部分硬質(zhì)路面位置布設監(jiān)測點數(shù)據(jù)不能完整體現(xiàn)現(xiàn)場情況時，可采用超聲波探測儀輔助探測地下是否存在孔洞、下沉等現(xiàn)象。

5.2.2 普通管線及地下管線監(jiān)測點布設

沿線地下管線沉降監(jiān)測在線路軸線左右各30 m范圍內(nèi)的地下管線（雨水、給水、污水、電力、通訊、燃氣等）布設監(jiān)測點，對與軸線正交或斜交的管線每10 m布設1監(jiān)測點，與隧道縱向分布的管線每15 m布設1個監(jiān)測點，沉降點布設范圍沿施工區(qū)全長布設。

條件許可時，宜采用抱箍等形式設置直接監(jiān)測點，也可利用窨井、閥門、抽氣孔以及檢查井等管線設備作監(jiān)測點；無埋設直接監(jiān)測點的條件時，可采用埋設深層監(jiān)測點方法，根據(jù)管線的類型和材質(zhì)布點間隔為10 m～20 m。

（1）直接點。始發(fā)段的污水和燃氣管線檢查井均未封閉，可盡量采用直接點進行監(jiān)測（如圖9和圖10所示）。

圖9 直接點套筒式埋設法示意圖

圖10 直接點抱箍式埋設點示意圖

（2）模擬點。對于其余不宜布設直接點的，宜采用將路面打穿，根據(jù)管線的埋深深度，參照深層測點埋設的方法。測桿埋設至管線上方20 cm～30 cm，確保監(jiān)測點隨管線周邊的土體同步變形（如圖11所示）。

圖11 模擬點布設示意圖

6 經(jīng)驗與體會

（1）大直徑泥水氣壓平衡盾構(gòu)超淺覆土始發(fā)時，可通過對始發(fā)段拱頂、拱底土體加固以及堆載來有效防止地表冒漿、盾構(gòu)姿態(tài)難以控制等現(xiàn)象。

（2）大直徑泥水氣壓平衡盾構(gòu)始發(fā)時，為了提高管片拼裝的安全性、增大千斤頂頂力以及保證掌子面穩(wěn)定應及時建立泥水平衡。

（3）大直徑泥水氣壓平衡盾構(gòu)在穿越管線、構(gòu)（建）筑物時，應盡量保證盾構(gòu)各參數(shù)穩(wěn)定前提下一次性勻速通過。

（4）大直徑泥水氣壓平衡盾構(gòu)在軟弱地層中長時間停機時，應加強地表沉降監(jiān)測，當發(fā)生地層沉降時應及時通過注漿以減少地層損失率但應著重控制注漿量及注漿壓力。

盾構(gòu)始發(fā)及盾構(gòu)試掘進是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵所在，本工程盾構(gòu)始發(fā)及試掘進施工過程中雖遇到眾多困難，但通過事前、事中控制，并在事后對問題進行分析均得到了解決。本次盾構(gòu)的順利始發(fā)為后續(xù)大直徑泥水氣壓平衡盾構(gòu)在軟弱地層中超淺覆土始發(fā)關(guān)鍵技術(shù)控制奠定了基礎。