淤泥質(zhì)土層淺埋盾構(gòu)始發(fā)施工技術(shù)研究

宋之勇

（中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100043）

文章深入研究了某洲支線的施工項(xiàng)目中盾構(gòu)隧道位于淺埋的淤泥層的工況，剖析了盾構(gòu)隧道穿越淤泥層施工發(fā)掘過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，并提出了可行的解決措施，使其順利地穿過(guò)了被淤泥覆蓋的土層，并且在這一構(gòu)建區(qū)間內(nèi)的成型管片沒(méi)有出現(xiàn)大規(guī)模的超限情況。

1 項(xiàng)目概況

某洲支線的施工過(guò)程中的隧道部分包括豎井—蓮花站盾構(gòu)區(qū)間，左側(cè)線長(zhǎng)度約2640m，右線長(zhǎng)度約3257.361m；明挖口的隧道，左側(cè)起止線長(zhǎng)度約195.41m，右線長(zhǎng)度約195.41m；路基段，起止里程約185.41m；某中段橋，起止里程約93.2m。整條線路跨越了5個(gè)村鎮(zhèn)，隧道總長(zhǎng)度為4.047km，項(xiàng)目總投資高達(dá)8.65億元，合同工期48個(gè)月，從2018年12月26日至2022年12月26日。

1.1 施工流程

按照該盾構(gòu)的施工質(zhì)量和程序要求，先布置盾構(gòu)的加固和始發(fā)場(chǎng)地，接著按照盾構(gòu)掘進(jìn)的發(fā)展，清理盾構(gòu)的解體物質(zhì)，安排施工的通道。在施工的過(guò)程中，隧道使用兩臺(tái)平衡機(jī)對(duì)土質(zhì)進(jìn)行壓實(shí)，盾構(gòu)機(jī)自始發(fā)后，每次試著掘進(jìn)100m。

1.2 盾構(gòu)施工的地質(zhì)條件

在該盾構(gòu)區(qū)間隧道的施工過(guò)程中，掘進(jìn)土層的質(zhì)地分布狀態(tài)比較均勻，主要是淤泥層，且含水量較高，屬于軟土，具有流塑性；局部有黏土，呈粉質(zhì)狀態(tài)，具有可塑造性，屬于硬土，性質(zhì)較好。

1.3 區(qū)間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體方案

在該盾構(gòu)隧道施工區(qū)間內(nèi)，始發(fā)時(shí)所需要的管片和軌道等從明挖洞口吊裝進(jìn)入井內(nèi)，始發(fā)進(jìn)行掘進(jìn)后，拆除盾構(gòu)的管片和反壓力架等工具。為了保證盾構(gòu)的平穩(wěn)性，在兩邊分別設(shè)置了支撐；為了保持管片的狀態(tài)，在防翻支撐上設(shè)置了縱向工字鋼。

2 盾構(gòu)掘進(jìn)施工控制技術(shù)

盾構(gòu)施工過(guò)程中參數(shù)的控制是盾構(gòu)技術(shù)控制方案中的主要內(nèi)容。此次隧道施工過(guò)程中，對(duì)盾構(gòu)機(jī)器設(shè)備進(jìn)行推動(dòng)時(shí)，根據(jù)推動(dòng)力、刀盤(pán)施工轉(zhuǎn)速、出產(chǎn)土量、倉(cāng)管壓力、管片形狀控制等對(duì)盾構(gòu)隧道在淺埋淤泥質(zhì)土層的施工進(jìn)行了有效管理和控制，解決了施工過(guò)程中淺埋淤泥層隧道的沉降問(wèn)題，盾構(gòu)施工安全地穿過(guò)淺埋淤泥層，項(xiàng)目順利完成。以下對(duì)具體的控制方案進(jìn)行分析。

2.1 推動(dòng)力控制

分析盾構(gòu)機(jī)器設(shè)備的推力構(gòu)成，除了需要控制盾體在前進(jìn)過(guò)程中和地面間產(chǎn)生的摩擦力，還要考慮配備臺(tái)車(chē)的牽引力以及土體對(duì)施工面的壓力。土壓力大小關(guān)系推動(dòng)力的大小，土壓力大推動(dòng)力就相對(duì)較大，土壓力小推動(dòng)力也就相應(yīng)較小。整體而言，淺埋淤泥質(zhì)土層的推動(dòng)力偏小。在隧道中，區(qū)間推動(dòng)力的大小約為5000kN，由于推動(dòng)力過(guò)小不能形成有效的區(qū)間壓力，不利于盾構(gòu)姿態(tài)的調(diào)整，需要調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)時(shí)，必須在合適的位置放置千斤頂以抵抗壓力。例如，向右側(cè)糾偏時(shí)，可以適當(dāng)加大左施工面的區(qū)間壓力，同時(shí)減小其他方位的壓力值；也可以減少區(qū)間內(nèi)千斤頂?shù)臄?shù)量，進(jìn)而減小壓力，這樣可以在相同的程度上增加相應(yīng)區(qū)間的壓力差異值。需要注意的是，在每一塊管片的推進(jìn)過(guò)程中，至少需要一個(gè)千斤頂作為支撐，以確保在推進(jìn)過(guò)程中管片不會(huì)造成移動(dòng)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 刀盤(pán)控制

淺埋淤泥層盾構(gòu)施工過(guò)程中，采用的刀盤(pán)是轉(zhuǎn)速相對(duì)較低的刀片，其轉(zhuǎn)速約0.5r/min，以減少對(duì)整個(gè)隧道施工過(guò)程中的擾動(dòng)。正常施工中，則宜采用轉(zhuǎn)速略高的刀盤(pán)，這樣可以讓整個(gè)工程施工的貫入程度保持在一個(gè)較好的水平。

2.3 出渣控制

施工過(guò)程中，按照特定的公式計(jì)算出渣量和出土量，設(shè)定預(yù)期的出渣量數(shù)值。在盾構(gòu)始發(fā)過(guò)程中，還需要專(zhuān)業(yè)人員根據(jù)實(shí)際出渣情況進(jìn)行過(guò)程控制和工況調(diào)整。用施工渣斗車(chē)分區(qū)域進(jìn)行量化，從頂部順著渣土車(chē)向下數(shù)，按每10cm對(duì)應(yīng)的出渣情況進(jìn)行土量的準(zhǔn)確計(jì)量和計(jì)算。保證每個(gè)環(huán)節(jié)的出渣情況能夠得到準(zhǔn)確計(jì)算，并及時(shí)地做好計(jì)算記錄。同時(shí)，結(jié)合地表情況的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和結(jié)果反饋，判斷是否出現(xiàn)超方的情況。經(jīng)過(guò)隧道時(shí)，在施工過(guò)程中需要嚴(yán)格控制出渣和出土的情況，當(dāng)裝滿(mǎn)一斗的渣土?xí)r，需要按照盾構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，比對(duì)合適盾構(gòu)掘進(jìn)的工程量和里程，盡量避免在施工過(guò)程中出現(xiàn)超方掘進(jìn)的情況，進(jìn)而保障隧道施工的安全。

2.4 土壓控制

土壓的理論計(jì)算值采用朗金土質(zhì)壓力理論。為了保證土體壓力在適當(dāng)?shù)乃剑樌剡M(jìn)行盾構(gòu)施工，在實(shí)際控制土體壓力時(shí)，需要在理論值基礎(chǔ)上，增加大約0.02MPa的壓力值作為土倉(cāng)的壓力初始值。在推進(jìn)盾構(gòu)的施工過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)地表監(jiān)測(cè)情況和刀盤(pán)推進(jìn)引起的地表沉降和變形情況，及時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和控制，并將實(shí)時(shí)情況通知盾構(gòu)機(jī)器設(shè)備操作人員，使操作人員通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)情況和地表沉降現(xiàn)象的分析，更加合理地控制盾構(gòu)機(jī)器設(shè)備，調(diào)整掘進(jìn)的速度和力度，控制出土的速度和體積量，以確保土體壓力在可控范圍。

2.5 盾構(gòu)機(jī)施工狀態(tài)控制

在區(qū)間內(nèi)，隧道中存在著富水的淺埋淤泥質(zhì)土層，容易導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)的盾尾、管片設(shè)備以及管片上浮。在推進(jìn)的過(guò)程中需要將盾構(gòu)機(jī)的狀態(tài)控制在預(yù)先設(shè)計(jì)的軸線水平之下，采取較低位置的施工模式推進(jìn)施工。通過(guò)控制管片的施工方式，結(jié)合管片的狀態(tài)形式，適當(dāng)?shù)乜刂坪驼{(diào)整盾構(gòu)機(jī)的施工狀態(tài)。在富水層，已經(jīng)成型的管片如果脫出盾構(gòu)機(jī)的尾部，會(huì)受到浮力的影響造成上浮。在施工過(guò)程中需要考慮以下問(wèn)題：第一，調(diào)整漿液的初凝時(shí)間，控制管片上浮的時(shí)間。第二，增加上面部位的注漿量，縮小管片上浮的空間，以減少上浮量。管片在拼裝過(guò)程中在下部存在適當(dāng)?shù)某傲?，使盾?gòu)機(jī)在推進(jìn)過(guò)程中油缸和管片之間存在向下的分力，可以抵消一部分管片上浮的力。需要注意的是，管片的超前控制量不能太大，太大有可能會(huì)損壞管片。第三，在管片拼裝過(guò)程中，可以結(jié)合具體情況降低3mm左右的水平標(biāo)高，以此為管片的上浮提供一定的空間，減少頂部管片在上浮過(guò)程中可能存在的破損。第四，在進(jìn)行二次注漿時(shí)，要及時(shí)跟進(jìn)控制，分析測(cè)量結(jié)果。上浮量較大時(shí)，需對(duì)該管片的頂部進(jìn)行加壓注漿，在底部開(kāi)孔，釋放適當(dāng)?shù)膲毫?，如有必要，?duì)管片進(jìn)行更換和調(diào)整。

2.6 隧道內(nèi)注漿控制

在隧道盾構(gòu)施工過(guò)程中，隨著掘進(jìn)不斷推進(jìn)，盾構(gòu)機(jī)的挖掘直徑逐漸大于管片的直徑，在土壤結(jié)構(gòu)和管片之間會(huì)形成空隙。為了填補(bǔ)這些空隙，盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)中需要保證適當(dāng)?shù)膲毫?，持續(xù)不斷地從盾尾部向后注漿。在該項(xiàng)目中，始發(fā)土層為淺埋淤泥質(zhì)土，地基的自穩(wěn)定性較差，在外力的作用下容易因攪動(dòng)干擾造成強(qiáng)度降低，這給盾構(gòu)施工保持土體壓力造成了很大的困難。若前期出現(xiàn)沉降現(xiàn)象，則盾構(gòu)推進(jìn)后沉降將得不到及時(shí)的收斂，會(huì)阻礙施工進(jìn)程；如不能及時(shí)地進(jìn)行注漿加固，可能造成盾構(gòu)在隧道中管片上浮等施工問(wèn)題。用注漿的方式填充管片周邊填充的目的主要包括以下三個(gè)方面：第一，防止地表變形，減少地表沉降；第二，防止管片在隧道施工中的變形和位移，提高工程的穩(wěn)定性水平；第三，為隧道工程加設(shè)一道防水層，有效改善隧道后期的抗?jié)B性能。

2.7 盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過(guò)程中引起的沉降控制

在盾構(gòu)施工時(shí)會(huì)對(duì)土體造成擾動(dòng)，引起土層損失以及周邊結(jié)構(gòu)受到重塑和剪切的土質(zhì)再次固定，這是施工過(guò)程中出現(xiàn)沉降的原因之一。在淺埋淤泥層中，利用盾構(gòu)的原理進(jìn)行隧道施工，盾構(gòu)機(jī)在通過(guò)時(shí)會(huì)引起地表的下沉。而且盾尾脫離之后，這一現(xiàn)象會(huì)加速，形成沉降地帶，下沉速度隨著時(shí)間的推進(jìn)而減慢。與此同時(shí)，沉降狀況還會(huì)受到盾構(gòu)施工經(jīng)過(guò)的土層地質(zhì)情況以及施工工程量和地表負(fù)荷能力的影響，因而存在很大的差異性。

2.8 同步注漿控制

為了及時(shí)填充土體形成的空隙，防止再次沉降，采用尾部單注漿的方式，即盾構(gòu)機(jī)在推進(jìn)時(shí)始終向后注漿，停止后不再注漿。該方式能夠填補(bǔ)土層破壞形成的空隙，有效地進(jìn)行填補(bǔ)注漿，充實(shí)隧道的空腔，緊實(shí)淺埋的淤泥層土體。

3 效果及總結(jié)

在目前的施工進(jìn)度中，盾構(gòu)區(qū)間呈現(xiàn)出較好的施工效果。在整個(gè)施工過(guò)程中，節(jié)約了項(xiàng)目加固的費(fèi)用，增加了項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)對(duì)周邊的建筑物和土體保護(hù)起到了很好的作用，順利克服了隧道淤泥質(zhì)地層的施工風(fēng)險(xiǎn)，并且有效地控制了全隧道的沉降問(wèn)題。