富水砂性软弱土层盾构小曲线半径下穿公路隧道微扰动施工技术张学桥

富水砂性软弱土层盾构小曲线半径下穿公路隧道微扰动施工技术张学桥

张学桥

中铁十七局集团上海轨道交通工程有限公司上海200135

摘要：本文通过盾构在软弱土层中下穿市政公路隧道的影响范围及沉降模拟分析的基础上，结合无锡地铁盾构区间近距离穿越太湖大道隧道施工的实际工程实例，针对盾构在富水砂性软弱土层中施工时对地层扰动大、穿越风险高、变形明显等特点，探索出适合的在无锡地区盾构小曲线半径下穿公路隧道的施工关键技术，并确定了盾构施工相关的各项技术参数，为类似工程提供参考及借鉴意义。

关键词：三维模型；软弱土层；沉降控制；施工参数；同步注浆；监控量测

无锡地区地貌为冲湖积平原，地势平坦，水系发育，地层主要为第四系(Q)全新统至中更新统下段沉积地层，地下车站区间施工空间内主要分布③2粉质粘土、④1粉质粘土、④2粉砂夹粉土层及⑤1粉质粘土层等软土地层；软土具有天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低、土层层状分布复杂、各层间物理力学性质差异较大等特点。

盾构法修建地铁隧道，因安全性高、施工速度快、成本低等优点，在城市地铁工程中广泛使用；但是盾构穿越软土地层，由于周边环境、岩土的复杂性和施工质量的不确定，不可避免地引起地层移动而形成不同程度的沉降，当沉降达到一定程度，就会影响周围地面建（构）筑物的使用，这在富水软弱的土层中表现非常明显[1]。因此区间隧道在穿越建（构）筑物期间对沉降控制提出很高的要求，盾构机掘进过程中姿态的控制、浆液的选择、刀盘扭矩及推力的控制等需严格的控制，才能确保影响范围内建（构）筑物的安全。

1工程概况

无锡市地铁3号线永乐东路站～金海里站区间处于无锡市滨湖区永乐东路至宏源路，线路总体为南北走向，区间长839.249m（左），区间里程为ZKD27+394.26～ZDK28+247.02（左线）。沿线下穿、侧穿东风苑住宅小区、金海里新村等10栋建（构）筑物。区间线间距为11.0m~12.0m，最大坡度25‰，轨面埋深约为16.1m～23.2m，最小半径R=400m；管片内径5.5m，管片厚0.35m，环宽1.2m，错缝拼装；盾构机为铁建重工的土压平衡盾构机ZTE6410（铰接式），开口率41%，开挖直径6440mm。

永～金区间盾构以小半径曲线R=400m在左线里程ZDK27+728.59~ZDK27+756.11和右线里程YDK27+740.96~YDK27+768.44下穿太湖大道隧道，下穿长度约27.5m，太湖大道隧道西起金匮大桥，东至广南立交，呈东西走向，主线全长4045m，采用4车道和6车道两种断面形式，该隧道于2010年5月开工建设，2011年5月竣工通车；太湖大道隧道的建成，缓解了城市中心区东西向交通与南北向交通的转换压力，交通车辆繁多，与南北向通车的长江北路交叉口处为下穿的矩形钢筋混凝土框架式隧道，为无锡市主城区主干道。

图1永乐东路站～金海里站区间总平面示意图

2工程地质及水文地质情况

2.1工程地质情况

区间地质纵剖面详见图2。

图2区间地质纵剖面图

2.2水文地质情况

地下水为松散岩类孔隙水，包括潜水(二）、微承压水(三)1和第Ⅰ承压水(三)2。

潜水(二）赋存于①1杂填土，隔水底板为③1-1粘土、③1粘土、③2粉质粘土。主要接受大气降水的补给及地表水、自来水的渗漏补给。

微承压水(三)1含水层赋存于④1粘质粉土、④2粉砂夹粉土层中，其隔水顶板一般为③1粘土、③2粉质粘土，隔水底板为⑤1粉质粘土、⑥1粘土、⑥2粉质粘土，主要补给来源为潜水和地表水。

第Ⅰ承压水(三)2主要赋存于深部的砂性土⑥3粘质粉土、⑦2粘质粉土层中，赋水性中等，具有相对较好的封闭条件。

3区间与太湖大道隧道关系及沉降模拟分析

3.1区间与太湖大道隧道关系

本段区间下穿部位为太湖大道下穿长江北路的隧道，地面为长江北路，隧道为双向6车道段；太湖大道底板厚1000mm，区间顶距隧道底板底5.22～5.56m，底板下有Ф1000mm长12m钢筋混凝土灌注桩基础，区间自桩中间穿越（穿越桩区间间距12.3m)，区间距离工程桩最小距离为2.22m。

太湖大道隧道与盾构隧道关系见下图3。

图3区间与太湖大道隧道平面及纵剖面

3.2下穿过程影响范围计算及沉降模拟分析

（1）下穿建（构）筑物影响范围

采用经验公式及数值模拟方法对盾构区间影响范围内的每栋建筑物进行盾构施工影响分析，盾构掘进过程土层变形示意详见图4。根据区间盾构横向影响范围分析，借鉴周边城市盾构施工经验，采用沉降槽预测常用的Peck公式进行了分析，施工地表沉降横向影响为隧道中心线两侧左右各20m范围[2]。根据纵向影响范围分析，盾构下穿过程中沉降主要集中在盾构掌子面通过后10环之内，产生的变形是总变形量的70%左右，在盾构通过30环之后仍产生一定的残余沉降，盾构施工地表沉降纵向影响范围为建筑物本身范围加上前20环及后10环范围。

（2）沉降变形分析

利用有限元分析软件FLAC3D软件建立了三维数值分析模型，先进行区间左线施工，然后再进行右线施工[2]。

①计算参数

地层计算参数如表1，盾构隧道管片按照C50混凝土赋值，太湖大道隧道结构按照C35混凝土赋值。

图4盾构掘进过程土层变形示意图

表1地层计算参数表

②计算结果

根据模拟软件计算，双线隧道开挖完成后地层沉降模拟见图6、图7，盾构隧道施工完成后上部太湖大道隧道沉降云图见图8、图9。

图6盾构隧道施工完成后地层沉降云图图7盾构隧道施工完成后管片变形云图

根据模拟计算结果表明：

a、图6显示隧道开挖过程中地层沉降主要集中在隧道两侧±45°方向，地层隆起主要集中在±135°方向。由于隧道右线首先开挖，隧道上方地层沉降略大于隧道左线。

b、图6显示盾构管片变形主要出现在衬砌两侧±45°方向且在隧道中间部分即与太湖大道隧道相交部分盾构隧道变形略大于隧道两边，这是由于太湖大道隧道桩基与盾构隧道交互作用引起。同时，盾构隧道右线管片变形略大于左线。盾构管片变形模拟计算最大值达19.8mm。

c、图8、9显示盾构隧道施工完成后，太湖大道隧道沉降最大值为8.18mm，且沿盾构隧道掘进方向太湖大道隧道沉降逐渐减小，这是盾构隧道掘进过程中的滞后沉降引起。

4盾构区间施工关键技术

4.1穿越段盾构施工关键参数

通过在以往经验及试验段总结数据，设定盾构下穿过程的施工参数，见表2。

图9盾构隧道施工完成后框架结构位移云图图8盾构隧道施工完成后框架结构位移云图

表2盾构穿越太湖大道隧道施工参数

4.2同步注浆施工及关键技术

试验段同步注浆采用“准厚浆”，推进段注浆压力控制在0.3～0.5MPa范围内，注浆量控制在5.5～6m3/环，浆液配比及性能见表3。

表3同步注浆浆液配比及性能表

（1）按盾构掘进速度每分钟25mm，每环同步注浆量5.5立方米计算，则每分钟控制注浆流量为75升/每分钟。

（2）使用准厚浆时，在一环管片盾构推进到1150mm时注完，最后推进的50mm不注浆，通过浆液的压力作用补充间隙，既能有效填充间隙，减少地面沉降，又可以最大程度的避免堵管、漏浆现象产生。

（3）由于注浆的上下孔位处的土层压力不平衡，易造成注浆孔堵管，另因小曲线盾构姿态的调整，盾构掘进后产生的间隙四周不均衡，因此分两孔为一组进行轮换注浆，推进100mm后，再换孔注浆。

（4）为有效防止地面沉降，对盾构姿态向下调整时，对上方两孔（1号孔和4号孔）进行增加注浆；对盾构姿态向上调整时，对下方两孔（2号孔和3号孔）进行增加注浆；同理对盾构右转弯或左拐弯时，对左右两孔分别进行增加注浆。

4.3二次注浆施工及关键技术

管片脱出盾尾的第3环起，通过管片中部的注浆孔进行隔环二次双液浆补注浆，每次注浆量初定为2.4m3，注浆压力控制为0.4MPa，凝胶时间为30s～60s，具体参数见表4。

表4双液浆浆液配比表

（1）二次注浆在管片脱出盾尾第三环开始施注，既能保证最及时的填充地层间隙，又可防止二次注浆浆液向前反窜盾尾刷，造成盾尾刷损坏、盾尾漏浆。

（2）考虑到每环注浆孔较少，对一环管片的注浆孔由下向上进行二次补注浆，注浆顺序可为左下-右下-左上-右上。

（3）二次注浆注入同步浆液固结体的外侧，深入管片后100~150mm。

（4）二次注浆之后，依据地表监测情况，对地表还有较大变化的点位对应的隧道位置进行三次或多次补注浆，稳定地层。

4.3小曲线半径盾构姿态关键技术

盾构穿越太湖大道隧道时，根据地质变化、隧道埋深、设计坡度、转弯半径、轴线偏差情况、刀盘扭矩、千斤顶推力等情况，加密监测频率，并增设现场地面跟踪监测，根据地面沉降变形监测数据下达操作指令，并及时进行调整。小曲线半径盾构掘进时关键技术控制如下几点：

（1）盾构穿越时控制盾构姿态与设计轴线向曲线内侧预偏20～40mm，严格控制管片与盾尾的四周间隙；掘进过程以“小纠偏，勤纠偏”为原则，及时纠正减少过大纠偏。

（2）穿越时严控切口平衡土压力，盾构切口处的地层呈微小的隆起量（1mm以内）来抵消背土时的地层沉降量[5]；掘进过程减小过量欠挖、超挖，尽量减少平衡压力的波动（波动值≤0.02MPa）[6]。

（3）调整盾构千斤顶组合，相对区域千斤顶的伸出长度差小于20mm，油压差＜5MPa，防止纠偏量过大；每次纠偏量2～3mm/m，防止盾构推力对前方土体产生偏向挤压和不均匀的扰动。

（4）严控盾尾与管片间隙，如单边间隙偏小，立即通过推进方向调整，使周围间隙均匀；当无法通过推进和拼装来调整盾尾间隙，可采用直线型管片和楔型管片互换来调整[7-9]。

（5）姿态良好时，预计轴线前进时可能造成的偏差量，对盾构姿态采取预纠偏，使盾构机身与设计线路夹角控制在0.3%以内，提前贴片量采用1～2mm的贴片。

（6）在小半径曲线状态推进过程中，增加区间测量频率，通过换手复测和多次测量的手段确保正确性；间隔20～30环调整或安装测量吊篮，每隔5环导线点复测一次；盾构机的自动测量系统，至少每2～3min自动测量一次姿态。

4.4地面变形监测结果

将隧道宽度及前方12m以及后方36m定义为Ⅰ区（重点控制），其它区域为Ⅱ区（次重点），Ⅰ区监测频率为3次/d，Ⅱ区监测频率为2次/d；穿越段共设有3个与隧道轴线方向垂直的监测面，每个断面10个监测点，通过监测约54天的时间绘制沉降变形曲线，本文列举了左线区间中间一个断面的变形曲线，详见图10。

（1）从图中可以看出，盾构开始下穿隧道时，地表沉降变化较大且非常迅速，后期慢慢趋于稳定；（2）随着盾构的掘进施工及参数的调整，地表沉降出现差异，局部出现了地表隆起现象，这跟注浆压力大小存在很大关系；（3）盾构掘进和同步注浆阶段，地面沉降未趋于稳定，二次注浆和后期补注浆过程，地面才趋于稳定；二次注浆的开始和结束时间要充分结合地面监测地面监测变形结果；（4）从实际监测数据来看，地表沉降规律也基本符合用软件计算影响范围变化规律；（5）从最终沉降曲线可以看出，地表沉降趋于稳定，最大沉降量小于4mm，掘进过程中采取的施工关键技术适合在富水软土地层中，对类似工程有很大的指导意义。

图10左线盾构穿越阶段地表沉降曲线

5总结和建议

砂土地层盾构穿越已有建构筑物时采用“先试验、多注浆、慢速度、勤测量、少纠偏、二次补”的动态控制理念进行沉降控制，将主动（试验段摸索施工参数）控制措施和被动控制（通过监测数据动态调整施工参数，控制地表沉降）措施相结合，不仅有效的控制穿越过程中建构筑物的沉降，也可以控制隧道后期的沉降变形。

通过应用多次注浆控制隧道变形技术、控制土压及速度的盾构掘进技术，在盾构穿越隧道前设置试验段，研究富水砂性土层盾构穿越建构筑物微扰动施工技术；施工过程可操作性强，后期沉降变形小，为富水砂性软土地层中盾构下穿建构筑物的施工提供指导和借鉴。

参考文献

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[3]刘金山.饱水粉砂地层盾构穿越既有建筑群施工技术探讨[J].铁道建筑技术.2014，（10）:53-54.

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[6]陈强.小半径曲线地铁隧道盾构施工技术[J].隧道建设.2009，29（4）：449-450.

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[8]王岚.小转弯半径隧道盾构施工技术探讨[J].河南建材.2012，（1）：169.

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作者简介

张学桥，1979年，汉，籍贯:皖•肖，当前职务：总工程师，学历：本科，研究方向：主要从事城市轨道交通等施工建设工作。