软土地区大直径盾构超浅覆土施工技术

软土地区大直径盾构超浅覆土施工技术

宋灵筠

身份证号码：3101121988****2153

摘要：龙水南路越江隧道分别采用一台Φ14.45m土压平衡盾构掘进过江段及另一台Φ11.66m土压平衡盾构施工南北两条匝道段，本文主要对其中一条隧道在超浅覆土施工过程中，通过施工各个阶段时期的地面沉降监测数据分析，从而对地面压重措施效果进行对比，确保地面沉降得到有效控制，对在软土地质大直径盾构在超浅覆土施工掘进提供一定的借鉴作用。

关键字：盾构机；超浅覆土；软土；推进；沉降

0. 工程概况

龙水南路越江隧道新建工程西起徐汇区的龙水南路喜泰北路交叉口，工程分南、北两线，北线至浦东新区海阳西路耀龙路交叉口，全长1781m，由西向东分别由160m浦西敞开段+1481m暗埋（及盾构）段+140m浦东敞开段组成；南线至浦东新区高青西路耀龙路交叉口，全长2331m，由西向东分别由155m浦西敞开段+2036m暗埋（及盾构）段+140m浦东敞开段组成。隧道共设4座工作井，分别为浦东1号工作井、浦东2号接收井及浦东3号接收井，浦西4号接收井，在浦东1号工作井西端头井，采用Φ14.45m单管双层盾构越江，在浦东1号工作井东端头井，转两个Φ11.66m盾构，南线接高青西路，北线接海阳西路。

图1  龙水南路越江隧道平面图

1. 工程背景

龙水南路越江隧道新建工程盾构施工分为三个区间，分别为主线过江段，推进距离为822.8m，南、北线分别为南线481.5m以及北线匝道296.4m，其中南、北线采用一台Φ11.66m土压平衡盾构机先行进行南线施工，完成后盾构短驳回始发井再次安装后进行北线施工。

盾构机长期处于浅覆土施工掘进，进洞施工阶段为超浅覆土施工，期间存在地面极易产生隆起的情况，对周边环境及建筑物造成影响；其次每环衬砌管片重量小于土方出土量，成型后的隧道内部在未完成内部结构后的情况，受到水土压力作用容易产生隧道上浮情况，影响隧道稳定；

为保证施工超浅覆土进洞安全，及控制地面沉降，采取了对施工范围内顶部覆土不同深度进行了半堂及满堂的土体加固，并结合地面采取压重措施，增加隧道上方的压重，结合推进参数的控制，起到控制掘进时的地面沉降。

2. 超浅覆土段地面压重措施

2.1、施工环境

为了分析超浅覆土掘进及不同配套措施对隧道地面隆沉的影响，特选取了281环、287环、298环、312环的4个点的隆沉数据进行分析。4个点管片顶覆土分别为4.75m、4.5m、4.1m，3.36米，分析时视为相同的超浅覆土深度。其中281环隧道周边无满堂加固措施，287环采用上半圆满堂加固，298环采用上半圆满堂加固且地面压重40t/m，312环采用全断面满堂加固且地面压重40t/m；其中半圆满堂加固为36米，全断面加固为15米；

图2  4种工况顶部覆土深度

工况1：281环隧道周边无满堂加固措施；

工况2：287环采用上半圆满堂加固（见图2）；

工况3：298环采用上半圆满堂加固且地面压重40t/m；，

工况4：312环采用满堂加固且地面压重40t/m（见图3）。

图3 半圆满堂加固

图3 地面压重情况

2.2 超浅覆土地面沉降监测

（1）监测点布置

本工程地面沉降监测点布置沿着隧道轴线布置，每5m布置一个点，其中断面布置沿隧道轴线每5~25米布置一个断面（0.4D超浅覆土段（埋深约4.5m），距接收井约110m也就是74环范围内的地表沉降断面均加密至5m/断面（见图4），其中实际监测过程中存在去除部分点位被遮挡的影响，根据实际情况每种工况下，由于281环、287环、298环及312环整个阶段都没有遮挡，且每次取值都有效值，因此针对这4环的不同施工阶段进行数据分析环做研究。

图4 监测布点图

（2）地面沉降监测

采集过程中，4个观测点从盾构刀盘经过前3天监测至隧道内压重浇筑完成20d的地面隆沉数据，通过对比4个观测点的地面隆沉发展曲线以及各项配套措施完成后的地面隆沉发展趋势，明确盾构超浅覆土推进本身以及对地面隆沉的影响周期及程度，同时通过对比分析明确内部结构压重、壳体注浆等配套措施的成效。

每个观测点地面隆沉监测的主要工况如下：

（1）刀盘切削至观测点正下方

（2）观测点正下方管片施工成环，盾尾脱出

（3）隧道内壳体注浆

（4）隧道内底部压重混凝土浇筑完成

（5）隧道内部结构施工完成

（6）隧道结构沉降稳定

其中工况（5）、（6）待盾构拆除完成后再进行持续观测，本次不列入对比分析工况。

2.3 同步注浆与壳体注浆

（1）同步注浆

盾构机外径大于管片外径，在推进过程中，随着管片脱出盾尾需要及时填充管片外径与盾尾之间的间隙，保证地面沉降的控制，通过计算理论间隙为9.09m³，正常推进时考虑实际考虑为120%-140%，也就是10.91~12.73m³，但是考虑超浅覆土施工，顶部覆土基本处于0.4D的范围内，也就是在4.5m范围内，过大的浆液填充容易对地面隆起，因此在超浅覆土段的实际注浆量比正常覆土来说应该适当减少同步注浆量，来控制地面沉降；

以160-165环为例，此时顶部覆土为13.42-12.95m，实际注浆量为12m³左右（见图5），根据后期地面沉降监测来看，地面沉降控制在-5.4~-5.5mm之间

图5  160-165环注浆量

到超浅覆土段施工时，以285-290环为例，此时顶部覆土为4.81-4.56m，实际注浆量为9m³左右（见图6），根据后期地面沉降监测来看，地面沉降控制在5.69~18.88mm之间。由于进入超浅覆土阶段，因此在较少注浆量同时还是出现了1cm地面隆起情况。

图6  285-290环注浆量

（2）壳体注浆

由于盾构机尺寸为刀盘最大，壳体部分次之，到了盾尾最小，因此在刀盘进行切削土体后，壳体在穿过开挖面时，难免与土体之间产生间隙，又是处于超浅覆土阶段，顶部覆土的减少对于地面的沉降更为敏感，因此这部分间隙应当及时进行填充，盾构机设置3×12分为前中后三道，径向加注孔（见图7），壳体理论间隙为1.0m³；为此本工程采用新型果冻浆主要是以膨润土和水按一定比例拌和制备成膨润土浆液，然后再掺入特定的聚合物添加剂，继续搅拌、发酵制成。在减少对壳体与土体之间的摩擦阻力的同时及时进行填充，有效减少壳体上方地面沉降。

图7壳体注浆孔设置

以287环为例，注浆量为0.6m³，根据整个断面的监测点分析出在切口影响区域内的前4次监测数据至进入盾尾拼装前整个断面地面基本保持10mm左右的隆起量（见图8），说明在壳体注浆对于地面的隆起能够起到一个不错的效果；

图8 壳体注浆监测数据

（3）管片稳定装置

结合本工程的施工特点及难点，克服超浅覆土对隧道的上浮及变形的影响，盾构机设计出一套管片稳定装置（见图9），采用液压油缸，最高工作压力可达25Mpa，整个装置对拼装完成后的衬砌管片，在盾尾内进行支撑作用，保持管片的整圆度，并能够保持在稳定支撑作用下脱出盾尾，此装置可对拼装后的第1环后，连续5环衬砌管片进行支撑，从而达到对管片保护，防止错台的产生，从而减少渗漏的风险。

图9 管片稳定装置

从隧道拼装完成对管片变形的情况可以发现，4种工况中，工况1的变形最大为15mm，工况3和4都是5mm，工况3为10mm，可以看出稳定装置在加固体内的有效成果更加明显，从整个加固区间内数据可以看出，在全断面加固体内基本控制在10mm以内，而半堂加固体内在15mm以内；

2.4隧道内底部填充效果

为达到隧道内抗浮措施引起的地面沉降，除盾构机本身的自重及待拼装管片对于隧道内的压重以外，还可以进行隧道内底部进行混凝土的填充（见图10）；在超浅覆土阶段，若覆土的较少引起管片自重不足以支撑地层的合力，就会出现地面隆起的情况出现，因此隧道内底部及时进行混凝土填充可以有效加载隧道的压重，从而降低地面的沉降；

图10 断面填充示意图

以工况1-3为例，分别以281、287、298环为当前环管片脱出盾尾为起点，到混凝土填充完成期间间隔分别为4天、5天、9天左右，以出盾尾为起点后开始计算，而工况4未进行填充完成，靠盾构机自身压重进行堆载，根据监测监测情况图（见图11-14）

图11-14 底部填充后累计变化曲线

从脱出盾尾的监测数据情况看，前3者工况在脱出盾尾后地面出现20mm的沉降，完成底部填充完成后，工况3会出现隆起，在浇筑完成15天后沉降数据基本可以恢复到与脱出盾尾后一样，而从工况4脱出盾尾后就出现隆起15mm情况，在尚未进行底部回填，依靠地面压载保持隆起值的恒定；从有地面压重的298环和无地面压重的281环上可以看出，完成隧道内的回筑填充后，会使得地面沉降有原来的降变为隆起，而进入全断面加固和地面压重的的312环，在出盾尾后18天内的数据，在未进行回填前已经能够在隆起15mm后保持住不在上抬的趋势。

2.5地面隆沉监测结果分析

从整个4个工况的前后不同的阶段数据变化可以看出，在盾构切口影响区域进入前，基本保持5mm的范围内，而最后全断面加固区内出现下沉的趋势，隆起最大的峰值基本出现在脱出盾尾后的情况，随后逐步开始趋于下沉，而在整个加固区内地面隆起情况，从脱出盾尾后的隆起绝对值，好于其他3个情况，而在隧道的底部填充完成后地面也有下沉的缓慢趋势；（见图15-18）

图15-18 地面隆沉累计变化曲线

3. 实施效果分析

3.1压重效果分析

4个不同工况结合地面压重措施来看；

1）存在地面压重的工况3和4的地面隆起要明显小于未进行压重的工况1和2；综合情况看出全断面加固段配合地面压重的工况时地面隆起最小的情况，优于其他3种情况；

2）从隧道内完成混凝土填充后的情况，在有地面压重段的工况也起到一定效果，从回填的速度可以对地面的隆起速度起到一定的减缓作用，内部的及时混凝土回填以及混凝土的强度增长可以减缓地面隆起；达到一个抑制和压重的效果；

3.2地面监测数据分析

1）在超浅覆土段，工况1和2在没有地面压重措施的情况下，即使在有半圆满堂加固的措施下，仍会出现脱出盾尾后即刻隆起的情况，峰值也就出现在随后的两次监测数据内；

2）而工况3在半圆满堂加固加上地面压重的情况下，后期隆起的情况明显优于前两种工况，出现隆起数据的峰值的情况出现在浇筑完成后的两次监测内，有5mm-10mm隆起；

3）而工况4的全断面加固加上地面压重在未完成隧道内压重浇筑的情况下已经呈现隆起的趋势，峰值绝对值甚至优于前3中工况，当然不排除盾构机整体还在隧道内也存在一定的压重效果；

4）超浅覆土段适当减少同步注浆量可以有效减低地面的隆起情况，壳体注浆及时填充也可以减缓整个断面切口至盾尾施工期间的均匀沉降；

总体上在有地面压重的后两种工况地面隆起绝对值明显优于前面2种工况，在后期回落后的数据上，基本控制在20mm以内，且后期仍将在呈现出缓慢的沉降趋势。

4、结语

大直径盾构在软土地质中心城区进行超浅覆土施工，在对隧道上半圆采取土体加固，以及整个断面的加固，并在地面进行一个压重，隧道内及时进行结构混凝土回填，对于地面监测隆沉数据有具体的区分，对于36米区域的上半圆土体加固后的数据加上地面40t/m的地面压重后，地面隆起的数据可以得到有效的改善。

后15米的全断面加固区域相比前面36米区域，在脱出盾尾后的隆起峰值数据及后期沉降回落趋势情况更为缓和。

本文仅对超浅覆土段的地面压重措施效果进行分析，考虑的因素还不全面，且隧道内结构施工尚未全部完成，后期还将对地面压重消除后，以及隧道内部结构完成后的监测数进行跟踪，与监测初始值做进一步比较，为后续超浅覆土隧道施工提供更加优化的措施。

参考文献

1. 龙水南路越江隧道圆隧道地质勘探资料及设计蓝图等；

2. 《盾构法隧道始发和接收施工规程》 上海隧道工程有限公司企业技术标准

Q/SD01 006-2022；

3. 《盾构法隧道施工及验收规范》 GB50446-2017；
4. 软土地区零覆土大尺度无工作井盾构隧道关键技术研究18DZ1205100；

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