程杰1 王胜新2
1.中铁二十五局集团第五工程有限公司 山东省青岛市 266000
2.中铁二十五局集团第五工程有限公司 山东省青岛市 266000
摘要： 结合长沙地铁一号线黄土岭站～涂家冲站区间盾构处于全断面砂卵石地层浅覆土掘进施工，详细介绍盾构全断面砂卵石地层浅覆土渣土改良、掘进参数、同步注浆参数和二次钢花管补充注浆等关键技术，并辅以科学监测，实现成功下穿。
关键词：浅覆土 全断面砂卵石 渣土改良 钢花管补充注浆
随着城市轨道交通建设的迅猛发展，盾构法隧道施工经常在复杂地层条件下，近距离下穿城市主干道，对地层沉降和位移控制的要求严格。尤其在粉砂层、砂卵石层以及含水地层等复杂条件下盾构施工易产生地面坍塌、地面沉降量过大等灾害，对周边建筑物、地下构筑物及管线安全构成很大威胁。
影响盾构施工的因素很多，如地质条件、地下水情况、具体工程要求、场地周围环境等等。盾构法隧道的施工方案需要考虑盾构掘进过程中对周边土体造成的影响，以保证周围环境（相邻建筑及地下公共设施等）的安全。全断面富水砂卵石地层盾构下穿交通主干道施工对于地层沉降要求较高。在目前盾构复杂地层施工工艺多样的情况下，选用合理的施工设备及方法是保证安全质量的关键。
1、工程概况
长沙地铁一号线黄土岭站～涂家冲站区间处于全断面砂卵石地层，最浅覆土仅为5.5m，区间隧道240m范围覆土厚度小于6m，是长沙市首个最浅覆土盾构区间。区间隧道采用6.28m土压平衡式盾构机进行掘进施工，隧道外径为6m。区间处于芙蓉路主干道下方（详见图1区间平面走向示意图），地层受外力的扰动后自稳性差，易坍塌，地层沉降控制困难、安全风险较大，沉降控制要求高等技术难点。
图1 区间平面走向示意图
根据详勘资料显示，隧道下穿该段区间，隧道处于卵石层和粉质粘土层中（详见表1区间隧道穿越地层统计表和图2区间浅覆土段地质纵剖面图），容易造成坍塌和地面沉降。
图2 区间浅覆土段地质纵剖面图
2、渣土改良技术
碴土改良就是通过盾构机配置的专用装置向刀盘面、土仓、或螺旋输送机内注入添加剂，利用刀盘的旋转搅拌、土仓搅拌装置搅拌或螺旋输送机旋转搅拌使添加剂与土碴混合，其主要目的就是要使盾构切削下来的碴土具有好的流塑性、合适的稠度、较低的透水性和较小的摩阻力，以满足在不同地质条件下掘进时都可达到理想的工作状况。添加剂主要有泡沫、膨润土以及聚合物。
根据全断面富水卵石地层特点和渣土改良剂特性（详见表2渣土改良剂性能指标表），本工程拟采用在膨润土浆液基础上加泡沫剂，其效果比单独改良有很大改善：显著降低刀盘、螺旋输送机的油压及盾构推力，减小刀盘扭矩，减轻砂卵石地层对盾构设备的磨损，提高掘进速度和设备的使用寿命。
2.1、泡沫剂
盾构掘进过程中的泡沫剂注入工艺
泡沫剂能产生气体，气体很容易分散于溶液中形成大量的微细气泡。这种泡沫的液膜具有一定的表面黏度和弹性，而且泡沫内的液体有一定的黏度，能减缓液膜变薄的速度，使泡沫具有一定的稳定性，并产生一定的支撑力。泡沫注入开挖面，利用刮面膏状微细泡沫的润滑效果使开挖土呈塑性流动；泡沫在受到强力搅拌作用下，微细气泡与开挖土均匀混合，将置换土颗粒中的孔隙水，因而可提高其止水性。详见图3泡沫注入工艺流程图。
图3泡沫注入工艺流程图
根据一般规定泡沫混合液由90～95%压缩空气和5～10%泡沫溶液组成；泡沫溶液的组成为泡沫添加剂3～6%、水94～97%。针对不同地层泡沫混合液注入量存在一定差异（详见表3泡沫混合液注入率表）。
泡沫注入率=泡沫混合液量/土方量
泡沫混合液量=泡沫溶液/泡沫溶液含量率
泡沫剂溶液量=泡沫剂量/泡沫剂浓度
每环土方量
其中：Q-每环土方量；K-松方系数（一般取值为1.1）；D-刀盘外径（6.28m）； L-管片环宽（1.5m）。计算得，出土量一般控制在50m3。
根据地层特点，并通过计算设置3组实验段配比参数。（详见表4实验段配比参数表）
2.2、膨润土和高分子聚合物
膨润土泥浆
膨润土泥浆能增加渣土的粘滞性、不透水性、流动性， 改善螺旋输送机的工作环境， 改善土仓和螺旋输送机内渣土的性能， 便于渣土的流动与运输。在螺旋机对渣土的运输过程中，膨润土泥浆可以作为润滑剂有效的降低渣土对螺旋机叶片的磨损，保证开挖面稳定性和气密性（详见图4膨润土泥浆制备及注入流程图）
图4膨润土泥浆制备及注入流程图
根据盾构机设备性能情况，每环注入膨润土3m3，高分子聚合物采用直接加入膨润土罐调配，根据实际施工要求设置膨润土与高分子聚合物实验配比3组（详见表5膨润土与聚合物泥浆实验配比表）。
结合砂卵石地层特性和浅覆土施工特点，对膨润土、泡沫剂及高分子聚合物进行配合使用，将51-90环进行实验，采集渣样，观察和易性，测取坍落度。（详见表6不同配比条件下渣土性能表）
根据上表可得出，膨润土泥浆配合比为水：膨润土：外加剂=10∶1∶0.2，泡沫剂每环消耗70L，泡沫注入率54.9%时，渣土情况最优。
3、盾构砂卵石地层掘进参数确定
3.1、土压力计算
3.2、推力计算
推力计算（不考虑添加膨润土、泡沫剂的最不利条件）
盾构推力由盾构外壳与土体之间的摩擦阻力，刀盘推力、盾尾与管片的摩擦力、后配套系统的拉力、开挖面的支撑压力等组成。
其中：Q-出土量；K-松方系数（一般取值为1.1-1.2）；D-刀盘外径； L-管片环宽。计算得，出土量一般控制在50-55m3。
向土体掌子面或土仓内注入膨润土时，出土量会适当增加，根据膨润土注入量等因素，结合现场施工实际情况，控制出渣量。为准确掌握地面沉降的规律及影响因素，盾构机进入浅覆土段掘进前90环（即91-180环）设定为该区间盾构掘进实验段。通过计算和地层情况，实验段掘进参数选定3组（详见表7实验段掘进参数表），采用盾构实验段掘进参数进行掘进，通过后对该段地表沉降量进行统计分析（详见图5各试验阶段沉降趋势图），通过沉降观测值得出最佳掘进参数。
通过各阶段沉降趋势图可得出第二阶段掘进参数为最佳施工参数（表8最佳盾构掘进参数表）。
4、隧道内钢花管二次补充压浆技术
根据区间地勘显示，隧道全断面进入卵石层，地层自稳性较差，盾构机穿越时可能在砂卵石层中间细小颗粒流失产生地层不密实，导致后期沉降量较大，影响芙蓉南路主干道和地铁后期运营安全。为保证市政道路和地铁运营安全，在盾构机穿越后通过管片预埋注浆孔径向地层径向打入钢花管进行二次补充压浆处理，使浆液填充地层空洞，并对土体进行固结形成一定的强度，增强地层自稳性。
在盾构通过后在隧道内采用钢花管二次注浆（双液浆）进行加固，加固范围为隧道顶部150o，管片外3m（详见图6隧道内二次补充压浆图）。注浆配比水灰比0.8：1，水泥浆和水玻璃体积比为1：1，注浆终压通过计算控制在0.4-0.5MPa。
图6 隧道内二次补充压浆图
5、结语
本工程综合运用了盾构掘进参数控制、复合渣土改良技术、隧道内钢花管二次补充压浆与盾构高倍率同步注浆相结合的方法，特别是创新采用了盾构高倍同步注浆率、隧道内钢花管二次补充压浆及复合渣土改良技术，解决了全断面富水砂卵石地层盾构超浅覆土掘进施工开挖面稳定控制、盾构通过后地层后期沉降控制两个技术难题，确保了道路行车和隧道施工的安全。为盾构全断面富水砂卵石地层超浅覆土掘进施工的工程实践提供宝贵的实践经验。
参考文献：
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[2]黄平华.盾构工法中土质改良剂的应用技术[J].施工技术
[3]秦建设，朱伟，林进也.盾构施工中气泡应用效果评价研究.地下空间，2004
论文作者:程杰1,王胜新2
论文发表刊物:《建筑模拟》2019年第12期
论文发表时间:2019/5/27
标签：盾构论文; 地层论文; 泡沫论文; 渣土论文; 卵石论文; 隧道论文; 断面论文; 《建筑模拟》2019年第12期论文;