摘要：软弱地层是盾构施工中较难解决的问题，本文以深圳市城市轨道交通6号线【深圳北站～梅林关站】盾构区间在软弱地层中始发及掘进施工为例，对软弱地层始发及掘进技术进行总结，希望为类似工程提供参考。
关键词：上软下硬地层；盾构始发；掘进
一、工程概述
1.1概述
【深圳北站～梅林关站】盾构区间从梅林关站始发，整体呈南北走向，盾构区间需要下穿地铁4号线路基过渡段桩基、书香小学，侧穿书香门第大厦随后进入新区大道中央绿化带下，沿着中央绿化带下穿φ500mm次高压燃气管道后在U型槽吊出井吊出，区间单线全长1.61km。
1.2地质水文情况
根据地质详勘揭露的地质情况显示，在该区间盾构始发及试掘进阶段地表到洞身底部地层分布情况主要为：素填土、砾质粘性土、全风化粗粒花岗岩、强风化粗粒花岗岩、中风化粗粒花岗岩，其中洞身顶部覆土主要为素填土和砾质粘性土。按照本区间地质分布情况，盾构始发及试掘进段属于上软下硬地层。通过现场钻设的水平探孔进行验证，盾构始发端头的地质情况基本与地质报告揭露的地层情况吻合。
1.3端头加固措施及存在的不足
【深圳北站～梅林关站】盾构区间始发端头采取围护桩+Ф600旋喷桩加固的措施，其中梅林关车站围护结构盾构始发洞门处的围护桩采用玻璃纤维筋，端头采用Ф600@450×450双重旋喷桩进行加固，加固长度为8米，加固宽度隧道边缘线外左、右各3米，加固深度为到强风化地层下1米，未到达隧道底部。而本工程右线施工采用的盾构机的机体长度为9.6米。该加固方方案存在以下不足：一是端头加固的长度小于盾构机的机体长度，不能包裹盾构机，始发过程中特别是在盾构机穿透加固体的时候易发生地表沉降过大的情况；二是旋喷桩在强风化地层中成桩效果不理想，加固深度未到达隧道底部且未采取其他有效措施对强风化花岗岩中的基岩裂隙水进行封堵处理，易造成洞门处漏水。
二、施工中出现的问题及解决措施
为了验证始发端头的加固情况以及进一步掌握地质情况，该区间右线始发前在洞门范围内钻设了9个水平探孔，探孔呈米字型布置，钻设深度为4米。
图1：水平探孔内有水流出
由于始发端头加固方案的局限性导致对强风化地层中基岩裂隙水未能有效封堵，导致水平探孔中有清水流出，详见图1.为了确保盾构始发安全随后采取了再垂直袖阀管补充注浆及洞门处水平补充注浆的补充加固措施。采取上述补充措施后取得了较理想的效果，水平探孔内无呈线流的地下水流出，达到了盾构始发条件。
2.1地表沉降超限及地表凹陷
2.1.1经过及处理
7月29日深梅盾构区间右线盾构在掘进到16环位置的时，D12263-1地表沉降累积沉降35.2mm，沉降速率-24.51mm/d。经过对监测点对应位置的检查发现，在地表出现孔洞，随后立即用混凝土对孔洞进行了回填（详见图2），共回填48方混凝土，并在地表埋设了袖阀管进行了紧急注浆处理。随后在该位置重新布置了监测点，采取了上述措施后，重新布设的监测点地表沉降未超限。
图2：地表孔洞及混凝土回填
2.1.2事件原因分析
经过分析造成本次事件的原因主要是：
1、地表出现孔洞的位置为第6环，盾构机刀盘刚出端头加固体，盾构掘进时由于土仓压力建立偏低，该环出现多出土的现象，出土量为78m3，而在正常掘进过程中每环出土平均为约60 m3。因此土压偏低造成多出土是引起地表沉降超限直接原因。发现多出土后未及时采取地面注浆等补救措施导致地表出现孔洞。
2、端头加固长度及深度不足，不能有效包裹盾构机。端头加固在盾构始发及到达施工中是非常重要的，可以决定盾构始发及到达的成败。端头加固的主要作用是：（1）对土体进行加固，提高土体的自稳性防止出现滑塌；（2）封堵地下水，防止出现涌砂涌水以及因失水造成地表沉降。而根据前文所述，该工程采取的端头加固方案是存在不足的，未能有效封堵基岩裂隙水，在盾构始发阶段出现了渗漏水现象。
3、洞门长期漏水，未能及时封堵造成水土流失。右线盾构始发期间在7月20日洞门2点位出现了漏水情况且流出的为泥水混合物，洞门出现漏水情况后未及时进行封堵，直到7月26日洞门注浆后，该位置才完成止漏。
4、盾构机始发阶段往往会出现同步注浆不饱满的现象，二次注浆跟进不及时极易引起地表沉降。
5、盾构在始发阶段建立土仓压力需要一个过程。盾构始发阶段一般情况下土仓是空的，而土仓从空仓掘进到建立土压来平衡水土压力还需要一个过程。这个过程很容易引起地面出现较大沉降，如果土体自稳性差就会引起地面塌陷。虽然本工程洞门处围护结构采用了玻璃纤维筋，但是由于地层为上软下硬地层且端头加固措施较薄弱，因此在土仓压力未建立起来的阶段是很容易发生地层失水从而引起地面沉降。
6、本工程采用的盾构机为倒锥形，开挖直径为6280mm、盾尾直径为6230mm，因此在盾构机体与围岩之间会存在一个约30-50mm的间隙，根据不完全统计该间隙引起的地表沉降占盾构施工地表总沉降的30-40%，由于盾构始发阶段掘进速度较缓慢该间隙不能及时得到填充，故引起地表沉降超限。
2.1.3后续施工采取的措施
1、严格控制出渣量按照盾构机推进千斤顶的行程控制；提高土仓压力，土仓压力应略高于静止土压力。
2、根据地面沉降监测数据指导盾构掘进施工，在管片衬砌背后及时实施同步注浆及二次注浆，尤其是对拱部120°范围加强二次注浆。
3、盾构在曲线段掘进、纠偏过程中，容易对地层造成扰动及超挖，施工过程中要加强盾构机姿态的控制，减少对地层的扰动、超挖。
4、施工中尽量减少盾构停机时间，做到连续均匀推进。
在采取了上述措施后，地表沉降有明显的好转，后续施工再未出现地表沉降超限的情况。
2.2地面冒泡沫
2.2.1事件经过及处理
8月11日凌晨，在盾构掘进到43环位置的时候，地表约在69环位置出现地面有大量含泥泡沫涌出的现象（详见图4），且泥泡中含有较多的泥沙。由于有泥沙随泡沫被带出，为了防止地表出现沉降，在该位置进行了地面注浆（埋入袖阀管后注入水泥浆），盾构经过该区段后地表未出现较大沉降，最大沉降量-17.5mm。
2.2.2原因分析
经分析造成泡沫冒出地面的主要原因是：
1、地质情况不良。该位置盾构隧道覆土从上而下主要为：素填土、砾砂、砾质粘性土。根据地质勘查报告揭示的地层显示，素填土土质松散，主要由砂砾粘性土组成，局部夹有碎块石、砖渣、混凝土等，由于土质较松散盾构掘进过程中用于渣土改良的泡沫会在土仓压力的作用下沿着地层中的间隙冒出地面。
2、在进行该段掘进时，为防止刀盘结泥饼，盾构掘进时采用辅助气压掘进模式，用气压代替土压来平衡地层的水土压力。当土仓内气压较高覆土较浅时（盾构掘进43环时土仓压力为0.16-0.18Mpa）泡沫就会从地面冒出。
1.2.3后续采取的防治措施
1、改变掘进模式，采用全土压掘进，减少土仓内的气压防止泡沫随地层内孔隙冒出地面。
2、减少泡沫剂的使用量，掘进工程中通过多加水来改良渣土以防止结泥饼。
采取了上述措施后，在后续施工中地表再未出现泡沫冒出的现象。
三、总结及思考
通过上述案例可以看出端头加固、盾构始发阶段建立土压等对盾构施工影响都很大，措施不得当就会引发安全事件，因此采取有效的措施予以防治是非常有必要的。通过上述两个案例得到以下启示：
1、端头加固在盾构始发及到达阶段起到非常关键的作用，能够直接影响盾构始发及到达的成败。因此在设计端头加固方案时应充分考虑加固体对盾构机的有效包裹以及端头加固体的止水性，应以安全为主要考虑因素，造价次之。
2、盾构始发过程中从刀盘开始切削土体到建立土压平衡需要一个过程，端头加固较弱的情况下该过程很容易引起地表沉降或者塌陷，因此可以考虑采取填仓带压的始发工艺，提前在土仓内建立压力来平衡水土压力，以到达对地表沉降的控制。
3、目前使用的盾构机大多数为倒锥形，盾构机与围岩之间存在30-50mm的间隙，该间隙引起的沉降量占总沉降量的30%-40%，因此可以采取通过盾构径向孔注入可塑性泥浆来填充盾构机与围岩的间隙，从而达到有效的控制沉降的目的，特别是在微沉降控制部位（如：穿越建构筑、运营线路等）。
4、盾构隧道上部覆土存在较厚的素填土时由于土体松散极易出现土仓内气体泄露造成仓压不稳定、地面冒泡沫、地面沉降控制难度大等情况，因此在这种地层掘进时要全土压模式掘进，同时要做好渣土改良防止结泥饼。
四、结语
盾构施工工法通过几十年的发展，在解决棘手问题的辅助工法已比较成熟，无论盾构始发到达、沉降控制等都已不是难以解决的问题，但往往这些已经被克服的问题还是会屡屡出现，同样的问题在不同的地方反复出现。“人”是施工的根本，要从管理上去重视此类问题，加强管理做到精细化管理，才能有效的避免类似情况的反复出现。
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论文作者:张勇
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/29
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