摘要：本区间为合肥市轨道交通5号线工程全线路最长的区间，风险源数量多、涉及范围广及穿越距离长等重难点问题，通过对本区间周边环境调查及菱湖公园人工湖地层详细分析，对各种重难点工作深入剖析，并对中铁装备盾构机进行适应性改造，使盾构机对地层及工况更加适应，同时对各项控制措施灵活应用，顺利的穿越了菱湖公园人工湖等重大风险源。
关键词：丽清区间；穿越菱湖公园
1 引言
当前，国内的地铁建设已进入了迅猛发展的时期。盾构掘进施工也必然会打破隧道周围原有土体应力平衡状态，从而使地层和地面产生变形或沉降，超过规定范围的变形和沉降严重时会影响到市政设施的正常使用。因变形过大造成市政设施破坏的工程事故时有发生。所以，解决地铁工程施工，尤其是盾构法施工对于周边市政设施等风险源保护的控制技术已成为重中之重。
2 工程概况
2.1工程概况及设计情况
丽水路站～清河路站区间隧道由南向北敷设，沿线主要为工业区与高压防护绿地，下穿菱湖公园。隧道均在公园内或市区道路下通过。丽水路站~清河路站区间设计里程范围为SK36+676.326（XK36+677.729）~ SK38+424.155（XK38+424.185），长度1747.829（1744.344）m，设计概况及参数如下：
丽清区间设计概况及参数
2.3 水文地质
盾构隧道掘进范围内土层为黏土⑥2、粉质黏土⑥3、全风化泥质砂岩⑩1、强风化泥质砂岩⑩2、中风化泥质砂岩⑩3层。
盾构穿越范围内以黏性土为主，呈硬塑～坚硬状，粘塑性好，土体强度较高，土层黏聚力高，另第⑥2层黏性土具有弱膨胀性。
区间盾构隧道范围内分布风化岩层，强度较高，勘察揭示⑩3层中风化泥质砂岩最大饱和单轴抗压强度为6.73MPa。
3 下穿菱湖公园工程概况
3.1丽清区间左线下穿菱湖公园工程概况
（1）推进长度：150～389环。
（2）顶部埋深：约9.67m，湖水深3.8米，最大处5米。
（3）坡 度：5‰下坡。
（4）曲线要素：149环～164环处于R=400的右转缓和曲线上，165环～350环处于直线段，351～389为R=550左转缓和曲线。
（5）管 片：管片内径5400mm、外径6000mm、厚度为300mm，宽度1500mm，均为B型管片。其中下穿菱湖公园展示厅250环～289环环采用B型多孔管片。
3.2丽清区间右线下穿菱湖公园工程概况
（1）推进长度：119～372环。
（2）顶部埋深：约9.67m，湖水深3.8米，最大处5米。
（3）坡 度：5‰下坡。
（4）曲线要素：119环～148环处于R=400的右转缓和曲线上，148环～334环处于直线段，334～372为R=550左转缓和曲线。
（5）管 片：管片内径5400mm、外径6000mm、厚度为300mm，宽度1500mm，均为B型管片。
4 盾构机适应性分析
4.1盾构机选型
盾构机性能要求：
1）径向注浆功能、自动测量导向系统。
2）盾构机为被动铰接的必须自带紧急密封装置。
3）盾构机配备有害气体监测报警系统。
4）管片拼装能力满足1500mm的管片要求。
5）配备泡沫、膨润土或粘土等添加剂注入机构。
6）设备具有可靠的、灵敏的土压平衡调节能力，保证开挖面的稳定，与周围的水土压力平衡，控制地表及建筑物等沉降符合规范要求。
7）控制系统具有手动控制模式，能控制推进力、刀盘扭矩、推进速度、土仓压力、螺旋输送机、出闸门开度等参数。
8）配备同步注浆系统，且为内置。
9）配备地质、障碍物超前探测装置。
10）刀盘设计和刀具布置适应合肥地质条件正常掘进要求，螺旋输送机能保证输送正常出土允许的最大异物，具有防喷涌功能和对飘石、砾石的处理能力。
4.2盾构机性能
1）刀盘及主驱动
①辐条面板式刀盘，6根辐条，中间支撑方式。
②开口率40%，外形尺寸6420mm×1340mm，刀盘重量50t。
③在刀盘辐条、面板及到圈梁前后端面和外表面堆焊了耐磨层，提高了刀盘的耐磨性能。
刀盘设计主要以软土刀具为主，具体配置为：中心刀1把，边刮刀24把，切刀106把，先行撕裂刀36把，周边刀10把，仿行刀1把。
刀盘在三个不同的半径上分别布有4个搅拌棒，刀盘转动时，它们与前盾胸板上的4个被动叫板一起对土仓中的土体进行强制搅拌，是注入在开挖面上或土仓中的添加材料（泡沫、膨润土、水）与切削下来的土体进行充分的搅拌，提高土体的塑性、流动性。
主驱动配置的主轴承直径3000mm，有效使用寿命≮10000小时。刀盘由8台75kw的电机驱动，额定扭矩4900kNm，脱困扭矩5500kNm，可以满足在软土层中掘进。
2）推进系统
根据管片的分布，采用32根油缸双缸分布，考虑掘进调向可操作性，将油缸分成四组，通过调整每组油缸的不同推进速度来对盾构进行纠偏和调向，总推力42000kN。推进油缸行程为2200mm。满足安装1.5米管片的能力。
3）同步注浆及盾尾油脂
尾盾内所有注浆及油脂管路都采用内嵌式布置，注浆管共4×2跟，其中正常使用4根，备用4根。油脂管数量8根，各4根通向两个尾刷密封室。
4）螺旋机系统
采用轴式叶片螺旋输送机，螺旋外径700mm，最大扭矩192kNm，最高转速22rpm，最大通过粒径520×260mm，出渣能力290m3/h，前端土仓内设置一道闸门，出渣口设置一道闸门，伸缩行程1000mm，且伸缩行程可调。出渣闸门设有断电自动紧急关闭功能。
同时螺旋机在设计中考虑到防喷涌，在螺旋机轴中间设置一段无叶片，在掘进中形成土塞能有效防喷涌。
5 盾构下穿菱湖公园人工湖掘进参数控制
下穿菱湖公园人工湖作为区间重大风险源，对地表沉降要求极为严格，且本工程左右线先后下穿人工湖，使盾构掘进对地层的扰动进一步加大，如何使盾构掘进对地层的扰动尽量小是本次下穿人工湖施工的重点，通过对试验段及本次下穿人工湖施工进行分析，掘进参数的控制可以总结为“匀速、连续、均衡、饱满”。
“匀速”为下穿人工湖期间，掘进速度保持在设定范围内，不要发生忽快忽慢的情况。
“连续”为施工期间加强设备及施工工序管理，确保盾构机能连续掘进，尽量避免盾构发生停机。
“均衡”为各项掘进参数保持稳定，掘进中“掘进速度-刀盘扭矩-土压力”保持一个动态的平衡状态，任何一项参数不要发生突变。
“饱满”为壁后注浆、二次注浆及深孔注浆的注浆量保证足够，注浆时间需及时，保证管片脱出盾尾后的建筑孔隙能饱满及时的被填充。
5.1土压的控制
（1）土压力设定
在穿越人工湖过程中，根据不同地段选择不同的土压平衡模式，掘进过程中始终保证土仓压力与作业面水土压力的动态平衡。理论计算公式为：
P＝kγH
γ：土体的容重，取19kN/m3
H：隧道埋深，取9.28m+3.1m=12.38m；17.46m+3.1m=20.76m
k：土的侧向静止平衡压力系数0.55
代入公式得土仓压力：0.13MPa～0.22MPa；
根据理论计算及试验段施工地质情况等，在盾构穿越过程中，根据地面监测报表反馈的信息及时进行土仓压力P值调整，调整范围在0.13～0.22MPa之间。
（2）土压力控制
根据埋深的变化，本工程在掘进过程中将土压力控制在0.13~0.22MPa间，停机阶段为保证掌子面稳定，土压力设定略高，控制在0.16~0.25MPa之间。
5.2推进速度及推力设定
掘进速度及推力的选定以保持土仓压力为目的，根据施工的实际情况确定并调整掘进速度及推力。本工程段盾构掘进速度为一般为40～60mm/min。掘进速度太慢对土体扰动较大且不利于出渣量的控制，速度过快不利于掌子面的稳定，且易造成土仓压力的不稳定性变化，故应选取适当的速度保证土仓压力和出土的平衡。当然在保证速度的同时推力也应适中，过大的推力会导致管片的变形，隧道轴线产生偏差，降低液压、电气设备的使用寿命；过小的推力会使盾构机的回转角变化快，不利于盾构姿态的控制，同样不利于管片质量的控制。掘进过程中总推力宜控制在800～1200T为宜。
5.3掘进方向的控制
盾构机操作手通过合理调整各分区千斤顶的压力、铰接油缸压力及刀盘转向来调整盾构机的姿态，具体操作原则如下：
1）盾构机转角可以通过改变刀盘旋转方向调节，调节应当及时。
2）盾构机竖直方向（高程）的控制原则：一般情况下，盾构机的竖向轴线偏差应控制在±20mm 以内，倾角偏差应控制在±3mmPm以内；特殊情况下，倾角偏差亦不宜超过±6mmPm，否则会引起盾尾间隙过小和管片的错台破裂等问题；开挖面土体比较均质或软硬差别不大时，应保证盾构机与设计轴线平行；开挖面岩土上软下硬时，为防止机头偏上，可适当增大顶部千斤顶的推力；操作盾构机时，还应注意上部千斤顶和下部千斤顶的行程差不能过大，一般宜保持在20mm内，特殊情况下不宜超过40mm，否则说明盾构机竖直方向调整过急；合理利用铰接千斤顶，使盾构姿态与设计线路更加吻合。
3）盾构机水平方向（平面）的控制原则：一般情况下盾构机的水平偏差可控制在±20mm以内，水平偏角可控制在±3mmPm以内，否则盾构机急转引起盾尾间隙过小和管片错台破裂等问题；当开挖面内的地层左右软硬不均时，盾构机的方向控制将比较困难，此时可降低掘进速度，合理调节各分区千斤顶压力，必要时可将水平偏差角放宽到±10mmPm，以加大盾构机的调向力度；合理利用铰接千斤顶，使盾构姿态与设计线路更加吻合。
4）盾构掘进过程中必须精心操作，避免大幅度的轴线纠偏动作。
5.4以平衡的推力、速度、扭矩控制掘进
为尽量降低盾构掘进对地层的扰动，本工程采取各技术参数平衡法掘进，始终以平衡的推力、速度、扭矩掘进，避免其中的一个或者两个参数突出性异常。而当地层发生变化时，也要尽量控制掘进速度保持稳定，适当的调整推力及刀盘扭矩。
5.5出土量的控制
土压平衡盾构用于城市地下隧道修建时，为了控制地表沉降，减小地表变形，一个重要的因素就是要保持密封土舱内的进土量和出土量相互匹配。在施工中，由于盾构开挖土层往往不是均一地层，不同土体自身性质不同，致使松散系数也不同，因此盾构开挖过程中，需要根据实际情况实时调整螺旋输送机的转速来控制出土量。出土量过大，会导致盾构开挖面地层损失过大而坍塌或者引起地表沉降过大；出土量过小，则会使土舱内压力迅速增大，会导致开挖面上方地表隆起。
本工程在施工中严格按理论出土量出土，每环出土量偏差不超过1m3。
每环理论出土量：π×（D/2）2×L=3.14×（6.28/2）2×1.5=46.46m3
其中：D—盾构外径（m） L—管片长度（m）
盾构采用土压平衡模式掘进时，实际出土量以理论计算值为基准，考虑松散系数以及渣土改良所加入的水与泡沫，下穿菱湖公园实际出土量控制在54～57m³，出渣量无异常。小结：过湖期间，因地层中含水量增加，盾构渣土改良应适当减小刀盘喷水量，由正常段的10m³/h减少为8m³/h。
5.6同步注浆的注浆量和压力的控制
根据设计要求，考虑盾构施工地层中以粉土、粉质粘土为主地层的渗透系数较大，取较高系数，实际注浆量取值为理论方量（4.05m³）的1.3～1.4倍，即5.4～5.6m3/环。在本工程的实际施工中，根据地表沉降情况分析，每环注浆量控制在5.6m3左右地表沉降能够得到有效的控制。
同步注浆浆液的主要物理力学性能应满足下列指标：
胶凝时间：一般为3～10h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。对于人工湖地段需要利用注浆提高早期强度，可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间，本工程中一般控制在6h左右。
固结体强度：1天不小于0.2MPa，28天不小于3.0MPa。
浆液结石率：>95%，即固结收缩率<5%。
浆液稠度：10.5～11.5cm，对每一环的浆液稠度用稠度检测仪进行检测，保证稠度复合要求。
浆液稳定性：倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于5%。
同步注浆的数量按照盾尾间隙的200%～250%进行控制，安排专人进行同步注浆量和浆液拌合质量的监督工作，并做好计量记录以备查验。
6 盾构地表沉降控制措施
6.1盾构掘进沉降机理
隧道施工引发地表沉降主要是由于施工引起的地层损失和施工扰动土体及地下水流失导致的土体固结所引起造成的。
①隧道开挖造成地层损失，周围土体在弥补地层损失的过程中发生地层移动，引起地表沉降。
②隧道施工扰动土体、造成地下水流失，破坏原始水土平衡，引起周围土体内部孔隙水压力的变化，使地层发生排水固结引起地表沉降，而且土体的蠕变也可能导致地表发生一定的沉降。
因此，无论采取何种隧道施工方法，都将不可避免地引起或多或少的地表沉降。工程中隧道沉降的控制主要是通过优化掘进参数及采取各种措施使隧道开挖过程中，尽量减少地层的损失，使地层沉降达到控制要求。
6.2盾构掘进中沉降控制措施
在试验段掘进过程中，对盾构掘进产生的沉降进行分解，具体为刀盘通过阶段沉降，盾体通过阶段沉降和管片脱出后沉降，而地表监测以每一个监测断面在盾构机通过的不同阶段为节点进行测量，详细分析出三个阶段的沉降值与掘进参数的关系，之后有目的性的进行调整参数及各项措施，确保地表沉降得到有效控制。
6.2.1刀盘到达前沉降控制措施
造成刀盘到达前沉降主要原因是由于土舱内土压力控制过低，造成地层中土体向土舱内移动，从而造成地表沉降。
按挡土结构的位移方向、大小及土体所处的三种平衡状态，土压力可分为静止土压力Eo，主动土压力Ea和被动土压力Ep三种。
理论情况下，盾构掘进时土压力设定最小值不能小于主动土压力Ea，最大值不能大于被动土压力值Ep，为尽量减少刀盘到达前地层沉降值，掘进过程中最好将土压力范围设置在Eo~Ep之间，同时需注意盾构机停机时，土压力不能小于Ea。根据公式，土压力理论控制值为0.13~0.22MPa，掘进过程中土压力保持在该范围内刀盘通过阶段沉降能够得到有效控制。
6.2.2盾体通过阶段沉降控制措施
盾构机在设计时为保证盾体能够顺利前行，盾体一般为锥形设计，即刀盘到盾尾直径是逐渐减小的，因此在刀盘切削后，盾体通过时，盾体周围会有一段空腔，在地层自稳性较差时，盾体周边土体会发生收敛，照成地表沉降。
本工程选用中铁装备盾构机，刀盘设计直径为6280mm，前盾直径为6110mm，刀盘较盾体直径大约10mm左右，为减少该阶段沉降，应尽量缩短盾体通过时间，因此需保证盾构能连续掘进，防止盾构机发生不必要的停机。而当盾构机应特殊原因在下穿湖底期间停机时，可通过盾构机盾体上的添加剂注入口向盾体周边注入粘稠的膨润土，以填充盾体周边的孔隙，减小盾体通过阶段的沉降。
6.2.3盾尾脱出后沉降控制措施
盾尾与管片脱离后，管片与土体间会出现11cm建筑孔隙，掘进过程中盾尾同步注浆管在建筑孔隙中注入同步浆液填充，以防止盾尾与管片脱离后土体坍塌，造成地面沉降过大。
（1）同步注浆控制
①注浆材料及配比设计
根据施工中不断优化浆液配比，本工程采用的同步注浆配比为：
②注浆压力
注浆压力略大于该地层位置的静止水土压力，同时避免浆液进入盾构机的土仓中。一般而言，注浆压力取1.1～1.2倍的静止水土压力，注浆压力控制在0.3Mpa左右，下部每孔的压力比上部每孔的压力略大0.05～0.1MPa。
③注浆量
根据经验公式计算，考虑系数，实际注浆量一般为理论值的1.35～1.4倍，每环（1.5m）注浆量Q＝5.4～5.6m3。根据本工程实际施工经验，过湖期间注浆参数总结，过湖期间注浆压力较正常段应适当减小，以确保湖面不冒泡为原则，宜控制在0.8～1.0bar之间，采取注浆压力及注浆量双控制，当注浆量不少于5m³时，应及时进行二次补充注浆。
④注浆时间和速度
同步注浆速度与掘进速度匹配，按盾构完成一环掘进的时间内完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。
（2）二次补浆
盾构和周围土体的建筑间隙是否填充饱满直接关系到地面沉降量，因此必须保证同步注浆量充足，由于施工或地层原因导致浆液损失，必须立即进行二次补浆以控制地面沉降。二次注浆通过二次注浆泵将水泥浆和水玻璃通过管片吊装孔注入管片与周围土体之间，二次注浆采用压力控制，压力控制在0.8～1.2MPa之间。二次注浆泵安装在移动平台上，可对脱出盾尾5环后的管片进行二次注浆。
二次注浆使用专用的泥浆泵，注浆前凿穿外侧保护层，安装专用的注浆接头。
二次注浆拟采用水泥浆——水玻璃双液浆，注浆压力一般为0.8～1.2MPa。
（3）二次加强注浆
为保证盾构施工过程中人工湖安全，进行二次加强注浆加固，以提高管片强度和稳定性，减少后期沉降。管片背后二次深孔加强注浆浆液采用水泥-水玻璃双液浆，径向注浆时需要严格盯控，注浆时需要在注浆口上安装逆止阀，防止地下水通过注浆管流入隧道。根据实际施工情况及地表监测情况对单孔注入量进行调整，本工程一般单孔注入量为2m3左右。
7 监测情况分析
盾构下穿人工湖地段期间，各项监测数据正常，人工湖周边内构建筑物沉降值及沉降速率总体控制在标准值以内。以下是施工监控测量的具体内容：
（一）现场监测内容
盾构穿越菱湖公园时监控量测项目主要包括隧道内支护结构与隧道外周边环境及岩土稳定性监测，现场监测的内容包括：地面沉降、地表裂缝监测，隧道周边收敛、拱顶下沉监测，地中位移监测以及地层接触应力量测。其中，地面沉降以及隧道结构变形监测为主要检测内容。
（二）监测点布设
①地面沉降点布设。盾构机下穿菱湖公园在保证匀速、快速掘进同时，地面沉降星和累计沉降星应满足设计要求，符合相关规范。因此，盾构在下穿菱湖公园前后，要做好地面监控测量。
②隧道结构变形监测，隧道内的管片监测，在衬砌成形的管片合适位当处标出监测标志，利用全站仪和水准仪同时对管片的三维坐标进行定时监测，防止管片的上浮和沉降，同时对管片进行净空收敛监测。
8 结束语
地铁建设主要功能是为方便百姓的出行，同时兼顾带动区域经济的发展。在施工过程中必须结合施工周边环境，选择科学合理的盾构机及其参数，过程不断优化和改进穿越方案，同时充分利用先进的监测技术，做好施工的突发情况应急措施，从而保证盾构施工和周边市政设施的安全。
论文作者:袁崔鸿,何雪姣
论文发表刊物:《基层建设》2019年第26期
论文发表时间:2019/12/17
标签：盾构论文; 管片论文; 注浆论文; 压力论文; 地层论文; 地表论文; 隧道论文; 《基层建设》2019年第26期论文;