摘要：杭州地铁7号线盈中站至坎山站区间采用土压平衡盾构施工。根据场区地质特点、隧道埋深，盾构类型及控制性外部条件，笔者总结出三个工程重难点：粉砂地层下开挖、盾构掘进对临近控制性管线保护、盾构下穿河流。针对上述问题提出了相应技术处理措施，以便提高盾构施工的质量及安全性。
关键词：盾构；粉砂地层；土体变形；同步注浆；盾构姿态；土仓压力；渗漏
根据杭州市最新修编的轨道交通线网规划，地铁7号线西起吴山广场，止于大江东片区的江东二路，线路连接吴山广场、城站火车站、采荷地区、钱江新城、奥体博览城、钱江世纪城、萧山机场及大江东片区，实现了吴山广场—城站火车站—萧山机场的轨道连接，进一步加强了钱江新城和钱江世纪城两个CBD的直接联系，同时在萧山境内沿建设三路、建设四路发展轴辐射，是未来的一条主要轨道线路。
本单位负责设计7号线盈中站至坎山站区间隧道。区间全长2804.163m，中部设置4座联络通道，其中1座联络通道及泵站结合盈坎区间风井设置。区间出盈中站后采用V字坡进入坎山站。先以5‰纵坡1580m坡长下坡，穿过区间风井后，以5‰纵坡980m坡长上坡，再以13.171‰纵坡205m坡长上坡进入坎山站。隧道最小埋深10.11m，最大埋深18.36m。本区间地质分布为：埋深0~4.5m为碎石填土及素填土层，埋深4.5m~20m为砂质粉土及粉砂层，埋深20m~36m为淤泥质粉质粘土层，埋深36m以下为粉质黏土层。隧道大部分区域位于③6粉砂层，局部位于⑥1-1淤泥质粉质粘土层。根据地质分布及隧道埋深情况，结合杭州地区工程经验，本区间采用土压平衡盾构施工。
结合杭州地区地质特点、隧道埋深、盾构机自身特性以及控制性外部条件。本区间土压平衡盾构施工存在以下重难点：
一、需采取措施保证粉砂地层开挖面稳定
土压平衡盾构施工作业下，为保证掌子面稳定，刀盘转动且切刮下的泥土需具备一定的流塑性，便于泥土迅速填充土仓内。并且螺旋输送机需具备可以调整出土速率的装置，通过调节排出土仓内土渣和切下土渣的速率平衡，来保持土仓内土渣的压力来抵御掌子面水土主动压力。同时，需降低土仓以及螺旋输送机内砂土的渗透性，提高止水效果，提高出土机构的密封性，从而减小地下水喷涌，提高掌子面稳定性。
本区间大部分穿越③6粉砂地层，该地层土体具有内摩擦角大，渗透系数大，地下水充沛的特点。粉砂较大的内摩擦角一方面会加大土体切削难度，加大切削作业时刀盘的扭矩，降低切削速率，提高盾构前进的阻力，造成推进油缸顶进力的加大，降低盾构推进速度。还会造成盾构动力机构摩擦热度的提高，造成土仓温度提升，加速切削下的土体水分的蒸发，降低土体的流动性，还可能在土仓压力作用下结成泥饼，造成出土困难。土体高渗透性条件下，土仓内水压较高，仅靠土仓内砂土间的挤压力是无法保证土仓和螺旋输送机的止水效果，螺旋输送机闸口处易发生喷涌。因此，需针对砂土的特性，对掌子面处注入水、膨润土或发泡剂等添加剂，改良土体，一方面起到刀具润滑作用，一方面可以提高砂土和易性，减小土体有效内摩擦角，提高切削性能，减少刀具的磨损，降低中途换刀的概率。同时可在土仓安装搅拌棒，对切削下来的砂土进行强制搅拌，进一步提高土体的流塑性。
此外，可对土仓内砂土适当添加聚合物添加剂进行渣土改良，改良后的渣土需要具有更好的流动性及止水性，一方面可以提高出土机构的止水性，减少地下水的流失，也能有效阻止螺旋输送机出土时喷涌事故的发生。另一方面更有利于提高螺旋输送机排土效率，也减小了螺旋输送机的扭矩。改良后的渣土保塑性加大，也降低了粘结刀盘出现泥饼的概率，也降低了刀盘因粘结泥饼而加大扭矩的概率。渣土改良与掌子面土体改良一道可以提高盾构掘进效率。渣土改良需要在盾构内配置加注装置，能在刀盘、土仓以及螺旋输送机内注入添加剂。利用盾构掘进过程中的搅拌效应使添加剂与渣土混合，从而达到渣土改良效果。
二、需采取措施减小掘进对临近中压燃气管的影响，降低风险。
本区间存在一中压燃气管（D325 PE/D325 钢）与隧道并行布置，管最埋深最大约10m，与隧道最近点净距2.33m。需采取措施减小盾构掘进对周围土体的变形影响，从而最大程度减小中压燃气管的风险。
盾构施工影响周围土体变形的因素很多：一、实际施工过程中开挖面土体收到的支护力往往与侧向水土压力存在偏差，支护力小则会引起开挖面土体向盾构内松动引发地层损失；支护力大则会使土体向上向前位移，引起盾构前方地面隆起；二、盾构外径与隧道管片外径之间存在建筑空隙，如果充填不实或不及时，将使盾尾后周边土体失去原始平衡状态而向盾尾空隙位移，引起地层损失；三、推进方向改变，曲线推进以及纠偏或叩头推进时，实际开挖面不是圆形而是椭圆，因此引起地层损失、盾构轴线与隧道轴线偏离越大则超挖引起的地层损失越大；四、隧道衬砌的变形、沉降以及渗漏将引起地层的位移。
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针对地层变形原因，为降低风险，本区间在通过中压燃气管区段采取如下措施：
1）实时监测掘进过程中地质、埋深及地层沉降信息，及时反馈并调整掘进参数（油缸推力、推进速度等），从而控制好土仓压力，最大程度减小土仓压力的不平衡，降低对周边土体的扰动。其中关键即保持盾构掘进过程中，土仓压力与掌子面压力平衡。土层压力P值应能与地层土压力和静水压力相抗衡，设刀盘中心地层静水压力、土压力之和为P0，则P=KP0，砂性土中K一般取1.3，而级差调整以0.01MPa为佳。土仓压力取决于盾构推进油缸的顶进力、推进速度、刀盘转速和排土效率。油缸顶进力是土仓压力的来源。油缸顶进力较小，掌子面水土压力大于顶进力，掌子面土体易向内侧变形，引起土体扰动，当主动土压力过大时甚至可能造成前方土体垮塌；若油缸顶进力较大，顶进力大于掌子面水土压力，掌子面受刀盘挤压作用易向外侧变形，引起土体扰动，当被动土压力过大时也可能造成前方土体开裂破坏。同时，渣土出土速度也需要和油缸顶进力相协调。刀盘转速决定渣土切削速度，螺旋输送机转速决定渣土排出速度。若刀盘、螺旋输送机转速较低，会出现盾构往前顶，但是出土率跟不上，掌子面受刀盘挤压力产生变形，土体扰动，同时油缸压力加大，机具磨损；若刀盘、螺旋输送机速率过高，掌子面土体过快切削排走，在油缸压力不足情况下，刀盘前方产生空腔，掌子面土体容易向内侧变形。故只有油缸顶进力、刀盘转速、螺旋输送机转速协调，才能有效维持开挖面稳定，减小土体扰动。盾构掘进速度影响盾构姿态，掘进速度过慢，由于土体蠕变效应，在盾构机自重作用下易出现下沉；掘进速度过快，易使盾构发生上浮。
2）及时跟进同步注浆，控制好注浆压力，减小对周围土体扰动。
3）控制好盾构姿态和纠偏量。盾构姿态包括推进坡度、平面方向和自身的转角三个参数。影响盾构姿态的因素有：出土量的多少、覆土厚度、推进时盾壳周围的注浆情况、开挖面土层的分布情况、推进油缸作用力的分布情况等。例如盾构在砂性土层或覆土层比较薄的地层推进容易上浮。解决办法主要是依靠调整推进油缸的合力位置。盾构前进的轨迹一般为蛇形，要保持盾构按设计轴线掘进，必须在推进过程中及时通过测量，并进行纠偏。纠偏量不能太大，过大的纠偏量会造成过多的超挖，影响周围土体的稳定，要做到“勤测勤纠”。
4）盾构通过后，需跟踪监测管片后续沉降，必要时进行二次注浆。减小隧道后续变形对燃气管的扰动。
三、需采取措施减小掘进对河道的影响
本区间隧道下穿大治河，河道宽38.25m，常水深3.0m，河底最低标高2.25m，与区间隧道最小垂直净距8.23m。隧道穿越河流底部时，如盾构上部土体下沉会对河床产生危害甚至破坏，进而引发一系列不良后果，同时河水下渗也可能对隧道施工产生危害。故采取措施如下：
1）控制盾构速度和总推力，采取较低的速度掘进。速度控制在不大于20mm/min，严格控制推进油缸总推力，减少土层扰动，以免破坏河底土体。
2）盾构进入河底前需预先调整好盾构姿态，以较好的姿态下穿河底。在掘进过程中，盾构驾驶员根据测量偏差及时调整盾构的掘进方向，尽可能减少纠偏，特别是要杜绝大幅度纠偏，减少对土体的扰动，从而保证盾构平稳地从河下穿越。
3）控制注浆量及压力，避免破坏河底隔水层。由于河底至盾构拱顶间土层相对较薄，注浆压力过大可能破坏水底隔水层，形成一条涌水通道。
因此掘进过程中控制注浆压力在0.2~0.3MPa范围内，控制注浆量为理论建筑间隙的130%~180%。
4）提高盾尾密封性，减少渗漏。掘进时定时、定量、均匀压注盾构油脂，有效保护盾尾钢丝密封刷。如遇特殊情况，可按实际情况加大盾尾油脂的压注量。控制好管片姿态，提高拼装质量，防止盾构与管片间隙过大形成透水通道，必要时在管片外侧黏贴海绵用于止水，封堵管片与盾构的间隙。采取上述措施后，基本可控制盾尾渗漏。如果盾尾仍发生渗漏，可采取应急措施，从管片注浆孔向外压注聚氨酯，形成环圈，封闭漏水通道，管片接缝间出现渗漏，及时进行堵漏处理，防止渗漏水引起河底下沉对河流产生破坏。
参考文献：
[1]上下重叠地铁盾构隧道施工对邻近建筑物影响及控制措施研究[J].雷江松.铁道标准设计.2018（07）
[2]盾构隧道施工引起建筑物沉降的实用预测方法[J].魏纲，王霄，姜婉青，丁智.科技通报.2018（06）
[3]黏性土地层曲线盾构施工地表沉降预测研究[J].路林海，孙捷城，周国锋，谭生永，刘浩，李罡.铁道工程学报.2018（05）
[4]盾构施工技术 陈馈，洪开荣，焦胜军 人民交通出版社股份有限公司
论文作者:张维庆
论文发表刊物:《基层建设》2019年第6期
论文发表时间:2019/4/19
标签：盾构论文; 压力论文; 地层论文; 隧道论文; 渣土论文; 管片论文; 区间论文; 《基层建设》2019年第6期论文;