南京地铁软土地层盾构掘进技术探讨

摘要：盾构施工普遍处于繁华的闹市区，地面情况复杂，如何快速顺利安全地完成盾构掘进就成了施工单位面临的课题。文章介绍了软土地层中盾构参数在各施工阶段的选择、掘进姿态控制、管片选型以及同步注浆的实施等。

关键词：地铁工程；软土地层；盾构施工；盾构掘进技术；管片选型；同步注浆 文献标识码：A

中图分类号：U455 文章编号：1009-2374（2016）17-0094-02 DOI：10.13535/ki.11-4406/n.2016.17.045

盾构施工普遍处于繁华的闹市区，地面情况复杂，如何快速顺利安全地完成盾构掘进就成了施工单位面临的课题，本文介绍了在南京地铁软土地层施工中的一些具体做法，从始发阶段到正常掘进阶段的掘进参数控制，盾构在掘进中的姿态控制和管片选型，最后还介绍了同步注浆参数的设定。从本工程实施的结果来看，本文介绍的这些具体方法都使得本区间盾构施工达到了很好的效果。

1 工程概况

南京地铁三号线D3-TA09标常府街站～夫子庙站区间北端起始于太平南路小火瓦巷，沿太平南路向南至四象桥北侧向东偏转并下穿秦淮河。隧道区间长度为869.490m，盾构区间线路设计最小曲线半径为350m，盾构掘进最大上坡为25‰，盾构最大下坡为17‰。

2 区间地质情况

隧道断面型式为圆形，内径5.5m，外径6.2m，轨顶标高为-5.296～-16.346m，底板埋深约在14.40～26.80m之间，覆土厚度为9.3～20.7m，其中过河段覆土厚度为14.0m左右，填土层之下，深度25.6～34.6m以上为粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉土、粉细砂及其交互沉积层。

3 盾构掘进参数

3.1 始发阶段

夫子庙站北端设置盾构始发井，隧道顶部埋深16m，顶部及上半部洞身为③-3b1-2粉质黏土，下半部洞身及底部为③-4b2-3+d2粉质黏土夹粉细砂。加固方法为三轴搅拌桩加上高压旋喷封堵，加固长度9m，加固宽度为隧道外径外3m，加固深度为隧道底部下3m。

刀盘进入加固区后，逐步建立土仓压力，在上部压力达到0.8bar后开始出土，然后以每环增加0.2bar的土压，到出加固区前上部土压达到2bar。加固区内的掘进参数：推力1000～1200t，速度5～10mm/min，刀盘转速1rpm，刀盘扭矩800～1000kNm。加固区内通过注入水进行渣良，每环注入量为2～3m3。加固区三轴搅拌桩主要为水泥浆置换土，掌子面水泥含量高、强度高，掘进速度慢，刀盘与掌子面摩擦产生大量热量，很容易结泥饼，要注意渣土状态和温度，做好渣良。

刀盘出加固区进入原状土后，隧道埋深16m，隧道断面地层为③-3b1-2粉质黏土、③-4b2-3+d2粉质黏土夹粉细砂，隧道上部为3m厚的③-3b1-2粉质黏土弱透水层，下部为③-4b2-3+d2粉质黏土夹粉细砂含层压水，上部土压保持在2bar，推力为1200～1500t，掘进速度为30～40mm/min，刀盘转速为1～1.5rpm，刀盘扭矩为1000～1500kNm，注入泡沫进行渣良，发泡率FER为3∶1，浓度为1.5%～3%，每环注入混合液量为1～2m3。

3.2 刘公巷-秦淮河段

隧道断面地质为③-3b1-2粉质黏土、③-4b1-2粉质黏土、③-4b2-3+d2粉质黏土夹粉细砂。土压隧道埋深的增加而增加，土压为2.1～2.3bar，推力为1200～1500t，推进速度为30～40mm/min，刀盘转速为1～1.5rpm，刀盘扭矩为1500～2500kNm，由于下穿建筑物较多，土压的稳定非常重要，推进严格控制出土量，控制好出土速度与推进速度匹配，防止土压波动过大，推进速度要稳定不能过快，在下穿秦淮河时由于河道内埋深较浅，在刀盘到达河堤南端时开始降低压力，在河底土压为1.9bar，刀盘到达河堤北端时土压增加到2.3bar。注入泡沫进行渣良，发泡率FER为3∶1，浓度为1.5%～3%，每环注入混合液量1～2m3，为预防结泥饼，泡沫中加入分散剂混合使用。

3.3 秦淮河-马府街

过秦淮河后盾构沿太平南路向北，区间地质主要为③-3b1-2粉质黏土、③-4b1-2粉质黏土，隧道处于弱透水层中，状态为硬～可塑，干强度、韧性中等。盾构推进土压为2.1～2.4bar，由于土层较硬、土质韧性高，推力和扭矩都比较大，推力为1400～1700t，掘进速度为40～60mm/min，刀盘转速为1.5～2.0rpm，刀盘扭矩为2500～3500kNm。注入泡沫进行渣良，发泡率FER为3∶1，浓度为1.5%～3%，每环注入混合液量为2～3m3，为预防结泥饼，泡沫中加入分散剂混合使用。

3.4 马府街-小火瓦巷

过马府街后隧道继续沿着太平南路向北，区间地层主要为②-3b4+c3粉质黏土、淤泥质粉质黏土夹薄层粉土，粉质黏土为流塑（局部软塑）、粉土稍密，饱和，局部夹层状粉土，水平层理较发育，光泽反应弱，有轻微摇震反应，韧性、干强度中等偏低。推进土压为2.0～2.3bar，推力为1100～1500t，掘进速度为30～50mm/min，刀盘转速为1.0～1.5rpm，刀盘扭矩为700～1500kNm。由于土层为饱和、流塑状态，是很理想的渣土状态，无需进行渣良。

4 姿态控制

在实际施工中，由于地质突变等原因盾构机推进方向可能会偏离设计轴线并达到管理警戒值；在稳定地层中掘进，因地层提供的滚动阻力小，可能会产生盾体滚动偏差；在线路变坡段或急弯段掘进，有可能产生较大的偏差，因此应及时调整盾构机姿态、纠正偏差。

4.1 竖直方向纠偏与水平方向纠偏

控制盾构机方向的主要因素是千斤顶的单侧推力，当盾构机出现下俯时，可加大下侧千斤顶的推力，当盾构机出现上仰时，可加大上侧千斤顶的推力来进行纠偏。盾构纠偏的基本原则是盾构与设计轴线水平与竖向偏差控制在75mm（设计容许偏差100mm）以内为目标，避免纠偏过猛，保证管片拼装所需的最小盾尾间隙，每环的最大纠偏量不大于9.0mm。

4.2 盾构上下倾斜与水平倾斜

盾构掘进过程中可能存在盾构机轴线与隧道设计轴线方向的偏差，为了保持盾构良好姿态，避免管片的受力不均，盾构上下倾斜与水平倾斜应控制在2%以内。避免因管片衬砌环的中心和盾构机的中心有偏移，使管片局部受力过大引起管片破损。

5 管片选型

通过对管片选型的影响因素进行分析，确定管片选型的原则有两个：（1）管片选型要适合隧道设计线路；（2）管片选型要适应盾构机的姿态。

采用通用楔形管片作为隧道衬砌，管片外径为6200mm，内径为5500mm，厚为350mm，长为1200mm，管片楔形量为37mm，分为左转、右转、标准三类。转弯环通过不同的旋转位置，将产生不同的上、下、左、右超前量，左转环拼装在15点位置，3点位置的超前量最大，12点位置的超前量最小，右转环拼装在1点位置，12点位置的超前量最大，3点位置的超前量最小。通过不同位置管片的拼装，实现对隧道轴线的拟合，因此拼装前管片的选型至关重要。管片及拼装点位的选择根据盾构姿态、油缸行程、交接行程、盾尾间隙进行综合的运算，并预测未来几环的盾构姿态、盾尾间隙的趋势。

运算步骤为：（1）从导向系统上记录主机位置和姿态的所有信息，以及盾尾间隙的数据；（2）列出公式的首部分、趋势、油缸行程差和盾尾间隙；（3）计算掘进完成的趋势和油缸行程差；（4）预测管片的类型和安装点位；（5）计算安装完成后的油缸行程和盾尾间隙；（6）把趋势和油缸行程以及盾尾间隙作为初始条件列入下一个计算循环。

当所选管片及拼装点位在跟调整油缸行程和调整盾尾间隙之间出现冲突时，如果盾尾间隙没有达到警戒值，优先考虑调整油缸行程，如果盾尾间隙达到警戒值，优先考虑调整盾尾间隙。

6 同步注浆

同步注浆材料采用新型厚浆，新型厚浆浆液材料在具备大比重、低稠度、高剪切性能的同时，提高了材料的保水、抗稀释性能，这不仅保证了隧道长距离施工工况条件下浆液的质量和易性，有效提高了隧道整体质量，而且使得浆液在注入土层后的分散性大大降低，起到了有效控制地面沉降，保持隧道稳定的作用，其缺点是初凝时间长，固结后强度低，使管片上浮量大。

浆液通过盾尾安装的四条管路注入管片与土层之间的建筑间隙，注浆量计算公式为：

Q=kπ（D2-d2）L/4

式中：Q为注浆量；V为理论空隙量；D为刀盘开挖直径6.42m；d为管片外径6.2m；L为管片长度1.2m；k为注浆率。

为了使浆液注饱满，起到很好的填充支护作用，防止地面沉降，浆液注入量要比理论空隙量大，结合地质情况、盾尾间隙等因素，注浆率k一般为120%～200%，每环注浆量就控制在3～5m3。在刘公巷―秦淮河这段，为控制地表沉降，每环注浆量在5m3左右；秦淮河-马府街这一段地层为③-3b1-2粉质黏土、③-4b1-2粉质黏土，隧道处于弱透水层中，注浆量为3.5m3左右；马府街-小火瓦巷这段地层是②-3b4+c3粉质黏土、淤泥质粉质黏土夹薄层粉土，状态为流塑，注浆量为4～5m3。

注浆压力过大，会造成土体扰动而造地面成后期沉降及隧道沉降，还会造成跑浆；注浆压力过小，注浆速率降低，注浆量不足，加大地面沉降。根据实际地质情况和厚浆的特性同步注浆压力控制在0.3～0.8MPa。

7 结语

常～夫区间的盾构施工已安全顺利完成，如本文所述，作为一名盾构施工管理人员，应该与盾构司机建立通畅的交流机制，在施工中做到如下三点：（1）对参数的敏感性：所有的参数都不是一个固定的值，都是在一个范围内不断变化着，要对参数的任何一个变化都做出分析和判断，还要对前面的参数总结出其中的规律，为后面的掘进工作进行指导；（2）对渣土进行分析的能力：根据渣土的状态分析能判断出土层的状态、地质的变化情况、渣良状况等；（3）预测能力：能根据当前的坡度、转弯半径、掘进参数、盾构姿态、盾尾间隙这些资料，经过综合分析和运算，预测未来几环的盾构姿态、地质变化情况等，为未来几环提前做好参数调整、姿态调整、管片选型。

参考文献

[1] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京：中国建筑工程出版社，2004.

[2] 竺维彬，鞠世健.复合地层中的盾构施工技术[M].北京：中国科学技术出版社，2006.

作者简介：龚彬（1981-），男，湖南长沙人，供职于中铁五局集团电务城通工程有限责任公司，研究方向：盾构施工。