淺覆土盾構法隧道施工及管線保護控制技術
發布時間：2010-01-14 共1頁
淺覆土盾構法隧道施工及管線保護控制技術上海已建的盾構法地鐵隧道多集中于深埋、建筑密集的地區，施工方法及環境保護技術已漸趨成熟，而在淺覆土區間隧道中仍然是個技術難題。本文結合了上海地鐵二號線浦東新區龍東路～中央化園區間隧道上行線的工程實例，針對盾構法淺覆土區間隧道施工的有關技術進行了初步探索和總結。
1、工程概況
上海地鐵二號線浦東新區龍東路～中央公園內間隧道上行線工程兩端頭井全線總長782.402m，采用法國FCB公司提供的外徑6.34m土壓平衡式盾構機，隧道內徑5.5m，由六塊寬1m的高精度鋼混凝土管片拼裝而成。本區間隧道主要穿越了上海地區相沉積第(2)－2層灰色砂質粉土、第(3)層淤泥質粉質粘土和(4)層灰色淤泥質粘土。該土質滲透系數小，特征為飽和，流塑、土質均勻，屬高壓縮性土。本隧道最的特點在于覆土淺,覆土深度（距隧道頂部）在2.60～9.0m之間，在出洞洞口處最淺僅有2.60m，而且在離出洞口后的300m以內平曲線曲率半徑?。?99.851m）豎向坡度，最值達到24.17％，平均值在21％左右；盾構在該淺覆土段將穿越內環線龍東路段，共有12道公用管線分布在道路下,并在龍東路段一側有一根φ1600mm的污水南干線管線與隧道軸線斜交，施工條件相當苛刻。
2、有關參數的理論選定值
2.1、地表橫向斷面沉降槽寬度的預測由PECK法地面沉降量的橫向分布估算公式計算最沉降量：Smax＝V1/2π.I＝V1/2.5iV1－－盾構隧道單位長度地層損失量（m3/m），控制在2.5％，V1＝2.5％×π×3.1×3.1＝0.754m3/mi－－沉降槽寬度系數（m）I＝R×（Z/R）＝3.32～6.06m地面至隧道中心深度，約為5.8～12.1mSmax=5～9cm在距離隧道軸線9m處，沉降量衰減到最沉降值的14％左右，所以有關監測斷面沉降槽的設定寬度為18m。
2.2、注漿量和注漿壓力的選定盾構推進的理論建筑孔隙GP計算公式為：GP＝π×（R2－r2）×L＋g＝1.52m3R:盾構外半徑r：管片外半徑L：環寬，取為1m，G：盾殼外6根注凍管肋總體積。理論上講，漿液需100％充填建筑總空隙，但由于通常的漿液失水固結，盾構推進時殼體帶土使開挖斷面于盾構外徑，部分漿液劈裂到周圍地層,導致實際注液量要超過理論注漿量按照以往工程實踐，采用理論值的150％～200％進行注漿，即控制在2.2～3.0m2之間，注漿壓力為0.5Mpa。
2.3、總推力和推進速度的選定盾構總推力應等于盾構進過程中所遇到的各種阻力，包括盾構外殼與周圍土層摩阻力F1，切口環刃口切入土層阻力F2，襯砌管片與盾尾之間的摩阻力F3，盾構自重產生的摩阻力F4，開挖面支撐阻力F5（地層產生的主動土壓力），經計算得到總推力為8755KN。推進速度也即千斤頂頂速度的確定主要參照施工中反饋的各種信息，如地表沉降速率，軸線偏差、襯砌管片拼裝質量、工期要求等因素，本工程考慮在2.5～3.5cm，min之間。
2.4、其它參數的選定密封倉土壓力設定為0.12～0.20Mpa：刀盤轉速控制在0.50轉/min；出土量按每年土方體積計算約為32m3左右。
3、地面監測體系
3.1、盾構初推進試驗段第一試驗的監測設置在盾構出洞后有前2.6m，測點設置沿軸線點距一般為2.5m和3m，并設置了A、B兩個橫向斷面沉降觀測槽,第二試驗段設在過龍路段前30m的地帶上，沿軸線3～4m設1個測點，同時也布設了C、D兩個沉降槽。沉降槽斷面寬度為左右各9m，分別布設了3個監測點。
3.2、龍東路段及φ1600mm污水管線在龍東路上測點的布設基于不妨礙車輛的通行，采用長鋼筋布點，沿軸線點距一般為4～5m，并在沿軸線二側各增設一排測點，形成較密集有點群,另外沿路中央及兩側綠化隔離帶（管線走向）布設E、F、G三條沉降槽，點距為4m，其范圍以達到影響區邊界為原則，沉降槽的布設是為了監測和分析地下管線彎曲變形程度。沿污水管線走向在軸線兩側各設置的四座測點，點距4m，埋深1.2～1.5m。
施工技術措施及監測成果分析為了保證盾構在淺覆土區域內順利穿越道路管線和污水干線管道，在出洞100m以內為盾構試推進期，其間及時對土倉壓力、推進速度、總推力、出土量，刀盤轉速、注漿量和注漿壓力等施工能數進行調整，以取得最佳施工參數；當盾構到達及穿越主要目標時，以推進速度和出土量為主要控制指標；當盾尾脫離內襯砌后，出土量為主要控制指標；當盾尾脫離內襯砌后，以注漿量作為主要控制指標，并根據管線附近的地表變形值及時反饋到盾構推進工作室，及時調整有關施工參數，達到信息化施工。
4、施工中采用的參數和施工過程
盾構推進過程中還必須滿足上海地鐵工程盾構推進中心軸線控進標準－50mm～＋50mm（包括平面、高程偏差）、地表沉降的控制標準－30mm～＋10mm以及對各管線變形嚴格的保護要求，施工中采用的參數和過程如下：
4.1、盾構初推進本工程段由于盾構機剛進入土層內，盾構姿態的調整是個難點，各項施工參數經常處于不穩定的狀態。根據盾構推進記錄報表來看，從35m到75m隧道由軸線高程偏差值均超出50mm的允許值并有繼續發展的趨勢，盾構機頭也有抬頭，而且從A、B沉降槽和縱向沉降曲線來看，在淺覆土推進區內，沉降值多超過－30mm，個別點位嚴重超標，只是由于該軸線段處在空礦地帶，尚未對環境造成太的影響。分析其原因歸結起來有以下幾點：
a、淺覆土區盡管已堆土加載，但覆土仍屬欠固結土，土質松散，再加上盾推進時遇上雨期，下沉速率加快，引起沉降偏；
b、漿液材料配合比的不確定性和注漿量的不穩定性；在初推進期，漿液材料配合比曾采用其他單位推薦的惰性漿液配合比值,試驗下來稠度太；另外由于隧道小半徑右轉變，并沿24％的坡度向下推進，有些襯砌環外壁容易積聚惰性漿液，在盾尾與襯砌環局部孔隙也容易出現漿液滲漏的問題，導致一些襯砌環注漿量的增多，最值竟達3.2m2，也引起襯砌管片的上浮。
c、盾構機械故障問題：由于該盾構曾在上海地鐵一號線使用過，部分機械設備容易出現故障，導致盾構被迫停止向前推進，停留時間過長，引起地面沉降量增。針對已出現的這些問題，施工單位果斷采取了以下措施：
a、對有關施工技術參數進行及時調整，將盾構力盤油壓穩定在8.5～10.0Mpa之間；刀盤轉速仍為0.5轉/min；土壓力值的設定由原來的0.2Mpa減小到0.12MPa;推進速度為3.5～4.0mm/min，每天推進速度由5m提高到8m～10m；在更換漿液配合比時，采用前文所述的配合比后，注漿量控制在2m3～2.2m3，采取少量我次的注漿方法,注漿壓力為0.5MPa；
b、采取在襯砌環外壁粘貼海棉止水帶的堵漏措施，對盾容易產生漏漿的部位，充填油脂的使用必須到位；
c、加強設備的維修保養工作，每日定時對設備進行檢查工作，避免機械故障帶來的不必要誤工。從85cm開始到第二試驗段，軸線高程偏差很快被控制住,高程偏差值在+25mm～35mm之間，平面偏差值維持在＋25mm左右，而且地面沉降也沒有出現過多的點位超標，盾構的姿態也好轉，已具備了穿越龍東路的各項條件。
4.2、龍東路段盾構在穿越龍東路時的各項技術參數為基于前期調整后的值，有關參數為：盾構推進坡度為20％～24％；頂進速度為3.5～4.0cm/min；土壓力值設定為0.14MPa；刀盤油壓為8.0～9.0MPa；注漿量為2～2.2m2注漿壓力為0.5MPa；從盾構機進入龍東路頭（122m）直到穿越（185m）的整個過程中，持續推進施工12天，每天完成5～6m的工作量，速度較慢，但從及盾構推進姿態情況來看,反映良好，不僅地面沉降控制得很好，而且管線基本上沒有很的變形，完全沒有影響。
4.3、ф1600污水南干線各施工技術參數值為：盾構推進坡度為22％；土壓力設定為0.20MPa；頂進速度為3.0cm/min；刀盤油壓設定為900N注漿量為2.0m3；注漿壓力為0.5MPa。沿污水管布設的沉降觀測點（槽）各點位沉降值都在20mm左右，達到了預期的效果。
5、結論
5.1、在淺覆土區域內盾構法隧道的施工中，用以防止地面沉降過的注漿措施是至關重要的。同步注漿惰性漿液材料的配合比的選定要因工程而異,象本工程中所采用的漿液配合比是在綜合地質情況、試驗結果、實際施工多方面因素選定的,這對淺覆土區間隧道盾構法施工是適用的；注漿量在淺覆土區域內不宜過，在理論孔隙值的120～150％之間即可，否則隧道軸線容易產生上飄，這一點與以往實踐所采用的理論孔隙值的150～200％所不同。
5.2、在曲率半徑小、越度的隧道中的盾構推進，各項施工參數的及時調整尤為重要，從本工程中反映出，不僅理論計算值與實際值有較的差異,而且以往經驗值和工程實際值也存在著一定的偏差。
5.3在盾構法隧道施工中，遇到管線或其它重要構筑物的保護問題時，對施工監測信息及時反饋到盾構施工作業面，并采取相關的措施是非常重要的。
1、工程概況
上海地鐵二號線浦東新區龍東路～中央公園內間隧道上行線工程兩端頭井全線總長782.402m，采用法國FCB公司提供的外徑6.34m土壓平衡式盾構機，隧道內徑5.5m，由六塊寬1m的高精度鋼混凝土管片拼裝而成。本區間隧道主要穿越了上海地區相沉積第(2)－2層灰色砂質粉土、第(3)層淤泥質粉質粘土和(4)層灰色淤泥質粘土。該土質滲透系數小，特征為飽和，流塑、土質均勻，屬高壓縮性土。本隧道最的特點在于覆土淺,覆土深度（距隧道頂部）在2.60～9.0m之間，在出洞洞口處最淺僅有2.60m，而且在離出洞口后的300m以內平曲線曲率半徑?。?99.851m）豎向坡度，最值達到24.17％，平均值在21％左右；盾構在該淺覆土段將穿越內環線龍東路段，共有12道公用管線分布在道路下,并在龍東路段一側有一根φ1600mm的污水南干線管線與隧道軸線斜交，施工條件相當苛刻。
2、有關參數的理論選定值
2.1、地表橫向斷面沉降槽寬度的預測由PECK法地面沉降量的橫向分布估算公式計算最沉降量：Smax＝V1/2π.I＝V1/2.5iV1－－盾構隧道單位長度地層損失量（m3/m），控制在2.5％，V1＝2.5％×π×3.1×3.1＝0.754m3/mi－－沉降槽寬度系數（m）I＝R×（Z/R）＝3.32～6.06m地面至隧道中心深度，約為5.8～12.1mSmax=5～9cm在距離隧道軸線9m處，沉降量衰減到最沉降值的14％左右，所以有關監測斷面沉降槽的設定寬度為18m。
2.2、注漿量和注漿壓力的選定盾構推進的理論建筑孔隙GP計算公式為：GP＝π×（R2－r2）×L＋g＝1.52m3R:盾構外半徑r：管片外半徑L：環寬，取為1m，G：盾殼外6根注凍管肋總體積。理論上講，漿液需100％充填建筑總空隙，但由于通常的漿液失水固結，盾構推進時殼體帶土使開挖斷面于盾構外徑，部分漿液劈裂到周圍地層,導致實際注液量要超過理論注漿量按照以往工程實踐，采用理論值的150％～200％進行注漿，即控制在2.2～3.0m2之間，注漿壓力為0.5Mpa。
2.3、總推力和推進速度的選定盾構總推力應等于盾構進過程中所遇到的各種阻力，包括盾構外殼與周圍土層摩阻力F1，切口環刃口切入土層阻力F2，襯砌管片與盾尾之間的摩阻力F3，盾構自重產生的摩阻力F4，開挖面支撐阻力F5（地層產生的主動土壓力），經計算得到總推力為8755KN。推進速度也即千斤頂頂速度的確定主要參照施工中反饋的各種信息，如地表沉降速率，軸線偏差、襯砌管片拼裝質量、工期要求等因素，本工程考慮在2.5～3.5cm，min之間。
2.4、其它參數的選定密封倉土壓力設定為0.12～0.20Mpa：刀盤轉速控制在0.50轉/min；出土量按每年土方體積計算約為32m3左右。
3、地面監測體系
3.1、盾構初推進試驗段第一試驗的監測設置在盾構出洞后有前2.6m，測點設置沿軸線點距一般為2.5m和3m，并設置了A、B兩個橫向斷面沉降觀測槽,第二試驗段設在過龍路段前30m的地帶上，沿軸線3～4m設1個測點，同時也布設了C、D兩個沉降槽。沉降槽斷面寬度為左右各9m，分別布設了3個監測點。
3.2、龍東路段及φ1600mm污水管線在龍東路上測點的布設基于不妨礙車輛的通行，采用長鋼筋布點，沿軸線點距一般為4～5m，并在沿軸線二側各增設一排測點，形成較密集有點群,另外沿路中央及兩側綠化隔離帶（管線走向）布設E、F、G三條沉降槽，點距為4m，其范圍以達到影響區邊界為原則，沉降槽的布設是為了監測和分析地下管線彎曲變形程度。沿污水管線走向在軸線兩側各設置的四座測點，點距4m，埋深1.2～1.5m。
施工技術措施及監測成果分析為了保證盾構在淺覆土區域內順利穿越道路管線和污水干線管道，在出洞100m以內為盾構試推進期，其間及時對土倉壓力、推進速度、總推力、出土量，刀盤轉速、注漿量和注漿壓力等施工能數進行調整，以取得最佳施工參數；當盾構到達及穿越主要目標時，以推進速度和出土量為主要控制指標；當盾尾脫離內襯砌后，出土量為主要控制指標；當盾尾脫離內襯砌后，以注漿量作為主要控制指標，并根據管線附近的地表變形值及時反饋到盾構推進工作室，及時調整有關施工參數，達到信息化施工。
4、施工中采用的參數和施工過程
盾構推進過程中還必須滿足上海地鐵工程盾構推進中心軸線控進標準－50mm～＋50mm（包括平面、高程偏差）、地表沉降的控制標準－30mm～＋10mm以及對各管線變形嚴格的保護要求，施工中采用的參數和過程如下：
4.1、盾構初推進本工程段由于盾構機剛進入土層內，盾構姿態的調整是個難點，各項施工參數經常處于不穩定的狀態。根據盾構推進記錄報表來看，從35m到75m隧道由軸線高程偏差值均超出50mm的允許值并有繼續發展的趨勢，盾構機頭也有抬頭，而且從A、B沉降槽和縱向沉降曲線來看，在淺覆土推進區內，沉降值多超過－30mm，個別點位嚴重超標，只是由于該軸線段處在空礦地帶，尚未對環境造成太的影響。分析其原因歸結起來有以下幾點：
a、淺覆土區盡管已堆土加載，但覆土仍屬欠固結土，土質松散，再加上盾推進時遇上雨期，下沉速率加快，引起沉降偏；
b、漿液材料配合比的不確定性和注漿量的不穩定性；在初推進期，漿液材料配合比曾采用其他單位推薦的惰性漿液配合比值,試驗下來稠度太；另外由于隧道小半徑右轉變，并沿24％的坡度向下推進，有些襯砌環外壁容易積聚惰性漿液，在盾尾與襯砌環局部孔隙也容易出現漿液滲漏的問題，導致一些襯砌環注漿量的增多，最值竟達3.2m2，也引起襯砌管片的上浮。
c、盾構機械故障問題：由于該盾構曾在上海地鐵一號線使用過，部分機械設備容易出現故障，導致盾構被迫停止向前推進，停留時間過長，引起地面沉降量增。針對已出現的這些問題，施工單位果斷采取了以下措施：
a、對有關施工技術參數進行及時調整，將盾構力盤油壓穩定在8.5～10.0Mpa之間；刀盤轉速仍為0.5轉/min；土壓力值的設定由原來的0.2Mpa減小到0.12MPa;推進速度為3.5～4.0mm/min，每天推進速度由5m提高到8m～10m；在更換漿液配合比時，采用前文所述的配合比后，注漿量控制在2m3～2.2m3，采取少量我次的注漿方法,注漿壓力為0.5MPa；
b、采取在襯砌環外壁粘貼海棉止水帶的堵漏措施，對盾容易產生漏漿的部位，充填油脂的使用必須到位；
c、加強設備的維修保養工作，每日定時對設備進行檢查工作，避免機械故障帶來的不必要誤工。從85cm開始到第二試驗段，軸線高程偏差很快被控制住,高程偏差值在+25mm～35mm之間，平面偏差值維持在＋25mm左右，而且地面沉降也沒有出現過多的點位超標，盾構的姿態也好轉，已具備了穿越龍東路的各項條件。
4.2、龍東路段盾構在穿越龍東路時的各項技術參數為基于前期調整后的值，有關參數為：盾構推進坡度為20％～24％；頂進速度為3.5～4.0cm/min；土壓力值設定為0.14MPa；刀盤油壓為8.0～9.0MPa；注漿量為2～2.2m2注漿壓力為0.5MPa；從盾構機進入龍東路頭（122m）直到穿越（185m）的整個過程中，持續推進施工12天，每天完成5～6m的工作量，速度較慢，但從及盾構推進姿態情況來看,反映良好，不僅地面沉降控制得很好，而且管線基本上沒有很的變形，完全沒有影響。
4.3、ф1600污水南干線各施工技術參數值為：盾構推進坡度為22％；土壓力設定為0.20MPa；頂進速度為3.0cm/min；刀盤油壓設定為900N注漿量為2.0m3；注漿壓力為0.5MPa。沿污水管布設的沉降觀測點（槽）各點位沉降值都在20mm左右，達到了預期的效果。
5、結論
5.1、在淺覆土區域內盾構法隧道的施工中，用以防止地面沉降過的注漿措施是至關重要的。同步注漿惰性漿液材料的配合比的選定要因工程而異,象本工程中所采用的漿液配合比是在綜合地質情況、試驗結果、實際施工多方面因素選定的,這對淺覆土區間隧道盾構法施工是適用的；注漿量在淺覆土區域內不宜過，在理論孔隙值的120～150％之間即可，否則隧道軸線容易產生上飄，這一點與以往實踐所采用的理論孔隙值的150～200％所不同。
5.2、在曲率半徑小、越度的隧道中的盾構推進，各項施工參數的及時調整尤為重要，從本工程中反映出，不僅理論計算值與實際值有較的差異,而且以往經驗值和工程實際值也存在著一定的偏差。
5.3在盾構法隧道施工中，遇到管線或其它重要構筑物的保護問題時，對施工監測信息及時反饋到盾構施工作業面，并采取相關的措施是非常重要的。
