中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司 江苏无锡 214000
摘要：随着国家综合国力的不断提升，各城市交通出行配套设施也愈发完善，但城市地面建筑密集度的逐渐增大，城市交通堵塞程度的日益提高，也就促使城市轨道交通作为城市交通体系发展的新思路和新力量正在迅速崛起。虽然城市轨道交通给人们的出行带来了很大的便利，但当前城市轨道交通施工在下穿既有长水域方面鲜有先例可循。本文以某城市轨道盾构区间为依托，通过施工参数试验分析、优化调整、对比总结，顺利高效完成盾构下穿既有湖域施工任务，为我国在复杂地质条件下盾构下穿长水域施工开辟了新思路。
关键字：盾构施工 下穿长水域 超浅埋富水复合地层
1 工程概况
本工程为该在建城市轨道线路的关键工程，也是当时国内城市轨道交通建设中盾构下穿的最长湖域隧道。盾构区间总长为6.2km，穿湖段总长3.65km（含隧道中间过岛），其中左线穿湖段长1.82km，右线穿湖段长1.83km。施工过程中，水域底至隧道顶部最小覆土厚度不足10米，最大覆土厚度也仅有10米之余。
根据地勘资料，本工程区间顶部覆土自上而下为①1淤泥土、 ①2素填土、 ③1黏土、③2粉质黏土、④1粉质黏土、④2粉砂夹砂质粉土及⑤粉质黏土等；其中盾构掘进范围内主要土层为④2粉砂夹砂质粉土及⑤粉质黏土。
结合地勘资料，本工程水文地质条件相对较为复杂，区间上方为既有长距离湖域，总蓄水量近百亿立方米，且湖域内支流交错，水系发育。地下水有潜水、微承压水及承压水，区间范围内主要为潜水及微承压水。
2 盾构机选型
目前国内常见的盾构机型有土压平衡盾构及泥水平衡盾构两种，其中土压平衡盾构多应用于黏土、粉土、砂土及淤泥质土等复合型软土地层中，泥水平衡盾构较前者应用范围更为广泛，可适用于多种地层。
依据本工程盾构掘进范围内主要土层为④2粉砂夹砂质粉土及⑤粉质黏土的实际情况，并结合下穿地层的渗透系数及我公司在类似地层的施工经验，我公司投入了两台铰接型加泥式土压平衡盾构机。
3 施工工艺及关键技术
3.1 掘进参数计算
（1）土压力计算
根据土压平衡盾构工作原理，基于力学原理，则掌子面水土压力的计算值应为：
盾构下穿既有湖域，结合地质纵剖图，其掘进范围内地层主要为④2粉砂夹砂质粉土、⑤粉质黏土，故掌子面正面水土压力可划分为三部分并分别计算，即既有湖水压力、①1淤泥层水土压力及其他土层水土压力（其他土层包括 ①2素填土、 ③1黏土、③2粉质黏土、④1粉质黏土、④2粉砂夹砂质粉土及⑤粉质黏土等）。
1）实际计算时，隧道顶部既有湖水可视为连续均布荷载，即
一般实际推进时，按照地表隆沉情况做为参照来判断推进土压力与实际地层的匹配性，并结合监测点位置及时进行调整，确保施工安全。
（2）注浆量计算
本工程所使用的两台小松土压平衡盾构机，主机外轮廓直径为6340mm，刀盘直径为6370mm，其同步注浆管道对角对称的布置在主机壳外侧，共计4组，如图1所示。本隧道设计成型隧道外径为6200mm，其中管片背后空隙采用同步注浆跟进填充。
系数K可按经验取1.0～1.2，且在盾构实际推进过程中，应根据地表监测数据及其他掘进参数进行综合调整。
应本工程选用机型同步注浆共4组注浆管道，其对称的分布在左上、右上、左下、右下四个位置，故选取各注浆点位的注浆压力时，应依据盾构拱顶水土压力进行调整分配。
3.2 实际掘进参数控制
结合施工参数计算情况，在实际掘进中，按陆域地层进入湖域地层、湖域地层掘进及湖域地层进入陆域地层三阶段分析如下：
（1）陆域地层进入湖域地层掘进
进入湖域段的地层纵断面图如图2所示，267环～320环为从驳岸进入湖底位置，刀盘中心深度-13.42m～-13.715m，掘进面由上部1～1.8m的粉砂层和下部4..5～5.5m的粉质黏土组成，上部土压力理论值为0.119～0.121Mpa，隧道为15.764‰的下坡，计算设定同步注浆压力A1、A4为0.20～0.22Mpa，A2、A3注浆压力为0.25～0.28Mpa，注浆量为4.0m3，注浆泵流量为90～135L/min。在进入湖域的初始100m内，采用在湖底设置钢管来布设监测点，进而根据监测数据调整掘进参数，确保掘进顺利。
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图2进入湖域段地质纵断面图
进入湖域后，地层土质分布相对较为均匀，其中砂层的厚度为1.5～2m，位于掌子面顶部。掘进过程中，土压力与计算值基本吻合，为0.11Mpa左右；1、4号注浆孔注浆压力取值较小，其中此段掘进注浆压力控制是重点及难点，要求在注浆量充足（即达设计量）的同时应防止过压击穿砂层。第270～290环的注浆压力和注浆量见表1、2。
表1 270环～290环注浆压力统计表
分析注浆压力情况，可以看出实际注浆压力的变化有两个阶段，以280环为分界，之前压力稳定在0.3Mpa，之后的压力降到0.2Mpa并稳定，该表清晰地表明了盾构机进湖位置，经核实与理论上的进湖环号完全相符。从注浆量的变化中可总结出进入湖底的过程中的地层条件的改变对注浆量的影响较小，前后10环的注浆量统计相差值平均为0.2m³。该段地层的掘进为整个湖底的掘进中的同步注浆效果检验提供了一个很重要的依据：湖域掘进过程中的同步注浆量较注浆压力显得更重要。
在刚进入湖域的第280环～第290环，推进速度为15～20mm/min，随后掘进速度调整至30～45mm/min。通过掘进，发现顶部土仓压力设定在0.11Mpa左右，能满足湖底稳定性的要求，并达到30～45mm/min的较高的掘进速度。
表3 270环～290环掘进上部土压力统计表
掘进压力的改变直观地反映了地层的变化，第280环前的土压保持在0.13～0.14Mpa，281环之后土压保持在0.11Mpa，与理论计算土压力相比降低0.01Mpa，但差值同样保持在0.02～0.03Mpa。
（2）湖域地层掘进
湖域段地质纵断面如图3所示，第290环～第920环为湖域下方掘进，本区域内粉砂层在盾构掘进断面范围内的分布沿线路延伸呈两段“V”型，砂层厚度为1.5～3m，其中第一段砂层厚度的增加和减少趋势都相对较为急剧，第二段较为缓和。此段掘进可按照实际情况结合计算值进行参数的逐步调整。本段隧道为3.503‰下坡。
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图3 湖域地层断面图
该段地层掘进过程中，按计算参数进行推进时，发生较为明显的变化，主要有：①渣土含水量明显增大。分析原因为：含水量随砂层厚度的增加同步增大；上一施工区域的扰动导致地下水的流向发生了改变，隧道后方地下水与掘进掌子面形成了渗水通道。但以上变化更好的改变了渣土的粘稠度，如此更有利于出渣，对施工工效起到了很好的促进作用。②A2、A3同步注浆管道的注浆压力较上一施工区域有所增大，为0.25～0.32Mpa，同时注浆量在砂层较厚区域亦有所增加，流量为140～170L/min。其中第一个“V”型地层（即第420～480环）的实际土压及同步注浆压力统计见表4、5。
表4 420环～480环掘进上部土压力统计表
表5 420环～480环注浆压力统计表
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在该区域的掘进中，掘进土压力的改变位置基本与地层变化线重合。表中的压力变化拐点的出现一般需要3～6环的掘进才能实现，表明土压平衡盾构机建立的是一种动态的土压平衡，土仓内的土体与掌子面的地层交叉影响，此时的被动土压力和主动土压力交替出现和发挥作用，正是这一系列连续的交替作用使得盾构机能够在保证掌子面稳定的同时实现前进。
表6 420环～480环注浆量统计表
从表6的数据来看，在湖域地层中的掘进注浆量保持在3.1m³，相对刚进入湖域地层的数量减少了0.3m³/环，相对隧道成型效果同样良好，无明显渗漏。分析原因为：针对进入湖域地层，掌子面水压力相对可能增大的特性，通过适当调整同步浆液的配合比是正确的，可通过试验适当提高水泥和粉煤灰比例，进而加快浆液凝固，有效控制管片上浮，提高隧道防水效果。
（3）湖域地层进入陆域地层
由湖域地层进入陆域地层段的纵断面如图4所示，第910环～第930环为上岸掘进范围，本范围内粉砂层厚度呈线性趋势增加，最小为1.2m，最大为6.2m。
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图4 从湖底地层进入陆域地层断面图
该区域内掘进实际参数根据地质及地面环境，进行了适当的调整，首先采用盾尾注浆设置环箍的形式进行盾构机后方止水，并及时在土仓内加入泡沫，改变渣土的流塑状态，确保出渣顺利。其次调整了顶部土仓压力，提高至0.17～0.18Mpa，如此在确保掌子面稳定的同时，也可防止地面及建构筑物的沉降。最后调整注浆量及注浆压力，其中A1、A2、A3、A4管道的注浆压力均有所降低，至0.2～0.23Mpa，注浆量均有所提高，至4.5～5 m3。
4 主要施工参数对比分析
4.1同步注浆对比分析
同步注浆采用的水泥砂浆浆液，在陆域、湖域交界地层掘进时，地层压力和覆土密实性的改变要求在进入湖域时的注浆压力适当减小，同时要保证注浆量的稳定；适当减小注浆压力是为了避免过高的注浆压力穿透隧道顶部砂层，并通过稳定的注浆量来保证空隙填充密实，减小湖域分界线附近的地表沉降。此时可通过A1和A3或A2和A4进行对角注浆，A1和A4分开使用的目的是减少注浆流量，从而控制浆液在隧道顶部的压力蓄积，达到适当减小隧道顶部注浆压力的目的；同时要适当提高A3或A2的注浆压力或流量，保证隧道底部的浆液充实，稳固管片。
在湖域地层中掘进时，同步注浆的主要作用是对管片嵌缝处的防水，在稳定注浆压力的同时要能实现对隧道管片四周的满堂注浆，此时可同时开启A1、A2、A3、A4四个注浆管路，适当调小浆液流量，保证注浆总量。
4.2实际土压力和理论土压力的对比分析
对从陆域进入湖域段、湖域段、从湖域进入陆域段中各选取一段较为稳定地层作为分析对象，摘取土压力值进行对比如下：
第一段（从陆域进入湖域段）：第270环～第290环
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图9 第270-290环实际土压及计算土压对比图
第二段（湖域段）：第420环～第480环
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图10 第420-480环实际土压及计算土压对比图
第三段（从湖域段进入陆域段）：第910环～第930环
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图11 第910-930环实际土压及计算土压对比图
综上，实际土压比计算土压整体要低0.01～0.015Mpa，而在上岸之后的掘进中所使用的实际土压比计算土压高0.01～0.015Mpa，通过分析发现原因不在于上岸之后地层深度和地层组成的渐变，决定性因素在于地表建构筑物的存在，上岸后的地表面为城市既有建构筑物，对地层沉降极其敏感，通过适当提高土压力形成主动土压力可以有效的防止地层隆起和沉降，降低施工风险。
5 结语
本工程的顺利完成标志着我国盾构技术已攻克长距离超浅埋、高渗水、高风险水域施工的超大难题，也为我国在华东富水复合地层中盾构施工积累了新经验，可供上海、江苏、浙江等华东沿海地区地下水系发育、施工沉隆要求高、下穿长距离水域、埋深较浅等复杂的复合地层盾构施工借鉴。
参考文献
1.史磊磊, 郭彩霞, 苏忍,等. 北京地铁14号线土压平衡盾构隧道穿湖风险分析[J]. 市政技术, 2015, 000(002):94-96.
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