浅埋盾构法在地铁工程中的应用研究

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摘要以南京地铁实际工程为背景，介绍浅埋盾构法在地铁工程中的应用。包括管片内力计算、抗浮设计、施工推进、监测等。

关键词地铁，浅埋盾构，内力计算，抗浮

中图分类号：U231+.3文献标识码： A

1、研究现状及工程应用

浅埋盾构工法，故名思意，是在浅埋土、小间距情况下进行盾构法施工。按常规做法、规范规定，一般盾构区间要求覆土不小于1D，困难情况下不小于0.8D（D为盾构直径）。因此在推进中极易引起路面沉降、隆起等；浅埋土的抗浮、抗地面冲击荷载等问题都是该工法需要解决的问题。

目前过渡段的做法通常为设置一段U型槽，明挖矩形隧道，在隧道覆土、线间距满足要求的地方 设置盾构井，然后才是盾构区间。此种做法的缺点很明显：工法多、工期长、占用场地多、对地面交通影响大、经济性不好。如图1对比：

图1 常规盾构法与浅埋盾构法对比

如图1所示，浅埋盾构具有明显的优点：无需盾构始发及接收井、地面始发、接收。占用场地小、施工工期短、工法单一、对地面交通影响小。在寸土寸金的大城市，推广浅埋盾构工法，具有必要性。

浅埋工法已在日本部分工程采用，取得的效果不错：日本株式会社大林组2003年开始研发盾构地面始发、地面到达快速施工技术。2004年9月完成盾构试验机研制，2005年完成试验段施工，2008年在中央环状品川线大井地区进行了工程应用。目前国内尚无工程采用浅埋盾构工法，本工程属于国内首例。

2、浅埋盾构法设计

2.1 设计概况

禄口国际机场~南京南站线路全长约34.9km，高架段长约16.3km，过渡段长约0.8km，地面线长1.5km，地下段长约16.3km；共设置8座车站，7个区间 其中：高架车站3座 地下车站5座。本工程位于秣将区间过渡段、将军大道上，左线长约124.6m，右线长约123.7m，总长约248m 。隧道上方为空地，周边环境情况良好。现场上方斜交通过50万伏高压线，此段隧道原设计为地下和高架的明挖过渡段，采用明挖施工。为规避高压线路输电风险，且考虑超浅埋线路要求，并为了配合浅埋盾构工法的科研试验研究，现调整为非开挖的无工作井盾构法进行暗挖穿越。工程主要涉及地层为①2素填土、②1b2粉质粘土、 ②3c2粉土、④1b1粉质粘 土、J31-1全风化安山岩。场地下无明显承压水；对工程建设影响不大。

2.2始发导坑设计

导坑位于既有将军大道上，周围为空地，导坑全长：46.49m。线路坡度：2.80% ，基坑宽度：20.7~19.1m ，基坑深度：9.4m~10.30m，导坑采用放坡+钻孔桩+锚索的围护形式；如图2所示。

图2 始发导坑设计图

2.3浅埋盾构管片设计

管片设计：衬砌外径6200mm，内径5500mm，管片厚度350mm，环宽1200mm，衬砌环由1个封顶块、2个邻接块、 3个标准块组成。 管片连接采用斜螺栓；错缝拼装 ；对较浅处考虑盾构推力不足采用长螺栓拉紧。

2.4管片计算

使用阶段考虑覆土为1.89（考虑锚杆作用进行对比）、2.165 （考虑锚杆作用进行对比） 、3.1、6.2m四种情况，地下水位为1.0m，地面超载为20kPa，侧向土压力采用静止土压力；计算结果如表1所示。

表1 不同埋深管片内力计算结果

覆土(m) 1.89 2.165 3.1 6.2

最大正弯矩(kN*m/m) 34.6 37.6 47.8 81.8

最大负弯矩(kN*m/m) -33.1 -36.0 -46.1 -80.0

最大轴力(kN/m) 235.5 249.3 297.4 459.4

最小轴力(kN/m) 133.2 143.6 178.8 295.6

2.5抗浮设计

抗浮水位按极限状态地面计算时，抗浮安全系数1.08，不满足抗浮要求。需采用打设锚杆的形式抗浮。综合考虑工程的重要性后得出：锚杆打设范围为靠近洞口的8环。打设长度为8.65m。注浆体为Φ150、C25水泥砂浆，杆体为强度等级HRB335、D20螺纹钢。

3、施工概况

3.1 浅覆土推进

右线盾构推进至79环~84环为超浅覆土段，隧道覆土厚度变小，长度7.3m,含覆土渐变段1.3m。隧道断面的主要土层为④1b1粉质粘土。在此工况下可能出现的问题：开挖面失稳、盾构机背土、浆液外窜和隧道上浮。为此采用以下措施：

1) 优化施工参数

①推进速度

推进速度控制在8mm／min。

②土压力

由于此段推进过程中，盾构切削面为粉质粘土，土压力设定根据监测数据，调整土压力，确保土体稳定。

③注浆量和注浆压力

通过同步压注改良型厚浆及时充填建筑空隙，减少施工过程中的土体变形。推进注浆量一般为建筑空隙的110％。即每推进一环推进注浆量为2.3m3。注浆压力控制在0.5Mpa，四个压浆孔均匀压注，泵送出口处的压力控制应略大于周边的水土压力。待盾尾到超浅覆土段时，压浆量总量调整到100%（2.1m3），上部45%，下部55%；压浆压力上部0.4Mpa，下部0.5Mpa。压浆量和压浆点视压浆时的压力值和地层变形监测数据而相应调整。

④出土量

出土量控制在98%，适当欠挖，保证正面土体密实。

⑤含预埋钢板管片

浅埋盾构段从67环~75环使用顶部内弧预埋钢板管片，从76环~103环使用顶部内外弧预埋钢板管片。超浅覆土段为79环~84环，拼装好后需用钢板进行焊接，加强管片之间连接受力。

2）土体改良

根据前面的施工经验，选取合适的土体改良方式。泡沫剂存在压力高、泡沫中含大量气体，易产生冒顶现象，故在这段施工中选用膨润土。压注量按实际施工时的需要进行调整。压注过程中要观察上方土体情况，控制不能出现冒顶现象，上部压力要视地面情况降低，保证地面土体的稳定。

3）观察上方土体状况

超浅覆土段推进过程中，上方土体很可能随着土体移动，因此要派专人观察上方土体变化，结合监测数据，视情况降低推进速度。

4）螺旋机出土

由于刀盘正面覆土较浅，土仓压力设定较低，螺旋机会出现出土较难的问题。故要从刀盘下方和螺旋机内注入膨润土，从而增加土体流动性。

5）推进轴线控制

施工过程中轴线纠偏要做到“勤测、少纠”，避免大幅度纠偏，以此来减少因轴线纠偏而形成的土体超挖量，避免因超挖量过大造成土体损失和移动，使盾构均衡匀速施工。

6）防冒顶的技术措施

①严格控制出土量，原则上按理论出土量出土，可适当欠挖，保持土体的密实。

②若出现机械故障或其它原因造成盾构停推，及时采取措施防止盾构后退。

③严格控制注浆压力，以免注浆压力过高而顶破覆土。

3.2 施工中抗浮

隧道上浮应急措施:

1)地面上方堆土

使用现场集土坑内土体快速堆载到隧道施工区域，增加覆土高度和重量。

2)隧道内压重

盾构拼装工作面之间区域采用管片进行压重，管片可叠放2层，当管片吊离并拼装后，后续管片运至工作面补充。在管片堆载区域两侧，在不影响盾构正常掘进的情况下，在隧道两侧制作支架，采用压铁进行压重。

如有必要在隧道内采用铁块进行压重。堆载区域采用3m长的长轨枕将电机车和车架抬升，轨枕上表面与隧道底部距离56cm，轨枕以下空间可堆载压铁，堆载量约为5T/环。盾构第一节车架与拼装工作面之间有9环距离，压铁堆载在第一节车架前3环开始，与盾构推进同步进行堆载作业。堆载压铁以不影响正常施工为前提条件。

3.3 施工降水

开启隧道两侧降水井和导坑内降水井，进行降水作业，使地下水位降低至隧道底部1m。

4、理论计算与实际对比

为了验证理论模型的准确性，本节采用弹簧建模方法建立与试验工况相同的有限元计算模型，选取几个试验工况进行计算，对衬砌内力和变形进行对比。

取埋深-0.3D、埋深0D 及埋深0.3D 两个工况进行对比，对比结果显示计算衬砌变形及内力结果趋势与试验结果完全吻合。埋深-0.3D工况计算水平收敛变形为-2.13mm，竖直收敛为2.06mm，试验水平收敛为-1.82mm，竖直收敛为1.65mm。埋深0D工况计算水平收敛变形为3.45mm，竖直收敛为-3.66mm，试验水平收敛为3.06mm，竖直收敛为-4.28mm。埋深0.3D工况计算水平收敛变形为3.47mm，竖直收敛为-3.40mm，试验水平收敛为3.13mm，竖直收敛为-3.25mm。计算衬砌弯矩与试验结果趋势吻合，数值略有差异，但是不大，计算衬砌轴力与试验结果相差较大。

5、结论

浅埋盾构法可广泛应用于轨道交通过渡段、市政工程下穿道路、河流等；本工程为浅埋盾构的推广提供宝贵的设计、施工经验。但本工程属于实验段，并未真正实现无工作井、零覆土始发，有待于在以后的工程中进一步改进。

参考文献

宋仪 鹤傅林 张敬宇．浅埋盾构隧道土压力浅论．建筑机械化，2012.10.10

董正方 王君杰 赵东晓 王文彪．浅埋盾构隧道地基弹簧刚度的求解方法．土木建筑与环境工程，2013.12.15

南京机场线秣陵～将军路区间浅埋盾构设计图纸及汇报文件 ．广州地铁设计研究院有限公司、上海市城市建设设计研究总院 ．2012.05