当前, 我国多数大中型城市均在进行地铁工程建设, 同时诸如北京、上海等城市已经形成了高度发达的地下轨道交通网络。但纵观当前的工程现状, 在软弱地层浅覆土盾构的施工难度普遍偏大, 其中存在诸多亟待解决的技术难题, 严重制约了地铁工程的开展。对此, 有必要进行相应的技术探讨, 本文提出的浅覆土盾构掘进技术, 可以创造更为稳定的施工环境, 大幅提升工程质量。

某市地铁3号线工程建设中, 该施工区段对应总长为1 317.744m, 以盾构机设备为基础, 由南站作为始发掘进点, 最终施工至北郊车辆段。勘察结果表明, 盾构机始发区域的覆土为4.1m, 其中最低处为3.7m, 在此之后出现转折并以3.2%的幅度下坡。

工程技术人员对项目所在区域进行了勘察, 发现出段线隧道拱顶埋深浅层地层具有明显的软弱特性, 这对盾构机始发与掘进作业提出了较高的要求。此现象对于省道公路下方而言更为明显, 受其车流量较大的影响, 路面及其周边均会出现不同程度的沉降。地面沉降控制是本工程的重点内容。

盾构机在进行掘进施工时将会引发地面沉降现象, 其诱发因素多种多样, 诸如支护力超出了合理范围、浅覆土土压明显偏低等。考虑到此类问题, 工程采取了针对性处理措施: (1) 对地面土体进行加固处理, 由此提升其承载水平; (2) 给予隧道上方一定的压力; (3) 对所使用的盾构设备参数进行优化; (4) 基于同步注浆的方式进行施工, 并在间隙处填入适量的浆液。

对于南站盾构始发端头井区域而言, 其表现为明显的硬塑状特性。经勘察后得知, 该区域内地下水较少, 因此以大管棚注浆技术为基础, 并综合引入了地面袖阀管注浆技术。经施工后, 所得到的地基加固长度达8m, 宽度达3m, 同时深度达4m, 基本可以满足后续的施工要求。

定位到始发洞门隧道顶部120°区间, 在此基础上进行大管棚注浆加固处理, 所使用管棚材料的规格和布置方法如图1所示。在施工过程中, 以水泥单液浆为宜, 控制水灰比1∶1的状态, 将注浆压力稳定在0.3～0.5MPa。

在进行地面袖阀管注浆加固施工时, 所得到的加固范围与上述相同。但需注意的是:孔间距应控制为800mm, 并采用梅花形布置方式。将水泥和膨润土作为原材料, 由此制得袖阀管套壳料, 施工中二者的水灰比以1∶1.5为宜;在进行注浆施工时需使用到双液浆材料, 水泥和水玻璃的配比以1∶1为宜。注浆压力对于施工质量起到了尤为重要的影响, 应将其控制在0.2～0.5MPa, 加固孔布置方案如图2所示。

经勘察后可知, 浅覆土中含有大量的杂填土及黏土, 受此影响应采用袖阀管注浆的方式进行加固处理, 经此操作后可确保土体抗压强度达到1MPa及其以上水平, 由此避免出现地面沉降现象。施工中应控制好加固范围, 将始发井端头作为起始点, 对其线路200m范围内进行处理, 以2m为间距进行布孔, 单个间距内的孔量以4个为宜, 所得到的孔深应达到3m, 同时直径以90mm为宜。

出于对盾构掘进安全方面的考虑, 对原方案中的堆土反压设计做出了相应的改进, 由此形成沿隧道轴线而铺设的40mm厚钢板, 此举进一步提高了盾构安全性, 保障了道路交通安全。

1) 土仓压力受区域内浅覆土的影响, 在对出段线进行掘进施工时, 难以将土压控制在合理范围内, 因此极易出现冒顶和超挖等问题。从成因上考虑, 诱发因素以水土压力为主, 此外还伴有一定程度的外部荷载。相比于隧道埋深高度而言, 本工程中浅覆土段的水位明显低于该值。因此, 可以根据公式:土仓压力= (土容重×埋深+外部荷载) ×土的静比侧压力系数+水密度×埋深进行计算。

2) 推进力及掘进速度这两大因素会对施工区域的上部土体造成严重影响, 随之引发土体变形。对于浅覆土层而言, 盾构设备的重点施工对象为黏土层, 出于提升地面稳定性的目的, 应将掘进速度控制在合理范围内, 本工程中以20～40mm/min为宜, 此外推进力以6 000～8 000kN为宜。

3) 出土量控制伴随着出土量的变化, 对应的浅埋段地面沉降程度也不尽相同, 通常情况下应以42.4～43.7m³为宜。

应严格控制同步注浆量, 本工程以4.20～4.86m³为宜, 尽管注浆量会对施工质量带来一定影响, 但注浆压力所带来的影响更为明显。经同步注浆施工, 28d后其强度应达到2.5MPa。

完成上述施工后, 有可能存在少量空隙, 此时需进行二次注浆处理, 由此起到稳定隧道管片状态的作用。此环节所使用的材料以双液浆为宜, 严格遵循2.1.2节的配比进行配制, 并将胶凝时间控制在20～35s。当管片脱离盾尾且数量达到2环后, 则由正1环作为起始点进行注浆, 此时应以2环为间距进行注浆。考虑到本工程的实际情况, 将3点和9点作为本次的注浆点, 施工中将压力稳定在0.25～0.30MPa。

由于上部覆土层的物理性质较为薄弱, 因此增大了掘进中出现冒顶现象的可能性。对此, 应重点关注掘进坡度与平面轴线这两大因素, 尽可能使二者处于一致状态。施工中的影响因素较为复杂, 需频繁进行监测, 并对偏差现象做出调整。基于此方式, 在最大程度上避免了土体扰动的现象。

各个阶段所对应的掘进速度存在差异, 端头井区域应以2mm/min为宜, 同时设备推力应≤8 000kN, 以方案中的理论值作为基准, 所得到的土仓压力应比该值略低, 本工程中以0.15MPa为宜。在后续的推进过程中, 可以加入适量的泡沫剂, 由此缓解刀盘受损。当完成20环掘进后, 需对区域内的地面沉降情况进行检测。对于浅覆土上部区域, 压力以32～36kPa为宜。

对实际监测结果进行分析可知, 在进行浅埋段施工时, 其对应的沉降量应处于-8～15mm。由参考工程所提出的10～30mm可知, 此次施工的地面沉降得到了良好的控制。

文章以地铁工程为背景, 围绕其软弱地层浅覆土盾构施工展开探讨, 提出了大管棚注浆和地面袖阀管注浆两种技术方法, 实际结果表明加固效果良好, 可以为盾构掘进施工创造稳定的环境, 而周边的地面交通也不会受到影响。文章所探讨的工艺方法具有高度可行性, 具有一定的参考价值。