昆明地铁敏感地段盾构法施工关键技术
摘要：昆明软土层中包含地质特性十分特殊的泥炭质土，土压平衡盾构法是该地区地铁隧道施工的主要方法。但在浅埋深、小半径、大上坡、小间距条件下，盾构机掘进对地层的扰动反映到地表的速度非常快，尤其是盾构机下穿城中村，成为该地区掘进的最大难题。本文对昆明地铁首期工程土建六标晓东村站～世纪城站区间盾构机掘进极敏感地段的关键技术进行研究，结合第三方监测结果，对该地段的累计沉降进行抽样分析。该盾构法掘进及其控制技术可供本标段盾构机下穿机场跑道掘进控制借鉴，且对于为同等地质条件，线路特点及地表情况下的盾构法掘进施工提供参考具有重要意义。
关键词：软土层、泥炭质土、土压平衡盾构法
Abstract:Kunming soft soil layer contains the peat soil that its geological characteristics is special, EPB shield law is the main method of metro construction in the region.But in the conditions that shallow buried depth, small radius,large uphill and shortspacing,it is very fast for the Shield tunneling machine disrupt the strata reflect at the surface,especially it tunneling under the villages in the city as the biggest problems in the region.In this paper, to reasearch the key technology of shield tunneling in the sensitivity area at the six standard in the first construct projection in Kunming subway between Xiaodongcun～Shijicheng section, combined with the third party monitoring results, sampling analysis the cumulative settlement in the region. The shield tunneling method and its control technology which could be reference for under the shield construction machine wear the airport runway in this section, for provide the same geological conditions,line features and surface conditions of shield tunneling construction with reference is of great significance.
Key words: soft soil layer、peat soil、EPB shield
一、工程概况
昆明地区软土层主要包括普通粘土和粉土，另外还包含一部分地质特性十分特殊的泥炭质土。昆明地铁首期工程土建六标（世纪城站至巫家坝站）含3个盾构法隧道区间，均需在密集城中村下穿过。奥体中心～巫家坝区间隧道还需在营运机场跑道下通过。本标掘进的第一个区间需在泥炭质土地层中掘进浅埋
深、小半径、大上坡、小间距双线隧道。线路全长左线为521.032m，右线为506.66m。区间线路在晓东村站始发后下穿华洋五金机电城，之后以350m半径曲线斜穿雨龙村（城中村）、丰乐寺，下穿永中路，最后到达彩云北路，经明挖区间出地面接高架进入世纪城站。区间地质从上至下依次为1素填土、3粘土、4粉土、5泥炭质土，其中洞身主要为3粘土、4粉土以及少部分5泥炭质土，泥炭质土地层位于小半径下穿城中村区段。区间隧道的纵剖面、下穿城中村平面位置及地面重要建筑实照分别见图1、图2和图3。
图1 晓-世区间地质纵剖面图
图2 盾构机下穿城中村路线图
图3 城中村实拍
二、工程难点
1、泥炭质土地层
泥炭质土呈深灰色或黑色，能看到未完全分解的植物结构，侵水体胀，易崩解，有植物残渣浮于水中，干缩现象明显。根据地区特点和有机质含量又细分为弱泥炭质土（10%≤Wu≤25%）、中泥炭质土（25%≤Wu≤40%）和强泥炭质土（40%≤Wu≤60%）。昆明地区泥炭质土具有很强的地域性，质较轻, 含有大量未分解的水草、木质腐殖质，约含10～35%有机质，局部有机质含量大于60%，相变为泥炭，含水量大，粘结性好，干缩性强，属Ⅰ级松土，盾构通过此地层时，因刀盘扰动可能导致泥炭质土分解液化，极容易发生机头下栽现象，尤其是长时间的停机，有导致盾构机整体下沉的隐患。
2、浅埋深
隧道拱顶埋深由始发时9.82米渐变至到达时4m，在离到达端30m处斜穿大型一条综合管沟，洞顶距综合管沟底最小净高仅为35cm。在软土层中，盾构掘进对地层的扰动反应到地表的速度非常快，尤其是埋深小于1倍洞径的情况下，在地表甚至能感觉到刀盘的震动。因埋深变化大，地面情况复杂，在掘进中调整好土仓压力和控制好同步注浆压力至关重要。
3、小半径
盾构机在小半径线路条件下掘进时，对地层的扰动比直线掘进要大得多，
不利于控制地表沉降。且在小半径条件下对姿态的控制和对通用环管片的选点拼装都是很大的难题。
4、大上坡
区间隧道最大线路纵坡为23.586‰，整个区间有1半以上都处于大上坡。
5、小间距
双线隧道在出洞端经明挖区间与高架相接，在出洞端净间距最小仅有1.86m，在即将出洞的30m范围内，双线中心距小于9m，线路间相互影响非常大。
6、下穿城中村
本区段受盾构机掘进影响的（隧道2倍洞径范围内）建筑物50栋，其中，盾构隧道从雨龙村穿越35栋民房。民房大都修建于上世纪90年代，基础采用毛石基础，地梁仅有40～50公分深，始建两层，近年又在原有2层房屋基础上继续加盖楼房，个别房屋加盖至7层。而楼房的结构柱仍就是30公分左右。所用砼均为人工拌合，强度偏低，房屋存在严重质量问题。另外，有几处民房在原河道位置，正好位于盾构右线，基础下为流沙。本段盾构隧道顶部与基础底部的垂直距离为8～9m左右。丰乐寺位于雨龙村中间部位，土砖、木梁结构，基础为0.5m毛石基础，建于1910年，由于年代久远，屋脊已有变形，墙垣裂缝明显，结构已将近失稳。2010年翻修过一次也并未对结构进行加固，只是对外墙进行粉刷装修。盾构要下穿城中村，对沉降的控制必须精确要求。
三、沉降控制标准
1、地表沉降值：-10mm～+5mm；
2、建筑物沉降：-5mm～+5mm。
四.施工关键技术
本区间穿越的建筑物多，穿越前认真检查设备，穿越时合理的调整推进速度，控制好注浆量，安排好各工序，使盾构匀速、慢速、稳定的推进，减少对周围土体的扰动，以达到控制地面变形，保证建筑物的安全与稳定的目的。
1、掘进模式
盾构机主要在3及4中掘进，拱顶上部主要为3、2。因洞身周围全为软土，下部甚至为泥炭质土，掘进时，易造成拱顶坍塌或整体下沉。土压平衡盾构机在掘进中以土仓为媒介，保持两种平衡：一为土平衡，即刀盘前方土体进入土仓和螺旋输送机从土仓抽土的量保持平衡；二为压平衡，即刀盘前方地层中的的
水土压力和刀盘后方土仓内压力保持平衡。本区间采用土压平衡盾构机掘进。要想达到土压平衡，必须通过渣土改良，让土体保持良好的流动性，成为传递平衡土压的最佳介质。本区间的渣土改良方式为向刀盘前方喷洒泡沫和水，以润滑土体，加强流动性。
2、掘进参数
（1）姿态参数
因本区间线路为350m半径右转上坡，为了防止栽头和保证超前量，VMT导向系统掘进时尽量将盾构姿态保持在第一象限，以水平和垂直偏差+20mm为参考值。
（2）设备参数
根据软土层掘进经验，推力调整至1000t左右，刀盘扭矩以2500kN·m左右为最佳，所以刀盘转速控制在1.1～1.4r/min，这样在软土层中，掘进速度一般为60mm/min。泡沫剂浓度设为：2.0%～4.0%，泡沫发泡率设为：6～10，注入压力略大于土仓压力，取0.3～0.5MPa为参考值。
（3）土仓压力
土压力的计算主要考虑地层土压、地下水压和预备压力三部分。根据地勘结果，本区间地层中孔隙水含量很少，所以本区间土仓压力计算以静土压力+建筑物荷载为参考。
静土压力：σ=kγz；式中k—土的静止侧压力系数，软土层中取0.5～0.7；γ—土的容重，kN/ m；z—计算点深度，m。
建筑物荷载：盾构穿越建筑物时，由于建筑物荷载产生附加应力的影响，地层中的应力场发生了变化，因此盾构推进过程中盾构开挖面的土压力也应随之变化，根据计算得到土仓压力的增量值，在进入建筑物影响的范围内，开始调整盾构土仓压力。在推进速度不变的情况下，减小螺旋输送机转速。
本区间粘土容重γ取18kN/ m，计算得σ：0.046～0.146 MPa，考虑建筑物影响，土仓压力变化参考值设为0.05～0.25MPa。
（4）出土量
刀盘直径：30mm，每环管片长度：1200mm；V=π=3.14×3.215×1.2m=38.95 m；本区间地层松散系数取1.24，出土量V=1.24V=48.298 m
（5）注浆参数
根据经验公式计算和施工经验，考虑到浆液的固缩性，注浆量取环形间隙理论体积的1.3～2倍，环间间隙为3.14*（3.2152-3.12）*1.2=2.74m3，则每环(1.2m)注浆量Q=3.5～6.85m3，本工程盾构机在盾尾处共设置4个注浆点（A1～A4），A1和A4在上平面，A2和A3在下平面，注浆压力理论计算公式为：上平面注浆压力=（拱顶水土压力+管道中的压力损失）×0.75；下平面注浆压力=（拱顶水土压力+管道中的压力损失）×1.25；其中管道中损失的压力为台车浆罐至盾尾（约12m）之间注浆管中的压力损失。土压平衡掘进的同步注浆压应与土仓设定的平衡土压匹配，一般略高于土仓平衡土压0.02Mpa，为保证达到对环向空隙的有效充填，同时又能确保管片结构不因注浆产生变形和损坏，根据计算和经验，注浆压力取值为0.07～0.27MPa。
３、掘进施工
盾构掘进速度对地面建筑物的隆沉变形有明显的影响。盾构掘进速度与土仓正面土压力、渣土改良、千斤顶推力、注浆压力、土体性质等因素有关，一般应综合考虑。
根据以往类似盾构法穿越建筑物群的经验，穿越时应调整好泡沫，控制合理的掘进速度，使盾构机匀速、慢速、稳定的推进，减少对周围土体的扰动，达到控制地面变形的目的，以免对上部建筑物结构产生不利影响。
在掘进过程中，充分做好协调组织工作，尽量避免或减少因出土、机械故障等引起的停顿次数，应尽量保持连续作业。同时，应该把出土量控制在理论值的98%左右，保证盾构切口上方土体能微量隆起，以减小土体的后期沉降量，且在施工中保持推进速度与出土速度相匹配，避免由于排土量变化而引起土仓压力变化。实际掘进时推进速度、土压和出土量仍需根据监测情况的参数及时进行调整。
４、注浆施工
（1）同步注浆
管环背面注浆是控制地表沉降的关键所在。良好的浆液性能体现在以下几个方面：浆液充填性好；浆液和易性好；浆液初凝时间适当，早期强度高，浆液硬化后体积收缩率小；浆液稠度合适，以不被地下水过度稀释为宜。
本区间同步注浆采用手动控制方式。为了保证更好的控制地面沉降，采取普通浆液和“准厚浆”两种浆液结合，根据实际情况调整注浆形式。
①普通同步浆液
a、注浆材料
采用水泥砂浆作为同步注浆材料，该浆材具有结石率高、结石体强度高、耐久性好和能防止地下水浸析的特点。
b、浆液配比及主要物理力学指标
本工程同步注浆拟采用表1同步注浆材料配比表所示的配比，在施工中，根据地层条件、地下水情况及周边条件等，通过现场试验优化确定。
表1 普通同步注浆材料配比（/方）及特性表
水泥 粉煤灰 砂 膨润土 水 初凝时间 强度（MPa） 压注效果
120kg 440kg 80kg 40kg 490kg 7h ＞2 不常堵管
②准厚浆
“厚浆”在国内始用于上海崇明岛过江隧道工程，盾构施工中用于壁后注浆并能保护尾刷不被水泥浆液板结进而破损，“厚浆”的配比起初由上海盾构专家提供，但由于使用时浆液泵送性和堵管问题与预期效果相差过大，我单位针对各方面情况对配比进行了改良，将浆液稀化，现称为“准厚浆”。
表2 准厚浆材料配比（/方）及特性
消石灰 膨润土 砂子 粉煤灰 水 减水剂 初凝时间 压注效果
70kg 70kg 800kg 400kg 400kg 2 48h 不常堵管
③普通浆与准厚浆特性比较
表3 普通浆与厚浆特性比较 强度 初凝时间 凝结后收缩率 比重t/ m3 压注效果
普通浆 2MPa 7～11h 高 1.5～1.7 不常堵管
准厚浆 1MPa 48h 低 >2 不常堵管
由此可见，准厚浆相比普通浆液的优点为稠度大，能很好的保证注浆压力，凝结后收缩率低，能有效控制地面沉降；缺点为初凝时间长，强度低。
④注浆速度
同步注浆速度应与掘进速度相匹配，按盾构完成一环1.2m掘进的时间内
完成当环注浆量来确定其平均注浆速度。
⑤注浆标准
采用注浆压力和注浆量双指标控制标准，即当注浆压力达到设定值，注浆量达到设计值的85%以上时，即可认为达到了质量要求。
⑥注浆效果检查
注浆效果检查主要采用分析法，结合掘进速度及衬砌、地表与周围建筑物变形量测结果进行综合分析判断，必要时采用无损探测法进行效果检查，当注浆效果不能满足要求时，要及时进行二次补强注浆。
（2）二次注浆
为了使管片背后填充密实且浆液能在短时间瞬凝和提高浆液的早期强度，让管片和土层快速成为一个整体均匀受力，尤其在穿越建筑物时，为控制沉降，采用二次注双液浆的方式对管片背后进行补浆。
在连接桥右侧的平台上放置一台气动注浆泵，在掘进的同时针对不同的情况打开手孔装上注浆咀注入经过混合后的纯水泥浆和稀释过的水玻璃浆液。
