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苏州地铁3号线土压平衡盾构复合地层掘进技术研究

1 概述
随着城市地铁的大量修建，安全性高、环境扰动小的盾构施工技术愈加广泛地被应用于城市隧道施工当中，盾构所面对的地质情况与施工环境也更加复杂多样—复合地层就是其中对盾构施工影响较大的施工环境之一。复合地层总体可分为三类：①掘进断面上不同地层的组合；②掘进方向上不同地层的交错；③前两种状况的结合，盾构在上软下硬地层中施工经常遇到掘进速度减慢、极易超挖、地面沉降严重甚至坍塌、盾构刀具磨损严重、卡机、螺旋机喷涌等问题。严重降低施工效率，增加施工成本。
以复合苏州地铁2号线何山路站~苏州乐园站盾构区间施工段穿复合地层为例，从技术手段的角度分析论述了盾构机穿上软下硬地层与全断面地层时的处理方法和加固措施，并提出建议方案，为类似复合地层条件下的设计与施工提供参考借鉴。
2 工程概况
2.1 设计概况
苏州市轨道交通3号线5标段何山路站-苏州乐园站区间左右线总长2326.166m。呈南北走向沿长江路两侧展开，设计为地下双线单圆盾构隧道。区间左右线均采用两段曲线，最小曲线半径为450m，线路线间距为14～17m。隧道埋深10.8～16.4m；区间在里程右DK10+059.000（左DK10+054.900）处设置一座联络通道。
2.2 施工方案与难点
盾构区间采用选择2台复合式土压平衡盾构机进行掘进施工。考虑盾构机从复合地层向软土地层掘进比盾构机从软土地层向复合地层掘进更加安全可靠，两台盾构机先后于2016年11月27日和2017年2月1日何山路站始发，平均已每天2~3环的进度穿越复合地层，然后掘进软土地层至苏州乐园站吊出盾构机。经补充勘察揭示，本区间上软下硬复合地层下部硬岩主要为中风化凝灰岩，其岩石天然抗压强度最大可达121MPa，平均天然抗压强度为82.5MPa，岩石完整性RQD值在70~90%。上部软土主要为黏质粉土层与粉质黏土层，地层呈软塑状，均为沉积物，标贯在12.1左右，工程性质一般，且含水量在30％左右，含水量较大，其分布厚度为2~4m不等，主要分布于隧道洞身范围上部及隧道拱顶。在上软下硬地层中主要的施工难点在于：
（1）上部土体较软，扰动大，易发生土体坍塌，掘进过程中极易出现“超排”，造成地面沉降过大甚至塌陷由于盾构；并且机有“避硬趋软”的趋势，其掘进施工参数变化大，盾构姿态不好控制，盾构容易出现“蛇形”现象；
（2）推进过程中，下部岩石较硬，破岩效率低，掘进速度较小，推力较大，刀盘易结泥饼，同时由于上部土体与下部土体的不一致，使刀盘受力不均，刀具极易产生偏磨，且在全断面岩层与上软下硬地层过渡段围岩强度变化悬殊，需要更换刀具和刀盘开口率适应地层掘进速度避免偏磨；在掘进，同时需要变换盾构施工模式平衡开挖面土压，掘进参数控制要求高；
（3）上软下硬地段掘进时近距离穿越多栋砖混结构建筑物、多条带压燃气管线和水管，施工对地表建筑物和管线影响风险较大，极易产生地表塌陷的风险，造成对第三方损害。
3 解决方案及相关措施
根据本区间线路条件并结合沿线工程地质特点和现场施工条件等因素，针对2.2提出的施工难点，设计实施三类相应解决方案：
（1）对复合地层上部软土层加固，提高掌子面上部及拱顶土体稳定性及承载力，封堵岩土交界面渗水和防止开挖面坍塌。
（2）对柱下独立基础建筑物采用钻孔灌注隔离桩，减少地层扰动对建筑物基础影响。
（3）常压开仓检查与换刀。
3.1 复合地层软土层加固
为控制上软下硬地段沉降，对复合地层中上部黏质粉土层、粉质黏土层以及土岩交接面进行地表静力注浆预加固，静力注浆范围为隧道外轮廓1.5m，注浆方式采用分段式后退注浆，以压密注浆为主，兼有劈裂注浆。注浆材料外包封闭体采用P.O.42.5水泥、水玻璃，封闭体内采用P.O.42.5水泥。设备选用ZYG-150型地质钻机、活塞双液注浆泵。计算可得最大注浆压力为2.0MPa，单孔最大注浆量371.4L。
为确保地表与建筑物无安全，本区间盾构穿越建筑物段须实时监控地表、建筑物沉降变形，设置沉降变形预警值、报警值和控制值，当达到报警值时需要进行地面跟踪注浆。地面跟踪注浆仍然采用静压注浆。
为解决施工过程中，上部软弱地层扰动后松弛问题，及时做好洞内径向注浆。注浆范围为上软下硬地层每5环做一次，注浆深度为3m。注浆材料为注浆材料为水泥－水玻璃双液浆，注浆设备选用盾构机自带二次注浆机。注浆采用预埋D42钢花管，每断面三个，间距20cm左右。注浆压力必须满足终压0.3MPa。现场实施效果揭示，注浆后地层浆脉清晰，形成了网站加固结构，取芯可见灰色水泥土，芯样完整。
3.2 钻孔灌注隔离桩
考虑到在上软下硬地段施工时易造成地表塌陷的风险，在盾构隧道影响范围区内的荷澜庭小区的27#别墅采用隔离桩保护。隔离桩“主要承受开挖施工引起的侧向土压力和地基差异沉降产生的摩阻力”当土体产生滑移变形时，隔离桩通过提高滑移面的抗剪能力以及桩身提供的桩侧阻力以限制桩后土体的变形发展，减小桩后保护建筑的沉降。

为有效控制土体变形，隔离桩需具备一定的强度和刚度。但刚度达到一定极限后，继续增加隔离桩的刚度，其减沉效果不会有明显提高。由于搅拌桩的刚度和强度较低，而地下连续墙刚度太大，作为隔离体性价比不高，故本次施工选用Ø800@1000mm钻孔灌注桩作为隔离桩。隔离桩顶部设置1000×800mm的冠梁连接。隔离桩底部低于隧道结构底部2m，若隧道底部位于岩层内，则隔离桩底部嵌入岩层1m，中心距离隧道边缘2m。
4 掘进实施方案及控制效果
4.1 掘进实施方案
本工程盾构机在上软下硬地层推进过程中使用闭胸式模式掘进或欠压模式（上部土体加固效果较好），在全断面中风化岩层中采用敞开式掘进。通过试验段的掘进选定土仓压力、推进速度、总推力、排土量、刀盘转速和扭矩六个施工管理指标来进行掘进控制管理，针对不同掘进地层控制参数指标如表1。

4.2 实施效果
通过上述掘进控制与实施方案，盾构通过复合地层全过程严格按照实施方案进行注浆加固、隔离桩设置和开仓施工，盾构掘进参数和掘进模式严格按照方案要求控制，最终盾构顺利安全通过该区间。相应控制点沉降结果如图2所示，其中测得地面最大沉降为17mm，远小于30mm的地表沉降控制要求。对于建筑的沉降监测采用更加严格的20mm的控制标准，本区间盾构掘进过程中盾构掘进顺利。

分析沉降曲线可知，控制点在盾构刀盘经过的时候沉降较大，但很快趋于稳定，且最大沉降与沉降槽宽度始终控制在合理范围内，本方案成功实现了盾构安全高效通过复合地层的要求。
5 结论
在苏州地铁3号线何山路站~苏州乐园站盾构穿复合地层的工程中，通过线路优化设计、地表注浆预加固、浇筑隔离桩保护临近建筑、及时开仓作业、掘进参数与掘进模式优化控制等技术手段，合理控制了地表与建筑物沉降，大大提升了盾构施工效率，最终顺利安全通过上软下硬复合地层，总结结论如下：
（1）复合地层对盾构施工影响极大，要求在施工之前准确勘探，制定充分合理的施工方案。
（2）对软土地层的注浆加固和对周边建筑的隔离桩浇筑都能出色的控制地表及建筑沉降，需要对注浆量、注浆范围、隔离桩位置及尺寸进行合理的模拟计算，以求得在确保安全的情况下得到最经济、最简洁的施工方案。
（3）开仓作业具有较高风险，须全面统筹，尽可能确保开仓施工的安全性和可靠性。
带压开仓需要地面加固时，应综合考虑水文地质及周边工程环境，应尽可能减少应地面加固对周边环境及交通的影响。开仓方案在保证安全的情况下，应考虑成本的降低，在加固条件及加固强度满足常压开仓要求时，可通过降水后常压开仓，缩短开仓时间降低开仓成本；在必须带压开仓时，应计算满足强度、止水要求的最小加固范围，缩短地面加固时间、降低开仓成本及对周边环境的影响。

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