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盾构穿越浅覆土河床施工方法

0 前言
    上海已建的盾构法地铁隧道大多设计为中、深埋，施工方法及环境保护技术已渐趋成熟，而穿越浅覆土河床施工仍然是个技术难题。本文结合了上海轨道交通杨浦线M8线III标黄兴路站—延吉中路站区间隧道下行线的工程实例，针对盾构法穿越浅覆土河床施工的有关技术进行了初步探索和总结。
1 概述
1.1 工程概况
    上海市轨道交通杨浦线M8线III标黄兴路站—延吉中路站区间隧道采用法国FCB公司制造的一台外径6.34m土压平衡式盾构机施工。它主要由以下几个部分组成：开挖系统及注水、注泥设备；刀盘驱动及推进系统；盾壳及盾尾密封；出土运输系统；管片运输、安装及同步注浆设备；控制系统及数据采集处理系统；人行闸；供电系统、后续台车等。这台编号为6#的法国盾构先后在上海地铁1号线、2号线、4号线等工程中应用，性能稳定可靠。
    隧道设计内径为5.5m，每环由6块厚35cm、环宽1m的高精度钢筋混凝土管片拼装而成，即由封顶块F、邻接块L1、L2、标准块B1、B2和拱底块D构成。纵向、环向均采用M30高强螺栓连接，管片设计强度C50，抗渗强度S8，衬砌接缝防水采用水膨胀性橡胶和氯丁橡胶弹性密封垫。详见地铁管片衬砌圆环布置图。
 
    隧道在下行线XK6+615~XK6+645处穿过走马塘河,该处隧顶的设计标高为-4.0m河床底规划标高为0.0m。覆土厚度仅为4.0m。
1.2 工程地质情况见表1。
    隧道在过走马塘河时隧道中心标高为-7.398m,将穿越②-3b、③、④土层。
 
1.3 技术要求
    ①隧道轴线偏移≤50mm；
    ②地表及构筑物沉降的控制标准-30mm~+10mm；
    ③渗水量≤0.1L/m2.D;
    ④同环管片允许偏差3mm，相邻环允许偏差4mm。
1.4 该项目所要研究的技术难题
    ①盾构穿过河床时防水措施；
    ②盾构穿越走马塘河隧道抗浮措施；
    ③穿越走马塘时施工参数的设定。
1.5 盾构穿越走马塘河的难点
1.5.1 土质较差，上部局部为②-3b砂质粉土，下部为④层淤泥质粘土
    第②层砂质粉土，局部夹粉砂团块，在一定的水动力条件下易产生流砂和涌砂现象，是隧道掘进过程中产生不利影响的主要土层。第④层淤泥质粘土具有中~高的灵敏度，故有较明显的触变、流变特性、在动力的作用下，极易破坏土体结构，使强度降低，而且土体排水固结需要较长的时间，如果施工不当，极易造成土体工后沉降大和不均匀沉降，给隧道带来危害。
1.5.2 覆土较浅
    根据《地铁隧道设计规范》要求，隧道覆土厚度不宜小于1倍洞径。在盾构穿越走马塘河前，对走马塘河床标高进行了实测。由于受河道疏浚超挖的影响，部分河床底标高低于规划标高±0.0m，最小覆土厚仅3.3m，整个隧道在河道内覆土厚度小于4m的区域沿线路方向上约为9.5m，位置在第229环~第238环（管片）之间。为满足隧道抗浮要求，并防止在今后河道疏浚中再次超挖河床，经业主、设计、河道管理部门等单位共同协商，决定在覆土厚度小于4.0m的区域加载C30水下混凝土至0.0m标高,以达到覆土厚度4.0m，基本能够满足隧道抗浮要求，但覆土厚度仍小于1倍盾构直径。
2 盾构穿越走马塘河
    盾构穿越走马塘河时，由于河中段每环覆土都不同，最小覆土厚度仅4m，且土质较差，很容易出现冒顶，漏泥、漏水等现象，而且受潮汐等影响，土压设置难度大。为了保证盾构顺利穿越施工难度极大的走马塘河，在整个施工过程中必须精心施工，控制隧道变形，采用信息化施工，对盾构推进中的各类施工参数进行动态管理。
2.1 盾构穿越防汛墙
    盾构进入走马塘河前，先穿越北岸防汛墙。防汛墙结构下部为钢筋混凝土方桩和钢筋混凝土承台，上部为浆砌片石挡墙，一旦沉降较大，可能引起防汛墙坍塌的危险。为保护防汛墙的安全，对过防汛墙的推进压力根据实测标高进行了设置并直接布点监测，根据监测情况及时调整施工参数。盾构穿越防汛墙时，速度降低，控制在20mm/min以下,盾构穿越后,防汛墙完好无损,累计沉降量为-5mm。
2.2 盾构穿越浅覆土河床
    在盾构推出防汛墙的前后，覆土厚度有一个突变，在盾构切口过防汛墙后及时调整设定土压力，减少对土体的扰动，保护好防汛墙，减少河底的沉降。盾构进入河底后，覆土厚度每环都有变化，水深也有变化，再加上潮汐的影响给施工带来复杂性。根据土质状况、隧道埋深及水位高低计算出土压力的理论值来指导施工。
2.2.1 施工参数控制
    ①土压力设定
    在河中段施工前!对隧道轴线沿线的河底水深情况进行一次全面的测量，复核隧道覆土层的厚度!绘制了河底地形图。并根据地形图计算出设定土压力。
    土压力P=ρhtg2(45+φ/2）+P水；
    其中ρ—土的容重（kN/m3）
    h—隧道中心埋深
    φ—土的内摩擦角
    P水—河底水压力
 
    从上图可以看出，盾构通过河床时，实际掘进土压力控制与设定土压力基本吻合，控制效果理想。
    ②注浆量和注浆压力的选定
    盾构推进的理论建筑孔隙Vd计算公式为:
    Vd=π×（R2-r2)×L+V2=1.52m3
    其中：R—盾构外半径
    r—隧道外半径
    L—环宽取1m
    V2—盾壳外6根注浆管肋总体积
    理论上讲，浆液需100%充填建筑总空隙，但由于浆液失水固结，盾构推进时蛇行使开挖断面大于盾构外径，部分浆液劈裂到周围地层，导致实际注液量要大大超过理论注浆量。按照以往工程实践，采用理论值的150%~200%进行注浆，即控制在2.2m3~3.0m3之间。另外，注浆压力应为保证足够注浆量的最小值，一般为0.2MPa~0.3MPa,目前我们使用的盾构服役期在10年以上,灵敏度大大削弱,因此,目前实际中注浆压力达到0.5MPa左右。进入河道后，为了防止隧道上浮，注浆量随着覆土厚度的变化而变化。具体变化如下图所示。
 
    ③推进速度的选定
    推进速度控制在3.5cm/min~5cm/min,一旦盾构偏移轴线过大，应及时调整推进速度。
    ④出土量控制
    出土量原则上按理论出土量出土，适当欠挖，每环出土量控制在98%左右，减少土体扰动保持土体密实。
    ⑤测量控制
    测量人员在地面上放出隧道通过的点位，以明确过河的确切位置，并在防汛墙上设沉降观测点，密切观测防汛墙沉降变形情况，通过防汛墙时派专人值班，一旦防汛墙坍塌可及时抢修。轴线及倒9环测量及时准确。
2.2.2 施工过程控制
    ①姿态控制
    盾构过河前，盾构姿态、管片姿态须调整到位，注意不要向上抬头，严禁在过河时超量纠偏，蛇行摆动。盾尾脱离后管片会上浮，为防止隧道后期上浮超标，对盾构进行负高程控制。过河至中段时，盾构机已抬头，为防止继续上升，果断采取以下措施：
    a.对有关施工技术参数进行及时调整，刀盘转速仍为0.5转/min，土压力值的设定逐渐减小，推进速度为3.5mm/min~4.0mm/min,每天推进速度由8m提高到10m~16m；
    b.采用丁腈软木橡胶片及时纠偏;
    c.对盾尾容易产生漏浆的部位,充填油脂的使用必须到位;
    d.加强设备的维修保养工作,每日定时对设备进行检查工作,避免机械故障带来不必要的误工。
 
    由上图可以看出，垂直方向偏差数值承上升趋势，但在规范允许范围之内，控制效果较好。
    ②油脂控制
    采用进口油脂，派专人负责盾尾钢丝刷内充满油脂，过河期间盾尾无漏浆情况。
    ③同步注浆控制
    注浆量控制在2m3~2.2m3,采取少量多次的注浆方法,注浆压力为0.5MPa；
    同步注浆浆液严格按照配比，加水一次到位，严禁在试验合格后任意加水。稠度必须控制在9.5~10之间。在转驳过程中严禁加水。
    注浆方量必须严格按照指令执行，方量计量必须以台车上浆斗实测数据为准。
    河中段施工是过河盾构施工的关键，此段盾构上部覆土最小，容易发生冒顶、漏泥、漏水等情况，为此必须控制良好的盾构姿态，采用信息化施工，保证盾构设备完好，确保施工的连续性，从而使施工进度得到保证，并创下了日推进16环的佳绩。
3 结论
    盾构穿越走马塘河施工期间，平均推进速度达14m/d,顺利穿越两岸防汛墙和浅覆土河床,并避免了沉降量过大带来的严重后果。该段隧道轴线及渗漏水等控制均符合规范要求，也摸索出了一套盾构穿越浅覆土河床的施工技术。

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