1、浅埋盾构法在地铁工程中的应用研究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
2、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
3、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
4、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2 素填土、1b2 粉质粘土、 3c2 粉土、1b1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：20.719.1m ，基坑深度：9.4m10.30m，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
5、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
6、/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150、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1b1 粉质粘土。在此工况下可能出
7、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 推进速度 推进速度控制在 8mmmin。 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。 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.
8、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。 出土量 出土量控制在 98%，适当欠挖，保证正面土体密实。 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
9、，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 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。 若出现机械故障或其它原因造成盾
10、构停推，及时采取措施防止盾构后退。 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
11、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
12、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
