伍伟林， 邹 育

(1. 佛山市铁路投资建设集团有限公司，广东佛山528000； 2. 中铁二院工程集团有限责任公司，四川成都610031)

软土和粉细砂层主要分布于沿海和河流三角洲地区，上海、佛山、宁波等城市是典型的软土和粉细砂地区。目前软土和砂土液化地层盾构隧道施工和运营问题较多，盾构隧道施工阶段中风险主要表现为：在粉细砂地段存在涌水涌砂、掌子面失稳、管片上浮及地表沉降大[1-3]；在软土中姿态难以控制，易出现“磕头”和“蛇形前进”现象，管片错台量大，顶部裂缝多[4-5]。地铁隧道在运营阶段中病害主要表现为渗漏水、结构裂缝及损坏、隧道纵向沉降及横向收敛变形等[6]。如上海一号线自1995年通车至今，最大沉降量超过300 mm，上海全网隧道渗漏水为隧道病害主要类型，占全部病害之比达71%，结构损伤类病害占比为22%[7-9]；引起病害的主要原因有施工过程的质量问题、地面区域沉降、列车振动和周边物业开发等[10]。

为了减少施工及运营期间地铁隧道的病害和风险，需对软土和液化砂层区域的盾构隧道采取更有效的设计方法和合理的施工参数。本文以佛山地铁二号线一期工程为依托，对软土和液化砂层区间盾构隧道修建技术进行研究。

1 工程概况

佛山地铁二号线一期工程地下段全长25.31km，共14个地下区间，2个出入段线，地下区间以盾构区间为主。地下区间沿线建构筑物复杂，地质条件较差，盾构隧道主要穿越淤泥(流塑)、软土(流塑—软塑)、软土(流塑—软塑)、淤泥质粉细砂、淤泥质粉土及粉细砂层等不良地质，隧道范围软土层厚达20～35 m，其中位于软土和砂土液化地层的盾构隧道约13 km，占全线盾构区间长度51%(图1)。

图1 佛山二号线一期穿越软土和砂土液化地层典型纵断面

2 软土和砂土液化地层盾构隧道关键技术

2.1 长期运营沉降控制

2.1.1 隧道设计

(1)隧道平面尽量远离重要性建构筑及对沉降变形敏感区段，纵断面“用足线路纵坡、困难情况下可适当考虑加大车站埋深，减少隧道处于软土和液化砂层地层，尽量让隧道底位于稳定持力地层”。

(2)深厚软土或砂土液化地层采用内径6 m盾构隧道，较常规内径5.4 m盾构隧道，隧道限界预留300 mm的变形量，便于运营阶段调线调坡及为后期加固措施预留空间。

(3)隧道管片采用错缝拼装，确保圆环接缝刚度分布趋于均匀，增加隧道整体空间刚度，更有利于抵抗软土和砂土液化地层中的隧道结构变形。

软弱地层及砂土液化地层中，为了提高衬砌的空间刚度，优先采用错缝式。

(4)在管片接缝之间设置中空的管状构件——装配式定位榫，连接螺栓从管状构件中穿过，并与管状构件协同变形(图2)。

图2 装配式定位榫安装顺序示意

湖绿区间右线隧道有20环管片应用了定位榫，使用带定位榫的管片平均错台量由10～15 mm减少为3～5 mm，且无渗漏水点，拼装质量较其他管片有较明显的提高，同时通过对采用定位榫前后各20环成型隧道圆度进行测量发现，定位榫段管片椭变更小(图3)。

图3 定位榫安装对管片圆度的影响

2.1.2 地层加固设计

当隧道轨面线以下无法避开软土和砂土液化砂层时，需要对隧道周边地层进行加固处理。在地面有条件的情况下，优先采用了地面加固措施，保证加固质量。当地面无条件，且隧底软土或砂土液化地层小于3 m时，可采用洞内注浆加固。

针对深厚软弱下卧层区段隧道，全断面加固造成大量浪费，采用上部格栅+下部点阵的加固方式，垂直于线路方向的三轴搅拌桩加固深度为地面至稳定地层以下1 m，平行于线路方向搅拌桩加固深度为拱腰以上3 m至隧底以下3 m(图4、图5)。

图4 上部格栅+下部点阵式三轴搅拌桩加固平面

图5 上部格栅+下部点阵式三轴搅拌桩加固剖面

除软土和砂土液化地层段，针对软硬地层起伏较大或者车站与区间过渡区段，为了防止基底刚度差异较大引起差异沉降，导致隧道结构损坏，隧道加固方案应与车站基底加固方案保持一致。同理，处于软土和砂层液化地层联络通道加固方案应该兼顾盾构隧道加固。

通过建立三维有限元模型，研究列车振动荷载作用下，砂土液化地层改良前后隧道长期不均匀沉降变化。从图中可以看出，砂土液化地层中隧道沉降量会随着时间增加不断地缓慢累计，在运营初期发展较快，随着运营时间的增加，沉降发展逐渐变缓。当对砂土液化地层进行加固处理后，隧道结构的长期沉降值明显减少(图6)。

图6 砂土液化地层隧道沉降与运营时间关系曲线

2.2 施工过程风险控制

软土和砂土地层盾构施工过程考虑的主要风险在于联络通道开挖，盾构始发、接收和盾构正常掘进，其中联络通道开挖和盾构始发、接收的安全与加固质量有关，盾构正常掘进与盾构选型和盾尾刷的密封性有较大联系。

2.2.1 联络通道加固

二号线一期全线共7个联络通道位于砂层中，5个位于淤泥质土层中。当联络通道位于软土地层时采用地面三轴搅拌桩加固，而对砂层地段联络通道，需再增加外包素连续墙，并素连续墙内设置降水井。加固范围都为结构平面轮廓外扩3 m，素连续墙深度由地面至进入不透水层1 m(图7)。

图7 联络通道端头加固设计方案

在地面加固实施后，并不能保证砂层地层联络通道施工安全，在进行抽芯时发现芯样中存在大量未加固的砂层，且水平探孔时部分探孔存在涌水涌砂情况，后通过采用地面注浆或冷冻法加固方才保证联络通道的施工安全。

针对富水砂层地段联络通道，建议优先采用冷冻法加固法，既避地面加固效果难以保证，又可以减少管线迁改和交通疏解。

2.2.2 端头加固

二号线一期全线共10个端头含砂层，6个端头位于淤泥质土层中，盾构区间端头位于软弱地层时，采取三轴搅拌桩加固；当端头范围存在砂层时，新增外包素混凝土墙+一排旋喷桩咬合的加固方案，三轴搅拌桩加固范围都为隧道上下左右各外扩3 m，素连续墙深度由地面至进入不透水层1 m。盾构始发加固体厚度为10 m，盾构接收加固体厚度为10.8 m(图8)。

图8 盾构端头加固设计方案

在地面加固实施后，并不能保证砂层地段的盾构端头安全，水平探孔时洞门处均发生了涌水涌砂，后通过地面补偿注浆加固或钢套筒才保证了盾构安全始发、接收。

针对位于砂层的盾构端头，地面搅拌桩加固效果不佳，采用钢套筒始发、接收更有利于保证施工安全。

2.2.3 盾构选型设计

结合工程地质及水文条件、周边环境及施工场地等因素选用不同的盾构机，针对渗透性和地下水压力较大的地层，优先采用泥水平衡盾构。当场地条件受限的情况时，通过对土压平衡盾构设置防喷涌装置，采用双螺旋输送机、加强盾构密封等措施，也能保证盾构施工过程的安全，但地表变形将加大。

2.2.4 冷冻法更换盾尾刷设计

盾构正常掘进时，盾尾刷是保证盾构内部与外部隔离的一道重要的安全屏障，由于盾尾刷养护不当或盾尾刷使用时间过长等原因，在盾尾刷密封性效果差的时候需要及时进行更换，特别是在砂层地段容易出现重大安全事故。而地面加固在深厚砂层地段加固效果又难以保证，盾尾刷更换过程中又存在较大安全风险。

湖绿区间右线隧道盾构机采用4道盾尾刷，其中第1道、2道为可更换式，设计考虑了一次冷冻法更换盾尾刷。通过在预设的盾尾设置一块全环钢管片，利用钢管片预留的水平孔冻结加固地层，使盾尾外围土体冻结，形成强度高，封闭性好的冻结帷幕，阻止盾尾渗漏到盾构隧道内。在冻结体取芯孔无渗漏，整体冻结效果良好，进行盾尾刷更换。湖绿区间右线隧道盾尾刷更换过程地面沉降小于3 mm，整体风险可控(图9)。

图9 冷冻钢管片测温孔及取芯孔位置

2.3 施工参数控制

结合盾构在软土及砂土地层掘进经验，盾构施工过程同步注浆压力为0.2～0.5 MPa，二次注浆压力为0.3～0.4 MPa，注浆量往往达到理论计算空隙量的180%～200%，采用注浆压力和注浆量双指标控制标准。

针对砂层中产生管片上浮的现象，同步注浆的水泥砂浆配合比适当增加水泥掺量，采用早强水泥，减少膨润土的掺量；二次注浆材料选用水泥-水玻璃双液浆。砂层地层盾构掘进过程中对盾尾第4环管片进行二次注浆，注浆点位主要在1点或者11点位置，避开封顶块位置，注浆量按照每环0.2～0.3 t水泥，通过双液注浆使管片盾尾同步注浆快速凝固，增加管片顶部抵抗力，抵抗管片的浮力。

除注浆参数，在软土和砂土地层的盾构机自身掘进参数也非常重要，软土和砂土地层的盾构掘进参数参考值见表1。

表1 软土和砂土地层的盾构掘进参数参考值

3 现场监测数据

软土和砂土地层盾构隧道施工过程除了保证自身安全，还需要保证周边环境的安全，并通过地面监测情况及时调整盾构施工参数。根据软土和砂土地层的盾构掘进参数参考值，对未采用地面加固的位于全断面淤泥质土或粉细砂层盾构隧道和采用地面加固的深厚淤泥质土盾构隧道的掘进过程进行地表沉降监测分析。

粉细砂地层盾构隧道掘进过程中，地表沉降主要发生在盾构刀盘前后10环，即盾构刀盘和盾尾脱出盾构机阶段,盾构通过后地表沉降很快趋于稳定，稳定后最大沉降约29.2 mm,如图10所示，满足规范要求的30 mm控制值。

图10 粉细砂层盾构掘进纵向地表沉降时程曲线

淤泥质土盾构掘进过程中，刀盘前方土体会发生隆起，刀盘后方土体出现沉降。如图11所示，刀盘后方15环地表沉降发展较快，15环以后的地面沉降仍在继续发展，即管片脱出盾尾后，所产生的地层沉降占施工导致的地层沉降的绝大部分，同时受盾构施工扰动的淤泥质土固结时间长，后续地表沉降持续增大。

图11 淤泥质土层盾构掘进纵向地表沉降时程曲线

当淤泥质土层采用地面三轴搅拌桩进行上部格栅+下部点阵的加固方式后，由于加固区非满堂加固，盾构掘进过程中掌子面的地层会不断变化，强度差异较大，导致盾构机土仓内压力难以控制。如图12所示，由于盾构前方未加固的土体受到一定挤压而出现较大的隆起，最大隆起量约7.8 mm,而当管片脱出盾尾后，地表沉降迅速发生沉降，但最终沉降量相对较少，最大沉降约5.3 mm，且盾构通过后地表沉降很快趋于稳定，体现了地面加固的效果。

图12 加固后的淤泥质土层盾构掘进纵向地表沉降时程曲线

4 结束语

软土及砂土液化地层盾构隧道存在施工阶段风险大、运营过程变形大的问题。通过对佛山地铁二号线一期工程的建设过程进行研究和总结，得出一套适合软土及砂土液化地层修建盾构隧道的方法：

(1)软土及砂土液化盾构隧道施工过程地面变形也较大，采用地面加固后沉降发展很快趋于稳定，但仍存在地表沉降和隆起现象，区间隧道设计时应尽量位于稳定持力地层中。

(2)深厚软土地层盾构隧道除采用加固措施外，建议加大隧道内径，方便后续调线调坡及后续隧道加固。

(3)软土及砂土液化管片采用定位榫进行拼装，减少了软弱地层中管片拼装过程中的错台量和渗漏水病害，提高成型隧道质量，保证了管片耐久性。

(4)砂层地层中三轴搅拌桩加固效果不佳，位于砂层地层中的联络通道建议优先采用冷冻法加固，位于砂层地层中的盾构端头优先采用钢套筒始发、接收。

(5)盾尾刷为盾构掘进过程中最后一道安全保证，对长距离位于砂层中的盾构隧道建议增加冷冻法更换盾尾刷。

针对软土及砂土液化地层隧道的运营沉降，目前只局限于理论计算模拟，最终的效果有待长期运营的检测。