软土富水地区“麻花型”隧道盾构掘进施工参数研究

朱贤明

中铁一局集团城市轨道交通工程有限公司；邮编：214104

 摘要：苏州市轨道交通3号线现代大道站~娄江大道站区间双线隧道线型为“麻花型”，包括并行、并行为主麻花型以及重叠为主麻花型三种双线隧道位置关系。依托该工程，详细介绍了双线隧道盾构掘进参数，包括总推力、刀盘扭矩、土仓压力、掘进速度、注浆量与注浆压力，并分析了双线隧道位置关系对于以上参数的影响。参数统计表明，隧道竖向位置关系比水平位置关系对后行隧道盾构掘进总推力、土仓压力、掘进速度影响更大；水平位置关系比竖向位置关系对后行隧道盾构掘进刀盘扭矩影响更大；竖向位置关系与水平位置关系对后行隧道盾构掘进注浆参数影响不大。以上研究可为在软土富水地区“麻花型”双线隧道盾构掘进参数选择提供参考。

关键词：地铁；盾构；麻花型；施工参数；

 0 引言

盾构法修建城市隧道是常用的工法之一。对于地铁隧道而言，常采用单洞单线，即双线盾构隧道。双线盾构隧道经常由于一些限制，出现小净距、小半径、竖向重叠等工程难题。针对小净距与小半径盾构隧道存在的问题研究很充分。

在重叠隧道的研究中，叶雅图[1]简单介绍了重叠隧道的设计方法。刘亮[2]提出了重叠隧道下部隧道内力计算方法。刘秋霞[3]依托天津地铁5号线与6号线环截西路站一宾儒西路站区间隧道工程，分析了地表沉降规律。很多学者针对重叠隧道施工技术进行研究，周明亮[4]分析了满堂红钢管支架加固技术对既有隧道力学性能的影响。杨义等[5, 6]介绍了麻花型隧道施工顺序、注浆加固、支撑台车、袖阀管注浆等关键技术。王朝辉[7]介绍了软土地质重叠盾构隧道加强管片结构、盾构施工控制、隧道线路压重、隧道内支撑加固、深孔注浆加固等施工技术。刘继红[8]介绍了重叠段盾构掘进施工参数。王明年等[9, 10]研究了重叠段近接分区标准。更多的学者聚焦重叠隧道施工顺序或后行隧道对先行隧道影响的研究[11~15]。

以上关于重叠隧道的研究，更多的聚焦在施工顺序、后行隧道对先行隧道的影响、施工关键技术的方面，且仅对某一特定断面开展研究。文本依托苏州市轨道交通3号线现代大道站~娄江大道站区间（现~娄区间）工程，该工程双线隧道位置关系为“麻花型”，详细介绍了软土富水软土地区双线盾构掘进参数，包括总推力、刀盘扭矩、土仓压力、掘进速度、注浆量与注浆压力，并分析了双线隧道位置关系对于以上参数的影响，可为类似工程盾构掘进参数的选取提供依据。

1 工程背景

1.1 工程概况

苏州市轨道交通3号线现代大道站~娄江大道站区间（现~娄区间），左线里程DK31+743.114~DK32+683.167，长944.626m；右线里程DK31+743.115~DK32 +683.167，长940.052m。区间隧道空间布置存在由并行转重叠再转并行，见图1。区间在里程右DK31+945.480~右DK32+319.616、左DK31+943.583~左DK32 +317.549为麻花段，该段两隧道水平线间距为0~6.2m，竖向净距为1.820m~ 3.147m。右线在DK32+080起以19.2‰坡度，400m半径向西北前行。左线在DK31+960起以27‰坡度，360m半径向西北前行。

图1 双线隧道空间布置

Fig.1 Spatial location of double-line tunnel

1.2 地质条件

现~娄区间隧道覆土层依次为①1杂填土层、①2素填土层、②河道淤积层、③1黏土层、③2粉质黏土层、④1粉质黏土层、④2粉土夹粉砂、⑤1粉质黏土层、⑥1黏土层、⑥2粉质黏土层、⑦1粉质黏土层。本区间隧道穿越土层较多，其中主要穿越③2粉质黏土层、④1粉质黏土层、④2粉土夹粉砂、⑤1粉质黏土层、⑥1黏土层，地质断面见图2。

图2 现~娄区间地质纵剖面

Fig.2 Geological profile of Xian~Lou interval

1.3 水文条件

潜水主要赋存于浅部黏性土层中，实测潜水水位埋深1.10~2.80m，高程1.12~2.01m。场地微承压水含水层主要为④2粉土夹粉砂层，水头标高为2.31m。据区域水文资料，苏州市历年最高潜水位标高2.63m，最低潜水位标高为0.21m。历史最高微承压水水位标高为1.74m，地下水年变化幅度约为0.8m。

1.4 盾构隧道设计参数

区间隧道采用圆形预制钢筋混凝土管片结构，内径5500mm，外径6200mm，宽度为1200mm，厚度为350mm。每环由1块封顶块（中心角22.5°）、2块邻接块（中心角67.5°）、3块标准块（中心角67.5°）构成，错缝拼装，弧形螺栓连接。管片混凝土强度C50，抗渗等级P10。管片环与环之间用16根M30的纵向螺栓相连接，管片块与块间12根M30的环向螺栓连接，螺栓为材料性能等级5.8级螺栓，麻花段隧道采用6.8级螺栓。左线与右线隧道均为783环。双线位置关系及相应环数见图3。

2 盾构掘进参数

右线隧道于2017年11月29日开始施工，2018年4月2日实现洞通。左线隧道于2018年1月30日开始施工，2018年7月8日实现洞通。结合施工情况，分别从总推力、刀盘扭矩、掘进速度、土仓压力、注浆量、注浆压力等6个参数介绍麻花段（50~450环）双线隧道盾构掘进参数。

2.1 总推力

左右线盾构掘进总推力情况见图4。

图4 双线隧道盾构掘进总推力统计

Fig.4 Total thrust statistics of double-line shield tunnel

右线隧道施工先于左线隧道。由图4可知，右线隧道先行水平掘进时，总推力在15000~18000kN。随后右线隧道盾构机由水平姿态调整至斜向下（向下坡度19.2‰），借助姿态调整时盾构机重力产生的斜向下分力，总推力逐渐降低，12000~15000kN。待姿态调整完毕后，随着向下持续掘进，开挖面的土压力逐渐增大，总推力随之增大，18000~23000kN。

左线隧道施工后于右线隧道，由图4可知，当左右线位置关系为并行时，双线隧道盾构总推力值相差不大，可见先行隧道对小净距后行隧道的总推力影响不大。随后左线隧道盾构机由水平姿态调整至斜向上（向上坡度27‰），双线隧道位置关系为并行为主麻花型，此时需要增大部分总推力抵抗盾构机重力产生的斜向下分力，但右线隧道的存在，左线隧道与右线隧道中心线间的夹层土刚度增加，使得总推力效果得到提升，左线隧道总推力增加较少，此时总推力为16000~19000kN。大约掘进至250环，双线隧道位置关系调整为重叠为主麻花型，且左线盾构机姿态已调整完毕，右线隧道的存在使左线隧道盾构掘进总推力降低，此时总推力为14000~17000kN。结合左线隧道盾构掘进总推力变换情况，隧道竖向位置关系比水平位置关系对后行隧道盾构掘进总推力影响更大，且在软土富水地区中，建议先行隧道盾构机总推力为15000~18000kN，后行隧道与先行隧道位置关系为并行时为15000~18000kN、并行为主麻花型时为16000~19000kN，重叠为主麻花型时为14000~17000kN。

2.2 刀盘扭矩

左右线盾构掘进刀盘扭矩情况见图5。

图5 双线隧道盾构掘进刀盘扭矩统计

Fig.5 Cutter-head torque statistics of double-line shield tunnel

右线隧道先行水平掘进时，刀盘扭矩为1500~1800kN·m。随着右线盾构隧道向下掘进，土体强度逐渐提高，刀盘扭矩逐渐提高，有部分环刀盘扭矩过高，但是基本上在2000~2300 kN·m。

左线隧道后行水平掘进时，刀盘扭矩为2000~2500kN·m，此时左线隧道与右线隧道为小净距并行隧道，其刀盘扭矩远高于右线隧道，主要是受右线隧道的影响。随后双线隧道位置关系为并行为主麻花型，右线隧道对左线隧道掘进刀盘扭矩影响逐渐减弱，左线隧道是以坡度27‰向上掘进，土体强度的降低，左线隧道刀盘扭矩降低。综上，隧道水平位置关系相比竖向位置关系对后行隧道盾构掘进刀盘扭矩影响更大。建议先行隧道盾构机刀盘扭矩为1500~1800kN·m，后行隧道与先行隧道位置关系为并行时2000~2500kN·m，并行为主麻花型时1700~2200kN·m，重叠为主麻花型时1400~1700kN·m。

2.3 土仓压力

左右线盾构掘进土仓压力情况见图6。

图6 双线隧道盾构掘进土仓压力统计

Fig.6 Chamber earth pressure statistics of double-line shield tunnel

由图6可知，右线隧道在水平掘进时，土仓压力在1.9~2.6 bar，随着右线隧道向下掘进，开挖面的土压力逐渐增大，土仓压力也随之增大；左线隧道在并行掘进时，土仓压力略小于右线隧道土仓压力，土仓压力在1.8~2.3 bar。双线隧道位置关系为并行为主麻花型，此时左线隧道向上掘进，土仓压力理应降低，但其值1.8~2.3 bar，右线隧道的存在略微增大了土仓压力。双线隧道位置关系为重叠为主麻花型，左线隧道已向上掘进一段距离，土仓压力应降低更多，但其值反而增加，2.1~2.4 bar，右线隧道的存在增大了左线隧道盾构掘进的土仓压力。综上，隧道竖向位置关系比水平位置关系对后行隧道盾构掘进土仓压力影响更大。

2.4 掘进速度

左右线盾构掘进速度情况见图7。

图7 双线隧道盾构掘进速度统计

Fig.7 Speed statistics of double-line shield tunnel

由图7可知，右线隧道盾构掘进速度虽然有起伏，但主要在60~80 mm/min。双线隧道位置关系为并行与并行为主麻花型时，盾构掘进速度与右线隧道盾构掘进速度类似。但当双线隧道位置关系为重叠为主麻花型时，盾构掘进速度参数显著降低，为30~50 mm/min。当左线隧道盾构掘进会引起既有右线隧道上浮时，需要及时控制左线隧道盾构掘进速度。综上，隧道竖向位置关系比水平位置关系对后行隧道盾构掘进速度影响更大。

2.5 注浆参数

左右线盾构掘进注浆参数包括注浆压力与注浆量，具体情况见图8。

  

(a) 注浆量                          (b) 注浆压力

图8  双线隧道盾构掘进注浆参数

Fig.8 Grout parameters statistics of double-line shield tunnel

根据注浆量可知，当双线隧道位置关系为并行与并行为主麻花型时，先行隧道盾构掘进注浆量较大。当双线隧道位置关系为重叠为主麻花型时，双线盾构掘进注浆量相似。

根据注浆压力可知，无论双线隧道位置关系如何，先行盾构注浆压力为0.3~0.5 MPa，后行盾构注浆压力为0.1~0.3 MPa，先行隧道注浆压力大于后行盾构隧道注浆压力。

3 施工效果

麻花型隧道双线位置关系主要有并行、并行为主麻花型与重叠为主麻花型三种关系。分别选取三个阶段断面（105环、199环、310环），给出左右线盾构通过前后的轴线方向地表沉降监测结果，具体见图9~10。

   

(a) 右线105环                                (b) 右线199环

(c) 右线310环

图9 右线盾构隧道地表沉降监测

Fig.9 Surface subsidence monitoring of right shield tunnel

   

(a) 左线105环                     (b) 左线199环

(c) 左线310环

图10 左线盾构隧道地表沉降监测

Fig.10 Surface subsidence monitoring of left shield tunnel

由图9可知，右线盾构通过105环后（水平掘进）地表沉降最大值约为6mm，通过199环后（斜向向下掘进）地表沉降最大值约为2mm，通过310环后地表沉降最大值约为11mm，盾构通过310环时，注浆量小于前期，造成地表沉降过大，但也符合要求。

由图10可知，左线盾构通过105环后（水平并行）地表沉降最大值为18mm，盾构通过时土仓压力、注浆压力与注浆量均较少，地表沉降较大。通过199环后（并行为主麻花型）地表沉降最大值为24.32mm，盾构通过时土仓压力、注浆压力与注浆量均较少，地表沉降较大。通过310环后（重叠为主麻花型）地表沉降最大值为11mm，距离地表更近，但此时盾构通过时加大了土仓压力与注浆量，减慢了掘进速度，减少了对周围围岩的扰动，因此地表沉降最大值反而较之前有所减少。

双线隧道在50~400环地表的最终沉降见图11，根据地表最终沉降，最大值为24.32mm，其余地表监测点均小于20mm，符合地表沉降要求。

图11 地表最终沉降

Fig.11 Final surface subsidence

4 结论

本文依托苏州市轨道交通3号线现~娄区间双线麻花型隧道工程，详细介绍了软土富水软土地区双线盾构掘进参数，包括总推力、刀盘扭矩、土仓压力、掘进速度、注浆量与注浆压力，并分析了双线隧道位置关系对于以上参数的影响，得到以下结论：

1）富水软土地区盾构水平掘进参数建议总推力15000~18000kN，刀盘扭矩1500~1800 kN·m，土仓压力1.9~2.6 bar，掘进速度60~80 mm/min，注浆压力0.3~0.5 MPa。

2）隧道竖向位置关系比水平位置关系对后行隧道盾构掘进总推力、土仓压力、掘进速度影响更大；水平位置关系比竖向位置关系对后行隧道盾构掘进刀盘扭矩影响更大；竖向位置关系与水平位置关系对后行隧道盾构掘进注浆参数影响不大。

3）现场监测结果表明，现~娄区间地表沉降最大值约为25mm，以上双线盾构隧道掘进参数满足地表要求。

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