石家庄地铁1号线土压平衡盾构施工掘进参数研究

关辉辉，王 军，刘中心

(1.中铁西南科学研究院有限公司，四川成都 610031;2.中铁港航局集团有限公司，广东广州 510660;3.中铁上海工程局有限公司，上海 200436)

石家庄地铁1号线是石家庄市首条地铁线，该线路贯穿中山路东西方向，地质条件及环境较为复杂，埋深浅、周围建(构)筑物多，施工难度大，也是首次将盾构法应用于该市地铁隧道施工。1号线一期工程共有21个区间，其中盾构法施工隧道占区间隧道总长的2/3，因此，研究盾构法施工对该市地铁建设有重大意义。本文以石家庄地铁1号线地质条件为背景，依据三种地层盾构先期施工情况，分析归纳其盾构掘进参数，并通过监控量测验证施工参数的合理性，优化盾构施工技术，为该地区后续盾构施工提供参考。

1 工程概况

石家庄地铁1号线西起西王，沿中山路向东，穿过京珠高速公路后，转向南至长江大道，之后沿长江大道向东至秦岭大街向北，到达终点南村站。全长23.9 km，均为地下线，共21个车站，平均站间距1.215 km。

石家庄地铁1号线沿线穿越地层主要有新近沉积黄土状粉土②3层、黄土状粉质黏土③1层、黄土状粉土③2层、粉细砂④1层、中粗砂④2层、粉质黏土⑤1层等。

工程沿线45 m深度范围内地下水类型以潜水为主，地下水位普遍较深，整体地下水位沿东西方向呈漏斗状，以省博物馆站为漏斗中心，地下水位埋深达55 m，地下水位向东西方向逐渐变浅，埋深一般在25～50 m。

2 地铁工程特点分析

1)地质条件的典型性

石家庄地铁1号线呈东西走向，工程地质环境较为复杂，具有一定代表性，地层物理力学性质差异大。根据隧道穿越的地层可分为三段，分别为黄土状粉土、粉质黏土段;黏土质与砂质结合段(复合段);粉细砂、中粗砂段。

2)地铁工程的复杂性

本工程沿线地表环境较为复杂，主要穿越石家庄繁华地带，且路面车流量大。同时地下管线密集，种类繁多。为保证地铁沿线道路、管线及居民区的安全，地铁施工过程中控制地表沉降是施工的重中之重，因此优选盾构法作为地铁隧道掘进的施工方法。

3 典型地层盾构施工技术

3.1 黏土质地层段

1)地质情况

本段调研的典型盾构区间为西王站—时光街站和时光街站—长城桥站。根据勘察资料，该地层段区间隧道穿越地层主要为黄土状粉土层、粉质黏土层和粉土层，覆土厚度约为9.9 m。

①黄土状粉土层:黄褐色，孔隙比0.712，密实，含水率16.9%，稍湿，可见小孔，含铁锰氧化物和云母片，少量姜石，无摇振反应。

②粉质黏土层:黄褐色，可塑，中等压塑性，土质不均一，含姜石，局部富集，夹粉土、细沙薄层，连续分布。

③粉土层:黄褐色，孔隙比0.684，密实，含水率21.2%，湿，中等压缩性，土质不均，含姜石较多，可见铁、锰质浸染，局部与粉质黏土呈互层，层内夹细砂薄层。

2)盾构掘进施工关键参数的确定

盾构掘进过程中，合理选择盾构施工参数(土仓压力、盾构机总推力、刀盘扭矩、掘进速度、注浆压力、注浆量等)能有效地保持开挖面稳定和控制地表沉降，盾构始发段尤为重要。

所选参数是否合理，需要地表沉降、管线沉降等监测数据来验证，只有将监测结果与施工有效地结合，才能优化盾构掘进参数，保证盾构顺利推进。根据设计文件及工程实际情况，沿隧道轴线方向每10 m布设一个沉降测点，每50 m布设一个监测断面，断面上布设11个测点。通过在掘进过程中现场采集并记录的盾构施工参数，绘制出盾构在掘进过程中的施工参数曲线，见图1。盾构在黏土地层掘进时地表累计沉降曲线见图2。

图1 黏土地层各掘进参数变化曲线

图2 盾构在黏土地层掘进时地表累计沉降曲线

分析图1、图2可知，盾构机掘进至4环时，由于考虑洞门密封效果及反力架强度、刚度等因素，盾构土仓压力、注浆压力、同步注浆量及总推力均要相应降低，故该处地表产生了－11.62 mm的沉降。当盾构掘进至37环时，因土仓压力(0.08 MPa)较小，且同步注浆量(4.0 m3)未控制好，推力(7 150 kN)较小，致使该处地表沉降较大，达到－10.15 mm，对比其余断面地表沉降及施工参数，该区域盾构施工参数控制明显较差。

通过统计盾构始发段的掘进参数与地表沉降的关系可知，在出土量、注浆压力相同或相似时，地表沉降随土仓压力及注浆量增大而有所减小，随掘进速度增大而增大，而盾构机推力及扭矩对地表沉降影响较小，且刀盘转速过快容易产生高温，使刀盘结泥饼的几率增大。因此合理选择土仓压力、注浆量及掘进速度是控制黏土地层地表沉降的有效途径。

对石家庄地铁1号线西王站—和平医院站盾构区间掘进参数及地表沉降数据进行统计分析，见表1。

表1 黏土质地层段盾构掘进参数及地表沉降值

3.2 复合地层段

1)地质情况

本段现场调研的典型盾构区间为和平医院站—烈士陵园站、烈士陵园站—中山广场站、省博物馆站——体育馆站及北宋站—谈固站。根据勘察资料，该段盾构区间穿越地层主要为粉质黏土层、粉细砂层和中粗砂层，覆土厚度约为7.9 m。

①粉质黏土层:黄褐色，可塑，中等压塑性，土质不均一，含姜石，局部富集，夹粉土、细沙薄层，沿区间线路零星分布。

②粉细砂层:褐黄色，中密，稍湿，砂质较纯，以石英、长石为主，含少量粉质黏土块，颗粒均匀，分选较好，沿线路连续分布。

③中粗砂层:褐黄色，中密，稍湿，砂质纯净，主要成分为石英、长石、云母，含少量粉质黏土块，向下粒径渐粗，层底可见砾砂薄层，沿线路连续分布。

2)复合地层盾构掘进关键参数的确定

掘进速度、土仓压力、总推力及扭矩是评价盾构机工作性能的重要指标，一般在掘进过程中呈动态变化。复合地层中施工时掘进参数变化曲线见图3。

图3 复合地层各掘进参数变化曲线

分析图3可知，复合地层段中盾构总推力、扭矩及土仓压力数据离散性较大，可说明复合地层段由于地质条件不断变化，总推力及扭矩不易控制。根据多个区间统计得出该复合段推力宜为7 100～8 500 kN，扭矩2 100～2 300 kN·m，土仓压力0.08～0.10 MPa。在软硬不均地层刀盘转速及掘进速度离散性较小，说明该种地层对刀盘转速及掘进速度影响不大;复合段出土量与同步注浆量基本控制较好，注浆率达到160%，在复合地层段由于岩性软弱，颗粒松散，因此注浆压力不宜过大，避免出现跑浆现象。通过地表沉降数据进行验证，该段所选施工参数较为合理。

对和平医院站—中山广场站盾构区间、省博物馆站—体育馆站盾构区间及北宋站—谈固站盾构区间的掘进参数及地表沉降进行统计分析，结果见表2。

表2 复合地层段盾构掘进参数及地表沉降值

3.3 砂质地层段

1)地质情况

本段调研的典型盾构区间为朝晖桥站—留村站、火炬广场站—南村站。根据勘察资料，该段盾构区间穿越地层主要为粉细砂层和中粗砂层，覆土厚度约为10.9 m。

①粉细砂层:黄褐～灰白色，中密～稍密，稍湿，中～低压缩性，砂质纯净，颗粒均匀，以长石为主，含少量粉土块，颗粒均匀，分选较好，沿线路连续分布。

②中粗砂层:灰白色，中密～稍密，中～低压缩性，砂质纯净，以石英、云母为主，沿线路连续分布。

2)复合地层盾构掘进关键参数的确定

砂质地层中掘进时地表累计沉降曲线见图4。砂质地层中施工时各掘进参数变化曲线见图5。

图4 砂质地层中掘进时地表累计沉降曲线

图5 砂质地层中施工时各掘进参数变化曲线

分析图4、图5可知，盾构机自始发至40环，其出土量、刀盘扭矩、土仓压力、刀盘转速、推进速度基本保持一致，而注浆量和推力随着环数的增加而不断变化，但地表沉降变化较小。说明该段地表沉降主要受注浆量和推力的影响，即地表沉降随注浆量增大而减少，随推力增大而减少。当盾构机由40环掘进至100环时，因注浆量减少地表沉降明显增大。因此，在砂质地层中盾构掘进时注浆量是影响地表沉降的最主要因素。通过对多个区间掘进参数与地表沉降的分析，盾构机在砂质地层段掘进时，宜采用小推力、低压力、高注浆量的推进模式。

对石家庄地铁1号线砂质地层段的掘进参数及地表沉降数据进行统计分析，结果见表3。

表3 砂质地层段盾构掘进参数及地表沉降值

4 结论

通过对石家庄三种地层中盾构掘进参数的统计，结合地表沉降监测数据，得出以下结论:

1)对于总推力、土仓压力而言，黏土地层段＞复合地层段＞砂质地层段;对于同步注浆量而言，由于地层特性不同，砂质地层段要比黏土地层段和复合地层段大。出土量及注浆压力相同或相似时，同步注浆量及土仓压力是三种地层地表沉降影响最大因素。在砂质地层段适当增加同步注浆量，保持土仓压力合理性是控制盾构施工地表沉降的有效途径。

2)软弱地层或者盾构始发段宜采用小推力、低压力、高注浆量、低掘进速度、洞门早封闭的掘进模式。

3)盾构穿越的地质条件不同对地表沉降的影响也不同。黏土地层段地表沉降值较小，复合地层段次之，砂质地层段最大。

4)盾构在掘进过程选择的施工参数是否合理，需要地表沉降等监测数据进行验证，只有将监测结果与施工有效的结合，才能保证盾构顺利掘进。

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