本工程采用1台Φ6250土压平衡盾构机进行施工，盾构开挖直径为6.29m，管片外径为6m，盾构始发段（100m）区间净距为6～7.5m，平曲线半径R为1000m，以26‰的大坡度下坡，前51m范围内拱顶埋深为3.8～5.6m，其余部分为池塘范围，池塘通过管涵与周边水系联系，池塘区域左、右线盾构最小覆土厚度分别为1.9m、1.3m。始发段主要地层为素填土、粉细砂、粉质黏土和砂岩，设计覆土回填厚度为1倍洞径，长度为130m。地表水体通过地下砂层径流补给地下水，对盾构施工有一定的影响，距离盾构25.9m有1根埋深为3.5m、直径为630mm平行于隧道的超高压燃气钢管（如图1所示）。
2工程重难点分析
2.1盾构穿越粉细砂层
盾构区间上部0.1～1.5m范围内为粉细砂层，且上方为池塘，容易发生涌水、涌砂现象，粉细砂层黏聚力小，掘进时地层反应灵敏，容易塌陷。
2.2对周边环境的影响
LNG管埋深3.5m区域为粉细砂层，砂层液化影响范围较大，极有可能引起地面和燃气管线沉降过大。
2.3盾构机以较大的坡度穿越上软下硬浅覆土地层
较长范围（长度≥100m）浅埋（盾构覆土厚度≤0.7D）的盾构隧道为Ⅰ级安全风险，该盾构浅覆土长度达到130m，大部分区域覆土深度均小于0.7D（4.2m），上下受力不均衡时，盾构容易上漂，轴线控制难度较大。
3盾构施工
3.1端头加固及覆土反压
始发时端头采用Φ550mm@400mm搅拌桩加固，根据类似工程经验数据，采用埋深6m的浅覆土施工。管片拼装完成后，隧道管片结构最大内力出现在两腰部，其值一般不超过0.8MPa，而端头加固的强度达到1MPa，满足施工要求。
0～20m位于施工围蔽范围内，采用沙袋堆载进行覆土反压。沙袋能循环使用，且环保无污染，其余部分采用回填土。池塘区域先封堵管涵，再清淤。
3.2始发姿态调整
由于盾构机始发时只能保证直线推进，而平曲线半径为1000m，所以选择圆曲线的割线掘进。隧道掘进轴线与设计隧道中线的最大距离为4cm，满足规范要求。盾构掘进路线与盾构井端墙呈91°角。
为防止盾构机始发后往下沉，盾构掘进路线坡度调缓为21.6‰。待盾构机完全出洞后，隧道掘进轴线高出设计轴线4.7cm，满足设计要求（即±5cm），然后再适当将姿态往下调，以满足抗浮要求。
3.3参数设置及施工控制
盾构始发段分5个阶段，范围分别为：围护结构段0~1.5m、加固段1.5~10m、加固段10~30m、加固段30~60m、加固段60~100m。
推力设置为：5200～5300kN、5400～5500kN、7000～8000kN、8000～11000kN、9000～12000kN。
刀盘扭矩为：1200kN·m、1100～1200kN·m、960～1500kN·m、1200～1600kN·m、1500～2000kN·m。
掘进速度为：1mm/min、10～15mm/min、15～20mm/min、20～25mm/min、15～20mm/min。
中部土压为：0kPa、50～70kPa、70～80kPa、80～95kPa、85～100kPa。
螺旋机转速为：0rpm/min、3.5～4.0rpm/min、5～5.5rpm/min、5.3～6.0rpm/min、5.5～6.0rpm/min。
0～60m范围内粉细砂与泥质砂岩的比例为1∶2，含水率为22%，添加泡沫剂时，泡沫剂与水的比例设置为1/19，注水量取570～950L/环，泡沫剂用量取30～50L/环，渣土坍落度为17～20cm。
60～100m范围内为全断面泥质砂岩和砂岩，含水率为15.5%～20%，泡沫剂与水的比例设置为1/16～1/15，注水量取800～1100L/环，泡沫剂用量取55～70L/环，渣土坍落度为17～21.5cm，均满足流塑性要求。
泥质砂岩的松散系数为1.2～1.5，排土量取55～69m³，根据保压情况确定出土量和螺旋机的转速。
同步注浆量考虑砂层渗透和填充系数（1.5～2.0），每环管片的注浆量为6.5～8.5m3，注浆压力为0.2～0.23MPa，以防隧道上方浅覆土被击穿。设定最初的压力时，上部注浆压力及注浆量略大于底部0.01MPa。每1m3浆液中，水泥、粉煤灰、膨润土、砂、水的质量分别为160kg、360kg、50kg、800kg、470kg。在拱顶120°范围内开孔进行二次注浆，注浆采用水泥-水玻璃双液浆，按照体积比1∶1混合，凝结时间调整为2～4min，注浆压力控制在0.5～0.7MPa。
4 数值模拟
建立数值分析模型。土体材料模型选用土体硬化模型（简称HS模型），该模型为二阶高级本构模型，属于双曲线弹塑性模型，基于塑性剪切硬化理论框架构建，考虑了剪切硬化。
4.1激活地表压重荷载
将地表压重荷载激活，在压力的作用下，地表产生了-7.6cm的位移，并导致基坑产生了12mm的水平位移。
4.2洞口位置盾构开挖施工模拟
由于盾构开挖的应力释放，在掌子面前上方产生了-3.3mm的位移，小于预警值。
施工第2～4环时的竖向位移从-4.8mm变化为-8.0mm，可见竖向位移随着开挖逐渐加大，地层损失也逐渐加大。进入岩石区域后，盾构施工模拟沉降值稳定在-8.0mm。施工后撤掉地表堆载，地表产生了+15mm的回弹变形，盾构最大竖向位移为-6.5mm，管片受力均匀，没有出现较大的拉应力。
对注浆压力进行对比分析，发现当注浆压力小于220kPa时，拱顶下沉均大于10mm，超过预警值；当注浆压力为250kPa时，拱顶位移上拱10mm。经模拟发现，注浆压力取230kPa比较合理，此时对地表3个点的竖向位移进行模拟分析，发现地表沉降均不超过1cm（如图2所示）。
5施工监测分析
在浅覆土段盾构始发过程中，测点的最大沉降量为5.6mm，监测数据满足规范要求（-30～+10mm）。
6结语
盾构以大坡度穿越软弱不均地层的浅覆土始发掘进并不多见。本工程通过数值模拟、土体加固、合理设置盾构掘进参数、加强施工控制和监控量测等措施，较好地完成了盾构始发掘进，地表和管线沉降都在允许范围内，保证了施工质量。
来源：中天重工
