盾構(gòu)在砂層中的施工技術(shù)探討

畢景佩，郭志濤

(1.鄭州市軌道交通有限公司，河南鄭州 450046;2.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南鄭州 450052)

盾構(gòu)在砂層中的施工技術(shù)探討

畢景佩1，郭志濤2

(1.鄭州市軌道交通有限公司，河南鄭州 450046;2.河南工業(yè)大學(xué)土木建筑學(xué)院，河南鄭州 450052)

盾構(gòu)隧道在砂層施工時(shí)，由于砂性土摩擦角較大，渣土流動(dòng)性差，排土困難，容易發(fā)生噴涌，造成地面沉降，影響周邊建筑物、管線(xiàn)與道路安全。本文以鄭州市軌道交通1號(hào)線(xiàn)博學(xué)路站～體育中心站區(qū)間隧道盾構(gòu)施工為例，認(rèn)為砂層施工中必須合理設(shè)定土壓、改良渣土、嚴(yán)控出土量、防止螺旋輸送機(jī)噴涌、盾尾密封與注漿工作，才能確保盾構(gòu)在砂層中的平穩(wěn)、高效掘進(jìn)。

土壓平衡盾構(gòu);砂土層;隧道掘進(jìn);控制技術(shù)

盾構(gòu)法施工具有機(jī)械化程度高、地層擾動(dòng)小、掘進(jìn)速度快以及對(duì)環(huán)境影響時(shí)間短、程度低等特點(diǎn)，但盾構(gòu)法施工仍不可避免地會(huì)引起地層的擾動(dòng)，使地層產(chǎn)生變形，當(dāng)埋深較淺時(shí)會(huì)波及地表并產(chǎn)生地表沉降，特別是砂土地層，土壓平衡盾構(gòu)易因噴涌、失水、擾動(dòng)造成沉降［1］，當(dāng)?shù)貙幼冃纬^(guò)一定的范圍，會(huì)嚴(yán)重影響周?chē)R近建構(gòu)筑物、地下管線(xiàn)的安全和道路行車(chē)安全，因此研究盾構(gòu)在砂層中的施工技術(shù)，控制盾構(gòu)施工參數(shù)，有助于實(shí)現(xiàn)平安地鐵施工的工程安全目標(biāo)。

1 工程及地質(zhì)概況

1.1 工程概況

博學(xué)路站～體育中心站區(qū)間全線(xiàn)總長(zhǎng)約2210m，在該區(qū)間共設(shè)三處聯(lián)絡(luò)通道和一處風(fēng)井兼廢水泵房。本段區(qū)間線(xiàn)路沿線(xiàn)較空曠，兩條平曲線(xiàn)的曲線(xiàn)半徑分別為450m、350m。線(xiàn)路下穿規(guī)劃及現(xiàn)狀河流、市政道路等構(gòu)、建筑物，最小坡度3.1‰，最大坡度21.40‰，覆土深度8.0m～16.5m。

1.2 工程地質(zhì)

地質(zhì)土層是影響盾構(gòu)掘進(jìn)的主要因素之一。從地質(zhì)勘查資料來(lái)看，博學(xué)路站～體育中心站區(qū)間盾構(gòu)隧道施工穿越的土層為:第(16)層細(xì)砂、(16－1)層粉質(zhì)粘土、(17)層細(xì)砂層。其中約80%長(zhǎng)度范圍內(nèi)為全斷面穿越(16)細(xì)砂層，切削砂土將對(duì)盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)產(chǎn)生較大的磨損，另有一大部分穿越密實(shí)度更大的(17)層細(xì)砂層，該層密實(shí)度高，可壓縮性小，且有不同程度的膠結(jié)層和姜石，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)帶來(lái)極大的困難與挑戰(zhàn)。

2 施工難點(diǎn)

土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)機(jī)依靠刀盤(pán)旋轉(zhuǎn)切削開(kāi)挖土體，這些土體進(jìn)入且充滿(mǎn)刀盤(pán)后的密封土艙，盾構(gòu)機(jī)通過(guò)隔板對(duì)土艙內(nèi)經(jīng)攪拌呈“塑性流動(dòng)狀態(tài)”的土砂施加壓力來(lái)平衡開(kāi)挖面上的水土壓力，并利用土艙下部的螺旋輸送機(jī)將土、砂輸送出盾構(gòu)機(jī)體外。掘進(jìn)過(guò)程中，盾構(gòu)機(jī)通過(guò)調(diào)整刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速等來(lái)調(diào)整切削土量和出土量并保持土艙壓力平衡，在土艙壓力與開(kāi)挖面水土壓力保持平衡的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)掘進(jìn)［2］。

鄭州市軌道交通一號(hào)線(xiàn)博學(xué)路站～體育中心站區(qū)間盾構(gòu)機(jī)穿越土層為全斷面密實(shí)砂土層，且上覆土層厚度變化較大，造成土倉(cāng)壓力忽高忽低，給保持土壓平衡控制盾構(gòu)施工姿態(tài)帶來(lái)很大難度。隨著盾構(gòu)掘進(jìn)，因土壓在某一時(shí)間點(diǎn)上的不平衡造成砂土超量進(jìn)入土艙，容易導(dǎo)致地表出現(xiàn)漏斗狀塌陷。同時(shí)，由于飽和砂土地層易固結(jié)、土水分離，易受水的滲透，不易形成塑性流動(dòng)，因此被開(kāi)挖下來(lái)的土砂在刀盤(pán)、壓力艙內(nèi)易形成“泥餅”，造成壓力艙閉塞致使旋轉(zhuǎn)扭矩上升、排土不暢;或由于排土口水壓過(guò)大而發(fā)生噴涌，最終使開(kāi)挖面失穩(wěn)。飽和砂土圍巖一旦發(fā)生開(kāi)挖面失穩(wěn)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致開(kāi)挖面前部產(chǎn)生流砂，最后發(fā)生地面坍塌。所以砂層掘進(jìn)的關(guān)鍵是要采取有效的技術(shù)措施，防止超挖、大量失水而使地表及建筑物產(chǎn)生沉降。本文結(jié)合博學(xué)路站～體育中心站區(qū)間的工程實(shí)踐，對(duì)砂層地段盾構(gòu)施工技術(shù)進(jìn)行探討。

3 砂性土層中施工要求

3.1 土壓平衡掘進(jìn)

盾構(gòu)機(jī)穿越砂層時(shí)建立土壓平衡掘進(jìn)模式，掘進(jìn)參數(shù)選擇時(shí)適當(dāng)提高盾構(gòu)機(jī)的推進(jìn)速度，降低刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)地表沉降情況，確保平、穩(wěn)、快通過(guò)砂層。土壓力設(shè)定的原則是使設(shè)定值控制P在主動(dòng)土壓力Pa和被動(dòng)土壓力Pb之間。如P＜Pa，則盾構(gòu)前部土體因應(yīng)力松弛造成地層損失，地面將發(fā)生沉降;如P＞Pb，在附加荷載作用下將產(chǎn)生超靜水壓力，隨著土體固結(jié)過(guò)程的進(jìn)行，超靜水壓力逐漸轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力的增量，由此產(chǎn)生土體沉降，另外如控制值與靜止土壓力值相差較大時(shí)，會(huì)造成土體的擾動(dòng)，從而引起土的觸變，經(jīng)擾動(dòng)后的土體重新固結(jié)會(huì)產(chǎn)生較大的變形。因砂性土的特性，盾構(gòu)在砂性土層中掘進(jìn)極容易造成超挖，超挖會(huì)導(dǎo)致地面較大的沉降，所以在這種情況下適當(dāng)提高正面土壓力的設(shè)定值，一般正面土壓力設(shè)定值為盾構(gòu)刀盤(pán)中心處地層的靜止土壓力的1.3倍左右，并需根據(jù)沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果作適當(dāng)微調(diào)。通過(guò)提高正面土壓力的設(shè)定值，使盾構(gòu)正面的砂性土產(chǎn)生擠壓疏干效應(yīng)，降低土艙內(nèi)土體的動(dòng)水壓力，防止螺旋輸送機(jī)中砂土的液化［3］。

3.2 渣土改良

砂的內(nèi)摩擦角較大，土倉(cāng)內(nèi)渣土的摩阻力較大，流動(dòng)性差。同時(shí)因砂層的透水性好，螺旋輸送機(jī)不能起到良好的止水作用，從而將會(huì)在螺旋輸送機(jī)出口發(fā)生噴涌現(xiàn)象，一方面造成地層失水與地表沉降超限，另一方面影響出渣并造成洞內(nèi)環(huán)境污染。所以砂層中的渣土改良將直接關(guān)系到盾構(gòu)推進(jìn)和地表安全。正面土壓力的提高，使盾構(gòu)正面的砂性土產(chǎn)生擠壓疏干效應(yīng)。正面砂土疏干后，砂土就變得更加密實(shí)，土倉(cāng)進(jìn)土困難，掘進(jìn)時(shí)給盾構(gòu)機(jī)刀盤(pán)切削土體帶來(lái)較大的困難，尤其在覆土較深處，因土壓力較大，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)機(jī)的推力、刀盤(pán)的扭矩會(huì)超過(guò)其正常工作允許范圍。為保證一定的刀盤(pán)轉(zhuǎn)速，對(duì)掘進(jìn)土質(zhì)的改良成為一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。在博學(xué)路站～體育中心站區(qū)間盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，向刀盤(pán)、土艙噴注泡沫劑，土艙中砂土、水體與泡沫劑充分?jǐn)嚢?，形成具有較好和易性、密水性的稠體狀塑性流動(dòng)體，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)螺旋排土器輸送到盾構(gòu)機(jī)體外，有效防止螺旋排土器出口處噴涌現(xiàn)象的發(fā)生。

3.3 嚴(yán)控出土量

適當(dāng)調(diào)節(jié)螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速及閘門(mén)開(kāi)啟度以控制渣土排放量，使土艙壓力與開(kāi)挖面土水壓力保持平衡，防止開(kāi)挖面水、土混合體超量涌出土艙。

4 砂層盾構(gòu)施工控制技術(shù)

土壓平衡盾構(gòu)穿越砂層地段宜采用相對(duì)固定的掘進(jìn)模式，不宜頻繁轉(zhuǎn)換工況，否則，會(huì)造成掌子面及其周?chē)巴烈蚴軘_動(dòng)過(guò)大而液化坍塌、突水噴涌。掌子面的坍塌致使地面下陷是導(dǎo)致地面建構(gòu)筑物下沉、傾斜、開(kāi)裂及地下管線(xiàn)拆裂的主要原因。因此，盾構(gòu)砂層掘進(jìn)時(shí)必須采取以防止砂土液化、盾構(gòu)突水噴涌為主的技術(shù)措施［4］。

4.1 螺旋輸送機(jī)的防噴技術(shù)措施

在砂層中當(dāng)含水量較大，加入高濃度的泥漿充分?jǐn)嚢韬图皶r(shí)調(diào)整螺旋輸送機(jī)的開(kāi)門(mén)度來(lái)防止因地下水壓力過(guò)大而發(fā)生噴涌。通過(guò)分別從盾構(gòu)機(jī)的螺旋輸送機(jī)出口拾取原始土樣、摻加普通潤(rùn)滑劑的土樣和摻加泡沫劑的土樣分別進(jìn)行土工試驗(yàn)。試驗(yàn)研究證明:加過(guò)泡沫的砂土滲透系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于砂土的滲透系數(shù)，即在易發(fā)生流砂、管涌、液化的土層中施工時(shí)，摻加泡沫能夠有效地改善砂土的滲透性，增強(qiáng)其保水性和流動(dòng)性(和易性)。在本區(qū)間粉砂層盾構(gòu)掘進(jìn)中，采用摻加泡沫來(lái)對(duì)土體進(jìn)行改良，來(lái)防止噴涌現(xiàn)象的發(fā)生，在施工過(guò)程中也未發(fā)生過(guò)噴涌現(xiàn)象。

4.2 盾尾密封

盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)應(yīng)控制好掘進(jìn)方向，盡量保持管片外壁與盾構(gòu)機(jī)內(nèi)壁的間隙四周均勻，以保證盾尾密封刷處于良好工作狀態(tài)。同時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中加強(qiáng)盾尾密封油脂的壓注，以保證盾尾密封刷的密封性能。為了防止在隧道內(nèi)的漏漿和漏水、積水情況的發(fā)生，在隧道內(nèi)加大型抽水水泵，以備必要時(shí)使用。若因盾尾鋼絲刷損壞或盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)太差而發(fā)生盾尾漏漿時(shí)，須采用泡沫海棉等材料來(lái)堵漏，以確保盾尾密封具有一定的壓力。嚴(yán)重時(shí)需采用聚氨酯進(jìn)行堵漏。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)較差時(shí)會(huì)導(dǎo)致地下盾構(gòu)間隙過(guò)大，甚至?xí)l(fā)生管片破碎，導(dǎo)致盾尾密封效果差，在加大盾尾油脂仍不能湊效的情況下，可在管片下放置海綿條的措施來(lái)進(jìn)行堵漏。海綿堵漏措施:在管片拼裝之前，采用15cm×15cm，1.5～2m長(zhǎng)的兩列海綿條縱向并排，放置在漏漿點(diǎn)的位置，并使上一環(huán)管片縫隙及海綿環(huán)向搭接縫隙錯(cuò)開(kāi)，將拼裝管片壓放在海綿條上，達(dá)到徹底封堵的效果。

4.3 同步注漿控制措施

4.3.1 漿液配合比確定

為保證漿液能起到抵抗周?chē)馏w擠壓的作用并易于注入，要求所選用的漿液應(yīng)具備以下特性:

(1)有略低于周?chē)馏w的容重;

(2)具有一定的抗剪強(qiáng)度和壓縮系數(shù)，漿液穩(wěn)定后抗剪強(qiáng)度和壓縮系數(shù)高于周?chē)馏w相應(yīng)指標(biāo);

(3)靜態(tài)下有一定自穩(wěn)性和強(qiáng)度，經(jīng)擾動(dòng)后有一定的流動(dòng)性，可泵送性好，不堵塞管路，能均勻地充滿(mǎn)各種間隙;

(4)體積收縮率小，壓縮系數(shù)、壓縮指數(shù)小;

(5)漿液不易析水;

(6)在振動(dòng)荷載作用下不發(fā)生振動(dòng)液化［5］。

4.3.2 注漿量及注漿壓力

同步注漿量可按下式進(jìn)行計(jì)算:

其中:Q－注漿量，D－理論掘削半徑，d－管片外半徑，L－行程長(zhǎng)度，α－注入率(注入率決定因素:注入壓力決定的壓密系數(shù)α1，土質(zhì)系數(shù)α2，施工損耗系數(shù)α3，超挖系數(shù)α4)。

理論上講，漿液只需100%充填建筑空隙即可，考慮漿液的失水收縮、盾構(gòu)糾偏、部分漿液劈裂到周?chē)貙又?、盾?gòu)機(jī)殼體外周帶土等影響，在確保盾尾不漏漿的前提下，本區(qū)間的實(shí)際注漿量為理論建筑空隙的180%～220%(即注入率為1.8～2.2)。

注漿壓力應(yīng)為保證足夠注漿量的最小值，一般為0.2～0.3MP，博學(xué)路站～體育中心站區(qū)間注漿壓力控制在0.25MP左右，且保證注漿與掘進(jìn)同步，以達(dá)到管片脫開(kāi)盾尾后控制上部土體不下沉的目的。4.3.3同步注漿

在砂性土中盾構(gòu)掘進(jìn)除，控制好盾構(gòu)的正面穩(wěn)定及各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)整外，還需及時(shí)進(jìn)行同步注漿。在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中，漿液以適當(dāng)?shù)膲毫?、必要的?shù)量和合理的配比，在脫出盾尾的襯砌背面環(huán)形建筑空隙進(jìn)行同步注漿，這是在砂性土中減少地面沉降的關(guān)鍵措施。本區(qū)間采用的是可硬性漿液，由膨潤(rùn)土、水泥、水、粉煤灰、砂經(jīng)充分?jǐn)嚢瓒桑渑浜媳?重量比)為1∶1.6∶7.3∶6.7∶13.3，漿液稠度控制在9cm左右(過(guò)稀，盾尾容易漏漿;過(guò)稠則容易堵塞注漿管路)。漿液要求48h的強(qiáng)度不低于0.2MPa，28天的強(qiáng)度不低于1 MPa［6］。

4.4 二次注漿

為提高充填密實(shí)性，更好地控制地層沉降，掘進(jìn)施工中在盾尾后4－6環(huán)處利用管片吊裝孔進(jìn)行二次單注漿作為同步注漿的補(bǔ)充。通過(guò)二次注漿，可以快速阻斷地層涌水，削弱其對(duì)同步灌漿的沖刷，提高同步灌漿效果，強(qiáng)化管片環(huán)與圍巖的固結(jié)，改善接縫防水，提高結(jié)構(gòu)防滲效果，保持盾構(gòu)通過(guò)后的地表穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的在富水砂層中掘進(jìn)是具有控制困難、易發(fā)生噴涌、地表沉降容易超限等問(wèn)題，通過(guò)工程實(shí)例分析了土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在富水砂層中掘進(jìn)時(shí)施工控制要點(diǎn)，并提出了主要控制技術(shù)和應(yīng)對(duì)措施，保證了盾構(gòu)在砂層中的平穩(wěn)、高效掘進(jìn)，為以后類(lèi)似工程提供了借鑒。

［1］張旭東.土壓平衡盾構(gòu)穿越富水砂層施工技術(shù)探討［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2009，vol33(9):1445－1449.

［2］劉建航，侯學(xué)淵.盾構(gòu)法隧道［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1991:91.

［3］鄭堅(jiān).在軟土層中應(yīng)用盾構(gòu)法施工的關(guān)鍵技術(shù)研究［M］.建筑施工，2000(06):53－56.

［4］汪挺.砂粘土層盾構(gòu)施工幾項(xiàng)技術(shù)的探討［M］.北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2001(s1):52－56.

［5］劉昌.盾構(gòu)施工引起地表沉降的研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2007.

［6］鄒翀.盾構(gòu)隧道同步注漿技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2002(09):7－9.

A Study on Construction Technology of Tunnel Shield in Sand Stratum

BI Jing－pei1，GUO Zhi－tao2
(1.Zhengzhou Rail Transit Co.Ltd，Zhengzhou，Henan，China 450046;
2.Civil Construction Institute，Henan University of Technology，Zhengzhou，Henan，China 450052)

In shield tunnel construction，due to large friction angle of sandy soil，poor liquidity of muck and dumping difficulties，the tunnel shield passing through the sand stratum maybe result in inrushing，which bring about the land subsidence and jeopardize the nearby building，pipeline and road.In this paper，the tunnel shield construction of Zhengzhou rail transit line1 between Boxue Station and Tiyuzhongxin Station is taken as an example.It＇s deemed that it must set a reasonable soil pressure，improve muck，strict control the amount of muck，prevent screw conveyor spewing，seal shield tail and grout during sand stratum construction，so that a stable and efficient excavating work done by tunnel shield in sand stratum can be ensured.

EPB Shield;sand stratum;tunnel excavating;construction technology

U452

A

1009－3842(2011)04－0083－03

2011－04－26

畢景佩(1978－)，男，漢族，河南范縣人，工程師，主要從事地鐵施工的安全質(zhì)量管理研究工作，E－mail:1137782392@qq.com