成都砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)中的地表沉降量控制

鮑明星

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都，611130)

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成都砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)中的地表沉降量控制

鮑明星

(中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，成都，611130)

成都地鐵4號線二期工程(不含同步實施工程)線路全長17.578km，分東、西延伸線兩部分。其中，東延線長6.683km，西延線長10.859km，出入場線長4.581km。共設(shè)車站12座(東延線4座，西延線8座)、主變電所1座，文家車輛段擴(kuò)容及西河停車場1座，B型車6輛編組(138輛)。依托成都地鐵市政軌道交通盾構(gòu)工程項目，淺述大粒徑、高強(qiáng)度富水砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)地表沉降量控制技術(shù)。

大粒徑 高強(qiáng)度 富水 砂卵石 盾構(gòu) 地表沉降 控制技術(shù)

1 工程概況

成都地鐵4號線二期工程土建2標(biāo)地處成都市溫江區(qū)，位于我國新華夏系第三沉降帶川西褶帶的西南緣，界于江油～灌縣區(qū)域性斷裂帶和龍泉山褶皺帶之間，為一斷陷盆地。卵石層埋藏深0～5.3m，厚度5.2m～9.7m。卵石單軸抗壓強(qiáng)度65.5MPa～184MPa，平均102.2MPa，極值206MPa。在該層中還存在鈣質(zhì)膠結(jié)、半膠結(jié)的礫石層，硬度大。本標(biāo)段光西盾構(gòu)區(qū)間隧道所穿越的巖層以中密卵石土〈2-9-2〉、密實卵石土〈2-9-3>和密實卵石土〈3-8-3〉為主，砂卵石較為密實，且所處地層透水性較好。

2 施工難點(diǎn)與解決方案

地表沉降量控制施工難點(diǎn)主要有以下三個方面：

(1)受砂卵石土層較大滲透率的影響，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中難以形成不透水塑流性碴土，致使土壓平衡機(jī)理不能建立或土倉壓力不穩(wěn)定情況發(fā)生，從而造成地表沉降；

(2)當(dāng)碴土改良不滿足要求時，螺旋輸送機(jī)易出現(xiàn)噴涌，不僅導(dǎo)致土倉壓力損失，還會因出碴不順影響掘進(jìn)進(jìn)度導(dǎo)致出土量不可控，從而發(fā)生地面沉降；

(3)注漿量未能將管片與地層之間的縫隙填充密實，易造成地表沉降。

地面出現(xiàn)沉降量過大的現(xiàn)象，除去盾構(gòu)掘進(jìn)前方地層原有空洞外，根本原因就是盾構(gòu)掘進(jìn)過程中超量出土，又未能及時填充到位。

根據(jù)地質(zhì)、環(huán)境條件，制定合理的管理基準(zhǔn)值和偏差范圍。如土倉壓力、推力、扭矩、掘進(jìn)速度、出渣量、注漿壓力和注漿量、渣土改良參數(shù)等。同時對出土重量和體積、注漿壓力和注漿量、盾構(gòu)姿態(tài)等重點(diǎn)參數(shù)應(yīng)實行分級管理制度，超過規(guī)定程度應(yīng)及時提醒管理層級進(jìn)行專題研究處置，從而有效地解決因盾構(gòu)施工造成地表沉降量過大導(dǎo)致的地表沉降或坍塌事件。

3 主要施工技術(shù)

3.1 渣土改良

成都砂卵石地層中掘進(jìn)施工，如果渣土改良不好，刀盤、土倉很容易結(jié)泥餅，嚴(yán)重影響掘進(jìn)施工出渣量控制，甚至威脅地面及周邊建構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)安全。

根據(jù)隧道工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、地表環(huán)境情況，對流塑性和抗?jié)B性不滿足掘削面穩(wěn)定要求的渣土進(jìn)行改良，選用優(yōu)質(zhì)泡沫劑，輔以添加對應(yīng)地層特性的化學(xué)試劑，使之成為密水性好、流塑性好、和易性好的土倉承壓介質(zhì)。改良好的渣土在土倉中準(zhǔn)確傳遞開挖面的水、土壓力，實施土壓平衡掘進(jìn)，減小對地層的擾動，同時也可減小對刀盤、刀具和螺旋輸送機(jī)的磨損。

3.2 出渣控制管理

出渣管理措施包括下述內(nèi)容：(1)盾構(gòu)司機(jī)準(zhǔn)確記錄出渣體積原始記錄；(2)地面施工隊伍負(fù)責(zé)人準(zhǔn)確記錄每環(huán)渣土重量；(3)生產(chǎn)主管、技術(shù)主管認(rèn)真、及時分析出渣情況，指導(dǎo)下一循環(huán)掘進(jìn)施工；(4)對1.5m管片每環(huán)出土體積(56m3～58m3)與重量(102t～110t)進(jìn)行雙重控制。

3.3 盾構(gòu)掘進(jìn)控制

3.3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)施工“三平衡”原則。“三平衡”是指土倉壓力與水土壓力平衡、實際出渣量與理論出渣量平衡、注漿量與盾尾建筑空隙平衡。

3.3.2 成都富水砂卵石地層不穩(wěn)定、易坍塌，在掘進(jìn)速度、出渣、地面沉降可控情況下，宜低轉(zhuǎn)速，以減輕刀盤旋轉(zhuǎn)對地層擾動，建議刀盤轉(zhuǎn)速控制在(1.0～1.5)r/min為宜。

3.3.3 在土壓平衡掘進(jìn)模式下，土倉壓力可采取控制油缸推力、根據(jù)掘進(jìn)速度調(diào)整排土量、調(diào)整泡沫參數(shù)等方式，使土倉內(nèi)的壓力穩(wěn)定平衡，建議上部土倉壓力不小于0.6bar。

3.3.4 在密實砂卵石相對穩(wěn)定地層中掘進(jìn)，對刀盤面板及刀具噴灑泡沫以減磨降溫，宜實施土倉壓力小的滿倉模式掘進(jìn)，以加快掘進(jìn)速度，減輕盾構(gòu)磨耗。

3.3.5 在稍密砂卵石自穩(wěn)較差地層中掘進(jìn)，宜采用土倉壓力相對較大的滿倉模式掘進(jìn)。

3.3.6 在砂卵石不穩(wěn)定地層中，以大推力、大貫入度、適度轉(zhuǎn)速的大扭矩進(jìn)行控制掘進(jìn)。

3.4 盾構(gòu)注漿控制

在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，注漿工序可分為同步注漿、二次注漿和地表跟蹤注漿三種。

3.4.1 同步注漿

(1)當(dāng)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)入洞門后，立即進(jìn)行洞圈扇形壓板的整理加固工作，對扇形壓板固定螺栓進(jìn)行復(fù)緊；

(2)盾構(gòu)進(jìn)入洞門后掘進(jìn)至第5環(huán)(脫出盾尾管片3環(huán))時，開始同步注漿填充洞門，同步注漿水泥量適當(dāng)增加，第一環(huán)注漿相對計算體積稍大，根據(jù)洞門滲漏情況嚴(yán)格控制注漿壓力，避免過壓擊穿洞門環(huán)形密封橡膠板和盾尾，注漿過程中現(xiàn)場人員全程值班監(jiān)控洞門情況；

(3)同步注漿量計算(以1.5m環(huán)寬管片)

注漿量Q=(D2-d2)/4πBq=5.87(m3)

式中，D——刀盤開口直徑；d——管片外徑；B——管片環(huán)寬；q——漿液填充系數(shù)(經(jīng)驗值)。

3.4.2 二次注漿

(1)當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)至12環(huán)左右時，洞門1～8環(huán)位于連接橋位置，已便于二次注漿操作，即對加固區(qū)內(nèi)脫出盾尾的1～8環(huán)管片進(jìn)行二次注漿封堵，應(yīng)采用單液、雙液漿間歇交叉注入，分多次、均勻、少量進(jìn)行，以達(dá)到擴(kuò)散填充和加固均勻有效，不流失、漏出洞門，達(dá)到封堵洞門的目的；

(2)始發(fā)段及穿越復(fù)合地層掘進(jìn)時，每20環(huán)進(jìn)行二次注漿，使管片背后填充物快速凝固并達(dá)到一定強(qiáng)度，以達(dá)到約束管片、防止管片上浮，同時可封堵管片背后的滲水通道，防止洞門及盾尾漏水漏沙漏漿；

(3)根據(jù)地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，對沉降偏大處地表下方對應(yīng)的里程進(jìn)行二次注漿，以補(bǔ)充土體損失，使沉降發(fā)展盡快趨于穩(wěn)定；

同步注漿體積(6m3～8m3)與壓力(2bar～3bar)雙重控制、二次注漿與重點(diǎn)地段補(bǔ)償注漿雙重控制、沉降監(jiān)控量測控制。

3.4.3 地面跟蹤注漿

針對成都砂卵石地層，地面加固處理需反應(yīng)快，加固點(diǎn)準(zhǔn)。地面加固處理基本流程為：掘進(jìn)出渣量統(tǒng)計→分析出渣量→確定里程→儀器探測管線→人工挖探坑→鉆機(jī)鉆孔→注漿加固/注混凝土。

(1)分析出渣量，找準(zhǔn)里程點(diǎn)；

(2)地面盡快鉆孔注水泥漿或灌注混凝土，井下盾構(gòu)加快流程讓盾構(gòu)機(jī)盡快通過；

(3)地面鉆孔處理容易破壞地下管線設(shè)施，其注意事項：①采用儀器檢測；②找到管線兩端井口，進(jìn)行測量；③管線調(diào)查并人工挖探坑確認(rèn)。

3.5 防噴涌技術(shù)

(1)盾構(gòu)螺旋輸送機(jī)系統(tǒng)必須具備斷電自動關(guān)閉閘門功能；

(2)增強(qiáng)渣土改良，適當(dāng)調(diào)整加入的泡沫劑參數(shù)，保持渣土的良好流動性。渣土變干，采用“濕泡沫”，渣土變稀，采用“干泡沫”；

(3)嚴(yán)格控制加水量，在保持出渣順暢前提下盡量減少加水；

(4)嚴(yán)禁空倉作業(yè)、欠壓掘進(jìn)，采用較高的土倉壓力(土倉壓力一般不宜超過3bar，以防擊穿盾尾刷)的滿倉模式掘進(jìn)；

(5)選用阻水性能好的優(yōu)質(zhì)盾尾油脂。

3.6 漂石處理技術(shù)

(1)盾構(gòu)刀盤直接破碎，需配置較多數(shù)量的滾刀，以減小風(fēng)險；

(2)人工進(jìn)入土倉破碎風(fēng)險稍大，需要對地層降水施工、加固處理；

(3)采用靜態(tài)爆破，這種方式風(fēng)險大、周期長，同樣對地層降水施工、加固處理。

4 結(jié)語

大粒徑、高強(qiáng)度富水砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)地表沉降量控制施工技術(shù)研究成果應(yīng)用后，依托成都地鐵4號線二期工程土建2標(biāo)光西區(qū)間盾構(gòu)工程，盾構(gòu)掘進(jìn)施工生產(chǎn)得以優(yōu)質(zhì)、快速、安全的完成，創(chuàng)造了一個成都地鐵首次在該地質(zhì)條件下盾構(gòu)掘進(jìn)施工實例，為我公司、成都地鐵乃至全國類似地質(zhì)條件下的盾構(gòu)掘進(jìn)施工積累了一定的經(jīng)驗。

本次課題研究技術(shù)已經(jīng)在成都地鐵4號線二期工程西沿線盾構(gòu)法施工中大規(guī)模應(yīng)用，確保了盾構(gòu)施工安全、優(yōu)質(zhì)和高效，應(yīng)用效果良好，取得了良好的經(jīng)濟(jì)、社會效益。

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U455.43：TU478

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2095-1809(2015)05-0114-03

鮑明星(1980-),男,成都人,大學(xué),工程師,中國水利水電第七工程局成都水電建設(shè)工程有限公司，多年從事水利水電工程施工、地基與基礎(chǔ)工程施工技術(shù)及管理工作。