泥水平衡盾構(gòu)穿越砂卵石地層時的施工控制

戴慧麗

上海城建市政（工程）集團有限公司 上海 200065

泥水平衡盾構(gòu)因具有適用地質(zhì)范圍廣、地表沉降變形控制好、開挖面穩(wěn)定性高等優(yōu)點，已經(jīng)成為了近年來國內(nèi)修建穿越江河湖海等水下隧道的首選施工方法。然而隨著城市地下軌道交通建設(shè)的發(fā)展，地下工程施工所面臨的環(huán)境也越來越惡劣，復(fù)雜的地質(zhì)條件給泥水平衡盾構(gòu)的施工提出了許多挑戰(zhàn)。其中，砂卵石地層具有顆?？障洞蟆⑼翆訚B透性大、強度高而流塑性差等特性，同時分布廣泛，可以說是盾構(gòu)施工中較常碰到的一種復(fù)雜地質(zhì)條件。國內(nèi)已有較多在砂卵石地層采用泥水盾構(gòu)施工的工程案例，總結(jié)了一些成功的施工經(jīng)驗[1-3]。

目前有許多學(xué)者對砂卵石地層的泥水盾構(gòu)施工進行了相關(guān)研究。劉東[4]以北京地下直徑線工程大直徑泥水盾構(gòu)隧道為背景，總結(jié)分析了富水砂卵石地層中盾構(gòu)隧道選型、進洞加固、掘進參數(shù)控制、泥水處理、進倉換刀等關(guān)鍵施工技術(shù)。張長強等[5]在綜合考慮盾構(gòu)掘進參數(shù)、泥漿參數(shù)、盾構(gòu)姿態(tài)、地層變形機理等信息的基礎(chǔ)上，分析確定了泥水盾構(gòu)在富水砂卵石地層中掘進時同步注漿各主要技術(shù)參數(shù)間的經(jīng)驗公式。另外還有一些學(xué)者重點研究了泥水盾構(gòu)在穿河施工中的技術(shù)難題。王明勝[6]結(jié)合南昌市軌道交通1號線越江區(qū)間，針對性地研究了泥水盾構(gòu)穿越贛江淺覆蓋透水層時易出現(xiàn)的掌子面失穩(wěn)、刀盤結(jié)泥餅和掘進姿態(tài)難控制等難題。賈會森[7]針對沈陽地鐵9號線一期工程，通過對土層顆粒組成及河水水位變化進行分析研究，對盾構(gòu)刀盤和刀具進行優(yōu)化設(shè)計，提出并實現(xiàn)了泥水盾構(gòu)在穿河施工中的不換刀技術(shù)。

然而上述研究大多側(cè)重于泥水盾構(gòu)在砂卵石地層中的適應(yīng)性或穿河施工的技術(shù)難點中的某一方面，針對富水砂卵石地層中泥水盾構(gòu)下穿河流施工的研究較少。因此，如何確保在沈陽地區(qū)的高水壓砂卵石地層中泥水盾構(gòu)穿河施工的安全性，成為沈陽地鐵施工中要解決的重點問題。

本文以沈陽地鐵10號線長青橋站—渾南大道站區(qū)間地鐵工程穿越渾河段為背景，對泥水平衡盾構(gòu)施工過程中切口水壓、泥漿指標(biāo)、干砂量、掘進速度、刀盤扭矩等關(guān)鍵施工參數(shù)進行理論計算和實測分析，提出了富水砂卵石地層過河段泥水盾構(gòu)在正面穩(wěn)定、土體損失率和隧道上浮等方面的關(guān)鍵控制技術(shù)，為今后類似地層條件下的泥水盾構(gòu)穿河施工提供了一定的參考。

1 工程概況

沈陽地鐵10號線長青橋站—渾南大道站區(qū)間基本位于渾河、長青南街下方，線路出長青橋站后沿渾河長青大橋下穿渾河后，再沿長青南街東側(cè)到達渾南大道站，全長約1 617 m，其中過河段約450 m。該段為標(biāo)準(zhǔn)單洞單線區(qū)間，采用泥水盾構(gòu)法施工，覆土厚度為13.2～25.0 m。

1.1 工程地質(zhì)

該區(qū)間段盾構(gòu)穿越土層依次為礫砂（④4）、圓礫（④5）、中粗砂（⑤3）、礫砂（⑤4）、圓礫（⑤5）層。主要地層為礫砂、圓礫及中粗砂等地層，且含有大粒徑礫石、卵石等。一般粒徑2～50 mm，部分粒徑達90 mm，少量粒徑大于150 mm，填充物為中、粗砂及少量黏性土，局部含卵石，盾構(gòu)始發(fā)段將入渾河前有約50 m的地層中黏性土含量偏高，整體顆粒級配良好。

1.2 水文地質(zhì)

場地地下水為潛水，主要賦存于中粗砂、礫砂、圓礫層（③、④以及⑤）中，屬孔隙潛水含水層。穩(wěn)定水位埋深為7.00～1.25 m，常年水位變幅約2 m，含水層厚度約19 m。地下水主要補給來源為渾河側(cè)向補給及大氣降水垂直入滲補給。場地地下水徑流條件良好，含水層滲透性強，盾構(gòu)穿越地層的滲透系數(shù)一般在50～110 m/d之間。

1.3 主要施工風(fēng)險及技術(shù)難點

泥水盾構(gòu)下穿渾河區(qū)段的地質(zhì)條件及周邊環(huán)境復(fù)雜，覆土厚度小，受到很多條件的限制，要在這種情況下實現(xiàn)安全、順利且環(huán)境友好的施工，具有很大風(fēng)險和挑戰(zhàn)。

主要的施工風(fēng)險有：土體軟硬結(jié)合，對盾構(gòu)機刀盤磨損大，掘進速度受影響；成拱性差，盾構(gòu)開挖擾動下地層無法形成穩(wěn)定的壓力拱，易造成連續(xù)破壞；砂卵石地層滲透性強，施工中易產(chǎn)生涌水、涌砂；施工中開挖面不穩(wěn)定，易坍塌，容易產(chǎn)生較大的地層損失及地表沉降；易超挖，砂卵石地層的軟硬結(jié)合特性使得掌子面頂力分布不均，從而導(dǎo)致開挖過程出土過多，切口土體損失率過大；淺埋施工危險性大，埋深太淺達不到臨時壓力拱所需高度，同時砂卵石抗剪能力弱，易發(fā)生剪切破壞；盾構(gòu)和管片姿態(tài)控制較難，成形隧道易產(chǎn)生上浮，嚴重時造成隧道軸線出現(xiàn)較大偏差、管片碎裂、盾尾漏漿等不良情況。

主要的技術(shù)難點是：通過合理的正面泥水壓力、泥漿性能、推進速度和刀盤扭矩等參數(shù)控制，在盾構(gòu)開挖過程中維持開挖面的穩(wěn)定，防止河中段切口冒漿或河底地層沉降；通過岸邊段的地面沉降監(jiān)測，逐步過渡到河中段盾構(gòu)出土即干砂量的監(jiān)控，隨時優(yōu)化調(diào)整正面泥水壓力和其他推進參數(shù)，來有效控制盾構(gòu)掘進過程中的切口土體損失率，防止河底地層沉降；通過盾構(gòu)掘進姿態(tài)、掘進線路設(shè)計和同步注漿方式的調(diào)整，使盾構(gòu)姿態(tài)、管片姿態(tài)和隧道上浮量可控，同時，有效降低因盾構(gòu)與管片姿態(tài)不良引起的盾尾漏漿風(fēng)險。

2 過河段泥水盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

針對以上提出的主要技術(shù)難點，本文將從正面穩(wěn)定性控制、土體損失率控制、隧道上浮控制3個方面，闡述工程在過河段隧道區(qū)間采用泥水盾構(gòu)施工所用到的關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 正面穩(wěn)定性控制

確保開挖面穩(wěn)定是盾構(gòu)順利施工、減小超挖和控制地表沉降的基本措施和保障。目前泥水盾構(gòu)正面穩(wěn)定性的判別方法主要有穩(wěn)定系數(shù)判別法、地層損失判別法、流量控制法幾類。本工程正面穩(wěn)定性控制，主要結(jié)合地表沉降的監(jiān)控和實際出土量的測量與分析，在開挖面水土壓力平衡、泥漿性能、刀盤扭矩和推進速度方面采取相應(yīng)的控制措施。

2.1.1 開挖面水土壓力的平衡控制

盾構(gòu)切口水壓用于平衡開挖面的水土壓力，維持開挖面的穩(wěn)定，是保證盾構(gòu)掘進安全順利的關(guān)鍵。盾構(gòu)實際切口水壓，隨著隧道的覆土深度、開挖面土層性狀、地下水水頭的變化而變化。因此，通過切口水壓控制開挖面穩(wěn)定是一種動態(tài)的管理，掘進到不同階段，切口泥水壓力的設(shè)定需及時調(diào)整。本工程綜合考慮地下水壓、土壓設(shè)定誤差、土層滲透系數(shù)、泥漿性能指標(biāo)、送排泥設(shè)備中的泥水壓變動、渾河水位的變化等因素后，認為實際切口水壓力一般應(yīng)比理論計算值大20～30 kPa，得到穿越渾河段盾構(gòu)的實際切口水壓設(shè)定值與理論水土壓力計算值的比較情況（圖1）。

圖1 實際切口水壓與理論水土壓力計算值比較

由圖1可以看到，由于隧道埋深不斷變化，盾構(gòu)機頂部承受的土水壓力也呈現(xiàn)波動起伏，但泥水倉頂部壓力的設(shè)定值一直保持在比靜止土壓力大10～20 kPa，這說明切口水壓設(shè)定較為合理。從下面的地表沉降分析和干砂量分析中也可看出，整個盾構(gòu)推進過程中沒有出現(xiàn)較大的地表沉降或隆起，開挖面穩(wěn)定的控制較好。另外，盡管切口水壓設(shè)定值在盾構(gòu)推進過程中有極少數(shù)情況超過了被動土壓力，但始終未超過地層劈裂抗力，在理論上確保了盾構(gòu)推進過程中不會造成地層坍塌等危險。

2.1.2 泥漿性能管理與控制

對于本工程砂卵石地層來說，泥水平衡盾構(gòu)的泥漿性能指標(biāo)的好壞，與開挖面的穩(wěn)定、地層損失率的控制、刀盤扭矩的降低、刀具的磨損、泥水輸送與分離處理的效率等直接相關(guān)，應(yīng)對泥漿的相對密度、黏度指標(biāo)進行重點的控制管理。

對于以砂礫地層為主的過河段，送泥泥漿相對密度應(yīng)嚴格控制在1.10～1.15 g/cm3；而對于黏性土含量較高的局部區(qū)段，送泥泥漿相對密度也應(yīng)盡量控制在1.25 g/cm3以下，以保證排泥暢通、正面不結(jié)泥餅、刀盤切削扭矩不會過大。必要時，在現(xiàn)場因環(huán)保要求不具備棄漿的情況下，應(yīng)借助壓濾機，有效分離出循環(huán)泥漿中的大量細顆粒來降低送泥泥漿的相對密度。

合適的送泥泥漿黏度，有利于懸浮和攜帶刀盤切削下來的土體，從土顆粒的懸浮性要求而言，要求泥水的黏度越高越好，但黏度的提高會使泥水的凝膠強度和塑變值提高，加大泥漿泵的負荷，同時加大泥水分離的難度。本工程綜合考慮以上因素，黏度值取20～25 s。

一般來說，當(dāng)送泥泥漿的相對密度、黏度較大時，可加水進行稀釋，來降低其數(shù)值；當(dāng)泥漿的相對密度、黏度較小時，可適當(dāng)添加膨潤土來提高其數(shù)值；而壓濾機的使用，則是泥水處理系統(tǒng)無法分離過多細顆粒而引起泥漿相對密度、黏度過高的補充手段。本工程在黏土含量較高的局部區(qū)段掘進時，采用了1臺APN15SL60M型壓濾機，棄漿量達29.4 m3，干渣含水率＜30%，在滿足該工程廢漿處理量與干排需求的情況下，保證了送泥泥漿的性能指標(biāo)符合要求，及時扭轉(zhuǎn)了施工中出現(xiàn)的刀盤結(jié)泥餅、刀盤扭矩居高不下和掘進效率低下等不利情況。

2.1.3 刀盤扭矩控制

本工程的盾構(gòu)正面穩(wěn)定性控制除水土壓力控制外，還運用了實時監(jiān)測刀盤扭矩變化來保障盾構(gòu)推進的順利進行（圖2）。

圖2 刀盤扭矩和推進速度的關(guān)系

從圖2可以看出，刀盤扭矩與推進速度基本上滿足遞增關(guān)系，這是因為扭矩與推力成線性關(guān)系，而推力與推進速度又成正指數(shù)關(guān)系，故刀盤扭矩與推進速度也應(yīng)成遞增關(guān)系。但同時應(yīng)該考慮到，當(dāng)推進速度繼續(xù)增大時，若刀盤扭矩再大，會超過額定扭矩的50%，這對盾構(gòu)機順利推進是不利的，故施工過程中需要不斷關(guān)注刀盤扭矩的變化，采取措施避免扭矩過大而影響盾構(gòu)推進。

除與推進速度相關(guān)外，上文所述送泥泥漿的相對密度和黏度指標(biāo)，也會直接影響刀盤的實際切削扭矩，有可能嚴重影響盾構(gòu)的掘進施工。因此，一旦出現(xiàn)指標(biāo)異常，應(yīng)及時采取相關(guān)措施，確保送泥泥漿的性能指標(biāo)恢復(fù)正常。

2.2 土體損失率控制

干砂量是指泥水盾構(gòu)推進過程中實際開挖出來的土顆粒體積，即盾構(gòu)出土量，是重要的施工參數(shù)。實際工程中，在無法直接進行地表沉降監(jiān)測的場合，如穿越河流，常用干砂量的大小來直接判斷泥水盾構(gòu)的超/欠挖情況，以控制土體損失率和地表變形。實際干砂量根據(jù)送泥、排泥的流量計和密度計測定的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計而得。本工程未進入渾河段前，先以每5環(huán)測量一次的頻率，測量掘進180環(huán)（穿越渾河前10環(huán)）的干砂量，對照地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，判斷盾構(gòu)超/欠挖狀態(tài)，以土體損失率為控制目標(biāo)，確定實際干砂量的控制范圍和對應(yīng)不同的埋深及地層的推進參數(shù)，主要是切口設(shè)定壓力，為盾構(gòu)順利穿越渾河做準(zhǔn)備。隨后在穿越渾河區(qū)段時每隔5～10環(huán)測量一次干砂量，通過干砂量變化實時調(diào)整推進參數(shù)。

土體損失率一般可以通過地表沉降的監(jiān)測數(shù)據(jù)，或者根據(jù)理論出土量與實際出土量的差值，進行分析并控制。本工程盾構(gòu)直徑6.24 m，一環(huán)理論開挖量為36.7 m3，正常切口土體損失率應(yīng)控制在0.5%以內(nèi)，即每環(huán)偏差量應(yīng)小于0.18 m3。180環(huán)前的測量數(shù)據(jù)分析和穿越渾河段實際施工情況表明，在砂卵石地層中，采用不含主動或被動鉸接裝置的泥水平衡盾構(gòu)掘進，若綜合考慮推進速度、刀盤扭矩、千斤頂推力、盾構(gòu)姿態(tài)和地表沉降等因素，且同步注漿措施到位，那么，以施工參數(shù)正常且沉降最小化為原則，將在直線段施工盾構(gòu)超/欠挖量控制在1.5%以內(nèi)、曲線段施工盾構(gòu)超/欠挖量控制在3.0%以內(nèi)較合理。

2.3 隧道上浮控制

2.3.1 盾構(gòu)姿態(tài)控制

本工程盾構(gòu)穿越渾河段的地下水位較高，土層復(fù)雜，如果控制不當(dāng)，極易導(dǎo)致盾構(gòu)機上浮，進而引起渾河底部地層塌陷，威脅周邊環(huán)境安全，因此盾構(gòu)姿態(tài)的控制顯得尤其重要。同時盾構(gòu)直徑大、線路長、穿越土層復(fù)雜也使得盾構(gòu)姿態(tài)控制較難。推進初期是上半部分為砂質(zhì)粉土而下半部分為黏土的上硬下軟土層，推進后期則依次穿越全斷面黏土、全斷面粉砂等地層，盾構(gòu)機在同一斷面的掘進速度難以保持一致。

對于上硬下軟土層，適當(dāng)加大上側(cè)油缸的推力和速度后效果良好。而全斷面黏土地層處（主要是過河段）盾構(gòu)機則發(fā)生了一定程度的上?。▓D3）。

圖3中，管片上浮的最大值達57.5 mm，超過了報警值（50 mm）；且大多數(shù)管片的上浮值在25～50 mm之間，已經(jīng)接近報警值。為減小上浮的趨勢，本工程采取了以下措施：推進時考慮上浮情況，預(yù)先向下掘進50～70 mm；將2.3.2節(jié)中提到的“四點注漿”變更至“兩點注漿”，利用注漿的“下壓”抑制上??；加大注漿量以保證盾尾間隙填充密實；拋壓重物以平衡盾構(gòu)質(zhì)量。

圖3 盾構(gòu)管片上浮情況

2.3.2 同步注漿控制

注漿一直是盾構(gòu)施工中用于充填盾尾空隙和防止地表沉降的關(guān)鍵技術(shù)，其中又可分為同步注漿和二次注漿。本工程針對砂卵石地層開挖后極易被破壞的特性對注漿技術(shù)進行了相應(yīng)設(shè)計。這里重點從注漿孔布置、注漿量控制2個方面介紹本工程采取的同步注漿控制技術(shù)。

本工程盾尾注漿孔在左上、左下、右上、右下4個位置共布置4個（圖4）。一般來說，應(yīng)盡量保持4個注漿孔同時注漿，從而保證同步注漿的均衡、穩(wěn)定。但當(dāng)盾構(gòu)機發(fā)生上浮或下沉而偏離了設(shè)計路線時，可適當(dāng)調(diào)整注漿方式，將四孔注漿變?yōu)槿鬃{或兩孔注漿，從而實現(xiàn)糾偏。

圖4 注漿孔分布示意

經(jīng)計算，在充填率為1的情況下，本工程盾構(gòu)隧道每環(huán)注漿量理論控制值為2.76 m3，對隧道穿越渾河區(qū)段每環(huán)的注漿量進行統(tǒng)計，繪制成注漿量曲線圖（圖5）。

可見，除推進初期注漿量較低外，盾尾注漿量基本保持在150%左右，且各環(huán)注漿量大多處于150%～200%之間，滿足一般要求。

3 結(jié)語

本文結(jié)合沈陽地鐵10號線穿越渾河段，對泥水平衡盾構(gòu)施工過程中的關(guān)鍵施工參數(shù)進行理論計算和實測分析，針對富水砂卵石地層過河段盾構(gòu)正面穩(wěn)定性控制、土體損失率控制和隧道上浮控制進行研究分析，得到以下主要結(jié)論：

1）砂卵石地層具有力學(xué)不穩(wěn)定特性，開挖后極易破壞，使盾構(gòu)開挖面不穩(wěn)定。對于本工程以砂礫地層為主的過河段，實際切口水壓力的設(shè)定比理論計算值大20～30 kPa，能滿足正面穩(wěn)定的要求。送泥泥漿黏度值取20～25 s，相對密度控制在1.10～1.15 g/cm3，刀盤扭矩控制在額定值的50%，這些參數(shù)一旦超限，應(yīng)分析原因，盡快采取必要措施予以調(diào)整。

2）在無法實施地表沉降監(jiān)測的過河段，應(yīng)以干砂量的測量與分析結(jié)果為參考，及時調(diào)整施工參數(shù)，有效控制超/欠挖量。本工程泥水盾構(gòu)未設(shè)置鉸接裝置，對于砂卵石地層中的施工，應(yīng)以施工參數(shù)正常且沉降最小化為原則，綜合考慮各種因素，將在直線段施工盾構(gòu)超/欠挖量控制在1.5%以內(nèi)、曲線段施工盾構(gòu)超/欠挖量控制在3.0%以內(nèi)，總體沉降可控。

3）本工程在隧道左上、左下、右上、右下4個位置共布置4個注漿孔，并保持4點同時注漿，同時將各環(huán)注漿量控制在理論值的150%～200%之間，很好地控制了地表沉降。隧道穿越渾河區(qū)段盾構(gòu)管片出現(xiàn)了一定程度的上浮，為減輕盾構(gòu)上浮的趨勢，采取了預(yù)先向下掘進、將“四點注漿”變更至“兩點注漿”、加大注漿量、拋壓重物等措施，起到了良好的效果。

圖5 隧道穿越渾河區(qū)段注漿量曲線