泥水盾構(gòu)砂土液化地層掘進(jìn)姿態(tài)控制技術(shù)研究

郭永順

（廣州地鐵集團(tuán)建設(shè)事業(yè)總部 廣州 510308）

1 工程概況

廣州市軌道交通八號(hào)線北延段工程（文化公園-白云湖區(qū)間），白云湖車輛段出入段線區(qū)間，入段線全長(zhǎng)685.004 m，出段線全長(zhǎng)623.800 m。隧道最大下坡2.476%，最大上坡3.4%，平面曲線半徑為270 m，250 m。本區(qū)間采用開挖直徑為6.28 m 的直接式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，管片外徑6.0 m，內(nèi)徑5.4 m，管片環(huán)寬1.2 m，楔形量41 mm 管片。

1.1 工程地質(zhì)

本區(qū)間主要穿越地層為〈4N-1〉粉質(zhì)粘土（流塑）、〈4N-2〉粉質(zhì)粘土（可塑-軟塑）、〈4-2B〉淤泥質(zhì)土、〈3-1〉粉細(xì)砂、〈3-2〉中粗砂、〈9C-2〉灰?guī)r。根據(jù)地質(zhì)勘查結(jié)果本區(qū)間〈3-1〉層在震動(dòng)作用下產(chǎn)生局部液化［1］。

1.2 水文地質(zhì)

隧道區(qū)間的地下水按賦存方式劃分為第四系松散孔隙水和巖溶裂隙水2 種類型，勘查時(shí)混合穩(wěn)定水文埋深在0.90～2.90 m，水文標(biāo)高4.98～6.96 m。

2 砂土液化地層盾構(gòu)掘進(jìn)垂直姿態(tài)分析

2.1 砂土液化地層掘進(jìn)盾構(gòu)垂直姿態(tài)趨勢(shì)

入段線掘進(jìn)完成89 環(huán)后，從第90 環(huán)開始掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)出現(xiàn)“下沉”情況。后續(xù)掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)下沉的趨勢(shì)越來(lái)越明顯。本段掘進(jìn)過程中水平處于270 m 右轉(zhuǎn)圓曲線，垂直處以0.85%下坡。入段線掘進(jìn)92～98 環(huán)垂直姿態(tài)變化如表1所示。

表1 入段線92～98環(huán)掘進(jìn)垂直姿態(tài)變化Tab.1 Variation of Vertical Attitude of Entry Line 92～98 Ring Tunneling

2.2 砂土液化地層掘進(jìn)垂直姿態(tài)下沉原因

根據(jù)表1對(duì)比分析，泥水盾構(gòu)掘進(jìn)遇到底部為砂土液化地層時(shí)，每環(huán)垂直姿態(tài)下沉趨勢(shì)將逐漸增大，由開始的每環(huán)下沉5 mm 至掘進(jìn)完成97 環(huán)時(shí)盾體下沉達(dá)17 mm。砂土液化地層盾構(gòu)掘進(jìn)盾體下沉的原因主要為：盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)下沉段底部為〈3-1〉粉細(xì)砂層，其顆粒級(jí)配單一且疏松飽和，在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)作用下有粉細(xì)砂顆粒移動(dòng)和變密的趨勢(shì)，對(duì)應(yīng)力的承受從砂土骨架轉(zhuǎn)向水，由于粉細(xì)砂的滲透力不良，孔隙水壓力會(huì)急劇增大，當(dāng)孔隙水壓力大到總應(yīng)力時(shí)有效應(yīng)力降到0，顆粒懸浮在水中，砂土即發(fā)生液化［2］。盾體失去了有效支撐，在掘進(jìn)過程中產(chǎn)生下沉趨勢(shì)且趨勢(shì)越來(lái)越明顯。盾構(gòu)姿態(tài)整體下沉段入段線地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)整體下沉段地質(zhì)剖面圖Fig.1 Geological Profile of Shield Machine Attitude Integral Subsidence Section

2.3 砂土液化地層垂直姿態(tài)下沉造成影響

根據(jù)表1及圖1對(duì)比分析，砂土液化地層掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)整體每環(huán)下沉量都將逐漸變大，若不能采取有效措施進(jìn)行姿態(tài)控制，將造成以下后果：

⑴盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)趨勢(shì)將比管片拼裝趨勢(shì)大，造成盾尾間隙變小，產(chǎn)生后續(xù)管片拼裝困難及掘進(jìn)過程中管片與盾尾刷相互擠壓，造成管片的錯(cuò)臺(tái)、滲漏水和破損等質(zhì)量事故［3］及盾尾漏漿、漏砂的潛在安全風(fēng)險(xiǎn)。

⑵如果不采取有效措施進(jìn)行控制，盾構(gòu)繼續(xù)掘進(jìn)，則盾構(gòu)機(jī)下沉趨勢(shì)將繼續(xù)加大，導(dǎo)致盾構(gòu)姿態(tài)超限，將造成管片成型姿態(tài)也超限［4］的情況。

⑶由于盾體整體下沉，導(dǎo)致盾體與開挖土體之間上部的空隙增大，如果盾體上方為軟弱地層，容易造成上方土體下沉造成地表的沉降［5］。

3 砂土液化地層掘進(jìn)垂直姿態(tài)控制措施

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中盾體整體下沉，是由于隧道底部的粉細(xì)砂層在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中液化導(dǎo)致。因此首先需要及時(shí)對(duì)隧道底部的液化部位進(jìn)行填充，為盾體提供有效支撐，然后通過參數(shù)的控制逐步進(jìn)行姿態(tài)調(diào)整。

3.1 盾體底部填充惰性漿液

3.1.1 惰性漿液的性能指標(biāo)

盾體底部填充的惰性漿液［6］要具備以下基本性能要求：

⑴具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定及流動(dòng)性，以適應(yīng)盾構(gòu)施工以及遠(yuǎn)距離輸送的要求；

⑵良好的充填性能，及時(shí)填充至盾體與開挖輪廓之間的間隙；

⑶耐久性和抗?jié)B性較好，在地下水環(huán)境中，不易產(chǎn)生稀釋現(xiàn)象；

⑷原料來(lái)源豐富，經(jīng)濟(jì)，施工管理方便；

⑸漿液無(wú)毒性，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。

根據(jù)上述惰性漿液性能要求，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行惰性漿液的配比試驗(yàn)。最后配比成的惰性漿液性能指標(biāo)為：比重＞1.8 g/cm3，塌落度 18～20 cm。漿液的配合比為：每m3的石灰、粉煤灰、膨潤(rùn)土、砂、水用量分別為 54、400、67、800、350 kg。惰性漿液配比試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 惰性漿液配比試驗(yàn)結(jié)果Fig.2 Test Results of Inert Slurry Ratio

3.1.2 惰性漿液的運(yùn)輸及注入

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)配比利用同步砂漿站進(jìn)行惰性漿液拌制，拌制完成后抽樣進(jìn)行檢測(cè)，合格后抽至隧道電瓶車砂漿罐運(yùn)輸至盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部。然后對(duì)同步注漿系統(tǒng)進(jìn)行改造，確保盾構(gòu)掘進(jìn)過程中盾尾注漿滿足要求的前提下，保證有1 路管路可以進(jìn)行盾體底部中盾6點(diǎn)位注入惰性漿液。惰性漿液注入點(diǎn)位如圖3所示。

圖3 惰性漿液注入點(diǎn)位圖Fig.3 Bitmap of Inert Slurry Injection Point

3.1.3 惰性漿液注入方量控制

砂土液化地層掘進(jìn)過程中，惰性漿液注入方量需要結(jié)合理論計(jì)算及盾構(gòu)機(jī)實(shí)際姿態(tài)變化趨勢(shì)進(jìn)行調(diào)整。其惰性漿液理論注入量計(jì)算如下：

式中：S1為盾體下沉后中盾斷面面積；S2為中盾斷面面積；L 為盾體長(zhǎng)度，取8.19 m。中盾直徑為6.24 m，盾體每環(huán)按30 mm 下沉量進(jìn)行計(jì)算。

結(jié)合式⑴可得：砂土液化地層中掘進(jìn)過程中每環(huán)理論注漿量V=2.4 m3。

因此在98 環(huán)掘進(jìn)過程中同時(shí)開啟中盾底部惰性漿液注入，注入方量為每環(huán)3.0 m3。后續(xù)注入量根據(jù)每環(huán)姿態(tài)變化趨勢(shì)及時(shí)調(diào)整。

3.2 參數(shù)控制

3.2.1 掘進(jìn)參數(shù)控制

砂土液化地層中為了減少刀盤切削對(duì)掌子面的擾動(dòng)，掘進(jìn)過程中刀盤轉(zhuǎn)速控制在0.8 r/min，掘進(jìn)速度控制在30～40 mm/min。同時(shí)同步千斤頂上下壓差控制在120～160 bar，且頂部分區(qū)壓力不能低于40 bar，防止上部區(qū)壓過小造成管片錯(cuò)臺(tái)、破損、滲漏水等質(zhì)量事故。

本區(qū)間泥水平衡盾構(gòu)機(jī)采用主動(dòng)鉸接［7］，鉸接轉(zhuǎn)向最大角度（垂直/水平）1.7°。為了保護(hù)設(shè)備，本段垂直方向角度控制在0.8°，水平方向角度控制在0.4°，上下鉸接行程差控制在80 mm，及左右鉸接行程差控制在40 mm。

3.2.2 環(huán)流參數(shù)控制

砂土液化地層掘進(jìn)進(jìn)漿流量滿足攜渣要求的情況下控制在320～350 m3/h，避免流量過大對(duì)掌子面造成的沖刷。掘進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)管路不暢時(shí)及時(shí)旁通，必要時(shí)清理采石箱。

3.2.3 泥漿參數(shù)控制

泥水盾構(gòu)掘進(jìn)泥膜質(zhì)量是保證開挖面穩(wěn)定的前提條件［8］。本段掘進(jìn)過程中泥漿參數(shù)［9］控制在：比重 1.15～1.25 g/ml，粘度 22～25 s，pH 值 7～10。掘進(jìn)過程中加強(qiáng)泥漿參數(shù)檢測(cè)頻率，及時(shí)進(jìn)行制調(diào)漿。

3.3 注漿控制

3.3.1 同步注漿控制

本段地層掘進(jìn)過程由于底部粉細(xì)砂層液化，會(huì)出現(xiàn)超挖情況，同時(shí)為了防止管片脫出盾尾后出現(xiàn)再次下沉情況。因此液化粉細(xì)砂段掘進(jìn)過程中必須加大同步注漿量及質(zhì)量控制［10］，理論計(jì)算每環(huán)注漿量為3.2 m3，實(shí)際填充系數(shù)提高至2.2 倍，確保每環(huán)注漿量控制在7 m3，凝固時(shí)間控制在4 h。

同步注漿要求，掘進(jìn)過程中均勻注入，沒有砂漿嚴(yán)禁掘進(jìn)，確保管片脫出盾尾后空隙及時(shí)填充。由于下部為粉細(xì)砂的液化地層因此注漿方量按照上下1.5∶2.0 的比例注入。

3.3.2 二次注漿

由于盾體下沉導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)超限，管片成型姿態(tài)也出現(xiàn)超限，因此需要在成型管片進(jìn)行二次注漿［11］穩(wěn)固。注漿采用水泥、水玻璃溶液，其中水玻璃和水的體積比為1∶1，水泥和水的質(zhì)量比為1∶1，初凝時(shí)間控制在35 s，注漿壓力控制在0.35 MPa。注漿點(diǎn)位為成型管片現(xiàn)底部5、7 點(diǎn)位交替進(jìn)行注漿，依次往上注漿。二次注漿如圖4所示。

圖4 管片部位5、7點(diǎn)位注漿Fig.4 Grouting 5 and 7 Point at Segment Position

3.3.3 盾尾油脂的壓注

為避免管片相對(duì)盾尾發(fā)生位移，造成盾尾漏砂、漏水，造成安全事故，在掘進(jìn)過程中需加強(qiáng)盾尾油脂壓注監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)異常情況，需立即處理。

二次注漿要求：注漿前調(diào)整好初凝時(shí)間，注漿過程中加強(qiáng)注漿壓力控制，專人控管。注漿停止的標(biāo)準(zhǔn)為注漿壓力達(dá)到設(shè)定值，或注漿過程中管片出現(xiàn)裂紋、錯(cuò)臺(tái)、漏水、漏砂。二次注漿時(shí)需復(fù)測(cè)成型隧道軸線，注漿壓力可適當(dāng)提高至0.40 MPa，不超過0.5 MPa。

4 砂土液化地層掘進(jìn)垂直姿態(tài)糾偏效果

自99 環(huán)開始調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，加強(qiáng)過程控制，盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)下沉趨勢(shì)逐漸得到控制，并逐步糾偏至正常水平。其自99～106 環(huán)盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)變化如表2所示。

表2 入段線砂土液化地層垂直姿態(tài)糾偏效果Tab.2 Effect of Vertical Attitude Rectification on Sand Liquefaction Stratum of Inlet Line

根據(jù)表2綜合分析，泥水盾構(gòu)掘進(jìn)過程中遇到砂土液化地層時(shí)，采取上述的控制措施后盾構(gòu)機(jī)前點(diǎn)上抬趨勢(shì)明顯，中點(diǎn)和后點(diǎn)下沉趨勢(shì)逐漸減小后上抬明顯。盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)糾偏［12］至設(shè)定值后姿態(tài)趨于平穩(wěn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

本段砂土液化地層掘進(jìn)盾構(gòu)機(jī)垂直姿態(tài)整體下沉后采取的控制措施效果明顯，后續(xù)可用于其他軟弱地層盾構(gòu)掘進(jìn)垂直姿態(tài)調(diào)整及成型隧道軸線有效控制。對(duì)于液化地層，若在地面施工許可情況下，建議提前加固地層；若無(wú)條件提前加固，在盾構(gòu)機(jī)通過后，應(yīng)在隧道內(nèi)進(jìn)行注漿加固穩(wěn)定隧道，確保日后運(yùn)營(yíng)中隧道的穩(wěn)定、安全。