富水砂卵石地層長時間降水段大直徑盾構(gòu)施工技術(shù)

夏洪波

(1.中國交建總承包經(jīng)營分公司，北京 100088；2.中交機電工程局有限公司，北京 100088)

1 工程概況及難點分析

1.1 工程概況

成都軌道交通17號線一期工程項目范圍為金星站(含)～機投橋站(含)，線路全長約26.140 km，設(shè)計速度目標值140 km/h。明九區(qū)間2#中間風井～九江北站盾構(gòu)區(qū)間左線長2 180.048 m，右線長2 285.11 m，2臺土壓平衡式盾構(gòu)由明九區(qū)間的2#中間風井始發(fā)，九江北站接收。左線第809～1 438環(huán)和右線第800～1 517環(huán)隧道之間為947 m的明挖區(qū)間，明挖區(qū)間小里程端接五桐廟停車場出入場線隧道，設(shè)盾構(gòu)吊出井，大里程端接九江北站，17號線正線左右隧道與明挖區(qū)間平行設(shè)置，見圖1所示。

圖1 正線隧道盾構(gòu)區(qū)間與明挖區(qū)間平面位置關(guān)系

明挖區(qū)間采用坑外降水明挖順作法施工，17號線正線盾構(gòu)隧道掘進至790環(huán)(1 185 m)時進入明挖基坑降水影響區(qū)域，明挖降水段隧道埋深為9.1～25.4 m，處于10.8‰上坡段，左線盾構(gòu)隧道外邊線距明挖區(qū)間主體結(jié)構(gòu)7.7 m，右線盾構(gòu)隧道外邊線距離明挖區(qū)間主體結(jié)構(gòu)6.6 m。

盾構(gòu)機采用中交天和設(shè)計生產(chǎn)的土壓平衡式盾構(gòu)機，型號為?8 580 mm，設(shè)計推力76 000 kN，最大扭矩29 189 kN·m，主驅(qū)動功率29 189 kN·m，開挖直徑8.634 m；管片外徑8.3 m，管片內(nèi)徑7.5 m，管片寬度1.5 m。

1.2 明挖降水段地質(zhì)情況

1.2.1 原地質(zhì)情況

通過地勘報告及明挖基坑開挖情況察看，此段地層從上到下依次為1.2～5.3 m厚的人工填筑雜填土、0.5～2.8 m厚的粉質(zhì)黏土、0.7～3.0 m厚的層狀或透鏡狀沙土，底層為卵石土，稍密～密實，卵石含量占55%～70%及70%以上不等，粒徑一般為2～15 cm，其余為細、中砂充填，滲透系數(shù)最大可達30 m/d以上。

1.2.2 降水及降水后地質(zhì)情況

明挖基坑于2017年6月開始降水施工，至2018年12月主體結(jié)構(gòu)封頂經(jīng)歷長達17個月降水。降水過程中，地層中填充的部分砂礫細小顆粒被降水井抽排帶走，降水過程前期沉砂池砂量較高，后期砂量減少，沉砂情況及降水后明挖基坑地質(zhì)情況如圖2所示。

2018年12月進行專項補勘，補勘結(jié)果表明地層上部人工雜填土無變化，中間細顆粒含量減小，砂卵石含量約75%，滲透系數(shù)最大可達35 m/d以上，卵石含量及滲透系數(shù)較降水前有所增大。

圖2 明挖區(qū)間抽砂及降水后地質(zhì)情況

1.2.3 明挖降水段水位情況

明挖段小里程為五桐廟出入場線盾構(gòu)區(qū)間接收端，見圖1，端頭降水井保持降水，其余已完成主體結(jié)構(gòu)頂板土方回填的區(qū)段，停止降水。2019年3月，實測明挖降水段左右線地下水位約為地下15.5 m。

1.3 盾構(gòu)隧道施工難點分析

成都砂卵石地層具有卵石磨圓度好、含量高、分選性差、密實性差、均勻性差、抗壓強度高、滲透系數(shù)大、透水性強、富水性良好等特點，導(dǎo)致自穩(wěn)能力差，隧道施工時容易造成塌方。

明挖降水段經(jīng)過長時間降水過后，土體呈現(xiàn)松散、無粘結(jié)和大小不均勻的顆粒狀，顆粒之間粘聚力降低、孔隙變大；明挖段掘進過程中實測水位約為地下15.5 m，掌子面處于富水地層和臨近富水地層，在盾構(gòu)掘進的擾動中，容易打破土體的受力平衡，使掌子面或擾動面產(chǎn)生不穩(wěn)定，造成局部土體坍塌或地表沉降。

此外，成都地鐵17號線一期工程地鐵設(shè)計時速140 km/h，盾構(gòu)機采用開挖直徑8.634 m的土壓平衡式盾構(gòu)機，是大直徑盾構(gòu)在成都砂卵石地層的首次應(yīng)用，缺乏可直接參考的施工經(jīng)驗。

綜上所述，此隧道施工面臨高富水、大卵石、大直徑盾構(gòu)、長時間長距離降水段、穩(wěn)定性差等特點，每一項都是隧道施工的難點[1-3]。多項難點的耦合，加劇了隧道盾構(gòu)施工的難度，需要行之有效的施工方案和關(guān)鍵技術(shù)保障，才能保證隧道盾構(gòu)施工的安全。

2 隧道盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

2.1 明挖降水段預(yù)加固

2.1.1 地表注漿加固

為了對隧道盾構(gòu)施工進行預(yù)加固，在降水段盾構(gòu)掘進正上方，左線從第809環(huán)至1 438環(huán)、右線從第800環(huán)至1 517環(huán)進行加固。注漿孔按照間距2.8 m×2.8 m布置，深度從隧道中心線以上至中間砂卵石范圍，如圖3所示。地表注漿采用袖閥管，初始注漿壓力為0.3 MPa，穩(wěn)壓后為1.0 MPa，漿液采用水灰比為1∶1的水泥漿液。

圖3 預(yù)加固示意圖

以單孔設(shè)計注漿量和注漿壓力作為注漿結(jié)束標準，其中應(yīng)以單孔注漿量控制為主，注漿壓力控制為輔。本工程在具體實施過程中，每孔注漿量控制在3 m3，注漿預(yù)加固應(yīng)在盾構(gòu)到達之前2～3個月實施。注漿完成后進行鉆孔取芯，取芯狀況見圖4，隧道中心線以上至中間砂卵石范圍加固效果較好。

圖4 明挖降水段加固后取芯

2.1.2 預(yù)留跟蹤注漿管

在盾構(gòu)施工上方，按照5 m間距提前進行管線探挖，設(shè)跟蹤注漿孔。在盾構(gòu)掘進過程中，根據(jù)盾構(gòu)掘進參數(shù)及監(jiān)測數(shù)據(jù)對地層進行實時補漿加固處理，用以防止滯后沉降塌陷[4]。

2.2 盾構(gòu)掘進控制技術(shù)

2.2.1 盾構(gòu)渣土改良

渣土改良是盾構(gòu)施工的核心[5]。做好渣土改良，保證渣土具有良好的流塑性。避免渣土滯排，造成螺旋機被卡；同時若渣土改良控制不佳，易造成渣溫較高、刀盤結(jié)餅、掘進參數(shù)惡化、盾構(gòu)掘進超方，引起地表沉降。

選用質(zhì)量較好的鈉基膨潤土，并摻入適量的泡沫進行降水段渣土改良。采用的膨潤土應(yīng)經(jīng)過充分膨化，膨潤土泥漿配比為鈉基膨潤土∶水=1∶6，膨潤土粘度應(yīng)超過40 s，改良后渣土坍落度控制在15～20 cm之間。每環(huán)掘進膨潤土摻入量為4～5 m3，每環(huán)管片需要摻入泡沫3～4 m3，掘進一環(huán)管片出土體積約為105 m3。

2.2.2 盾構(gòu)掘進參數(shù)控制

盾構(gòu)參數(shù)設(shè)定是盾構(gòu)施工的關(guān)鍵技術(shù)。土壓力值根據(jù)埋深及土層情況計算，壓力波動控制在±0.02 MPa。土壓力P值與地層土壓力和靜水壓力相平衡，設(shè)地層靜水壓力與土壓力之和為P0，P0=γ·h(γ為土體的平均重度，根據(jù)計算取加權(quán)重度21.5 kN/m3，h為計算位置至地表的垂直距離)，則P=K·P0，K為土的側(cè)向靜止土壓力系數(shù)，穿越卵石土地層取0.3；上部土倉土壓P′=P±0.02 MPa。

根據(jù)成都盾構(gòu)施工特點和經(jīng)驗，本工程的盾構(gòu)掘進參數(shù)設(shè)置為推力2 000～2 500 t；扭矩800～1 200 t·m；上部土倉壓力0.8～1.4 bar；注漿壓力0.2～0.4 MPa；出土量105～106 m3；每環(huán)注漿量12 m3；掘進速度40～50 mm·min-1，在掘進過程中根據(jù)地表監(jiān)測數(shù)據(jù)，動態(tài)選擇最佳參數(shù)。在實際掘進過程中，降水段較非降水段無明顯差異。

2.3 同步注漿及二次注漿管控

做好同步注漿及二次注漿，減小管片脫離盾尾間隙擾動和注漿不飽滿引發(fā)的地表沉降，進入明挖降水段后二次補漿提至管片脫出盾尾2～5環(huán)即對管片后的建筑孔隙進行二次注漿。

每立方米同步漿液配比為水泥230 kg，膨潤土(鈣基)100 kg，粉煤灰310 kg，砂700 kg，水400 kg。管片背后間隙體積為6.7 m3。根據(jù)成都卵石地層盾構(gòu)施工特點和經(jīng)驗，為保證管片背后間隙填充密實，明挖降水段地層擴大系數(shù)取值1.5～2.0，每環(huán)注漿量12 m3，并同時保證注漿壓力為0.2～0.4 MPa，二次補漿壓力為0.4 MPa。

2.4 盾構(gòu)姿態(tài)管控

嚴格控制盾構(gòu)糾偏量，避免糾偏過急增加對地層的擾動，引起地表沉降。盾構(gòu)進行平面或高程糾偏的過程中，必然會增加建筑空隙，造成一定程度的超挖，因此在盾構(gòu)機進入明挖降水段之前，將盾構(gòu)機調(diào)整到良好的姿態(tài)，并且保持良好姿態(tài)穿越明挖降水段。在盾構(gòu)穿越的過程中盡可能勻速推進，速度不得低于40 mm/min，盾構(gòu)姿態(tài)變化不可過大、過頻，控制每環(huán)糾偏量不大于5 mm(平面和高程)，控制盾構(gòu)變坡不大于1‰，以減少盾構(gòu)施工對地層的擾動影響。

2.5 管片拼裝質(zhì)量管控

及時對管片螺栓進行復(fù)緊，保證良好的成型管片姿態(tài)。管片安裝時從隧道底部開始，然后依次安裝鄰接塊，最后安裝封頂塊。每安裝一塊管片，立即插入管片縱環(huán)向連接螺栓并緊固。整環(huán)管片全部安裝完后，用風動扳手緊固所有螺栓，同時緊固所有注漿孔封堵塞。完成上述工作后，盾構(gòu)才可進入下一環(huán)的掘進。下一環(huán)管片盾構(gòu)實際油缸行程掘進至750 mm以及1 500 mm時，對臨近的兩環(huán)管片再次進行復(fù)緊，保證管片在脫出盾尾后螺桿不松動，后續(xù)施工過程中應(yīng)及時檢查管片螺栓的松緊度，對管片環(huán)、縱向松緊度不足的螺栓進行復(fù)緊。

3 施工監(jiān)測及分析

地表沉降監(jiān)測是檢測盾構(gòu)施工的有效手段[6]，通過對非降水段的地表和降水段的地表進行沉降監(jiān)測分析，結(jié)果如下：

(1)降水段地表累計沉降大于非降水段區(qū)域，降水段累計沉降最大約1.5 cm，沉降量在可控范圍內(nèi)，見圖5。

圖5 降水段地表沉降時程曲線

(2)在非降水段區(qū)域時，盾尾脫出造成的沉降占比(56%)最大；進入降水段區(qū)域后，土體固結(jié)沉降占比(49%)增大，甚至超過盾尾脫出引起的沉降(38%)。

4 結(jié)束語

2019年7月，明九區(qū)間2#中間風井～九江北站左右線順利穿越明挖降水段并洞通，通過超方情況、管片姿態(tài)、監(jiān)測情況、掘進指標等可以判斷，盾構(gòu)掘進前和過程中采取的各項措施是有效的，掘進過程是安全可控的，這是大直徑土壓平衡盾構(gòu)機首次在成都富水砂卵石地層長時間長距離降水段的成功應(yīng)用。施工中有如下體會：

(1)富水砂卵石長時間降水地層盾構(gòu)掘進施工，渣土改良是核心，以膨潤土為主、水和泡沫為輔的改良材料成功保證了渣土良好的流塑性，并嚴格控制了每環(huán)出土量。

(2)采用水灰比1∶1水泥漿液，在盾構(gòu)到達前的2～3個月實施，有效地對長時間降水地層進行補漿，起到了良好的加固效果。

(3)嚴控盾構(gòu)掘進參數(shù)，并實時調(diào)控，減小了對富水地層的擾動，降低了地表沉降，較好地控制了隧道盾構(gòu)施工的穩(wěn)定性。

(4)降水段隧道盾構(gòu)施工中，土體固結(jié)沉降是地表沉降的主要原因，其次是盾尾脫出，應(yīng)根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)及時補漿。