成都富水砂卵石及淤泥質黏土交互地層盾構下穿房屋施工技術

廖華強 王春明

摘 要：盾構在成都富水砂卵石、淤泥質黏土、泥巖等工程性質截然不同的交互地層中施工，掘進管理及地面沉降控制均面臨諸多難題和風險，尤其是在渣土改良、刀盤結泥餅、出土量超量、姿態(tài)控制和沉降超限坍塌等方面問題突出，且行業(yè)內鮮有案例、技術經驗或研究成果。通過對成都地鐵8號線某區(qū)間盾構在上述交互地層段掘進施工技術進行研究，總結了土壓平衡盾構在富水砂卵石、淤泥質粘土及泥巖交互地層中無地面預處理措施長距離下穿房屋掘進施工管理和過程控制關鍵技術，實踐應用效果良好隧道安全順利貫通，相關施工技術經驗可供類似工程借鑒。

關鍵詞：盾構;富水砂卵石;淤泥質黏土;交互地層;下穿房屋

中圖分類號：TB ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?doi

：10.19311/j.cnki.1672-3198.2020.09.099

0 引言

成都沖積平原特有的富水砂卵石地層，曾被認為是土壓平衡盾構施工的禁區(qū)，但通過行業(yè)各界十多年的施工技術研究總結和設備優(yōu)化改進，該地層盾構機設備及掘進施工技術已非常成熟。目前成都地鐵運營里程已達302km，在建里程超過300km，區(qū)間隧道基本均為土壓平衡盾構掘進砂卵石、砂泥巖或兩者疊加復合地層。盾構在上述地層中下穿房屋的成功案例和研究成果已較多，如龔學權、鐘山等人均做了相關實踐研究并發(fā)表多篇論文，西南交通大學管會生教授等也有相關系統(tǒng)深入的研究和多本著作。但本工程土壓平衡盾構在富水砂卵石、淤泥質粘土、泥巖交互地層中基本無地面預加固等措施情況下長距離下穿多棟重要房屋，在成都地鐵尚屬首次。由于本區(qū)間含淤泥質黏土段約占隧道總長的25%，其余75%均為富水砂卵石和泥巖地層，同時地面房屋密集基本無預加固處理實施條件，隧道地層迥異和地面預處理措施限制，首先要求盾構機選型尤其是刀盤刀具配置必須有較為寬泛的適應性，其次渣土改良及掘進參數控制更要精準和高度匹配。施工過程中通過地質補勘、試驗段參數總結修正、刀具配置優(yōu)化調整、渣土改良試驗研究及嚴格的掘進管理等技術措施，兩臺盾構先后安全順利下穿房屋并提前貫通，無沉降超限及掘進困難等情況。本文主要對上述施工關鍵技術和實踐經驗進行總結闡述。

1 工程概況

本工程盾構區(qū)間全長1193.328m，最大縱坡24‰，隧道埋深10.47～19.3m，管片外徑6m。盾構掘進前75%長度范圍主要為富水砂卵石、強風化泥巖、中風化泥巖地層;后25%長度約300m范圍主要穿越富水砂卵石、淤泥質黏土及泥巖交互地層，同時連續(xù)下穿密集房屋建筑。地下水埋深4.1～6.1m，淤泥質黏土飽和砂卵石層飽和含水。其中淤泥質黏土呈軟塑～流塑狀，最小壓縮模量1.63，最大壓縮系數達1.60，地基承載力僅為60kPa，自穩(wěn)性差，具有明顯的高壓縮性、低承載力特點。

隧道砂卵石及淤泥質黏土交互段上方分布有7棟20世紀90年代修建的淺基礎磚混結構房屋，主要為在使用民房和維修車間，人員活動頻繁。該段隧道曲線半徑400m，對應管片環(huán)號為593～660環(huán)。

綜合區(qū)間水文地質情況，本區(qū)間采用中鐵裝備6250土壓平衡盾構機施工，四輻條面板式復合刀盤，開挖直徑6280mm，配備滾刀和全軌跡刮刀，刀盤設計綜合開口率36%。

2 主要問題分析

成都地區(qū)盾構掘進地層基本為富水砂卵石、砂泥巖地層，軟塑～流塑狀淤泥質黏土及富水砂卵石交互地層盾構施工基本無類似案例和技術經驗借鑒，在該地層條件下盾構小半徑曲線連續(xù)下穿房屋建筑更是首例，施工安全風險和社會關注度高，該段盾構施工被列入成都地鐵最高等級“特別重大風險源地進行重點管控，主要面臨以下問題和風險需研究解決。

（1）地質差異大對盾構機適應性要求更為寬泛，刀盤刀具配置如何兼顧不同掘進段幾種不同地層是需研究解決的首要問題。

（2）房屋建筑地面預加固處理條件受限，僅極少處地面有條件對房屋下淤泥質黏土地層進行注漿預加固，淤泥質黏土擾動變形敏感固結時間長，房屋基礎持力層為松散砂卵石，土體損失抗沉降能力差。

（3）盾構掘進范圍富水砂卵石、淤泥質黏土、泥巖等地質交互變化頻繁，渣土改良和掘進管理控制精準度要求高，地質和地面環(huán)境敏感容錯能力差。

（4）受地面環(huán)境和水文地質條件限制，穿越段無全斷面巖層或地面加固條件進行常壓開倉檢換刀具可能，對渣土改良保護刀具和刀具耐磨提出較高要求。

3 總體技術方案

鑒于復雜施工環(huán)境和邊界條件限制，只能從盾構機設備優(yōu)化、渣土改良及施工參數、掘進管理等方面入手研究解決上述主要問題?？傮w技術方案和研究思路是：下穿期間盾構掘進必須采用土壓平衡模式滿倉掘進。在盾構施工前盡量利用房屋建筑之間空地布點進行地質補勘，準確修正地質縱斷面圖，同時留取足夠地質鉆孔芯樣以供后續(xù)渣土改良等實驗研究用。根據地質補勘修正后的詳細水文地質情況，研究制定刀盤刀具優(yōu)化配置方案，同步進行下穿段地面模擬渣土改良參數試驗研究;并設置下穿前試掘進段，結合地面監(jiān)測和掘進過程情況對理論計算、試驗研究參數進行應用修正，得出最終的下穿掘進參數和管理經驗，下穿過程中采取嚴格的管理和組織措施執(zhí)行。

4 施工關鍵技術

4.1 刀盤刀具配置優(yōu)化

根據補勘后掌握的準確水文地質縱斷面信息，盾構掘進泥巖、富水砂卵石為主，故選擇典型四輻條環(huán)梁面板式復合刀盤，以保證足夠的破巖能力和承載力，但該刀盤局部尤其是中心刀范圍有效開口率小，在淤泥質黏土地層中掘進時中心滾刀停轉極可能結餅固結被偏磨，影響后續(xù)其他地層掘進效率。

針對該情況，結合以往施工經驗，在盾構始發(fā)前即對初裝刀具進行優(yōu)化調整?？紤]到本區(qū)間砂卵石粒徑不大，刀盤中心及以上刀具在砂卵石地層中以擠壓擾動掘進為主，基本無破巖需求，且刀盤配備的刮刀已全軌跡覆蓋。故將中心1、3號雙韌滾刀拆除，全面檢修所有改良噴口和對應管路編號，同時加強拆除軌跡范圍的刀盤面板耐磨焊以保護刀箱，增加中心有效開口利于進土和渣土改良，避免中心結餅影響后續(xù)掘進效率。

4.2 渣土改良試驗研究

利用地質補勘鉆孔芯樣，針對不同里程斷面的地層分布進行渣土改良模擬試驗，得出對應地質斷面對應的基本改良參數。對比聚合物溶液、泡沫劑、膨潤土等渣土改良劑，根據該類地層土體性質渣土改良優(yōu)選泡沫劑，主要對泡沫劑品牌、類型和注入參數進行試驗研究，通過不同改良劑和不同參入比例模擬試驗總結，要求泡沫劑發(fā)泡后具有持久的氣泡穩(wěn)定性、足夠的發(fā)泡率和較好的土體適應性，且環(huán)保無毒易降解，參入后使渣土具備良好的密水性、和易流塑性和較小的內摩擦角，該三項性能指標分別對掘進過程中穩(wěn)定土壓和地層、渣土流動性、刀盤扭矩阻力有直接影響。

4.2.1 泡沫劑性能試驗

市面上盾構渣土改良泡沫劑品類繁多，目前常用的幾種主流泡沫劑品牌有巴斯夫、法斯克、順富通和西策齊和等。在基本同等試驗條件下（泡沫液濃度均選擇3%），聯合西南交大實驗室采用泡沫試驗儀等，對該四類泡沫的發(fā)泡量、泡沫半衰期、泡沫直徑、自穩(wěn)時間等主要性能參數進行試驗觀察對比，并記錄分析如圖4。

統(tǒng)計分析試驗觀測數據，各品牌泡沫劑發(fā)泡量：法斯克>巴斯夫>順富通>西策齊和，半衰期：法斯克>巴斯夫>西策齊和>順富通，自穩(wěn)時間：法斯克>巴斯夫>順富通>西策齊和。綜合試驗結果，包括觀察泡沫細膩程度等指標，法斯克泡沫的性能最佳，其次是巴斯夫。鑒于法斯克泡沫價格最高，綜合泡沫性能和經濟性，最終選擇巴斯夫泡沫劑進行后續(xù)渣土改良試驗。

4.2.2 渣土改良參數試驗

截取淤泥質黏土、泥巖，淤泥質黏土和砂卵石交互地層等三個不同地質斷面盾構掘進范圍內的補勘鉆孔芯樣土體，進行渣土改良模擬實驗。在基本相同的試驗條件下，按照不同比例的泡沫和水混合攪拌土體，觀察改良后渣土性狀、測量坍落度等，總結得出上述三種不同地層情況下的基本改良參數，然后在盾構下穿前的試驗段進行掘進應用修正，得出不同掘進速度下最終改良參數如表1、2、3所示。

4.2.3 改良注入方案

本盾構機刀盤配備6個改良噴口，均可單管單泵注入泡沫或水，土倉中心還具備1路注水管路。為保證整個開挖斷面均衡改良，改良孔軌跡范圍盡量均勻分布，故采用刀盤中心區(qū)域輻條交叉角部1路注水和1路注入泡沫，刀盤周邊區(qū)域1路注水2路注入泡沫的方案，按照試驗參數注入改良泡沫和水。施工過程中定期在泡沫發(fā)生器前端、盾構中心回轉節(jié)處打開閥門觀察注入泡沫效果，確保注入刀盤的改良劑參數可靠有效。

4.3 試掘進及主要參數制定

為確保下穿掘進安全順利，根據現場條件在下穿房屋前設置長不小于50m的盾構下穿房屋試掘進試驗段，模擬下穿房屋掘進。在之前渣土改良實驗、掘進理論計算等參數基礎上，結合試驗段地面監(jiān)測數據進行驗證和優(yōu)化調整，得出最終的下穿掘進段執(zhí)行參數和掘進管理經驗。

4.3.1 理論參數計算

采用地勘報告水文地質及土體物理力學性能參數，結合施工經驗分別計算不同地質斷面盾構掘進的土倉壓力、總推力、刀盤扭矩、每環(huán)（1.5m）出土量等主要參數理論數據，作為試掘進的基準控制參數范圍。典型斷面計算結果表4。

4.3.2 試驗段掘進參數修正

以上述理論計算參數和試驗改良參數為參照在試驗段試掘進，整個過程中模擬下穿施工組織和管理，并準備好地面和洞內應急注漿措施，嚴格按照信息化施工原則，施工監(jiān)測數據及時采集和反饋實時指導盾構掘進，各項施工參數全程記錄并錄入電子表格繪制圖表曲線，直觀分析和修正各項施工參數，最大限度減小地面沉降，并穩(wěn)定保持。通過試掘進總結，地面沉降可控制在-3.43mm～+0.85mm內，得出不同地層分布情況下地面沉降監(jiān)測數據及對應的主要掘進參數繪成圖表如圖9～11，表5～7。

4.4 下穿掘進管理要點

將盾構進入房屋前后20m內范圍作為下穿段重點管控，項目領導現場帶班組織施工，確?，F場問題得到準確果斷的處置。關鍵崗位安排經驗豐富、執(zhí)行力強的管理人員負責組織實施，全程按照既定施工技術和組織管理體系，設置了清晰的管理指令制定和下達路線，現場分工責任到人并定崗值守，多線路時刻保證通訊暢通，現場交接班。整個施工過程中，仍然發(fā)生了渣土改良顯示參數和實際注入情況不匹配、同步注漿量不夠緊急二次補充注漿等問題?？偨Y試掘進和下穿房屋掘進過程中遇到的系列問題和經驗教訓，管理思想上高度重視、參數指令嚴格執(zhí)行、現場觀察細致敏銳、問題及時果斷處置始終是順利下穿的關鍵。

5 總結及應用效果

通過試驗研究和實踐應用，最終300m長下穿房屋段掘進用時28天，平均進度7.14環(huán)/天，盾構安全順利下穿房屋并全線貫通，地面房屋最大累計沉降-6.67mm，房屋建筑安全穩(wěn)定無明顯影響。實際下穿掘進期間土倉壓力介于0.86～1.35bar，略高于理論計算值0.15bar;總推力介于790～1050T，與理論計算基本匹配;同步注漿量介于5.8～8.8m3之間，尤其在砂卵石地層中注漿量明顯大于泥巖和淤泥質粘土地層，最大填充系數達2.17。同時過程中利用設備停機維保期間，每隔10環(huán)對成型隧道管片進行二次雙液注漿，監(jiān)測數據顯示對地面沉降穩(wěn)定和管片上浮控制起到重要作用。

6 結論及建議

實踐應用證明，通過實驗研究和試掘進總結修正，嚴格按照掘進參數和管理措施執(zhí)行，在無地面預加固處理等措施情況下，土壓平衡盾構僅采取洞內控制措施在富水砂卵石、淤泥質粘土及泥巖交互地層中下穿房屋建筑也是可以成功的，地面房屋建筑沉降可以控制在毫米級?？偨Y經驗教訓，還有以下建議可供參考借鑒。

（1）對于富水砂卵石及淤泥質粘土交互地層掘進，盡量選擇中心有效開口率較大的刀盤，或根據地層情況調整減少滾刀配置，盡量降低渣土改良壓力。

（2）對上述地層使用普通型泡沫劑改良即能滿足需要。根據目前市面泡沫品牌實驗情況看，法斯克泡沫性能最佳，巴斯夫泡沫綜合適用性最佳。但應不同產品批次可能性能存在差異，最好實驗選擇泡沫參數。

（3）不同地層的渣土改良和掘進參數有一定差異，掘進過程中必須結合地層變化和出土情況，在控制參數范圍內實時微調，切勿一個參數推到底。

（4）砂卵石地層具備良好的“骨架效應”，可能存在沉降滯后或空洞坍塌風險，建議在盾構施工完成后結合掘進過程出土量情況及時進行地面空洞探查和填充注漿。

（5）該類地層特性決定了盾構施工地面沉降控制本身具備較高風險，在條件允許情況下，應盡可能考慮提前對房屋進行預加固或調線避讓不良地質等方案最大程度降低施工風險。

參考文獻

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