大直徑土壓平衡盾構在成都富水砂卵石地層施工的關鍵技術

張英明，郭宏浩，李騰飛，羅良乾，2

（1. 中交天和機械設備制造有限公司，江蘇 南京 211899；2. 中交南京交通工程管理有限公司，江蘇 南京 211899）

隨著城市軌道交通逐漸提速，地鐵盾構隧道直徑也隨之加大。目前我國北京、上海、深圳、珠海等地采用大直徑土壓平衡盾構建設地鐵隧道的案例較為典型，國內(nèi)專家學者針對大直徑土壓平衡盾構在上述地區(qū)的粉土、砂土、淤泥質(zhì)黏土、礫質(zhì)黏性土、全風化巖石等地層中的應用進行了深入研究并取得了豐富成果［1-5］。此外，砂卵石地層盾構隧道的工程案例已有較多，如國外的意大利地鐵、日本地鐵，我國的北京地鐵、成都地鐵、蘭州地鐵、臺北地鐵等［6-8］。國內(nèi)專家學者及工程技術人員對小直徑土壓平衡盾構在卵石層中的應用技術進行了深入研究和探討［9-10］。相對于其它地區(qū)砂卵石地層而言，成都砂卵石地層更為典型，其地層卵石含量高、級配不連續(xù)、渣土內(nèi)摩擦角更大、流動性更差、地層與鋼鐵摩擦系數(shù)大、粘聚力小、擾動后更易松散、更易坍塌，而且成都多采用直徑6m級盾構建設地鐵隧道。

成都軌道17號線一期工程在該地層中采用φ8634mm大直徑土壓平衡盾構施工在國內(nèi)尚屬先例，在砂卵石地層中建設大直徑盾構隧道需要解決的關鍵技術問題也有所不同。本文針對大直徑土壓平衡盾構穿越成都富水砂卵石（漂石）地層時，施工過程中渣土改良、倉位控制、塌方控制、泥餅防治和穿越重要建筑物控制的關鍵技術措施進行了分析和總結。

1 工程概況

成都軌道交通17號線一期工程線路全長約26.145km，其中地下段盾構區(qū)間長約20.785km，共9個盾構區(qū)間，埋深6～36m。最大站間距6641m，最小站間距1471.8m，平均站間距3175m。盾構區(qū)間采用20臺中交天和設計制造的φ8634mm大直徑土壓平衡盾構施工。

線路位于成都西部，隧道洞身位于全斷面砂卵石地層，主要為2-9-2中密砂卵石、2-9-3密實砂卵石、3-8-2中密砂卵石、3-8-3密實砂卵石。溫江段卵石含量超過75%，漂石粒徑20～70cm較多。漂石及卵石天然抗壓強度一般為41～200MPa，個別強度達到299MPa，其余為細、中沙填充。工程位置屬岷江水系，隧道穿越含水量豐富、補給充足的強透水的砂卵石土，埋深均位于地下水位以下。盾構穿越河流、建（構）筑物、鐵路和既有地鐵線等58處重、特大風險源，對地面沉降控制要求非常高。盾構掘進時刀盤轉(zhuǎn)動切削擾動，刀盤前方及上方砂卵石土易松散坍塌，地面易沉降。

2 施工關鍵技術措施

根據(jù)成都全斷面富水砂卵石地層具有不穩(wěn)定的特性，提出“以排為主、限量出土、快速通過”的總體掘進思路，掘進過程中重點注意渣土改良、防泥餅、防噴涌、防坍塌等技術措施，提高盾構掘進過程中的安全系數(shù)。

2.1 盾構始發(fā)端頭加固措施

成都富水砂卵石在盾構始發(fā)、到達端頭均為降水區(qū)，原本密實地層經(jīng)過基坑開挖降水后已經(jīng)被擾動，地層中細微顆粒被降水帶走，形成骨架效應，盾構在掘進過程中刀盤旋轉(zhuǎn)對地層再次擾動而造成地面沉降、坍塌。端頭加固采用地面袖閥管加固和隧道拱頂大管棚加固兩種方式相結合。

地面袖閥管加固：始發(fā)、到達處在端墻至15m長，距盾體邊左右各4.15m寬。范圍內(nèi)間隔2m設置1個注漿孔，成梅花狀，鉆孔深度為隧道中心。注漿材料選用普通硅酸鹽水泥，漿液水灰比0.8∶1～1∶1，注漿壓力0.2～0.4MPa，如圖1所示。

圖1 袖閥管加固示意圖

大管棚加固：管棚采用φ108大管棚，設置在洞門頂部120°范圍內(nèi)，間距30cm，共34根，每根長18m。注漿漿液采用水泥單液漿，注漿材料選用普通硅酸鹽水泥。漿液水灰比0.8∶1～1∶1，注漿壓力0.2～0.4MPa，主要目的是加固地層和止水，如圖2所示。

圖2 大管棚加固示意圖

2.2 渣土改良措施

本工程砂卵石地層切削下的渣土極不均勻，原狀渣土中的卵石和砂土分離嚴重，單純依靠切削下來的渣土壓力來保持開挖面平衡幾乎不可能。另外其流動性很差，原狀渣土很難通過螺旋機排出。因此必須改良渣土，以保持開挖面的穩(wěn)定和順利出渣。本工程實施過程中，經(jīng)過對渣土改良試驗和現(xiàn)場應用驗證，施工中采用膨潤土+泡沫+水、泡沫+水兩種方式能起到較好的效果。

（1）常規(guī)區(qū)段掘進時的渣土改良。

常規(guī)區(qū)段采用泡沫+水、膨潤土+泡沫+水2種方式均能起到較好的渣土改良效果。兩者不同的是，在注入膨潤土的同時需要減少注水量，注水量減少后，因膨潤土漿液的降溫效果不如水，卵石和刀盤刀具摩擦產(chǎn)生的熱量得不到充分降低，倉內(nèi)溫度隨之升高。長期的倉內(nèi)高溫易造成膨潤土在倉內(nèi)結泥餅，因此在實際施工過程中主要采用泡沫+水的方式改良渣土。

（2）加固區(qū)、降水區(qū)及高風險區(qū)掘進時的渣土改良。

加固區(qū)、降水區(qū)及高風險區(qū)掘進時，主要采用膨潤土+泡沫+水的方式改良渣土，主要考慮因素有：①加固區(qū)土體經(jīng)過注漿改良后，卵石間填充的細粒被水泥漿液固結，切削下來的渣土呈塊狀，缺少細粒填充，加入膨潤土補充細粒以改善渣土性能；②降水區(qū)土體經(jīng)過地下水抽排后，卵石間填充的粉細砂流失，加入膨潤土補充細粒以改善渣土性能；③高風險區(qū)域?qū)Τ两狄蟾撸幼⑴驖櫷聊芨玫母纳圃列阅?，且膨潤土泥漿覆蓋或滲入開挖面土體后能起到一定支撐和止水作用，有利于控制地表及建（構）筑物沉降變形，保證盾構安全通過。

2.3 渣土倉位控制措施

土壓平衡理念的理想狀態(tài)下，土倉內(nèi)渣土是勻質(zhì)的，采用滿倉位以達到平衡掌子面水土壓力。但在此工程砂卵石地層中，由于倉內(nèi)渣土卵石含量高、粒徑大、密度大，在此地層中滿倉位推進時將出現(xiàn)一系列不良問題，如：扭矩大、推力高、渣土滯排、渣溫高、速度慢、憋倉加大對周邊地層的擾動而增加超挖、易結泥餅等。根據(jù)成都以往地鐵施工經(jīng)驗和本工程實踐總結，在此砂卵石地層中宜采用控制欠壓推進。欠壓造成的不利影響是可能會超挖，工程中采用以下措施解決：

（1）快速推進。卵石特點是不擾動時天然狀態(tài)穩(wěn)定，經(jīng)刀盤轉(zhuǎn)動和推力擠壓擾動后松散，所以采用控制欠壓模式推進保證推進速度，以減少超挖。

（2）適當保壓。欠壓推進時，在倉內(nèi)土體上方充填膨潤土液或泡沫，漿液壓力或氣壓對掌子面起到一定的穩(wěn)定和止水作用。當渣土改良情況較好時也可以適當提高渣土倉位。

（3）渣土倉位判斷的方法。因渣土的密度與膨潤土漿液或泡沫的密度相差較大，通過土倉壁板上各高度位置的壓力傳感器間差值變化可以推斷出渣土倉位，從而進行渣土倉位控制。

2.4 泥餅防治措施

在本工程砂卵石地層掘進施工中，泥餅會導致刀盤扭矩增加、推進效率低下、滾刀偏磨等不利影響。其主要原因為：（1）刀盤進入土體后刻意建立土壓導致洞門密封漏水，注入的改良劑不能充分改良渣土，土倉積渣出現(xiàn)板結；（2）處理超挖產(chǎn)生的地層空洞過程中，水泥砂漿進入刀盤前方和土倉造成渣土凝結；（3）施工不連續(xù)、停機時間過長造成土倉內(nèi)渣土嚴重失水沉積，加劇土倉積渣板結。

經(jīng)過本工程實踐，在此砂卵石地層掘進施工時，主要從以下幾方面進行泥餅防治：

（1）減少泥餅生成條件。在掘進過程中，可通過渣土改良控制、土倉渣土倉位控制（避免刻意建立土倉壓力）、土倉溫度控制（注水降溫）等措施減少泥餅的生成條件。

（2）及時發(fā)現(xiàn)泥餅。泥餅是逐漸形成并加重的，在形成過程中往往伴隨以下現(xiàn)象：①土壓頻繁波動變化；②扭矩規(guī)律性波動；③推力持續(xù)增加；④推進速度降低；⑤渣溫持續(xù)上升；⑥卵石過度破碎。當出現(xiàn)這些異?，F(xiàn)象時，應及時采取相應措施或開倉檢查。

（3）泥餅處理。在泥餅形成前期階段可使用分散劑泡倉，或根據(jù)參數(shù)波動情況預判板結位置，并通過土倉壁板預留的注入孔對該位置進行沖洗。泥餅嚴重時則開倉清理。

2.5 噴涌防控措施

（1）保壓掘進：保壓后，同步注漿不會串到土倉，管片背后也會飽滿，產(chǎn)生噴涌的情況會大大降低。

（2）減小加水量：把泡沫水量減到最小，泡沫交替開啟加入，前提要保證泡沫孔不能堵塞，加水管關閉，保證管路沒有堵塞。

（3）螺旋輸送機控制：螺旋輸送機要開起，轉(zhuǎn)速2～3轉(zhuǎn)即可，不造成螺旋堆積壓力。

（4）管片后部放水：打開管片吊裝孔，把后部積水放掉，減少土倉水匯積。

（5）二次雙液漿做封水環(huán)：連續(xù)注多環(huán)雙液漿做封水環(huán)隔斷后部來水。

2.6 坍塌防控及應對措施

本工程砂卵石地層受擾動后變得松散，易產(chǎn)生掌子面及刀盤上前方土體超挖，甚至造成地層坍塌和地面較大沉降或塌陷。除按土倉渣土倉位加以控制外，主要采取以下防控和應對措施：

（1）嚴格控制每一環(huán)的出土量，采用出土體積和出土質(zhì)量雙重指標控制。

（2）嚴格把控同步注漿的漿液質(zhì)量和注漿量。考慮本工程砂卵石具有受擾動松散和強透水性，同步注漿采用凝結時間較短（初凝3～6h、終凝10h左右）、強度高的漿液，每環(huán)注漿結束或中途停機要及時采用膨潤土清洗注漿管路以防堵管；正常注漿量為計算空隙體積的1.5～1.8倍，在出土超方地段加大同步注漿方量，或采取背后二次補注漿。

（3）空洞回填。當出現(xiàn)大方量超方時，應立即停止掘進，主動探測尋找空洞，同時做好土倉保壓工作。若空洞與開挖面連通，徑向及盾尾注入膨潤土防止盾體被抱死。為避免回填材料造成刀盤抱死和土倉渣土固結，需要在刀盤周圍回填砂子形成隔離層后，再回填水泥砂漿或混凝土讓地層形成板塊效應。待回填材料凝固后再恢復掘進。

2.7 穿越重要建（構）筑物控制措施

本工程盾構成功穿越河流、建（構）筑物、管線、鐵路和既有地鐵線等重、特大風險源共58處，穿越掘進過程控制及后續(xù)地表沉降控制均在允許范圍內(nèi)。采取主要控制措施如下：

（1）穿越前準備：①充分調(diào)查被穿越物情況，提前對被穿越物及其基底地層進行預加固或施做隔離樁，對建筑物基底地層加固一般在地表采用袖閥管注漿，有條件時采用管棚加固；②鄰近穿越的50～100m作為試驗段，以積累穿越最佳參數(shù)并指導穿越掘進；③做好盾構設備維保及刀盤刀具檢查維修，保證在穿越過程中盾構設備處于良好狀態(tài)，避免穿越過程中停機；④提前做好穿越事故應急預案和演練，做好應急準備。

（2）穿越過程控制：①嚴格控制穿越掘進各項參數(shù)，采用注入膨潤土+泡沫+水為主要渣土改良措施，高倉位保壓推進；②連續(xù)施工，快速通過，減少施工停頓；③加大同步注漿量，及時進行二次補注漿，確保將盾尾建筑間隙及擾動松散帶填充密實，控制注漿壓力以防止地層隆起；④通過盾體徑向注漿孔向盾體周邊注漿，確保將被擾動后松散的土體充分填充加固；⑤加強監(jiān)測，及時反饋指導施工。

3 結束語

成都軌道交通17號線一期工程φ8634mm直徑盾構在全斷面富水砂卵石地層中成功應用，實現(xiàn)最高月進尺429m、最高日進尺24m的高掘進效率，順利完成了工程任務。本工程實施過程中，根據(jù)砂卵石地層特點，提出了“以排為主、限量出土、快速通過”的總體掘進思路。掘進過程中主要采取地面袖閥管和隧道拱頂大管棚加固端頭，采用膨潤土+泡沫+水和泡沫+水兩種方式改良渣土，采用控制欠壓快速推進和充分注漿填充等措施控制地層沉降。通過對本工程盾構應用關鍵技術進行總結，為后續(xù)大直徑盾構在類似地層施工提供參考借鑒。