全斷面砂層掘進(jìn)沉降控制技術(shù)

呂朝臣

（中鐵二十二局集團(tuán)軌道工程有限公司，北京 100040）

1 工程概況

杭州機(jī)場(chǎng)軌道快線工程是一條集高架、明挖、盾構(gòu)相結(jié)合的地鐵項(xiàng)目，項(xiàng)目地處杭州江干區(qū)杭州火車(chē)東站附近，含高架、明挖盾構(gòu)三部分，盾構(gòu)從明挖段始發(fā)覆土最小埋深6.2m，最大埋深43m，盾構(gòu)隧道坡度較大，最大坡度29.1‰，最小轉(zhuǎn)彎半徑R500，且主要地層為粉砂和含礫中砂。項(xiàng)目盾構(gòu)區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)源較多，主要下穿杭州地鐵1、4、6號(hào)線3條既有地鐵線，且區(qū)間長(zhǎng)距離與地鐵6號(hào)線并行，最小間距6.4m；2個(gè)市政隧道；1條高架快速路、3座橋梁等。

1.1 盾構(gòu)機(jī)設(shè)備介紹

本區(qū)間采用兩臺(tái)鐵建重工ZTE7150土壓平衡式復(fù)合盾構(gòu)機(jī)，盾構(gòu)機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)機(jī)技術(shù)參數(shù)

1.2 地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1.2.1 地層巖性

區(qū)間隧道埋深約為6～35.7m，本區(qū)間盾構(gòu)穿越的地層主要有③6粉砂、③7砂質(zhì)粉土、⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑦1粉質(zhì)黏土、⑦2粉質(zhì)黏土夾粉土、12○2含礫中砂、12○4圓礫，如表2所示。

1.2.2 水文地質(zhì)

（1）地表水。地表水主要為影響到本工程沿線的河流，沿線河流主要有備塘河、官河、橫河港，河面寬度約為15～30m。

（2）地下水。場(chǎng)地地下水類(lèi)型主要是第四紀(jì)松散巖類(lèi)孔隙水，根據(jù)地下水的含水介質(zhì)、賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征，可劃分為孔隙潛水和孔隙承壓水和基巖裂隙水三大類(lèi)，本工程涉及地下承壓水。

2 地表沉降控制措施

2.1 采用土壓平衡模式掘進(jìn)

盾構(gòu)機(jī)土壓平衡模式掘進(jìn)時(shí)，刀具切削下來(lái)的土充滿(mǎn)土倉(cāng)，土倉(cāng)內(nèi)土壓與掌子面的土壓和水壓相平衡。同時(shí)通過(guò)螺旋機(jī)排土與掘進(jìn)速度相匹配，控制土倉(cāng)壓力。掘進(jìn)過(guò)程中，始終維持開(kāi)挖土量與排土量的平衡，以保證掌子面土體穩(wěn)定，防止超排造成地下水土的流失而引起地表過(guò)大沉降。

2.2 渣土改良

渣土改良具有較好的土壓平衡效果，利于開(kāi)挖面的穩(wěn)定從而控制地表沉降；使渣土具有較好的和易性、流動(dòng)性，便于切削下來(lái)的渣土快速進(jìn)入土倉(cāng)并順利排土，可有效防止渣土噴涌。在砂層中，可向刀盤(pán)前及螺旋輸送機(jī)內(nèi)注入膨潤(rùn)土、高分子聚合物等，可以改良渣土和減小地表沉降。

2.3 采用微擾動(dòng)掘進(jìn)模式

借鑒以往工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，砂層等軟弱地層，地層反應(yīng)靈敏，刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)切削時(shí)，地層很容易破壞原來(lái)相對(duì)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，容易塌陷。尤其是在高富水的條件下，水流造成細(xì)顆粒流失，產(chǎn)生松散沉降直至塌陷。盾構(gòu)在軟弱地層中掘進(jìn)易采用微擾動(dòng)掘進(jìn)模式。微擾動(dòng)掘進(jìn)模式即在土倉(cāng)壓力上下波動(dòng)?。ㄍ羵}(cāng)頂部壓力上下波動(dòng)幅度控制在0.2bar之內(nèi)），刀盤(pán)轉(zhuǎn)速低。在采用微擾動(dòng)掘進(jìn)模式掘進(jìn)時(shí)盡量提高掘進(jìn)速度（≥50mm/min），增大貫入度，快速穩(wěn)定掘進(jìn)。

表2 本區(qū)間主要地層巖性

2.4 嚴(yán)格控制出土量

保持精確出渣計(jì)量，確保出土不超排。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)通過(guò)出渣的方量和重量來(lái)推算掌子面的情況。超挖，掌子面就可能出現(xiàn)坍塌，造成地表沉降；欠挖，掌子面周邊土體向四周擠壓，改變地層的預(yù)應(yīng)力，造成地表隆起，待盾尾通過(guò)后，土體急速回落，最終造成地表沉降。

電瓶車(chē)渣土計(jì)量為每環(huán)4斗左右。實(shí)際施工過(guò)程中，出土量控制可采用掘進(jìn)380mm出渣1渣斗車(chē)控制。龍門(mén)吊出土稱(chēng)重為每環(huán)120t左右，每斗36t左右。根據(jù)以上計(jì)量方法可有效判斷有沒(méi)有超排和欠挖。

2.5 注漿量控制

因刀盤(pán)開(kāi)挖面直徑大于管片外徑，加上開(kāi)挖擾動(dòng)，在脫出盾尾的管片與地層之間有一定的建筑間隙，及時(shí)進(jìn)行壁后注漿填充建筑間隙。防止周?chē)馏w松動(dòng)或坍塌，有效抑制隧道周邊地層變位及地面沉降；包裹管片使管片受力均勻，保證管片早期穩(wěn)定性；在管片外形成隔水層，增強(qiáng)隧道防水性能，以防管片漏水，造成地層失水，引起地面沉降。

同步注漿在砂層等穩(wěn)定性差的地層尤為關(guān)鍵，在盾構(gòu)掘進(jìn)的同時(shí)對(duì)盾尾尾部形成的建筑間隙進(jìn)行注漿填充，在掘進(jìn)的瞬時(shí)對(duì)盾尾建筑間隙形成有效填充，起到支撐周?chē)貙拥淖饔?，防止在空間和時(shí)間的積累作用下，出現(xiàn)地層沉降或塌陷。

二次注漿是在管片盾尾脫出數(shù)環(huán)之后，利用管片注漿孔再次對(duì)壁后進(jìn)行注漿的方法，其作用是對(duì)同步注漿未填充完全的部位進(jìn)行補(bǔ)充注漿；對(duì)同步注漿因漿液凝固后形成收縮，或漿液擴(kuò)散、流失而形成的間隙進(jìn)行補(bǔ)充注漿；對(duì)沉降控制標(biāo)準(zhǔn)較嚴(yán)格的位置，利用管片注漿孔向地層深處進(jìn)行加強(qiáng)注漿，以固結(jié)隧道周?chē)貙?，防止隧道漂移?/p>

2.6 注入克泥效

刀盤(pán)開(kāi)挖直徑為7180mm，盾體直徑為7150mm，在盾體周邊與地層存在15mm的間隙?？四嘈Y(jié)時(shí)間快，利用盾體徑向孔向盾體四周注入克泥效膠體，用以填充盾體周邊與地層之間的間隙?？四嘈н€具有良好的抗稀釋性和擋水性，可阻止盾尾后方來(lái)水，防止噴涌造成超挖，注入克泥效可有效控制地表沉降。

2.7 做好停機(jī)措施

在砂層中，長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，土倉(cāng)內(nèi)失水，土壓泄壓較快，易導(dǎo)致地表沉降；長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)盾體周邊地層收縮水分流失及松散土體掉落導(dǎo)致盾體與地層間摩擦力增大，恢復(fù)掘進(jìn)時(shí)，要使盾構(gòu)機(jī)脫困，將無(wú)法快速提高掘進(jìn)速度，刀盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)后砂子流入土倉(cāng)，造成超排，也極易導(dǎo)致地表沉降。為保證長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)土壓穩(wěn)定及恢復(fù)掘進(jìn)后，快速提高掘進(jìn)速度，在停機(jī)前做好停機(jī)措施，向刀盤(pán)注入膨潤(rùn)土泥漿，轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤(pán)攪拌均勻，可有效解決長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)土倉(cāng)泄壓；向盾體周邊注入潤(rùn)滑性良好的膨潤(rùn)土泥漿，可減小盾體與地層間摩擦力使盾構(gòu)快速恢復(fù)正常掘進(jìn)，進(jìn)而地表沉降。

2.8 施做止水環(huán)

在富水砂層，大下坡時(shí)，地下水沿管片或盾體向刀盤(pán)和土倉(cāng)匯集，易造成噴涌，導(dǎo)致地表沉降。

在富水砂層掘進(jìn)，砂漿填充建筑間隙后，因地下水較大砂漿不能及時(shí)凝固，會(huì)將砂漿稀釋?zhuān)_(dá)不到預(yù)制砂漿凝固要求，不能及時(shí)穩(wěn)定地層。

因此要在盾尾后5環(huán)的位置注雙液漿施做止水環(huán)，每隔5環(huán)左右施做一次止水環(huán)，盡快穩(wěn)固管片和地層的同時(shí)還可封堵后方來(lái)水。在富水砂層中及時(shí)施做止水環(huán)也可降低地表沉降風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)語(yǔ)

杭州市地層較復(fù)雜，被業(yè)內(nèi)認(rèn)為不適合建地鐵的城市之一，但工程人員克服各種困難，尤其針對(duì)含承壓水的砂層地層，其明顯特點(diǎn)是穩(wěn)定性差、顆粒細(xì)小、水分易流失、地下水豐富、補(bǔ)給迅速，在這類(lèi)地層中容易造成噴涌、地層失穩(wěn)、超排等都會(huì)引起地表沉降，甚至地面塌陷。因此，通過(guò)杭州地鐵全斷面砂層盾構(gòu)施工，我們驗(yàn)證了滿(mǎn)倉(cāng)推進(jìn)方法，渣土改良方法，加強(qiáng)同步注漿二次注漿，并使用克泥效工法等多項(xiàng)技術(shù)措施，可解決地面沉降問(wèn)題，保證地面沉降可控，杭州地鐵順利完成，為后續(xù)類(lèi)似地層盾構(gòu)施工提供寶貴施工經(jīng)驗(yàn)。