土壓平衡盾構(gòu)河底長距離全斷面富水砂層施工技術(shù)

黃春來，饒偉

(中交三航（廈門）工程有限公司，福建 廈門 361006)

1 引言

受地質(zhì)因素和排土方式影響，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在富水砂層掘進(jìn)時(shí)易出現(xiàn)螺旋輸送機(jī)噴涌、地層擾動(dòng)大的現(xiàn)象，造成地面沉降乃至坍塌等環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，在滲透系數(shù)較大的富水砂層一般適宜選取泥水平衡盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行掘進(jìn)施工[1]，有利于沉降控制和減少設(shè)備負(fù)荷。但由于受工程復(fù)雜地質(zhì)、周邊環(huán)境條件或造價(jià)等因素綜合影響，工程實(shí)踐往往面臨在富水砂層中采取土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工的現(xiàn)狀[2]。

福州地鐵4 號線某盾構(gòu)區(qū)間受長度方向復(fù)雜地質(zhì)影響，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工。區(qū)間需穿越河底全斷面含泥中細(xì)砂層380 m，施工風(fēng)險(xiǎn)高，施工期間主要通過采取技術(shù)措施處理和科學(xué)管理，有效地控制了施工風(fēng)險(xiǎn)，提高了施工效率。

2 工程概況

福州地鐵4 號線某盾構(gòu)區(qū)間長約1.56 km，隧道外徑6 200 mm，采用土壓平衡盾構(gòu)進(jìn)行施工。盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)黏土及基巖復(fù)合地層隧道約350 m 后，下穿城市河道約380 m，盾構(gòu)區(qū)間隧道頂部距離河底13.95～18.28 m，隧道洞身范圍主要為強(qiáng)透水性<2-4-6>（含泥）中細(xì)砂（部分夾雜<2-4-2>淤泥質(zhì)土）。

該工程穿越段地質(zhì)具有如下特點(diǎn)：

1）受潮汐及地下水流動(dòng)影響顯著。下穿河道為閩江分支，穿越段離閩江約750 m，兩端與閩江連通，河道水系受閩江潮汐影響，水系具有一定潮汐動(dòng)態(tài)特征，水位標(biāo)高為2.9（落潮）～7.3 m（漲潮）。4～9 月汛期洪水對流量、流速、水位的影響顯著。穿越段隧道隧頂至河道底部地層均為<2-4-6>（含泥）中細(xì)砂（部分夾雜<2-4-2>淤泥質(zhì)土），隔水層?。ú糠趾拥變H100 mm厚淤泥），地層地下水與河水水力聯(lián)系密切，且勘察測得該地層在隧道洞身深度地下水水平流速約0.8～2.5 m/d，存在較大的流動(dòng)性。

2）<2-4-6>（含泥）中細(xì)砂地層顆粒組成中，細(xì)砂（粒徑0.075～0.25 mm）占比超過40%，最大達(dá)67%，粉粒（粒徑0.005～0.075 mm）、黏粒（粒徑≤0.005 mm）總和占比小于10%，地層滲透系數(shù)達(dá)3.5×10-2cm/s，屬強(qiáng)透水性地層，具有中等液化性。

3 主要風(fēng)險(xiǎn)分析

由于上述地質(zhì)特點(diǎn)，受潮汐及地下水流動(dòng)影響顯著，地層處于天然的非穩(wěn)定狀態(tài)，地層粉、黏粒含量少，黏聚力小，細(xì)砂含量占比高，顆粒級配差，土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)時(shí)，刀盤前方及盾構(gòu)機(jī)殼體周圍土體受擾動(dòng)影響，易出現(xiàn)液化現(xiàn)象。液化砂土經(jīng)盾構(gòu)機(jī)土倉、螺旋輸送機(jī)排土通道噴涌而出，出渣量難以控制，既給盾構(gòu)機(jī)扭矩、土倉壓力等關(guān)鍵參數(shù)控制增加難度，也易造成地層較大沉降、嚴(yán)重時(shí)河水倒灌，危害成型隧道和周邊環(huán)境安全。

4 針對性措施

4.1 設(shè)備系統(tǒng)檢查

良好的設(shè)備密封狀態(tài)是盾構(gòu)機(jī)在富水砂層穿越河道的基礎(chǔ)。針對該工程地質(zhì)情況，工程實(shí)施前，選擇優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品對盾構(gòu)機(jī)的鉸接密封、盾尾密封系統(tǒng)進(jìn)行了更換，對主軸承密封性能進(jìn)行了檢測評定。

4.2 綜合渣土改良措施

富水砂層掘進(jìn)中渣土改良是控制噴涌的關(guān)鍵，只有渣土改良到位，才能保證盾構(gòu)施工的安全、順利、快速。根據(jù)本工程富水砂層地層黏粒含量低、含水量高、滲透系數(shù)大的特點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際條件，采取了綜合方法進(jìn)行渣土改良。

4.2.1 土倉注入膨潤土改良

由于砂層中粉粒、黏粒含量極少，為提高砂土的含泥量、補(bǔ)充土體的微細(xì)顆粒組分，改善顆粒級配，減小土體的內(nèi)摩擦角，增加開挖渣土的流動(dòng)性和不透水性，土倉注入膨潤土溶液進(jìn)行渣土改良。

膨潤土漿液采用膨潤土、純堿、CMC（陶瓷基復(fù)合材料）拌制?？紤]施工成本，采用鈣基膨潤土增加適量純堿以提高泥漿指標(biāo)，經(jīng)試驗(yàn)比選，最終確定膨潤土溶液配比如下：膨潤土摻量10%，純堿摻量5%，CMC 摻量5‰，試驗(yàn)測定泥漿黏度100 Pa·s。

通過注入膨潤土溶液，渣土黏性有明顯改善，但由于地層含水量大、透水性較高，且盾構(gòu)機(jī)膨潤土系統(tǒng)容量限制，體積注入率僅10%，改良效果有限。

4.2.2 土倉優(yōu)質(zhì)泡沫改良

泡沫作為渣土改良的常用措施，是由多種表面活性劑、穩(wěn)定劑、滲透劑和強(qiáng)化劑復(fù)配而成，具有發(fā)泡率高、潤滑性好、成本低和操作方便等優(yōu)點(diǎn)，可有效減少盾構(gòu)掘進(jìn)的機(jī)械磨損、調(diào)整土體塑性流動(dòng)性，降低渣土的透水性，便于螺旋輸送機(jī)內(nèi)形成土塞，有效防止噴涌發(fā)生[3]。

在采取上述土倉注入膨潤土改良渣土的基礎(chǔ)上，盾構(gòu)穿越期間通過現(xiàn)場測試增加了泡沫劑改良措施。原品牌泡沫摻入體積濃度5%，膨脹率15%，但穩(wěn)定性較差，經(jīng)對比選用了低濃度、高膨脹率、穩(wěn)定性較好的泡沫，泡沫混合液濃度2.5%，發(fā)泡倍率20 倍，注入率15%。

經(jīng)改良后，渣土的流塑性較好，除每環(huán)開始掘進(jìn)時(shí)渣土較稀外，掘進(jìn)過程中未發(fā)生噴涌現(xiàn)象。

4.2.3 高分子聚合物應(yīng)急渣土改良

高分子聚合物具有較強(qiáng)的吸水膨脹能力并可增稠，還能起潤滑作用，在土倉內(nèi)注入高分子聚合物可提高渣土的黏稠度，增強(qiáng)渣土的塑性。

當(dāng)出現(xiàn)噴涌時(shí)，在土倉內(nèi)注入少量高分子聚合物水溶液，通過土倉攪拌棒攪拌后與渣土中水分子結(jié)合發(fā)生絮凝作用生成絮團(tuán)，提高渣土稠度，防止噴涌發(fā)生。

4.3 掘進(jìn)參數(shù)控制

1）土倉壓力。由于砂層富水、滲透性強(qiáng)，土倉壓力可按水土分算確立，分別計(jì)算側(cè)向土壓力和水壓力，土壓力控制以靜止土壓力為計(jì)算依據(jù)，水壓力可近似按靜水壓力計(jì)算。掘進(jìn)過程中，控制土倉壓力的波動(dòng)值在0.1 MPa 以內(nèi)。

2）刀盤轉(zhuǎn)速。在富水砂層中掘進(jìn)時(shí)，適當(dāng)降低刀盤轉(zhuǎn)速，對減少盾構(gòu)機(jī)通過時(shí)對周圍地層的擾動(dòng)、降低刀盤刀具磨耗顯得尤為重要，掘進(jìn)過程中控制刀盤轉(zhuǎn)速為1.0～1.2 r/min。

3）刀盤扭矩。結(jié)合渣土改良情況，刀盤扭矩控制范圍為2 200～2 500 kN·m。拼裝工序原因停機(jī)會(huì)導(dǎo)致土倉渣土堆積，每環(huán)開始推進(jìn)時(shí)刀盤扭矩適當(dāng)偏大是正?，F(xiàn)象，隨掘進(jìn)開始渣土改良劑注入和刀盤轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)增加，刀盤扭矩會(huì)逐漸下降至正常值，也可在每環(huán)掘進(jìn)完成后適當(dāng)增加膨潤土溶液注入量以降低下一循環(huán)掘進(jìn)開始時(shí)的刀盤扭矩。

4）掘進(jìn)速度。富水砂層掘進(jìn)時(shí)盾構(gòu)掘進(jìn)速度以控制合理的土倉壓力為基準(zhǔn)，考慮減少施工擾動(dòng)和便于掘進(jìn)控制，掘進(jìn)速度控制在25～40 mm/min。在曲線段施工時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低掘進(jìn)速度。

4.4 注漿控制

富水砂層含水量高，易受施工擾動(dòng)，液化后穩(wěn)定性急劇下降，造成地表沉降，在施工時(shí)，需保證同步注漿量，并及時(shí)進(jìn)行二次注漿。

4.4.1 同步注漿

為及時(shí)填充管片外開挖間隙，同步注漿采用盾尾4 根注漿管同步壓注，頂部兩側(cè)2 根管道的注漿量控制為底部注漿管的2 倍，總體注漿量根據(jù)下穿前試驗(yàn)段積累數(shù)據(jù)總結(jié)情況確定注入率為180%。

同時(shí)，為及時(shí)穩(wěn)定地層，提高成型管片的整體穩(wěn)定性，對漿液的配合比進(jìn)行調(diào)整，將原漿液初凝時(shí)間6～7 h 縮短到4～5 h。調(diào)配前后漿液配合比見表1。

表1 調(diào)配前后漿液配合比

4.4.2 二次注漿

二次注漿的主要作用為彌補(bǔ)同步注漿量的不足，為避免損壞盾尾密封系統(tǒng)，二次注漿一般在管片脫出盾尾5 環(huán)以后進(jìn)行。

漿液采用水泥-水玻璃雙液漿（體積比1∶1），其中，水泥漿水灰比為0.9～1.0，初凝時(shí)間約40～60 s，采用注漿量和注漿壓力雙控管理（其中1 項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到限值即停止注漿），單點(diǎn)單次注漿量不超過0.5 m3，注漿壓力≤0.5 MPa。

4.5 應(yīng)急方案

應(yīng)急方案作為危險(xiǎn)發(fā)生時(shí)的重要管理措施，在盾構(gòu)機(jī)河底長距離富水砂層掘進(jìn)時(shí)尤為重要。應(yīng)做好幾個(gè)方面的工作：

1）制定盾構(gòu)機(jī)密封系統(tǒng)發(fā)生泄漏、河底“冒頂”時(shí)的應(yīng)急處置措施，特別是風(fēng)險(xiǎn)頻率相對較高的鉸接密封和盾尾密封系統(tǒng)泄漏；

2）做好應(yīng)急方案的實(shí)操演練工作，包括物資設(shè)備的準(zhǔn)備、操作工人的交底；

3）健全落實(shí)全天候主要領(lǐng)導(dǎo)值班制度。

5 實(shí)際效果

本工程在實(shí)施期間，通過對設(shè)備的維護(hù)檢修、渣土改良方法的不斷優(yōu)化、掘進(jìn)參數(shù)和注漿管控以及應(yīng)急預(yù)防等措施，使盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)高效、安全。

1）設(shè)備管理上，穿越前邀請?jiān)O(shè)備廠家對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行了再評估，對發(fā)現(xiàn)的設(shè)備隱患及時(shí)進(jìn)行了處置。

2）渣土改良方面，首先，采用了土倉單獨(dú)的注入泡沫方法進(jìn)行改良，但刀盤扭矩居高不下，維持正常掘進(jìn)刀盤扭矩達(dá)4 000 kN·m；結(jié)合現(xiàn)場場地條件，后采取了每環(huán)注入約4 m3膨潤土溶液改良，但螺旋輸送機(jī)出閘口渣土較稀、盾尾底部清理工作量大，影響施工進(jìn)度；綜合采取正常掘進(jìn)時(shí)泡沫劑和膨潤土結(jié)合改良方法，輔以高分子聚合物應(yīng)急改良措施后，渣土的流塑性較好，掘進(jìn)過程中未發(fā)生噴涌現(xiàn)象。

3）盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，隨著渣土改良等措施的優(yōu)化完善，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制難度降低，土倉壓力波動(dòng)趨于合理，正常掘進(jìn)刀盤扭矩下降至2 500 kN·m 以內(nèi)，推進(jìn)速度控制連續(xù)穩(wěn)定。

4）穿越前，對密封泄漏應(yīng)急方案組織進(jìn)行了現(xiàn)場桌面演練和2 輪次的實(shí)操演練，確保應(yīng)急方案落實(shí)到位。

5）整個(gè)穿越期間，平均進(jìn)度約8 環(huán)/d，地表環(huán)境變形穩(wěn)定，未出現(xiàn)河道異常情況。

6 結(jié)語

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)在河底長距離全斷面富水砂層中掘進(jìn)時(shí)面臨密封磨損泄漏、螺旋輸送機(jī)噴涌、沉降控制困難等主要施工風(fēng)險(xiǎn)，福州地鐵4 號線某區(qū)間通過不斷優(yōu)化，針對設(shè)備狀態(tài)、渣土改良、掘進(jìn)參數(shù)及注漿控制、應(yīng)急預(yù)案等方面采取針對性措施，有效管控了施工風(fēng)險(xiǎn)，提高了施工效率，保證了盾構(gòu)機(jī)高效、安全掘進(jìn)，可為類似地質(zhì)條件下土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)施工提供參考和借鑒。