大直徑盾構(gòu)施工主要問(wèn)題及勘察技術(shù)措施

郭紅梅

（1.北京城建勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京 100101；2.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101）

北京某市政改造工程入地段隧道擬采用直徑15.5m的盾構(gòu)施工，沿線穿越多處地表水體、地鐵、鐵路、地下管線及建筑物和構(gòu)筑物等多處環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，對(duì)地層擾動(dòng)引起的地層沉降控制難度大。本文通過(guò)對(duì)大直徑盾構(gòu)施工中存在的盾構(gòu)選型、豎井基坑支護(hù)、地下水控制及豎井加固等主要問(wèn)題進(jìn)行分析，并采取相應(yīng)的針對(duì)性勘察技術(shù)措施。

1 工程概況

隧道長(zhǎng)7346m，設(shè)南、北盾構(gòu)井各一處，中間設(shè)豎井一處，大盾構(gòu)直徑15.5m,隧道底板埋深28.0～60.0m，中部豎井及南、北側(cè)豎井基底埋深為42.5m和26m。

1.1 工程特點(diǎn)

環(huán)境超敏感，安全環(huán)?？刂茦?biāo)準(zhǔn)高，平均月進(jìn)度指標(biāo)達(dá)300m，掘進(jìn)工期計(jì)劃24個(gè)月，屬同類地層中最高進(jìn)度指標(biāo)。

1.2 地層分布情況

盾構(gòu)穿越粘性土、粉土與砂層互層，以高密度富水砂層為主，地層沉積物的組構(gòu)、空間相變規(guī)律具有較明顯的區(qū)域性特征和過(guò)渡漸變性，具有典型的多沉積旋回特征。

1.3 地下水情況

擬建場(chǎng)地85m范圍內(nèi)存在5層地下水，深部地層承壓水頭高，層間潛水（三）局部地段具有承壓性，承壓水頭約5m，承壓水（四）水頭高度約17m，承壓水（五）水頭高度約27m，承壓水（六）水頭高度約32m。

2 主要問(wèn)題分析

2.1 盾構(gòu)選型

盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)距離穿越富水高密砂層，部分地段砂層標(biāo)貫值超過(guò)120擊，最大泥水壓力達(dá)6bar，施工難點(diǎn)多，對(duì)盾尾密封要求高，刀盤刀具磨損大，泥水長(zhǎng)距離輸送管路磨損嚴(yán)重，進(jìn)排漿泵站、管路磨損后需頻繁更換，設(shè)備可靠性要求高，風(fēng)險(xiǎn)高，擬采用間接控制式泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。

（1）工程地質(zhì)特點(diǎn)。密實(shí)度高、石英含量高的富水密實(shí)砂層對(duì)刀具的磨損大，對(duì)刀盤外援流動(dòng)磨損快，需多次換刀，刀盤應(yīng)具有盡可能大開(kāi)口率。

（2）泥水壓力控制模式。掌子面結(jié)構(gòu)松軟且下穿建構(gòu)筑物，地面沉降控制要求高，故采用帶氣墊的間接泥水壓力控制模式。

（3）設(shè)備選型針對(duì)性設(shè)計(jì)。盾構(gòu)機(jī)選型，以地質(zhì)為基礎(chǔ)，在開(kāi)挖直徑、耐壓能力、基本功能滿足要求前提下，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注一頭一尾。刀盤設(shè)計(jì)應(yīng)解決大直徑、長(zhǎng)距離、砂層掘進(jìn)，刀盤、刀具磨損，安全有效換刀、常壓刀盤中心易結(jié)泥餅、盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)調(diào)整及刀具狀態(tài)監(jiān)測(cè)等難題。刀具布置形式應(yīng)適應(yīng)高密實(shí)度、高石英含量地層，盾尾密封應(yīng)能滿足長(zhǎng)距離高水壓掘進(jìn)密封要求，同時(shí)考慮更換能力。

2.2 地下水控制問(wèn)題

豎井處采用地下連續(xù)墻（插入隔水層中），深層地下水位觀測(cè)井，坑內(nèi)疏干配合應(yīng)急減壓井的組合式控制方案。

2.3 豎井基坑支護(hù)問(wèn)題

中間豎井基坑采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)全逆作圍護(hù)結(jié)構(gòu)形式，南北兩側(cè)盾構(gòu)豎井基坑采用地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐支護(hù)方案。

2.4 盾構(gòu)豎井加固問(wèn)題

盾構(gòu)井端頭擬采用高壓旋噴樁加固。

3 勘察技術(shù)措施

3.1 施工環(huán)境勘察

除應(yīng)對(duì)工程及水文地質(zhì)條件進(jìn)行勘察外，還應(yīng)對(duì)土地、規(guī)劃、道面交通、環(huán)境、供電及給排水設(shè)施，地上地下構(gòu)造物和工程施工等障礙物，構(gòu)造、土質(zhì)、地下水、氣體、地層沉降及周邊設(shè)施等環(huán)境進(jìn)行勘察[1]。

3.2 勘察試驗(yàn)項(xiàng)目

（1）顆粒級(jí)配。對(duì)粉細(xì)砂④層、中砂④4層、粉細(xì)砂⑤5層、粉細(xì)砂⑥5層、粉細(xì)砂⑦層、粉細(xì)砂⑧層進(jìn)行界限粒徑及界限系數(shù)試驗(yàn)[2]，詳見(jiàn)表1，為盾構(gòu)選型及泥漿處理提供數(shù)據(jù)支持。

表1 砂土層的界限粒徑及界限系數(shù)平均值統(tǒng)計(jì)表

（2）耐磨礦物成分。對(duì)粉細(xì)砂④層、中砂④4層、粗砂④5層、中砂⑤4層、粉細(xì)砂⑤5層、粉細(xì)砂⑥5層、粉細(xì)砂⑦層、粉細(xì)砂⑧層進(jìn)行X射線衍射物相分析見(jiàn)表2，石英與長(zhǎng)石礦物成分含量較高，其中石英含量平均值達(dá)36.5%～46.4%，為盾構(gòu)刀具磨損性設(shè)計(jì)選型提供地質(zhì)數(shù)據(jù)支持。

表2 砂層的耐磨礦物成分試驗(yàn)結(jié)果

（3）砂層的室內(nèi)剪切試驗(yàn)。對(duì)粉細(xì)砂②3層、粉細(xì)砂③層、粉細(xì)砂④層、中砂④4層、中砂⑤4層、粉細(xì)砂⑤5層、粉細(xì)砂⑦層、粉細(xì)砂⑧層采取原狀砂樣進(jìn)行室內(nèi)直剪試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3，為豎井基坑支護(hù)設(shè)計(jì)提供參數(shù)。

表3 砂層的室內(nèi)直剪抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值統(tǒng)計(jì)表

（4）粘粒含量。對(duì)粉質(zhì)粘土⑤層、粉質(zhì)粘土⑥2層、粉質(zhì)粘土⑦2層、粉質(zhì)粘土⑧2層進(jìn)行粘粒含量分析試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，粘土礦物含量超過(guò)25%易形成泥餅，在盾構(gòu)選型針對(duì)性設(shè)計(jì)及施工中采取針對(duì)性技術(shù)措施[3]。

表4 土層顆粒組成統(tǒng)計(jì)表

3.3 水文地質(zhì)試驗(yàn)

（1）抽水試驗(yàn)及注水試驗(yàn)。在中部豎井位置針對(duì)潛水（二）和層間潛水（三）、承壓水（四）、承壓水（六）布設(shè)3組抽水試驗(yàn)；針對(duì)承壓水（五）以及承壓水（五）和承壓水（六）間的相對(duì)隔水層粉質(zhì)粘土⑦2層布設(shè)2組注水試驗(yàn)。根據(jù)井結(jié)構(gòu)中各土層所占有效花管長(zhǎng)度的比例以及各土層經(jīng)驗(yàn)滲透系數(shù)比例，對(duì)不同地層分層提供建議值，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同地層抽（注）水試驗(yàn)測(cè)定的滲透系數(shù)表

（2）水位觀測(cè)孔布置及孔隙水壓力測(cè)定。擬建場(chǎng)地在85m范圍內(nèi)對(duì)潛水及各層承壓水進(jìn)行分層觀測(cè)，在盾構(gòu)區(qū)間共埋設(shè)孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)盾構(gòu)區(qū)間結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)垂向孔隙水壓力，為盾尾密封設(shè)計(jì)及盾構(gòu)設(shè)計(jì)施工提供較為準(zhǔn)確的水位數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 地下水位長(zhǎng)期觀測(cè)孔與孔隙水壓力計(jì)監(jiān)測(cè)情況一覽表

（3）粘性土層的室內(nèi)滲透系數(shù)。盾構(gòu)豎井采用地下連續(xù)墻支護(hù)，插入下臥相對(duì)隔水層一定深度形成落地式止水帷幕，需要查明下臥粘性土層的分布、厚度、連續(xù)性及透水性能。下臥粉質(zhì)粘性土層⑥2層及⑦2進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，水平滲透系數(shù)為（1.6～7.2）×10-7cm/s，垂直滲透系數(shù)為（31.4～7.41）×10-8cm/s，透水性弱。

4 結(jié)論

（1）為選擇合適的盾構(gòu)機(jī)型，除應(yīng)對(duì)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件進(jìn)行勘察外，還應(yīng)進(jìn)行場(chǎng)地條件、障礙物、周邊環(huán)境、地面和地下障礙物等進(jìn)行勘察。

（2）盾構(gòu)機(jī)穿越地層的砂層顆粒粒徑及界限系數(shù)試驗(yàn)為盾構(gòu)選型及泥漿處理提供依據(jù)，耐磨礦物成分測(cè)定試驗(yàn)為提供刀具磨損預(yù)估依據(jù)，粉質(zhì)粘土粘粒含量試驗(yàn)為預(yù)先解決盾構(gòu)機(jī)結(jié)泥餅問(wèn)題提供依據(jù)。

（3）長(zhǎng)期觀測(cè)孔布設(shè)解決深部地下水觀測(cè)問(wèn)題，孔隙水壓力計(jì)埋設(shè)為盾尾密封設(shè)計(jì)及盾構(gòu)設(shè)計(jì)施工提供水位數(shù)據(jù)，現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)和注水試驗(yàn)為豎井基坑地下水控制方案選擇提供依據(jù)。