基于蘭州砂卵石地層盾構法施工過程中的問題分析及解決措施

馮　萌，楊　蒙，劉　宇，張建佳

（北京交通大學土木工程學院，北京 100044）

基于蘭州砂卵石地層盾構法施工過程中的問題分析及解決措施

馮萌，楊蒙，劉宇，張建佳

（北京交通大學土木工程學院，北京 100044）

本文通過對施工區間地質情況分析，針對蘭州地鐵隧道盾構法施工過程中存在的主要問題提出相關的解決方案。蘭州砂卵石地層的特殊地質特性導致盾構法施工過程中，由于人工填土問題、地下水埋深過淺、卵石粒徑大等一系列問題，延緩了施工進程，經濟成本較高。針對上述問題，本文提出了具體的解決措施。

砂卵石地層；盾構法；問題分析

蘭州市有著“兩山夾一河”的特殊地形，東西寬、南北窄。因此，在城市軌道交通線路規劃過程中，地鐵一號線為東西走向，且須跨越黃河。而黃河蘭州段的富水砂卵石地層正是地鐵施工中的障礙所在，該種地形常采用泥水盾構法施工。針對蘭州的特殊地況，文章從以下方面闡述論證。

一、水文地質特征

蘭州市氣候屬中溫帶、半干旱、大陸性季風氣候。四季分明，夏熱多雨，冬寒干燥。降雨量少，多年平均降水量僅293.5mm，且一年內分布不平衡，雨季起訖時間為4月～9月。年平均氣溫為10.4℃，歷史最高溫度為39.8℃，歷史最低溫度為-21.7℃。通過現場勘查及相關資料得出，迎門灘—馬灘施工區間內河流水文、地下水及巖層的特性:

1.河流水文

黃河自西向東，流經蘭州市。黃河蘭州段徑流量可受劉家峽水庫和龍羊峽水庫人工控制調節，因此，徑流的年際和年內分配趨于平穩。黃河輸沙量較大，且隨季節變化明顯，豐水期含砂量明顯高于枯水期。

2.地下水的補給、徑流及排泄

施工場地的地下水類型為沖積松散巖類孔隙水，主要含水層為砂卵礫石層。勘察期間，本區間地下水位埋深8.86m～11.66m，地下水動態主要受季節變化的影響，一水文年中表現為一個高水位期（8月～9月）和一個低水位期（3月～4月），與黃河水位有同步漲落的特點。

蘭州斷陷盆地的地下水補給條件比較復雜，主要有大氣降水、田間回歸水、污水、側向基巖裂隙水及溝谷潛水、黃河表水補給。然而，黃河進入枯水期時，水位下降，場地地下水位略高于黃河水位，由地下水補給黃河水。

3.巖層特征

表層為雜填土，特點是無規劃堆積、成分復雜、性質各異、厚薄不均、規律性差。因此，同一場地表現為壓縮性和強度的明顯差異，極易造成不均勻沉降，通常都需要進行地基處理。其雜色分布情況如下：地表以及道路表面、河灘濕地公園人工湖開挖堆土、濱河路路堤、取砂坑回填、垃圾填埋場、銀灘大橋基礎、公路兩側建筑物基礎兩側；成分主要以粉土、中粗砂、卵石、圓礫為主；雜填土來源主要來自磚塊、水泥塊、煤渣、生活垃圾等；密度為一般松散到中密。

其下為中砂，其成分主要為石英、長石、云母。局部夾有細沙，含少量圓礫、礫砂，含量小于15%。具水平層理，稍密，該層分布不連續。

下層為卵石，以雜色、青灰色為主。其局部夾有薄層或透鏡狀砂層，分布主要位于雜填土之下。成分構成為：漂石、卵石（占55%～70%），一般為粒徑20mm—60mm。漂石最大可達500mm。礫石（占10%～15%）。中粗砂充填。卵石及圓礫母巖成分主要為砂巖、花崗巖、石英巖、硅質巖、鈣質泥巖、燧石等。級配不良，磨圓較好，分選較差，水下部分飽和。該層分布穩定，厚度大，可達200m～300m。

二、盾構施工中的問題分析

由于砂卵石地層的特殊性，在蘭州市軌道交通施工迎門灘—馬灘區間內，施工有非常大的難度，施工工期多次延長，盾構機刀盤磨損比較嚴重，水下施工區間較長，地質情況復雜。施工過程主要存在以下問題：

1.松散的人工填土對附屬建筑物地基不利

迎門灘—馬灘區間主要地貌為黃河高漫灘、低漫灘及黃河河床。雖位于七里河斷陷盆地內，但地層分布穩定、斷裂構造不發育，場地底層穩定性干擾較小。主要問題在于使用泥水盾構施工的過程中，需要泥水壓力大于地下水壓力，且二者壓力差保持穩定。由于范德華力的作用，懸浮顆粒分子積聚于土壤與泥水接觸表面形成泥膜，在掘進過程中，刀盤將泥膜包裹的土體切割后，新的泥膜很快形成。這樣可以保證動態平衡，盾構機正常工作運行。但是進行過挖沙作業的位置回淤，甚至出現空洞，都易導致泥水壓力平衡不穩定，甚至在空洞部分泥水會流失，導致無法掘進。施工區間長度達到四百米以上，跨度較大，場地局部存在人為取砂坑、建筑場地的回填土、濕地公園人工湖開挖堆土等。例如：安寧砂廠等多家企業曾進行挖沙作業，對河床產生嚴重的影響。河道采挖砂石后形成的挖沙坑，人為取砂坑回填土、濕地公園人工湖開挖堆土成分以粉土為主，夾有卵石、粗砂，顆粒不均勻，局部還夾雜有磚塊、煤渣等生活垃圾。同時，取砂坑邊沿較淺，中部較深，結構松散，工程性能差，不僅在施工過程中有一定影響，還對隧道洞壁穩定性和地面建筑地基具有很大的影響。

2.地下水位埋深較淺

本區間位于蘭州斷陷盆地，地下水補給條件比較復雜，主要有大氣降水、田間回歸水、污水、側向基巖裂隙水及溝谷潛水、黃河表水等。黃河水與地下水具有雙向補給、水流交替循環強烈、水位恢復迅速的特點，因此，區間內地下水水位偏高，區間內黃河水面高程為1519.6m～

1521.1m，河道寬度約404m，水面寬約200m，水深一般為3m～7m，最深處可達9m。若附屬建筑物深基坑降水措施不當，可能產生涌水、涌砂、周圍地面沉降等風險。并且在施工過程中，為保證施工安全，需將地下水水位降至施工高度一米以下。此次施工高度位于地下20米，那么，地下水需至少降至地表以下21米，所以，在施工過程中的排水問題也不容小覷。

3.卵石顆粒粒徑較大，堅硬巖居多

本區間卵石層普遍分布粒徑大于200mm的漂石，分布隨機性較強，并無明顯的成層規律，據鉆孔資料及附近大基坑開挖資料，最大粒徑500mm，漂石含量不均勻，卵石母巖成分為花崗巖、石英巖等，卵石石英含量普遍較高，經室內石英含量分析，石英含量平均值約71.61%。卵礫石強度因巖性的不同而有很大差異，從堅硬程度上劃分，包括中硬巖和堅硬巖，以堅硬巖居多；從風化程度劃分，包括中等風化和微風化，以微風化居多。

由此可見，采用盾構法進行施工時，卵石單軸抗壓強度部分大于100MPa，局部基礎下方含有中砂透鏡體，因此，要注意地層軟硬不均對刀片的磨損。且地層中可能存在大于粒徑500mm的漂石，不排除可能遇到個別粒徑超過500mm的漂石，無法通過螺旋輸送機排出。

三、盾構法施工措施建議

1.穩定性問題

本區間填土結構較松散，工程性能差，部分地段距隧道較近，對隧道洞壁穩定及施工有不利影響，因此，建議施工到距離線路較近的填土區時，適當降低施工速度，及時支護，制定對填土區盾構施工針對性的方案，并加強各項監測。地面變形監測：于隧洞沿線地面布置條帶性檢測系統，利用儀器測量監測地面沉降、隆起、變形情況，分析變形規律，提前預警并及時采取工程措施；洞壁及支護結構變形監測：于隧洞內洞頂、洞壁不同部位埋設多點變形儀，時刻掌控監測洞壁、洞頂隆起、變形情況，分析變形規律，建立信息化預警并及時采取工程措施；地面建筑物變形監測：于隧洞沿線的地面建筑物布置檢測網，利用儀器測量監測建筑物變形情況，分析變形規律，提前預警并及時采取工程措施。做好提前防護工作，并制定可行的應急處理方案。

2.刀盤選型問題

在盾構機刀盤選型時，需注意配置耐磨度及尺寸合適的刀盤，盾構壓力等參數應適宜；及時調整因地層軟硬不均，盾構產生的洞軸線偏移。建議刀盤采用面板式。雖然輻條式刀盤有防止砂土閉塞、刀盤扭矩裝備、經濟性等方面的優勢，但面板式可以安裝滾刀，有效穩定掌子面地層，滾刀可將螺旋輸送機送不出去的大卵石切碎，以便排出。同時，建議加裝采石箱，不僅可以提高收集大粒徑卵石的效率，也可大大節約清空采石箱所需的時間，進而提升施工效率。

3.地下水問題

在基坑開挖施工過程中，嚴格進行地下水動態監測，利用降水井、施工水井、隧道基坑涌水變化及水中含砂量變化，及時掌握施工期間地下水變化情況。為防止基坑坑底和坑壁產生管涌現象，施工中嚴禁中斷抽水。如排樁加截水帷幕或地下連續墻施工，可考慮基坑內二次降水，并做好相應的安全保障措施。

4.市區環境問題

由于施工區間位于蘭州市區，同時，也應注意盡量降低對市民生活的影響，合理確定施工時間以及運輸材料時間，減小對市區交通壓力的影響。進出施工場地的車輛需要沖洗輪胎，防止對市區環境產生不良影響。

綜上所述，針對蘭州特殊的地理位置與地質構造引起的人工填土松散、地下水水位埋深淺、卵石粒徑大等問題，建議在施工過程中，加強各項監測，并提前做好防范措施與應急預案。同時，泥水盾構選取面板式刀盤，并安裝滾刀，可有力破碎粒徑較大的卵石，并成功排出。地下水問題要根據動態監測的各項指標，做好安全保障措施。

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TU

A

1673-0046（2016）5-0190-02

本文系2015年北京交通大學大學生創新項目“基于蘭州市城市軌道交通砂卵石地層盾構施工的問題研究與解決方案”（項目編號：150130037）的階段性研究成果之一