如何控制巖溶地區淺埋富砂層盾構掘進地面沉降

黃 歡

（廣州市城市建設工程監理公司 廣東廣州 510060）

如何控制巖溶地區淺埋富砂層盾構掘進地面沉降

黃 歡

（廣州市城市建設工程監理公司 廣東廣州 510060）

地鐵隧道盾構掘進施工過程中地面沉降要求極為嚴格，尤其在城市主干道、周邊建（構）筑較多及人流密集，而且地質情況復雜地區地面沉降而帶來的風險不可估量。為確保施工安全，防止地質災害的發生，文章以廣州市軌道交通九號線施工4標【馬鞍山公園站～蓮塘村站】區間盾構施工經驗，針對巖溶發育加淺埋富水砂層地質盾構掘進過程中出現地面沉降工程風險的主要因素分析，闡述了盾構掘進地面沉降的控制措施及對策，為后期盾構施工提供技術準備。

盾構掘進巖溶；淺埋富水砂層地面沉降；對策

廣州市軌道交通九號線施工 4標【馬鞍山公園站～蓮塘村站】區間隧道歷經的地層種類多、巖性復雜。區間全長1205m，其中包括淺埋砂層區821m，占總長度的68%；巖溶發育區（且與淺埋砂層區重疊）518米，占淺埋砂層區長度的63 %；上軟下硬地層240m，占總長度的20%；全巖層144m，占總長度的12%。隧道埋深較淺，上覆砂層較厚，孔隙水豐富，洪積中粗砂層滲透系數為 50～80m/d，洪積礫砂層滲透系數為100～150m/d；溶洞較發育，見洞率高達47.20%，溶洞多為無充填的空洞，透水性強，地下水量豐富。隧道埋深為5.8～8.5m，沿線廣泛分布富水砂層，砂層面埋深較淺，砂層厚度大，孔隙水豐富，溶洞較發育，見洞率高，透水性強，易發生“冒頂”、地面塌陷等工程危險。

針對上述分析原因制定相關對策

1、土倉壓力及出土量控制：在盾構掘進中，保持土倉壓力與作業面壓力(土壓、水壓之和)平衡是防止地表沉降、保證建筑物安全的一個很重要的因素，土倉壓力值應能與地層土壓力和靜水壓力相抗衡。土倉壓力值的調整根據掘進過程中地質、埋深及地表沉降監測信息，通過維持入土量與排土量的平衡來實現。

2、加強注漿控制：隨著盾構的掘進，在盾殼外徑與管片外徑之間會產生建筑空隙。為填補盾尾建筑空隙及盾構施工過程中的地層損失，有效控制地層變化，采用盾尾同步注漿和管片背后二次注漿的方式進行補充。

3、控制噴涌：由于本標區間地層砂層厚，透水性強，上軟下硬，因此在掘進過程中極易發生噴涌現象。噴涌的發生后必然導致更多的排水，從而導致超挖現象，地面沉降和塌方等事故。通過對螺旋機的改進，更有效地減少了噴涌發生。

掘進過程中具體對策的實施

一、土倉壓力及出土量控制

因為地層自穩性較差、軟弱或變形系數較大、容易失水，土倉壓力要比采用朗金理論計算的理論計算壓力略高0.01～0.03Mpa，這樣既可解決不利因素造成的影響，減小土影響范圍內地表沉降值，又不會因壓力過高造成地面隆起。嚴格控制掘進速度，均勻掘進，維持土倉壓力相對穩定。通過儀表顯示，土倉壓力控制在0.09～0.11Mpa較好。

（1）出土量控制：每環掘進長度為1600mm，利用5個渣土車裝完，則進尺320mm，應該出滿一車土，對比進尺的長度和渣土車內的土量進行出土量的控制，嚴禁多出土。每環的出土量確定為47～53m3，最大不超過57m3。同時，密切關注出碴碴土的物理性能，做好理論渣土量與實際渣土量的比較，不同的地層考慮相應的松散系數來控制碴土量，保證出渣量與掘進速度一致，避免冒頂。

（2）掘進速度控制：不同的地質條件，推進速度亦有所不同。如果掘進速度過快，螺旋輸送機運輸速度達到極限，密封倉內切削的土體不能及時排出，出土量不穩定，會造成土倉壓力設定失控。所以要根據螺旋輸送機的輸送轉速(相應極限值)控制最大掘進速度。正常掘進過程中，盾構掘進速度可控制在 5-50mm/min之間；當盾構糾偏時，應取較小速度。

二、加強注漿控制

1、同步注漿

通過多次試驗，同步注漿材料選用砂漿進行填充，砂漿采用水泥、粉煤灰、膨潤土、細砂、水等材料，必要時，調整砂漿的配合比，增加水泥用量，縮短初凝時間，同時，加入微膨脹劑和速凝劑，盡量減少漿液凝固后收縮，加快管片周圍土體的固結；針對本區間的地質特點，砂漿的初凝時間控制在4～6h，注漿時堅持“不注漿，不掘進”的原則，確保注漿的及時性。經過實驗，按水（470公斤）：水泥（180公斤）：粉煤灰（320公斤）：膨潤土（100公斤）：細砂（300公斤）配置的漿液具有泵送性好、不離析、壓注后收縮小、凝結強度大于土體強度等特性。

在巖溶發育加淺埋富水砂層盾構施工過程中，同步注漿采用注漿壓力和注漿量雙重控制標準。同步注漿壓力過大，管片周圍土層會因注漿擾動而造成后期地層沉降，并易造成跑漿，對剛拼裝完成的管片影響也大；而注漿壓力過小，漿液填充速度過慢、填充不充足，會使地層變形增大。根據本區間相應部位土壓力、水壓力以及襯砌強度的綜合考慮確定注漿壓力為0.1～0.3Mpa。

同步注漿量根據地質及線路情況，每環注漿量為管片后空隙的 1.4～1.5倍。并通過地面變形觀測來調整。本項目采用1.5m管片，理論注漿量約為4.6方，實際每環的注漿量為6.5～7.0 m3，才能保證注漿質量。

2、二次注漿

針對巖溶發育，裂隙水大，砂層透水性大等特點，增加獨立的注漿系統，優點為可隨盾構機的掘進隨時補漿，與盾構掘進互不影響。保證巖溶地區成型隧道的安全，除封頂塊外每塊管片設計3個注漿孔（含1個吊裝孔），以保證每環管片的隧道底部5點、6點、7點鐘位置均有3個注漿孔（外緣注漿孔夾角72°），可根據監測情況在掘進的同時及時補充注漿（根據情況可選擇單液漿和雙液漿），從而既能保證同步注漿又能保證二次補漿，有效止水和加固土體，降低了巖溶及富水砂層對成型隧道的風險。

為了縮短二次注漿材料的凝結時間，采用雙液漿（加入水玻璃）。漿液配比：水：水泥：水玻璃=500公斤：250公斤：100公斤。根據地質情況調整水泥漿的初凝時間，注漿壓力達到0.3Mpa時，停止注漿；一般每環平均用量0.8～1.0方，以免造成管片外周壓力過大，對管片造成破壞。

三、控制噴涌

由于富水砂層含水量豐富，滲透性好，且受擾動后易液化，因此土壓平衡盾構在富水砂層中掘進很容易出現噴涌現象，造成地表沉降。

為了更好地控制噴涌、減小排水，針對這三個條件將螺旋機進行了改造。參照“連通器”的原理，將出土螺旋機設計為兩級，出土口位置提高來降低出土口處渣土（含水）的壓力。兩級螺旋機利用球鉸軸承相連，設計一道閘門，緩解出渣的流量和壓力。

（1）渣土較干時，打開兩級螺旋機連接處的閘門，通過螺旋機上安裝的泡沫劑管路，添加泡沫劑改良渣土，一級螺旋機與二級螺旋機的速度比設為 1:2，同時正轉將渣土排出。

（2）渣土流塑性較好時，打開兩級螺旋機連接處的卸料閘門，一級螺旋機與二級螺旋機的速度比設為1:2，同時正轉將渣土排出。

（3）渣土含水量大、無塑性時，打開兩級螺旋機連接處的卸料閘門，一級螺旋機關閉，二級螺旋機正轉將渣土排出。（4）渣土接近呈流體時，減小兩級螺旋機連接處的卸料閘門的開度，減緩渣土的壓力。一級螺旋機逆時針運轉，二級螺旋機關閉或低速運轉將渣土排出。

四、結語

效果檢查，通過制定的措施應用于施工過程中，本盾構區間地面沉降監測未再達到預警值，且沉降在（+8mm～-24mm）范圍內的監測孔占總監測孔數的98%，成功達到了預期的效果。

G322

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1007-6344（2016）10-0210-01

黃歡，1980年生人，男，大學?？茖W歷，廣東茂名人，注冊監理工程師，從事工程監理工作12年。