圓礫泥巖復合地層泥水盾構下穿建筑物施工技術

于興國

圓礫泥巖復合地層泥水盾構下穿建筑物施工技術

于興國

(中鐵十六局集團有限公司北京100018)

泥水盾構機在圓礫、泥巖復合地層中掘進時，容易發生泥漿管、盾構機前倉進渣口堵塞(堵管堵倉)的現象，引起前倉壓力波動，施工風險急劇增加。通過對盾構泥漿性能進行優化，降低堵管堵倉發生的概率;通過設定合理的前倉壓力，優化掘進參數，保證開挖面的穩定，有效控制建筑物變形;之后選取正確的材料和施工工藝，利用同步注漿和二次補漿，有效控制地層和建筑物后續變形;同時利用信息化管理技術，采用自動化監測和信息化管理平臺，使地下與地上聯動，及時調整施工參數，更加有效地控制了建筑物沉降，為盾構機安全順利下穿建筑物提供有力保障。

軌道交通;盾構;圓礫泥巖;下穿建筑物;泥漿性能;掘進參數;壁后注漿

1 研究背景

盾構隧道斷面上部為圓礫，下部為泥巖的復合地層，典型特點是上部松散、軟弱、強透水，下部致密、較硬、黏性大。盾構在掘進過程中，容易出現超挖、掌子面失穩、地層變形難以控制等問題，特別是對泥水盾構來說，由于泥巖的黏性較大，容易引起盾構機前倉排渣口、泥水管路堵塞，造成開挖倉壓力波動幅度較大，大大增加了對地層變形控制的難度，特別是在下穿建筑物過程中，有可能導致嚴重后果，一直以來都是國內外盾構施工的難題。

筆者以南寧典型的圓礫、泥巖復合地層為例，通過對這種地層條件下的地鐵隧道泥水盾構施工技術進行研究，特別針對下穿建筑物過程中的技術要點、技術措施、注意事項等，以便找到解決這一難題的辦法，促使地鐵隧道盾構施工技術進一步完善，為類似工程提供可借鑒的經驗。

2 工程概述

南寧地鐵1號線某區間隧道采用直徑6.25m的泥水盾構機進行施工，盾構需下穿46棟70～80年代修建的老舊建筑物。以某棟建筑物為例，修建于1979年，為5層磚砌結構，淺層基礎，后期加建5處磚砌筒式外掛結構，整體結構非常薄弱，給盾構下穿帶來極大風險［1］。區間范圍內存在487 m圓礫、泥巖復合地層，其中圓礫以礫石為主，少部分卵石，粒徑為2～30mm，最大粒徑一般在50～70 mm，粒間充填中、粗砂為主，富含水，強滲透性;泥巖為灰色、青灰色，成巖程度較深，呈半巖半土狀，層理不明顯，切面光滑，有蠟狀光澤，標貫試驗實測擊數51～197擊，天然抗壓強度為0.52～1.7MPa，風干抗壓強度為1.66～4.89MPa［2］。

盾構機進入圓礫、泥巖復合地層后，出現堵管堵倉現象，開挖倉壓力控制困難，之后采取一系列控制措施，最終保證了建筑物安全，使盾構順利通過。圖1圓礫(左)和泥巖(右)的表觀性狀，圖2是盾構下穿的典型建筑物。

圖1 圓礫、泥巖的表觀性狀

圖2 下穿的典型建筑物

3 在復合地層下穿建筑物控制要點

盾構機在下穿過程中，保證建筑物的安全其實就是控制地層變形，分為開挖面前沉降(隆起)控制、通過時沉降(隆起)控制、尾部空隙沉降(隆起)控制、后續沉降控制4個階段［3］。

3.1 保持開挖面穩定

保持開挖面穩定主要是針對開挖面前沉降(隆起)、通過時沉降(隆起)，是控制地層變形的重要措施，也可以說是盾構掘進施工的核心技術措施。主要控制泥漿性能指標、掘進過程中的平衡壓力、超挖量、對地層的擾動量等方面內容。

3.2 壁后及時填充

盾構通過后，會在盾構后方的土體和管片之間留有一定的空隙，造成此處土體應力釋放、向下坍塌，進而引起地層變形，所以管片壁后的間隙必須得到及時填充。而同步注漿和洞內二次補漿正是為了及時有效地對其填充、補償，這是尾部空隙沉降(隆起)控制、后續沉降控制的重要措施。

3.3 信息化管理

信息化管理是以自動化監測為基礎，采用信息共享平臺，將地面、指揮中心、盾構機操作室、掌子面聯動，使信息發布、收集、加工、處理、反饋暢通及時，在第一時間利用監測數據等信息指導施工，確保建筑物安全，是控制地層變形的有效措施。

4 盾構下穿過程中的技術措施

4.1 盾構泥漿性能優化

在泥水盾構施工時，針對孔隙率較大的圓礫地層往往采用比重較高、黏度較大的泥漿，以便有效地在開挖面形成優質泥膜，以維持地層穩定。而在泥巖地層中掘進時，往往采用比重和黏度均較小的泥漿，有利于渣土的順利排出。而在圓礫、泥巖復合地層中掘進時，兩種地層對泥漿指標的要求出現矛盾，必須找到各種指標的平衡點，以滿足對地層的適應性。

在圓礫地層中，采用的泥漿指標如表1所示，當進入圓礫、泥巖復合地層時，泥漿黏度、比重迅速增大，盾構堵倉、堵管現象明顯，前倉壓力波動幅度較大，地層變形反應明顯，掘進困難。

分析原因為:高比重黏度泥漿，未有效抑制泥巖結塊成團，造成泥巖被刀盤切削下來之后，迅速相互黏結，堆積在開挖倉底部，造成出閘口堵塞，環流不暢，導致前倉壓力波動、地層變形。

之后調整泥漿指標，堵管堵倉現象有所好轉，但上部圓礫地層反應敏感，地表沉降增大，對控制地層變形不利。

經過多輪比對，最終確定了泥漿指標，堵管堵倉仍有發生，但對前倉現象壓力影響不是很大，地面沉降較小，符合控制地層變形的要求。各種泥漿性能指標見表1。

表1 各種狀態下的泥漿性能指標

優化泥漿指標的同時，嘗試向泥漿中摻入其他添加物，從經濟性和適用性出發，選取工業洗滌劑為試驗對象，結果表明，當洗滌劑添加量為3‰時，泥漿黏度基本沒有變化，對泥膜無影響，但可顯著降低泥漿比重。從現場使用來看，進一步降低了堵管堵倉的概率，同時對預防刀盤結泥餅效果顯著。

4.2 盾構平衡壓力設定

盾構施工的核心在于開挖倉壓力與外部水土壓力的平衡，因此設定的開挖倉壓力是否準確，直接影響著開挖面是否穩定。盾構切口外部水土壓力一般采用下列公式［4］計算:

式中:P1為地下水壓力，kPa;P2為靜止土壓力，kPa;P3為變動土壓力，一般取20 kPa;γw為水的容重，kN/m3; h為地下水位以下的隧洞埋深，m;K0為靜止土壓力系數;γ為土的容重，kN/m3;P'2為主動土壓力，kPa;K a為主動土壓力系數;C u為土的凝聚力，kPa;H為隧洞埋深，m。

而開挖倉設定值一般處于上限值和下限值之間，之后通過試推進來確定。

實踐證明，隧道上半部的圓礫擁有一定的自穩性，白火區間隧道埋深為10～18m，水位埋深為7m左右，實際采用的切口壓力為110～210 kPa，隧道埋深每增加1m，切口壓力相應調高12.5 kPa，可以保證開挖面的穩定。

4.3 盾構掘進控制

4.3.1 掘進參數的優化

盾構主要掘進參數包括推進力、推進速度、刀盤扭矩、刀盤轉數、進排漿流量等。

在圓礫地層中，推進力為7 MN時，推進速度可以達到30mm/min，此時刀盤扭矩為0.4 MNm左右，刀盤轉速通常維持在1r/min左右，進排漿流量需要大于650m3/h。

當盾構進入圓礫、泥巖復合地層后，推進力、刀盤扭矩增大，由于泥巖容易堵管、堵倉，需要放慢掘進速度，找到一個平衡點，既要順暢排渣，速度也要被接受。經過對參數的不斷優化，最終采取的參數為:推進速度降低至10～15 mm/min，此時的推進力為12～15 MN，刀盤扭矩2～3MNm。為了讓切削下的渣土塊細化，以便順利排出，將刀盤轉速提高到2.0 r/min;為了把渣土盡快排出盾構機前倉，防止渣土堆積后堵管堵倉，將進排漿流量提高到900m3/h以上。

4.3.2 掘進操作精細化

在圓礫、泥巖復合地層中下穿老舊建筑物時，由于建筑物和地層的敏感性，在盾構掘進過程中一定要將操作精細化，主要體現在以下幾個方面:

1)開挖倉壓力的控制。在圓礫、泥巖復合地層中掘進時，由于渣土排放不順暢、堵管堵倉等原因，造成盾構機開挖倉壓力產生較大波動，對控制地層變形非常不利，這就需要盾構操作人員緊盯開挖倉壓力變化，當開挖倉壓力快速上升或降低時，必須馬上將部分或全部通往開挖倉的進漿管路關閉或開啟，以減小壓力波動，將波動值控制在±40 kPa范圍內。

為了防止渣土堆積，操作人員必須不定時地選擇開關進漿管路，集中壓力重點沖刷渣土容易堆積的地方。

2)出渣量控制。在掘進過程中，應根據掘進速度換算，確定進排漿流量差，時刻注意氣墊倉中泥漿液位的變化，調整流量，為了快速運輸渣土，應采用大流量循環。每隔10環左右，泥水處理中心實測出渣量，根據結果調整參數，實施二次補漿。

3)盾構姿態控制。在進入圓礫、泥巖地層前，盾構應保持微抬頭狀態，前后軸線垂直差值不宜大于10mm，切勿以較大的俯仰角仰頭進入泥巖，防止盾構上漂。糾偏時，應勤糾緩糾，防止超挖，控制地層變形。

4)防止刀盤結泥餅措施。在泥巖地層中，盾構刀盤容易出現結泥餅的現象，為了防止這一點，應采取的措施是:放慢推進速度，加快刀盤轉數，使渣土細化，以便順利將渣土排出;每推進30 cm，轉換刀盤轉動方向，加大泥水循環流量，停機，利用管路對渣土堆積位置以大壓力進行重點沖刷［5］，切忌開啟直接沖刷圓礫地層的泥漿管，以防上部圓礫失穩;在剛開始進入圓礫、泥巖復合地層時，可以在泥漿中加入潤滑劑(如工業洗滌劑)［6］，防止泥餅的結成。但在添加之前，需要試驗確定添加物對泥漿指標的影響，以保證上部圓礫層的穩定。

4.4 壁后注漿管理

4.4.1 同步注漿

在下穿建筑物期間，必須提高同步注漿漿液質量，同步注漿采用水泥砂漿。表2是實際采用的同步注漿砂漿配比。

表2 同步注漿砂漿配比kg

試驗表明，此配合比砂漿體積收縮率為0，對控制地層的后期變形非常有利。

同步注漿量:理論注漿量為4m3，考慮漿液擴散系數調整為6～8m3(150%～200%)。

注漿壓力:應大于注漿出口壓力100～200 kPa［7］，最終控制在200～250 kPa之間。

注漿量和注漿壓力應按水位、地質條件的變化而調整，應以監測數據的指導來確定。注漿量、注漿壓力為雙控指標，注漿必須及時、飽滿，任何一項指標達不到要求時，需及時分析、整改。同時，必須以同步為原則，注漿速度與推進速度相匹配。

4.4.2 二次補漿

二次補漿是抑制后期沉降的重要一環，一般情況下，針對地表沉降較大、出渣量超標的位置進行補漿。在盾構下穿建筑物期間，二次補漿采用水泥、水玻璃雙液漿，水泥漿水灰比為0.8∶1，雙液漿凝膠時間控制在45～90 s以內。二次補漿應隨盾構掘進一直進行，滯后同步注漿一定距離(9m左右)，及時跟進，重點部位重點控制。注漿壓力高于同步注漿壓力100 kPa左右，未達到此壓力，不能停止，但需確認沒有竄漿現象。

4.5 信息化管理

對無法進行人工監測的重要建筑物采用自動化監測，實現盾構推進過程地表建筑物的實時監控，并反饋到手機或計算機上。自動監控系統包括硬件系統、軟件系統和運營管理3個部分。圖3是自動化監測系統總體構成框架，圖4是自動化檢測系統某個點的監測結果。

圖3 監測系統總體構成框架

圖4 自動化監測結果顯示界面

信息化管理平臺的搭建以遠程自動化監測等硬件為基礎，以施工參數優化為內核，借助地表監控中心為載體集成，實現盾構掘進參數和施工監測數據的遠程自動化獲取，在數值模擬的基礎上實現盾構掘進參數實時優化、正常掘進信息反饋、預警信息及時上報、重大險情現場指揮及處理等功能，使得地下與地上聯動。使各參建單位實時了解監測信息，發布各種指令，協調各方關系，確保盾構下穿建構筑物沉降可知、險情可控、統一聯動、協調促進。

5 盾構下穿過程中的注意事項

1)在優化泥漿性能指標時，應以控制圓礫地層的穩定為原則，各項指標應逐步進行小幅度調整，直至找到適合的指標參數。

2)當發生堵管堵倉現象時，以控制前倉壓力波動為原則，切不可盲目推進，反復改變掘進參數，造成對地層的過大擾動。

3)當推力增大、刀盤扭矩增加時，應注意防止刀盤結泥餅，不能為了追求掘進速度，不斷增加推進力來“硬推”，這樣相反會使參數進一步惡化［8-10］。

4)嚴格控制前倉壓力和注漿壓力，防止因壓力過大而擊穿地面，出現冒頂;同時防止擊穿盾尾，造成盾尾漏漿。

6 結語

通過以上的技術研究，獲得了與圓礫、泥巖復合地層相適應的盾構下穿建筑物施工技術。得出結論:合理的泥漿性能指標、準確的平衡壓力、優化掘進參數結合精細化的操作、嚴格的壁后注漿管理以及利用信息化指導施工，是確保建筑物安全和盾構機順利通過的有力措施。通過上述技術措施的實施和嚴格的技術管控，盾構機順利下穿白火區間多棟房屋。監測數據顯示，盾構機通過后，房屋沉降平均值僅為3mm左右，遠遠低于30mm的設計允許值，而且在節約工程投資的同時，取得了顯著的社會效益。

［1］中鐵隧道勘測設計院有限公司.南寧市軌道交通一號線一期工程白蒼嶺站—火車站區間設計說明［G］.天津，2012:4-5.

［2］化工部鄭州地質工程勘察院.南寧市軌道交通一號線一期工程白蒼嶺站—火車站區間詳細勘察階段巖土工程勘察報告［R］.鄭州，2012:9-11.

［3］李曙光，方理剛，趙丹.盾構法地鐵隧道施工引起的地表變形分析［J］.中國鐵道科學，2006，27(5):87-92.

［4］王江濤，陳建軍，吳慶紅，等.南水北調中線穿黃工程泥水盾構施工技術［M］.鄭州:黃河水利出版社，2010:345.

［5］田寶恩，張志鵬.泥水平衡盾構施工中刀盤泥餅的形成機理和防治措施［J］.石油天然氣學學報，2012，34(4):309-314.

［6］陳喬松，劉德智.泥水平衡盾構機刀盤泥餅形成機理及防治技術［J］.長沙鐵道學院學報，2011，12(2):214-215.

［7］盾構法隧道施工與驗收規范:GB 50446—2008［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008:87-88.

［8］張士屹.盾構法施工同步注漿施工工藝［J］.西部探礦工程，2009(4):164-167.

［9］黃威然，楊書江.砂與砂礫地層盾構工程技術［M］.北京:中國建筑工業出版社，2013:169-172.

［10］竺維彬，鞠世建.復合地層中的盾構施工技術［M］.北京:中國科學技術出版社，2006:88-89.

(編輯:郝京紅)

Construction Technology of Slurry Shield Crossing under Buildings in Com posite Stratum of Round Gravel and Mudstone

Yu Xingguo
(China Railway 16th Bureau Group Co.，Ltd.，Beijing 100018)

When slurry shield is boring in the composite stratum of round gravel and mudstone，the blocking phenomenon in the slurry pipeline and in the slag fillingmouth of the slurry chamber occurs easily to cause slurry pressure fluctuation in the slurry chamber.The construction risk also increases dramatically.By optimizing the slurry performance，probability ofblocking can be reduced.And by using reasonable pressure parameters in the slurry chamber and optimizing the excavation parameters continuously，the stability of the excavation face can be guaranteed，and the deformation of buildings can be effectively controlled.Afterwards，by selecting propermaterials and the reasonable construction technology，using synchronous grouting and secondary grouting，the subsequent deformation of ground and buildings can be effectively decreased.At the same time，with the aid of the information management technology，the linkage between the underground and the ground became possible.Specifically，when the TBM is crossing under buildings，it is safer and more valid to control the subsidence by adjusting construction parameters timely with the help of the automatic monitoring technology and the information management platform.

rail transit;shield;round gravelandmudstone;crossing under the building;slurry performance;excavation parameters;grouting behind the segment

U231.3

A

1672-6073(2016)02-0057-04

10.3969/j.issn.1672-6073.2016.02.013

2015-08-22

于興國，男，本科，工程師，從事隧道及地下工程技術研究，yxg0305@126.com

中國鐵建股份有限公司技術研發(14-C18)