談盾構(gòu)穿越富水砂層地表沉降和噴涌原因及對(duì)策

溫亞?wèn)|

（中鐵四局集團(tuán)有限公司城市軌道交通工程分公司，安徽合肥　230022）

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談盾構(gòu)穿越富水砂層地表沉降和噴涌原因及對(duì)策

溫亞?wèn)|

（中鐵四局集團(tuán)有限公司城市軌道交通工程分公司，安徽合肥230022）

摘要：結(jié)合鄭州地鐵1號(hào)線的水文地質(zhì)情況，評(píng)價(jià)了工程地基的穩(wěn)定性，分析了盾構(gòu)掘進(jìn)施工中引起地表沉降和噴涌的原因，并提出了有效的控制措施，確保了盾構(gòu)掘進(jìn)施工的順利進(jìn)行。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工，地表沉降，噴涌，控制措施

1　工程概況

鄭州地鐵1號(hào)線延伸段主要為黃河沖積平原，場(chǎng)地平坦、開(kāi)闊，沿線地面主要為道路、河流及其橋涵工程等，地面標(biāo)高80. 75 m～86. 12 m。線路縱坡設(shè)計(jì)為“V”形坡，最大坡度為25‰，最小坡度為2. 0‰。區(qū)間最大埋深為17. 82 m，最小埋深為9. 09 m，區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)施工。管片外直徑600 cm（內(nèi)徑540 cm，管片厚30 cm），由6塊構(gòu)成，寬度150 cm，拼裝方式為錯(cuò)縫拼裝，接觸面環(huán)、縱縫均不設(shè)榫槽，連接采用彎螺栓連接，楔形量45 mm。

1.1工程地質(zhì)

區(qū)域地層主要為第四系全新統(tǒng)人工堆積層雜填土；第四系全新統(tǒng)沖積層粘質(zhì)粉土、粉砂；湖積層粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土、細(xì)砂；沖洪積層粘質(zhì)粉土、細(xì)砂、中砂，第四系上更新統(tǒng)沖洪積層粘質(zhì)粉土、細(xì)砂。

盾構(gòu)穿越隧道頂部、洞身及底部的埋置深度和巖土層分布情況：隧道頂部主要地層為粉質(zhì)粘土和細(xì)砂層，洞身穿越主要地層為粘質(zhì)粉土層、粉質(zhì)粘土層、細(xì)砂層、中砂層，細(xì)砂、中砂級(jí)配不良，主要成分是長(zhǎng)石、石英、云母，隧道底部主要地層為細(xì)砂層、中砂層。

1.2水文地質(zhì)

地表水：場(chǎng)地地表附近通過(guò)常年有水的河流，旱季河水深約1. 0 m，受降雨影響水位上升較大。

地下水位埋深：本區(qū)淺層含水層巖性以細(xì)砂、中砂為主，地下水位埋深3. 80 m～8. 50 m（標(biāo)高75. 41 m～79. 99 m），年變幅2. 0 m。

地下水類型及富水性：在勘探深度內(nèi)，地下水類型為孔隙潛水，含水層巖性主要為細(xì)砂、中砂，滲透系數(shù)值：根據(jù)鄭州東區(qū)的地區(qū)經(jīng)驗(yàn)、滲透試驗(yàn)，上部粘質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土層的綜合滲透系數(shù)K =0. 5 m/d，細(xì)砂層的綜合滲透系數(shù)k =10. 5 m/d，盾構(gòu)穿越區(qū)域?qū)僦械取珡?qiáng)透水層，為富水區(qū)域。

地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄及動(dòng)態(tài)特征：本區(qū)淺層含水層巖性以細(xì)砂、中砂為主，屬松散巖類孔隙潛水，地下水主要接受大氣降水及河水的入滲補(bǔ)給以及上游的水平徑流補(bǔ)給，排泄方式主要以人工開(kāi)采及水平徑流為主。

1.3地基穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

本區(qū)間勘探深度范圍內(nèi)地基土承載力特征值均大于80 kPa，土層等效剪切波速大于90 m/s。近百年內(nèi)最高水位0. 50 m（標(biāo)高84. 50 m），根據(jù)判定本場(chǎng)地第②-1層粉砂、第⑧-1層細(xì)砂為液化土，土體液化會(huì)對(duì)盾構(gòu)的施工造成影響。通過(guò)對(duì)地基軟弱土、液化土評(píng)價(jià)，綜合評(píng)估本場(chǎng)地地基基本穩(wěn)定。

2　施工中發(fā)生的地表沉降及噴涌事件

2.1地表沉降

盾構(gòu)正常始發(fā)掘進(jìn)至約40環(huán)處時(shí)，當(dāng)天監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)地表測(cè)點(diǎn)最大突變50 mm，且地表出現(xiàn)明顯的下沉，如圖1所示，沉降后采取了措施，但沉降未得到有效控制，直至掘進(jìn)至70環(huán)處時(shí)，相應(yīng)地表附近累計(jì)最大沉降處達(dá)20 cm，下沉最大速率超過(guò)30 mm/d，據(jù)此暫停掘進(jìn)并采取處理措施。

圖1　地表沉降圖

2.2噴涌

盾構(gòu)掘進(jìn)至220環(huán)將穿越河流時(shí)，螺旋機(jī)突然出現(xiàn)噴涌，開(kāi)始以清水為主，隨后含大量的粉細(xì)砂，噴涌后立即啟動(dòng)應(yīng)急救援預(yù)案，現(xiàn)場(chǎng)立即關(guān)閉螺旋機(jī)前閘門（因后閘門磨損未能有效關(guān)閉），并啟動(dòng)應(yīng)急排水系統(tǒng)及封堵措施，從涌水開(kāi)始到采取應(yīng)急措施后至噴涌封堵不再出現(xiàn)，持續(xù)時(shí)間約1.5 h，但當(dāng)噴涌不再出現(xiàn)后擬恢復(fù)掘進(jìn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)螺旋機(jī)前閘門已打不開(kāi)，不能正常恢復(fù)掘進(jìn)。

3　發(fā)生事件的原因分析

3.1沉降原因分析

盾構(gòu)掘進(jìn)引起的地表沉降分為五個(gè)階段，即前期沉降、掌子面前沉降、通過(guò)時(shí)沉降、尾部空隙沉降、后續(xù)沉降，其引起的原因及機(jī)理如表1所示。

表1　盾構(gòu)掘進(jìn)引起地表沉降的原因

盾構(gòu)在砂層掘進(jìn)引起較大的沉降主要為掌子面前沉降、通過(guò)時(shí)沉降和尾部空隙沉降，結(jié)合項(xiàng)目實(shí)施情況分析，主要有以下方面：

1）盾尾間隙均勻的情況下，存在漏漿的現(xiàn)象，據(jù)此判斷盾尾刷密封不嚴(yán)，存在缺陷。2）盾構(gòu)在掘進(jìn)拼裝管片后因盾尾存在不同程度的漏漿，按理論每環(huán)注漿量為4. 6 m3，根據(jù)砂層同步注漿漿液量宜按照理論值的1. 5倍～2. 0倍以內(nèi)控制，每環(huán)注漿量應(yīng)為6. 9 m3～9. 2 m3，實(shí)際每環(huán)注漿量達(dá)不到要求，注漿量存在不足。3）盾尾漏漿的過(guò)程中夾有少量的油脂流出，說(shuō)明使用的油脂質(zhì)量存在缺陷。4）掘進(jìn)后同步注漿跟進(jìn)不及時(shí)，造成掘進(jìn)管片安裝后與背后的空隙未被充填，不能有效支撐上部傳遞過(guò)來(lái)的壓力致使地表沉降。5）盾構(gòu)掘進(jìn)拆除負(fù)環(huán)管片時(shí)，在負(fù)環(huán)拆除停機(jī)過(guò)程中，土倉(cāng)內(nèi)土壓由停機(jī)時(shí)的0. 8 bar慢慢降至0. 5 bar，掌子面土壓不平衡，且壓力欠穩(wěn)定，造成前方土體局部掉落，在盾構(gòu)掘進(jìn)管片脫離盾尾后沉降馬上顯現(xiàn)出來(lái)，導(dǎo)致地表沉降突變明顯。6）在盾構(gòu)掘進(jìn)及停機(jī)保壓的過(guò)程中，土壓未達(dá)到計(jì)算值，其主要原因是渣土改良效果欠佳，密封不嚴(yán)，艙內(nèi)壓力不能持續(xù)保持，導(dǎo)致土壓無(wú)法與掌子面平衡。7）盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程對(duì)出土量的控制不嚴(yán)，盾構(gòu)掘進(jìn)存在超挖造成地表下沉。8）盾構(gòu)刀盤外徑與管片背后建筑空隙過(guò)大，本工程盾構(gòu)刀盤外徑6 280 mm，管片外徑6 000 mm，管片背后徑向建筑空隙達(dá)140 mm，客觀上造成掘進(jìn)時(shí)土體損失和地層擾動(dòng)較大，盾尾通過(guò)后上部的砂層極易產(chǎn)生塌落從而導(dǎo)致地表的沉降。

3.2噴涌原因分析

1）盾構(gòu)在掘進(jìn)過(guò)程中，掌子面及周圍的砂層孔隙水通過(guò)滲透迅速匯集至盾構(gòu)艙體內(nèi)，艙體隨著積水的不停積累，當(dāng)螺旋機(jī)工作時(shí)，積水及細(xì)砂從出土閘門及尾刷密封不嚴(yán)密處迅速噴出，從而形成噴涌。

2）盾構(gòu)穿越河流段，隧道頂距離河底約12.2 m，河水深1.8 m，河水水流比較湍急，且地層為強(qiáng)透水層，盾構(gòu)機(jī)在砂層掘進(jìn)過(guò)程中對(duì)地層擾動(dòng)較大，富水砂層在擾動(dòng)下易產(chǎn)生液化，從而發(fā)生噴涌。

3）盾尾刷和油脂質(zhì)量存在缺陷，尾刷使用一段時(shí)間或磨損后與管片間存在的空隙不均，盾構(gòu)尾部密封存在缺陷，從而形成滲水通道。

4）盾構(gòu)處于全斷面砂地層掘進(jìn)，且為中砂地層，中砂對(duì)盾構(gòu)后閘門周邊及密封圈磨損嚴(yán)重，后閘門不能滿足阻隔水流，從而出現(xiàn)涌水及噴涌。

5）盾構(gòu)掘進(jìn)后未及時(shí)注漿封環(huán)，導(dǎo)致已掘進(jìn)拼裝管片段的地下水通過(guò)因擾動(dòng)產(chǎn)生的通道涌向土艙內(nèi)，造成倉(cāng)內(nèi)水壓不斷升高。

6）盾構(gòu)機(jī)在富水砂層進(jìn)行掘進(jìn)時(shí)，掌子面及周邊的砂層間充水裂隙，含水量豐富，由于已成型管片段背后注漿量沒(méi)有完全充實(shí)襯背空隙，形成流水通道，掌子面的砂土裂隙的水不斷地流入泥倉(cāng)內(nèi)，積水及砂土在持續(xù)壓力下向螺旋機(jī)閘門及尾刷處涌水和噴涌。

4　關(guān)鍵控制措施

4.1地表下沉控制措施

圖2　膨潤(rùn)土拌和

圖3　膨化池

1）對(duì)渣土進(jìn)行塑流化改良，以達(dá)到土壓平衡要求又具有流動(dòng)性和止水性，以確保掌子面巖土穩(wěn)定和螺旋機(jī)的順利出土，同時(shí)滿足降低刀盤扭矩和總推力的目的，渣土改良除注入泡沫外，采用了膨潤(rùn)土對(duì)土體進(jìn)行改良。泡沫劑按3%配置泡沫劑溶液，其發(fā)泡率一般在10倍～12倍間，泡沫的摻入量為理論渣土體積的20%；膨潤(rùn)土漿液的配合比為膨潤(rùn)土與水的質(zhì)量比1∶6，充分拌和后置于膨化池內(nèi)經(jīng)12 h充分膨化使用（見(jiàn)圖2，圖3）。

2）為防止地下水從刀盤主軸密封、鉸接密封、盾尾以及拼裝好的襯砌結(jié)構(gòu)滲入，對(duì)盾構(gòu)刀盤驅(qū)動(dòng)、鉸接、盾尾等部位的密封必須完好，對(duì)存在的缺陷進(jìn)行修復(fù)，并保證盾尾密封油脂質(zhì)量與注入量，管片密封與拼裝不出現(xiàn)滲漏。

3）合理設(shè)定土壓控制值，并保持在掘進(jìn)中相對(duì)穩(wěn)定，一般控制在1. 1 bar～1. 2 bar間，土艙壓力略高于水壓為宜。

4）加強(qiáng)對(duì)排土量的控制，一般控制在理論值的1. 02倍～1. 05倍以內(nèi)，避免大的超挖造成掌子面土體失穩(wěn)。

5）盾構(gòu)機(jī)尾部設(shè)置三道環(huán)形彈性良好的盾尾刷（鋼絲刷），尾刷彈性質(zhì)量及對(duì)其注入密封油脂非常重要，質(zhì)量及密封必須滿足防滲漏要求，以防止砂水進(jìn)入盾構(gòu)機(jī)。

6）合理設(shè)置對(duì)盾構(gòu)推力、推進(jìn)速度、刀盤扭矩等參數(shù)進(jìn)行控制，推力控制在15 000 kN～18 000 kN，推進(jìn)速度控制在20 mm/min～50 mm/min，扭矩控制在2 000 kN·m～3 000 kN·m，并應(yīng)結(jié)合不同的地層變化進(jìn)行調(diào)整。

7）控制好盾構(gòu)的姿態(tài)，避免不必要的糾偏作業(yè)，出現(xiàn)偏差時(shí)，應(yīng)本著“勤糾、少糾、適度”的原則操作。

8）盾構(gòu)掘進(jìn)后及時(shí)對(duì)襯砌背后進(jìn)行注漿，采用同步注漿和二次注漿的方式，及時(shí)充填尾部空隙，可選用單液漿或雙液漿，合理選擇漿液配合比，以控制漿液的凝結(jié)時(shí)間，確保注漿量和注漿壓力滿足要求。

9）對(duì)軟弱松散地層段應(yīng)提前對(duì)地表采取注漿加固措施，同時(shí)對(duì)后續(xù)沉降段采用補(bǔ)注漿避免沉降的進(jìn)一步發(fā)展。

4.2噴涌控制措施

鑒于發(fā)生涌水及噴涌后前閘門受閘門卡槽處砂層抱緊，且后閘門閘板磨損嚴(yán)重，采取液壓千斤頂緩慢給力的方式打開(kāi)，以恢復(fù)掘進(jìn)、防涌水及噴涌措施。

1）對(duì)磨損的閘門維修，同時(shí)向艙內(nèi)注入膨潤(rùn)土對(duì)艙內(nèi)渣土進(jìn)行置換。

2）通過(guò)分析前閘門打不開(kāi)主要是因?yàn)榍伴l門是通過(guò)槽形滑道形成閘門的封閉，由于艙內(nèi)砂層及艙內(nèi)壓力的作用，閘門需使用增設(shè)千斤頂?shù)臄U(kuò)張力慢慢推開(kāi)。

3）前閘門打開(kāi)及后閘門維修完成后恢復(fù)正常掘進(jìn)，為防涌水及再次噴涌情況的發(fā)生，主要采取以下控制措施：

a.渣土改良是防止噴涌的關(guān)鍵。通過(guò)渣土改良降低土倉(cāng)內(nèi)水含量，除在土艙注入膨潤(rùn)土漿液外，同時(shí)添加高分子聚合物以吸附和拌和使砂水混合變得粘稠不易離析沉淀，不會(huì)造成砂水分離，以確保螺旋機(jī)排土?xí)r均勻順暢。

b.合理設(shè)置土壓力值。掘進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)螺旋機(jī)實(shí)際壓力、刀盤扭矩和千斤頂總推力及時(shí)調(diào)整設(shè)定土壓力，使土倉(cāng)壓力略高于水壓，確保正面的土壓保持平衡，嚴(yán)格控制出土數(shù)量，防止超挖。

c.合理調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。盾構(gòu)機(jī)操作人員主要通過(guò)對(duì)推力及出渣速度的控制，盡量維持土倉(cāng)壓力的穩(wěn)定，降低噴涌風(fēng)險(xiǎn)。

d.出渣門開(kāi)度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速適中，不宜過(guò)大，在噴涌來(lái)臨時(shí)，受出渣門流量影響，泥漿會(huì)在出渣口處積累而不會(huì)瞬間全噴，延長(zhǎng)操作人員的反應(yīng)時(shí)間，以便采取措施降低噴涌風(fēng)險(xiǎn)。

e.根據(jù)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的地層渣樣分析，優(yōu)化和調(diào)整渣土改良材料，以改良渣土，增加水密性和流動(dòng)性，防止產(chǎn)生噴涌。

f.通過(guò)對(duì)渣土的進(jìn)一步改良，效果明顯，能有效的降低和避免盾構(gòu)掘進(jìn)再次產(chǎn)生噴涌現(xiàn)象。

g.同步注漿及二次注漿設(shè)備及時(shí)跟進(jìn)，并確保足量。

h.盾構(gòu)掘進(jìn)后對(duì)已成型隧道采取間斷性壓注聚氨酯或雙液漿進(jìn)行補(bǔ)注漿，以形成隔水帷幕，避免成型段隧道后方的滲水涌向掌子面及土艙內(nèi)，并減小已成形段隧道后部高壓水對(duì)盾尾的危害。

i.控制好盾構(gòu)的姿態(tài)，嚴(yán)禁急糾、強(qiáng)糾，糾偏幅度不宜大于2‰。

5　結(jié)語(yǔ)

1）砂性地層施工時(shí)，在盾構(gòu)選型時(shí)宜充分考慮砂層的特性，盡可能選取刀盤外徑與建筑空隙較小的盾構(gòu)機(jī)，以避免因管片背后與刀盤外徑空隙過(guò)大造成地表及地面建（構(gòu)）筑物的沉降。

2）盾構(gòu)掘進(jìn)施工前對(duì)周邊環(huán)境進(jìn)行全面細(xì)致的調(diào)查，特別是工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況，對(duì)施工可能造成的影響因素充分考慮，提前做好各項(xiàng)應(yīng)對(duì)措施。

3）盾構(gòu)穿越富水砂層時(shí)，盾構(gòu)的密封非常關(guān)鍵，對(duì)盾構(gòu)尾刷和油脂的質(zhì)量非常重要，由于富水砂層，特別是細(xì)砂地層在盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)時(shí)易產(chǎn)生液化，在豐富的地下水作用下流塑性好，壓力大，對(duì)各部位的密封要求高，同時(shí)盾構(gòu)的姿態(tài)控制不好也會(huì)極易造成尾刷的滲漏，且一旦滲漏，封堵困難。

4）渣土改良是盾構(gòu)施工的一項(xiàng)重要工作，特別是敏感地層，渣土改良必須通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)渣樣經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)進(jìn)行確定，對(duì)砂性地層，渣土改良使用的材料主要有泡沫、膨潤(rùn)土和高分子聚合物，能有效改善土體的流塑性、止水性和掌子面艙內(nèi)的護(hù)壁作用，同時(shí)控制好壓力，可取得良好的預(yù)期效果。

5）砂層盾構(gòu)掘進(jìn)施工時(shí)應(yīng)保持均勻速度掘進(jìn)，避免不必要的停機(jī)，若必須停機(jī)時(shí)應(yīng)在艙內(nèi)注入膨潤(rùn)土，并適時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，以防止砂體沉淀，刀盤被卡死。

6）地下富水砂性地層流動(dòng)好，掘進(jìn)后地層損失補(bǔ)充快，隧洞上部的土體迅速充填盾構(gòu)開(kāi)挖空間，受地下富水的壓力影響，砂層被壓實(shí)，造成注漿困難，在注漿方式及時(shí)機(jī)上要控制好，主要通過(guò)注漿系統(tǒng)、漿液的配合比、推進(jìn)速度與注漿速度是否匹配和注漿壓力來(lái)控制。

參考文獻(xiàn)：

［1］白云，丁志毅，劉千偉.隧道掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)［M］.第2 版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

［2］楊書江，孫謀，洪開(kāi)榮.富水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［3］全國(guó)一級(jí)建造師執(zhí)業(yè)資格考試用書編寫委員會(huì).市政公用工程管理與務(wù)實(shí)［M］.第2版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013.

On reasons for surface settlement and gushing of shields through rich-water sand layer

Wen Yadong
（Urban Rail Traffic Engineering Branch，China Railway 4th Bureau，Hefei 230022，China）

Abstract：Combining with the hydro-geological circumstance of No. 1 subway in Zhengzhou，the paper evaluates the stability of engineering foundation，analyzes the surface settlement and gushing for the shield jacking construction，and points out effective controlling measures，so as to ensure the smooth operation of the shield jacking.

Key words：shield construction，surface settlement，gushing，controlling measure

中圖分類號(hào)：U455. 43

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-6825（2016）09-0176-03

收稿日期：2016-01-17

作者簡(jiǎn)介：溫亞?wèn)|（1973-），男，工程師