成都地鐵富水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)深化研究

黃偉

（中鐵十一局集團有限公司城市軌道工程有限公司湖北武漢430074）

成都地鐵富水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)深化研究

黃偉

（中鐵十一局集團有限公司城市軌道工程有限公司湖北武漢430074）

以成都地鐵10號線1標富水砂卵石地層盾構(gòu)工程為背景，針對1號線、2號線建設期間出現(xiàn)嚴重制約盾構(gòu)掘進效率的刀盤刀具嚴重磨損、頻繁換刀、刀盤結(jié)餅和導致地面多次塌陷事故的地表沉降等現(xiàn)象，開展了富水砂卵石地層分析、盾構(gòu)選型及控制參數(shù)分析、現(xiàn)場盾構(gòu)掘進和渣土改良、沿線注漿試驗，進一步提出和總結(jié)了成都地鐵富水砂卵石地層盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)及具體措施。包括：樹立“排出為主，破碎為輔”的地層處治理念，調(diào)整刀盤和螺旋出土和螺旋出土器的結(jié)構(gòu)形式、刀盤開口率、刀盤布置形式，改進同步注漿和二次注漿漿液配合比，優(yōu)化渣土改良系統(tǒng)，提升沿線注漿工藝等。施工實踐表明：以上調(diào)整措施是有效的，10號線1標盾構(gòu)掘進效率顯著提高和工程風險大幅度降低。

成都地鐵；富水砂卵石地層；盾構(gòu)施工技術(shù)；深化研究

引言

為了解決城市交通擁堵，國內(nèi)一、二線城市掀起了一股地鐵建設的熱潮。繼北京、上海、廣州之后，深圳、武漢、天津、重慶、杭州、成都等城市也陸續(xù)開始了地鐵的建設。其中，成都于2010年開通運營地鐵。根據(jù)成都市地鐵規(guī)劃，到2020年其運營里程將達500km。然而，由岷江、沱江、青衣江、大渡河沖積形成的成都平原下分布著廣袤的富水砂卵石地層，與國內(nèi)其它地方的地層相比，成都富水砂卵石地層具有特殊性，主要表現(xiàn)在“三高”[1]：①地下水位高，水位埋深2.0～5.0m；②卵漂石含量高，含量高達60～71%；③卵石強度高，單軸抗壓強度50～150MPa。在這種特殊復雜的地質(zhì)條件下，地鐵盾構(gòu)法施工遇到了許多技術(shù)難題，其中，以刀具磨損、刀盤堵塞結(jié)泥餅和地表沉降三個方面最為突出。雖然成都地鐵1號線和2號線的針對以上問題，采取了盾構(gòu)改造、渣土改良和降水-注漿等技術(shù)手段，積累了一些建設經(jīng)驗，但由于先前工程的理論研究也不系統(tǒng)，實際工程幾乎是“摸著石頭過河”，尚未形成完全成熟經(jīng)驗，且多為從某一單一問題角度出發(fā)，缺乏整體性認識，因此在進度控制和成本控制等方面付出了慘痛的代價。為了提高施工進度和控制施工成本，有必要對成都富水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)開展進一步研究。

1 成都地鐵富水砂卵石地層分析

為獲取盾構(gòu)穿越砂卵石地層空間分布情況及力學特性，選取從簇錦車站開挖出的砂卵石土進行篩分試驗，結(jié)果如表1所示。

表1 砂卵石地層砂空間分布分析結(jié)果

由篩分試驗結(jié)果可知，成都地鐵10號線1標盾構(gòu)區(qū)間砂卵石土層中粒徑20～200mm的顆粒所占比例達到65%以上，小于0.075mm的顆粒所占比例不足3%，卵石含量較高，缺少中間顆粒，級配曲線不連續(xù)。盾構(gòu)在該類型地層掘進施工時，容易出現(xiàn)開挖面失穩(wěn)、坍塌。此外，由于細顆粒含量少，土體難以形成不透水的塑流體而充滿盾構(gòu)密封土艙，導致排土設備堵塞、壓力艙內(nèi)結(jié)泥餅等（見表2）。

由地質(zhì)勘察試驗結(jié)果可知，盾構(gòu)穿越的砂卵石土層具有較高的含水量，且土層具有很強的滲透能力，其中盾構(gòu)主要穿越的<2-6-4>卵石土層的滲透系數(shù)達到4.16×10-4m/s。在該土層中進行盾構(gòu)施工，極易造成噴涌、掌子面失穩(wěn)等工程事故。另外，<2-6-4>卵石土層的內(nèi)摩擦角較大，對盾構(gòu)機內(nèi)的開挖裝置和排土機械的磨損較大，在盾構(gòu)土艙內(nèi)容易造成堵倉事故。

表2 各土層物理力學性能

綜上所述，在富水砂卵石地質(zhì)條件下，盾構(gòu)施工過程中盾構(gòu)開挖面容易失穩(wěn)而發(fā)生地面坍塌。假如施工中采用單純土壓平衡盾構(gòu)施工，會給工程帶來極大的風險，盾構(gòu)掘進時刀盤、刀具以及螺旋輸送機等設備會磨損嚴重，對盾構(gòu)的正常掘進非常不利。因此，應穩(wěn)定開挖面、提高壓力艙渣土的流動性與抗?jié)B性、減輕刀具磨損，必須根據(jù)該具體的地質(zhì)條件來選擇適合的盾構(gòu)設備及配置、采取適當?shù)脑粮牧挤椒ā⒅贫ㄐ碌牡毒呔S護與更換方案、實施因地適宜的盾構(gòu)沿線地層注漿加固方法。

2 渣土改良技術(shù)

2.1 原材料及配合比

渣土改良材料選擇界面活性材料和膨潤土，由兩套系統(tǒng)分別運輸，界面活性材料為德國巴斯夫公司生產(chǎn)的特殊發(fā)泡劑和壓縮空氣制作成的氣泡，膨潤土為鈉質(zhì)膨潤土。其它材料有水泥、砂、粉煤灰等，其中，水泥為阿法基P.O42.5水泥，砂為河砂、中砂，粉煤灰為Ⅰ級。

在盾構(gòu)掘進過程中，通過盾構(gòu)機的膨潤土系統(tǒng)向土倉和掌子面注射泥漿混合液，泥漿的注入流量滿足下列關(guān)系：Q（泥漿的流量）=α（泥漿注入率）×Q（渣土的流量）；Q（渣土的流量）=A（掌子面的面積）×V（掘進速度）。其中，漿液配合比為：水泥：水：黃砂：粉煤灰：膨潤土=1.00：2.50：2.50：3.0：0.625。

界面活性材料為泡沫添加劑3%、水97%組成的混合物，通過盾構(gòu)機的泡沫系統(tǒng)注入。泡沫添加劑由90～95%壓縮空氣和5～10%泡沫添加劑混合而成，不同的地層中選擇相應的泡沫用量有所不同。在本工程施工過程中，根據(jù)地下水的特點和改良效果，適當調(diào)整了加水量。

2.2 室內(nèi)試驗

2.2.1 直剪試驗

為測定盾構(gòu)掘進地層中的重塑土以及加入泡沫劑改良土體的抗剪強度參數(shù)（黏聚力c和內(nèi)摩擦角準值），采用應變控制式直剪儀，分別施加50～300kPa的不同垂直壓力，進行剪切試驗，求得破壞時的剪應力τ，亦即抗剪強度S。以抗剪強度為縱坐標/垂直壓力P為橫坐標，繪制S～P關(guān)系曲線，然后根據(jù)庫侖定律得出土的抗剪強度參數(shù)c和準。其試驗數(shù)據(jù)如表3所示，不同摻量泡沫劑重塑土抗剪強度與垂直壓力關(guān)系如圖1所示（摻量0%時為未加入泡沫劑）。

成都砂卵石土層的摩擦角較大，抗剪強度較高，在200kPa固結(jié)壓力下的直剪強度為188.238kPa，使得盾構(gòu)掘進過程中需要維持較大的刀盤扭矩，容易造成盾構(gòu)推進困難。由圖1可知，不同比例的泡沫濟注入重塑土進行改良后，其土體的內(nèi)摩擦角和抗剪強度均比改良前有不同程度降低，土體改良效果較為明顯，其中按5%比例的泡沫劑注入后使重塑土體的內(nèi)摩擦角降低最大約5°；按3%比例的泡沫注入后的重塑土抗剪強度與按5%比例的泡沫注入后的重塑圖抗剪強度相當，考慮經(jīng)濟因素，選取3%溶液濃度較為合理。

圖1

表3 抗剪強度參數(shù)

2.2.2 滲透試驗

本次試驗取重塑砂卵石土以及加入泡沫劑改良后的土體分別進行滲透試驗。

由圖2可知，砂卵石土層具有較強的滲透性，其滲透系數(shù)為加入泡沫劑后的240～500倍，表明加入泡沫劑改良后的土體抗?jié)B性能明顯提高，若不采取加入泡沫劑改良土體，盾構(gòu)施工極易引起掌子面前方土體固結(jié)及土艙內(nèi)結(jié)泥餅，從而導致盾構(gòu)機排土不暢，掘進困難。

2.3 現(xiàn)場試驗

通過對右線第15～19環(huán)不改良渣土與第33～37環(huán)按3%配合比加入泡沫劑改良渣土的2種掘進狀態(tài)進行比較，其盾構(gòu)掘進參數(shù)如表4所示。

表4 砂卵石地層盾構(gòu)掘進參數(shù)

由表4不加泡沫劑的掘進參數(shù)可知，盾構(gòu)在掘進第15～19環(huán)過程中多次停機，存在推力大、扭矩大、進尺小、刀盤被卡死、出渣量不易控制、姿態(tài)偏差過大、地表沉降控制相當困難等問題。在掘進至第19環(huán)時，盾構(gòu)機最大推力達到16.273kN，最大扭矩達到4.59MN·m，推進平均速度僅4mm/min，從螺旋輸送機排出的渣土溫度達到56℃，不得不停機，開倉檢查后發(fā)現(xiàn)刀盤開口被泥餅封住，土艙內(nèi)的卵石土潮濕，有結(jié)球現(xiàn)象。在保持掘進過程中土艙壓力一定的情況下，通過向掌子面注入泡沫后，盾構(gòu)掘進參數(shù)得到明顯的改善，其中，掘進第33～37環(huán)過程中的平均掘進速率達到44mm/min，且千斤頂總推力降低約22.4%，刀盤扭矩降低約18.3%；在掘進過程中加入泡沫劑后，從土艙內(nèi)排出的渣土均呈流塑狀態(tài)，盾構(gòu)掘進正常，且地表沉降得到有效控制。

3 沿線注漿技術(shù)

3.1 傳統(tǒng)注漿技術(shù)在砂卵石地層的不足

在富水砂卵石地層，采用傳統(tǒng)工藝注漿加固存在一下問題：①水泥漿由于漿體顆粒大無法注入密實砂卵石中；②袖閥管注漿時，管的頂部封口困難，注漿加固時漿液向上冒，注漿效果不好。成都砂卵石地層地質(zhì)特殊，常規(guī)的注漿加固方法效果不理想。因此，以往的注漿加固方法應用于成都富水砂卵石地層中無法保證注漿效果。

由于砂卵石地層顆粒間無膠結(jié)力，整體穩(wěn)定性差，盾構(gòu)穿越時對砂卵石擾動較大，隧道上方地層易剝層坍塌。因此，成都地鐵盾構(gòu)穿越建筑物時，必須進行盾構(gòu)穿越前的預注漿和穿越后的二次注漿。此外，成都富水砂卵石地層不適用攪拌樁和旋噴樁進行加固施工，一般采用袖閥管注水泥漿的加固方法。與一般地質(zhì)條件相比，砂卵石地層采用傳統(tǒng)袖閥管注漿加固不足之處有：①洗孔過程中，孔壁周圍的砂卵石向孔內(nèi)塌陷，嚴重時砂卵石會將孔隙全部充滿，導致套殼不能按設計下到位，封口位置不準確，影響注漿效果，同時，成都砂卵石地層一般是上部松散下部相對致密，施工過程中往往是漿液注入表層的松散層，需要注漿加固位置的深層反而未注入漿液。②成都砂卵石層地下水豐富，注入的水泥漿液很容易稀釋并被水沖走，導致注漿效果不好。③對于致密性好的富水砂卵石層，由于水泥粒徑相對偏大，無風注入到砂卵石縫隙中，不能加固成一個整體，導致注漿加固效果不好。

3.2 富水砂卵石地層注漿施工

根據(jù)傳統(tǒng)袖閥管注漿加固在成都富水砂卵石地層的不足，在傳統(tǒng)袖閥管的施工工藝的基礎上提出了改進措施，形成了高富水、高砂卵石含量地層條件下的固定封口、水泥-水玻璃與AB化學漿液相結(jié)合的注漿施工方法。富水砂卵石地層的注漿工藝見圖3所示。

圖3 注漿工藝

不同于傳統(tǒng)的袖閥管注漿，成都砂卵石地層的注漿材料選擇水泥-水玻璃漿液和AB化學漿液。其中，水泥-水玻璃漿液采用雙液氣動注漿泵將攪拌好的水泥漿和水玻璃按1：1體積配合比注入注漿管內(nèi)（水泥-水玻璃初凝時間控制在10min左右），經(jīng)注漿管單向閥向加固區(qū)域擴散，填充大的空隙并凝結(jié)。當氣動注漿泵注入壓力達到3MPa左右時停止。AB化學漿液采用氣動雙液注漿泵注入。化學漿液經(jīng)注漿管單向閥注入到水泥－水玻璃漿無法注入的需加固范圍內(nèi)，擠走此范圍的水，并迅速反應與砂卵石粘結(jié)在一起，形成具有一定強度的整體。AB液的初凝時間控制在3min左右，注入體積為計劃加固區(qū)域體積的6%（設計為加固區(qū)域含水體積的1.2倍）。當AB液按計劃量注入完成后清理現(xiàn)場，注漿加固結(jié)束。若計劃量未全部注時，氣動注漿泵已經(jīng)無法泵入，則需要調(diào)整AB液材料配比，需適當增加AB液的初凝時間。此外，無論是水泥-水玻璃漿，還是AB化學漿液，在注入過程中設備必須完好，不能中途停止。一旦由于某種原因停止，注漿管內(nèi)漿液凝固，不能再次注漿，將無法達到計劃注漿效果。

圖2 滲透系數(shù)與泡沫劑摻量關(guān)系

4 結(jié)語

（1）通過應用正確的盾構(gòu)機配置和選型技術(shù)，成都地鐵施工過程中刀盤磨損大幅度減輕、渣土改良明顯改善、地表沉降有效控制，提高了盾構(gòu)掘進效率和降低了工程風險。

（2）成都地區(qū)富水砂卵石地層采用土壓平衡盾構(gòu)施工，刀盤結(jié)構(gòu)型式及土體改良效果是砂卵石地層盾構(gòu)施工效率、地層適應性的主要影響因素，解決好上述兩大因素，可以大大提高土壓平衡盾構(gòu)的掘進性能和適應性特征，使得該類型地層采用土壓平衡盾構(gòu)施工完全可行。

（3）膨潤土、泡沫劑的組合模式被試驗證明用于成都富水砂卵石地層土體改良能發(fā)揮較好的土體改良效果。

（4）在成都富水砂卵石地層長距離快速掘進、近距離穿越建筑物及管線、復雜條件下的始發(fā)達到施工等方面，仍需要各界同仁不斷摸索經(jīng)驗和吸取教訓，不斷提高盾構(gòu)施工水平，從而保證地鐵盾構(gòu)施工的安全性、高效性和經(jīng)濟性。

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U455.43

A

1004-7344（2016）30-0179-03

2016-10-9

黃偉（1980-），男，江西景德鎮(zhèn)人，工程師。