地鐵隧道粉細砂地層土壓平衡盾構的施工技術

摘要：文章以南寧市軌道交通3號線工程為例，對地鐵隧道施工過程中穿越粉細砂地層的施工難點進行了分析和介紹，選用土壓平衡式盾構機進行施工，通過對設備針對性改造與掘進技術控制，保證了隧道工程的順利開展，有效控制了施工過程中地面沉降，取得了良好的施工效果。

關鍵詞：土壓平衡盾構；盾構機掘進；渣土改良；管片拼裝；地鐵隧道 文獻標識碼：A

中圖分類號：U25 文章編號：1009-2374（2017）06-0119-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.06.060

1 工程概況

南寧市軌道交通3號線工程（科園大道～平樂大道）線路全長約27.96km，均為地下線；本工區包含一站三區間，即北湖北路站、安吉客運站～北湖北路站區間、北湖北路站～秀林路站區間、秀林路站～邕武路站區間。北湖北路站采用明挖法施工，安吉客運站～北湖北路站區間、北湖北路站～秀林路站區間、秀林路站～邕武路站區間均采用盾構法進行施工。區間段左線全長3793.927m，右線全長3730.17m。

南寧市地形是以邕江寬廣河谷為中心的盆地形態。本工程所處地貌單元為邕江北岸Ⅱ級階地，主要地質情況為第四系沉積物邕江河流沖積砂礫層，下伏基巖為下第三系泥巖、粉砂質泥巖、泥質粉砂巖、粉砂巖。

2 盾構施工難點

盾構隧道穿越的粉細砂地層，因含水量大，透水性較強，掘進時由于刀盤擾動，土體在外力及水力作用下易發生迅速坍塌，從而使開挖面的土體呈流塑狀涌入土倉，導致出渣口噴涌、流砂。一旦發生噴涌，將極大影響盾構施工，導致出渣超方，引起地面沉降和塌陷。同時長期噴涌會引起盾構機滯排現象，大顆粒卵石沉積土倉底部導致刀盤、螺旋扭矩增大，姿態不可控、刀具、螺旋磨損大等風險。通過多年地鐵施工經驗總結盾構施工引起粉細砂地質變形的原因與機理如表1所示：

3 土壓平衡盾構施工技術

根據粉細砂地層的特性，選擇泥水盾構機最為合理。但本工區地質較為復雜，隧道穿越全斷面粉細砂地層僅為本工程地質的一小部分，通過對隧道工程的整體地質環境進行了深入細致的分析，選擇土壓平衡式盾構更適合本工區施工。通過對盾構機針對性改造及合理的渣土改良措施能夠最大限度減小地面沉降和對建筑物的影響，確保生產安全順利。

3.1 盾構始發井口加固

3.1.1 加固范圍。“800mm厚素砼地連墻+600雙管旋噴樁加固+降水井”，其中雙管旋噴樁采用Ф600@450。在洞門端采用800mm厚的C20素混凝土地下連續墻將端頭圍閉，再在地連墻圍閉區域內采用樁徑600mm間距450mm的雙管旋噴樁加固其余區域。素地連墻深度可視地連墻底部地層進行調整，要求墻底進入不透水泥巖層不小于2m；當泥巖層不足2m時，則進入圓礫層下巖層累計不小于3.5m；如圓礫層下為較厚粉砂巖層時，則進入粉砂巖層不小于4.5m。雙管旋噴樁加固范圍，長度：始發端頭10m范圍內。寬度：在隧道范圍外3m處進行加固。高度：在盾構隧道洞門直徑上部3m、下部3m范圍內。通過加固高度和加固區間隧道的埋深可以直接計算出旋噴樁樁底的標高。

3.1.2 旋噴樁參數及布置方式。旋噴樁直徑為600mm，樁與樁之間的距離為450mm，兩個樁的咬合大約為150mm，樁的布置圖如圖1所示。一般情況下采用加大泵壓力來增加漿液流量及流速，進而增大噴射力，本工程壓力采用20MPa。空氣壓力0.7MPa，風量3m3/min，漿液流量37～45L/min。提升速度與注漿量匹配，供漿量應滿足提速，提速應滿足噴射半徑長度，確保加固范圍內每一深度的噴漿飽和。旋噴樁噴射注漿材料采用42.5級普通硅酸鹽水泥，水灰比根據本項目地質情況采用1∶1的水泥漿液進行施工，根據試樁情況選定合適的水灰比。

3.2 盾構機掘進

3.2.1 刀盤和刀具。刀盤采用四牛腿，四主梁+四副梁的結構形式，刀盤開挖直徑6280mm，開口率36%，中心部位有較大開口利于渣土流動，防止中心結泥餅。刀盤面板采用復合耐磨板覆蓋，刀盤外圓采用兩道合金耐磨環，最大限度地減少了細粉砂底層在掘進過程中對刀盤的磨損。

刀具配置：可根據需要安裝39刃17寸或者18寸滾刀。

3.2.2 渣土改良。粉細砂地層中含水量大，滲透系數大，砂石呈液態化，本項目采用了高濃度膨潤土及泡沫進行渣土改良，降低滲透性，增加和易性，防止噴涌，降低刀盤、刀具磨損。膨潤土粘度達到30s以上，注入刀盤面板前方及土倉實現渣土改良。

盾構機設計形式為梭形結構，刀盤開挖直徑為6280mm，前盾、中盾、尾盾依次為6250mm、6240mm、6230mm；目的是減少盾體通過時的阻力，防止卡盾現象；在盾尾脫出前同步漿液無法填充此區域，此施工間隙是導致上述粉細砂地層第三階段地面沉降的主要原因，因此在掘進過程中同步往盾體周圍注入高稠度膨潤土填充，有效控制地面沉降，同時也抑制盾尾后方承壓水及同步漿液竄入土倉，影響掘進狀態。

3.2.3 掘進參數控制。通過以往施工經驗及試掘進對盾構機推力、扭矩、掘進速度、土倉壓力、注漿壓力等各參數進行優化。在確保掘進無安全風險的前提下，以降低設備負載率為最優，防止人為的蠻干。

具體掘進參數為：推力控制在9000～12000kN，掘進的速度控制在3～4cm/min，注漿壓力控制在0.20～0.25MPa，掘進過程中密切關注推進速度、土倉壓力及出渣情況，盡量避免土倉壓力波動過大，推力過大，導致噴涌現象。停機時可適當提高土壓，防止泡沫氣體擴散后土壓降低影響掌子面穩定。

3.2.4 出土量控制。綜合考慮各地層松散系數、地下水、渣土改良填充物等因素，事先計算出每一環理論出渣量。掘進時，施行體積與重量雙控，及時與理論值對比。根據對比情況實時調整掘進參數。加強監測，如發現有超挖、地表沉降大現象，及時增加膨潤土注入量，調整注漿壓力和注漿量。

3.3 盾構機姿態控制

盾構機采用自動導向系統和人工測量輔助進行盾構姿態監測。自動導向系統配置了導向、自動定位、掘進程序軟件和顯示器等，能夠全天候在盾構機主控室動態顯示盾構機當前位置與隧道設計軸線的偏差以及趨勢。據此調整控制盾構機掘進方向，使其始終保持在允許的偏差范圍內。隨著盾構推進導向系統后視基準點需要前移，必須通過人工測量進行精確定位。為保證推進方向的準確可靠，盾構機姿態人工復測始發段（100m）及到達段（200m）每天測量一次，其他段每隔20環或2d測量一次，以校核自動導向系統的測量數據并復核盾構機的位置、姿態，確保盾構掘進方向的正確。

小半徑曲線掘進應進行盾構姿態預偏控制，讓盾構姿態偏角略大于設計線偏角（即走內弧線），趨向值為內弧線方向。是為了確保成型隧道軸線的最終偏差在規定范圍內。根據所處地層和本工區施工實踐經驗的綜合分析，建議在進入小半徑緩和曲線段時逐步將水平姿態調整至內弧線20mm內。曲線段推進過程中，因盾構機分區油缸壓力差，掘進效率降低，會有微量超挖現象，成型隧道呈橢圓狀，因此對應提高注漿量，同步注漿的過程中適量加強對曲線段外側的壓漿量，以填補施工空隙穩定管片。

3.4 管片拼裝

本區間管片設計為外徑6000mm、內徑5400mm、管片厚度300mm、標準環管片寬度1500mm，由1塊封頂塊、2塊鄰接塊、3塊標準塊共6塊組成。C50高強混凝土，抗滲等級P12。止水材料采用三元乙丙橡膠密封墊，與管片間用單組分氯丁膠粘劑粘結。環間采用錯縫拼裝。為滿足曲線模擬和線路糾偏需要，專門準備了左、右轉彎楔型環，為單面后楔形，楔形量為38mm；通過與標準環的各種組合來擬合不同曲線半徑的曲線或糾偏。

隧道質量通病管片錯臺的是成型管片在適應開挖的隧道，是應力釋放的表現。錯臺的原因是兩者形狀、線型不匹配，由各種力實現變形。管片選型拼裝三要素為盾尾間隙、油缸行程差及理論排版。盾尾間隙是當前成型管片與盾尾的位置關系；油缸行程差反映了管片軸線與中前盾、盾尾軸線關系。施工控制目標是盾構機姿態波動越小越好，幾乎沒有糾偏現象，管片與盾構機軸線始終一致，盾尾間隙良好。

3.5 襯背注漿

管片襯背注漿是確保管片質量的重要措施，也是確保盾構機姿態控制的重要因素；注漿設備的能力必須滿足盾構推進速度需求；漿液性能標準要考慮地域材料甚至氣候因素對其的影響，所以不同地域不同項目漿液配比不具備通用性。注漿量及漿液的性能標準是影響上述粉細砂地層地面沉降第四及第五階段的主要因素。

粉細砂層滲透系數較大，同步注漿漿液會慢慢的向著粉細砂地層進行滲透，注漿量控制實行方量與壓力雙控標準。同步注漿使用的是水泥砂漿，并且在其中加入適量的粉煤灰、膨潤土和外加劑等，這樣能夠有效地提高注漿結石體的耐腐蝕性，有效地防止地下水分對管片混凝土的腐蝕。壓力控制在0.2～0.25MPa范圍內，保證管片不會在注漿的過程中發生變形或者損壞的現象。漿液的性能指標為：黏稠度控制在12.0～14.0cm，比重為1.55～1.65g/cm3，凝膠時間不超過6h，1d后抗壓數值大于0.3MPa，28d后抗壓數值大于4.5MPa。

3.6 監控量測

按照規范、設計要求區間監測范圍為橫向2倍隧道埋深范圍（埋深等于區間結構頂離地表距離）。隧道中線30m范圍內建（構）筑物、管線。一般地段縱向監測點間距宜為10～30m，每100m設置橫向監測斷面；在始發段和接收段、聯絡通道等部位及地質條件不良部位，應有橫向監測斷面控制，且橫向監測點沿隧道中線每6環布設一點，進出洞加固區域按照5m一個斷面布設，其他為每30環布設一組垂直于線路的斷面，測點間的水平間距為3m+5m+5m。在施工過程中對整個隧道進行監測并沒有監測到起伏較大的地表沉降和地面隆起變形現象，并且整個施工現場中地表沉降的最大值不超過20mm，地面隆起最大值不超過10mm，這樣最大限度地保證了路面的質量和周圍建筑物的安全。

4 結語

綜上所述，在地鐵隧道粉細砂地層采用土壓平衡盾構施工技術具有良好的施工效果，使用地連墻結合雙管旋噴洞口加固方式確保了始發掘進安全，隧道施工過程中并沒有出現較大的地質變形情況，有效保證了周圍管線、建筑物的安全，確保了路面結構的穩定性，從而使得隧道工程順利的開展，取得了良好的施工效果

參考文獻

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[2] 李曙光，方理剛.土壓平衡盾構法隧道施工中影響地表沉降的因素淺析[J].現代隧道技術，2007，44（5）.

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作者簡介：周雙禧（1983-），男，廣東深圳人，中鐵建大橋工程局集團第二工程有限公司工程師，研究方向：地鐵施工技術。

（責任編輯：王 波）