泥水平衡盾構穿越砂卵石地層時的施工控制

戴慧麗

上海城建市政（工程）集團有限公司 上海 200065

泥水平衡盾構因具有適用地質范圍廣、地表沉降變形控制好、開挖面穩定性高等優點，已經成為了近年來國內修建穿越江河湖海等水下隧道的首選施工方法。然而隨著城市地下軌道交通建設的發展，地下工程施工所面臨的環境也越來越惡劣，復雜的地質條件給泥水平衡盾構的施工提出了許多挑戰。其中，砂卵石地層具有顆粒空隙大、土層滲透性大、強度高而流塑性差等特性，同時分布廣泛，可以說是盾構施工中較常碰到的一種復雜地質條件。國內已有較多在砂卵石地層采用泥水盾構施工的工程案例，總結了一些成功的施工經驗[1-3]。

目前有許多學者對砂卵石地層的泥水盾構施工進行了相關研究。劉東[4]以北京地下直徑線工程大直徑泥水盾構隧道為背景，總結分析了富水砂卵石地層中盾構隧道選型、進洞加固、掘進參數控制、泥水處理、進倉換刀等關鍵施工技術。張長強等[5]在綜合考慮盾構掘進參數、泥漿參數、盾構姿態、地層變形機理等信息的基礎上，分析確定了泥水盾構在富水砂卵石地層中掘進時同步注漿各主要技術參數間的經驗公式。另外還有一些學者重點研究了泥水盾構在穿河施工中的技術難題。王明勝[6]結合南昌市軌道交通1號線越江區間，針對性地研究了泥水盾構穿越贛江淺覆蓋透水層時易出現的掌子面失穩、刀盤結泥餅和掘進姿態難控制等難題。賈會森[7]針對沈陽地鐵9號線一期工程，通過對土層顆粒組成及河水水位變化進行分析研究，對盾構刀盤和刀具進行優化設計，提出并實現了泥水盾構在穿河施工中的不換刀技術。

然而上述研究大多側重于泥水盾構在砂卵石地層中的適應性或穿河施工的技術難點中的某一方面，針對富水砂卵石地層中泥水盾構下穿河流施工的研究較少。因此，如何確保在沈陽地區的高水壓砂卵石地層中泥水盾構穿河施工的安全性，成為沈陽地鐵施工中要解決的重點問題。

本文以沈陽地鐵10號線長青橋站—渾南大道站區間地鐵工程穿越渾河段為背景，對泥水平衡盾構施工過程中切口水壓、泥漿指標、干砂量、掘進速度、刀盤扭矩等關鍵施工參數進行理論計算和實測分析，提出了富水砂卵石地層過河段泥水盾構在正面穩定、土體損失率和隧道上浮等方面的關鍵控制技術，為今后類似地層條件下的泥水盾構穿河施工提供了一定的參考。

1 工程概況

沈陽地鐵10號線長青橋站—渾南大道站區間基本位于渾河、長青南街下方，線路出長青橋站后沿渾河長青大橋下穿渾河后，再沿長青南街東側到達渾南大道站，全長約1 617 m，其中過河段約450 m。該段為標準單洞單線區間，采用泥水盾構法施工，覆土厚度為13.2～25.0 m。

1.1 工程地質

該區間段盾構穿越土層依次為礫砂（④4）、圓礫（④5）、中粗砂（⑤3）、礫砂（⑤4）、圓礫（⑤5）層。主要地層為礫砂、圓礫及中粗砂等地層，且含有大粒徑礫石、卵石等。一般粒徑2～50 mm，部分粒徑達90 mm，少量粒徑大于150 mm，填充物為中、粗砂及少量黏性土，局部含卵石，盾構始發段將入渾河前有約50 m的地層中黏性土含量偏高，整體顆粒級配良好。

1.2 水文地質

場地地下水為潛水，主要賦存于中粗砂、礫砂、圓礫層（③、④以及⑤）中，屬孔隙潛水含水層。穩定水位埋深為7.00～1.25 m，常年水位變幅約2 m，含水層厚度約19 m。地下水主要補給來源為渾河側向補給及大氣降水垂直入滲補給。場地地下水徑流條件良好，含水層滲透性強，盾構穿越地層的滲透系數一般在50～110 m/d之間。

1.3 主要施工風險及技術難點

泥水盾構下穿渾河區段的地質條件及周邊環境復雜，覆土厚度小，受到很多條件的限制，要在這種情況下實現安全、順利且環境友好的施工，具有很大風險和挑戰。

主要的施工風險有：土體軟硬結合，對盾構機刀盤磨損大，掘進速度受影響；成拱性差，盾構開挖擾動下地層無法形成穩定的壓力拱，易造成連續破壞；砂卵石地層滲透性強，施工中易產生涌水、涌砂；施工中開挖面不穩定，易坍塌，容易產生較大的地層損失及地表沉降；易超挖，砂卵石地層的軟硬結合特性使得掌子面頂力分布不均，從而導致開挖過程出土過多，切口土體損失率過大；淺埋施工危險性大，埋深太淺達不到臨時壓力拱所需高度，同時砂卵石抗剪能力弱，易發生剪切破壞；盾構和管片姿態控制較難，成形隧道易產生上浮，嚴重時造成隧道軸線出現較大偏差、管片碎裂、盾尾漏漿等不良情況。

主要的技術難點是：通過合理的正面泥水壓力、泥漿性能、推進速度和刀盤扭矩等參數控制，在盾構開挖過程中維持開挖面的穩定，防止河中段切口冒漿或河底地層沉降；通過岸邊段的地面沉降監測，逐步過渡到河中段盾構出土即干砂量的監控，隨時優化調整正面泥水壓力和其他推進參數，來有效控制盾構掘進過程中的切口土體損失率，防止河底地層沉降；通過盾構掘進姿態、掘進線路設計和同步注漿方式的調整，使盾構姿態、管片姿態和隧道上浮量可控，同時，有效降低因盾構與管片姿態不良引起的盾尾漏漿風險。

2 過河段泥水盾構施工關鍵技術

針對以上提出的主要技術難點，本文將從正面穩定性控制、土體損失率控制、隧道上浮控制3個方面，闡述工程在過河段隧道區間采用泥水盾構施工所用到的關鍵技術。

2.1 正面穩定性控制

確保開挖面穩定是盾構順利施工、減小超挖和控制地表沉降的基本措施和保障。目前泥水盾構正面穩定性的判別方法主要有穩定系數判別法、地層損失判別法、流量控制法幾類。本工程正面穩定性控制，主要結合地表沉降的監控和實際出土量的測量與分析，在開挖面水土壓力平衡、泥漿性能、刀盤扭矩和推進速度方面采取相應的控制措施。

2.1.1 開挖面水土壓力的平衡控制

盾構切口水壓用于平衡開挖面的水土壓力，維持開挖面的穩定，是保證盾構掘進安全順利的關鍵。盾構實際切口水壓，隨著隧道的覆土深度、開挖面土層性狀、地下水水頭的變化而變化。因此，通過切口水壓控制開挖面穩定是一種動態的管理，掘進到不同階段，切口泥水壓力的設定需及時調整。本工程綜合考慮地下水壓、土壓設定誤差、土層滲透系數、泥漿性能指標、送排泥設備中的泥水壓變動、渾河水位的變化等因素后，認為實際切口水壓力一般應比理論計算值大20～30 kPa，得到穿越渾河段盾構的實際切口水壓設定值與理論水土壓力計算值的比較情況（圖1）。

圖1 實際切口水壓與理論水土壓力計算值比較

由圖1可以看到，由于隧道埋深不斷變化，盾構機頂部承受的土水壓力也呈現波動起伏，但泥水倉頂部壓力的設定值一直保持在比靜止土壓力大10～20 kPa，這說明切口水壓設定較為合理。從下面的地表沉降分析和干砂量分析中也可看出，整個盾構推進過程中沒有出現較大的地表沉降或隆起，開挖面穩定的控制較好。另外，盡管切口水壓設定值在盾構推進過程中有極少數情況超過了被動土壓力，但始終未超過地層劈裂抗力，在理論上確保了盾構推進過程中不會造成地層坍塌等危險。

2.1.2 泥漿性能管理與控制

對于本工程砂卵石地層來說，泥水平衡盾構的泥漿性能指標的好壞，與開挖面的穩定、地層損失率的控制、刀盤扭矩的降低、刀具的磨損、泥水輸送與分離處理的效率等直接相關，應對泥漿的相對密度、黏度指標進行重點的控制管理。

對于以砂礫地層為主的過河段，送泥泥漿相對密度應嚴格控制在1.10～1.15 g/cm3；而對于黏性土含量較高的局部區段，送泥泥漿相對密度也應盡量控制在1.25 g/cm3以下，以保證排泥暢通、正面不結泥餅、刀盤切削扭矩不會過大。必要時，在現場因環保要求不具備棄漿的情況下，應借助壓濾機，有效分離出循環泥漿中的大量細顆粒來降低送泥泥漿的相對密度。

合適的送泥泥漿黏度，有利于懸浮和攜帶刀盤切削下來的土體，從土顆粒的懸浮性要求而言，要求泥水的黏度越高越好，但黏度的提高會使泥水的凝膠強度和塑變值提高，加大泥漿泵的負荷，同時加大泥水分離的難度。本工程綜合考慮以上因素，黏度值取20～25 s。

一般來說，當送泥泥漿的相對密度、黏度較大時，可加水進行稀釋，來降低其數值；當泥漿的相對密度、黏度較小時，可適當添加膨潤土來提高其數值；而壓濾機的使用，則是泥水處理系統無法分離過多細顆粒而引起泥漿相對密度、黏度過高的補充手段。本工程在黏土含量較高的局部區段掘進時，采用了1臺APN15SL60M型壓濾機，棄漿量達29.4 m3，干渣含水率＜30%，在滿足該工程廢漿處理量與干排需求的情況下，保證了送泥泥漿的性能指標符合要求，及時扭轉了施工中出現的刀盤結泥餅、刀盤扭矩居高不下和掘進效率低下等不利情況。

2.1.3 刀盤扭矩控制

本工程的盾構正面穩定性控制除水土壓力控制外，還運用了實時監測刀盤扭矩變化來保障盾構推進的順利進行（圖2）。

圖2 刀盤扭矩和推進速度的關系

從圖2可以看出，刀盤扭矩與推進速度基本上滿足遞增關系，這是因為扭矩與推力成線性關系，而推力與推進速度又成正指數關系，故刀盤扭矩與推進速度也應成遞增關系。但同時應該考慮到，當推進速度繼續增大時，若刀盤扭矩再大，會超過額定扭矩的50%，這對盾構機順利推進是不利的，故施工過程中需要不斷關注刀盤扭矩的變化，采取措施避免扭矩過大而影響盾構推進。

除與推進速度相關外，上文所述送泥泥漿的相對密度和黏度指標，也會直接影響刀盤的實際切削扭矩，有可能嚴重影響盾構的掘進施工。因此，一旦出現指標異常，應及時采取相關措施，確保送泥泥漿的性能指標恢復正常。

2.2 土體損失率控制

干砂量是指泥水盾構推進過程中實際開挖出來的土顆粒體積，即盾構出土量，是重要的施工參數。實際工程中，在無法直接進行地表沉降監測的場合，如穿越河流，常用干砂量的大小來直接判斷泥水盾構的超/欠挖情況，以控制土體損失率和地表變形。實際干砂量根據送泥、排泥的流量計和密度計測定的數據進行統計而得。本工程未進入渾河段前，先以每5環測量一次的頻率，測量掘進180環（穿越渾河前10環）的干砂量，對照地表沉降監測數據，判斷盾構超/欠挖狀態，以土體損失率為控制目標，確定實際干砂量的控制范圍和對應不同的埋深及地層的推進參數，主要是切口設定壓力，為盾構順利穿越渾河做準備。隨后在穿越渾河區段時每隔5～10環測量一次干砂量，通過干砂量變化實時調整推進參數。

土體損失率一般可以通過地表沉降的監測數據，或者根據理論出土量與實際出土量的差值，進行分析并控制。本工程盾構直徑6.24 m，一環理論開挖量為36.7 m3，正常切口土體損失率應控制在0.5%以內，即每環偏差量應小于0.18 m3。180環前的測量數據分析和穿越渾河段實際施工情況表明，在砂卵石地層中，采用不含主動或被動鉸接裝置的泥水平衡盾構掘進，若綜合考慮推進速度、刀盤扭矩、千斤頂推力、盾構姿態和地表沉降等因素，且同步注漿措施到位，那么，以施工參數正常且沉降最小化為原則，將在直線段施工盾構超/欠挖量控制在1.5%以內、曲線段施工盾構超/欠挖量控制在3.0%以內較合理。

2.3 隧道上浮控制

2.3.1 盾構姿態控制

本工程盾構穿越渾河段的地下水位較高，土層復雜，如果控制不當，極易導致盾構機上浮，進而引起渾河底部地層塌陷，威脅周邊環境安全，因此盾構姿態的控制顯得尤其重要。同時盾構直徑大、線路長、穿越土層復雜也使得盾構姿態控制較難。推進初期是上半部分為砂質粉土而下半部分為黏土的上硬下軟土層，推進后期則依次穿越全斷面黏土、全斷面粉砂等地層，盾構機在同一斷面的掘進速度難以保持一致。

對于上硬下軟土層，適當加大上側油缸的推力和速度后效果良好。而全斷面黏土地層處（主要是過河段）盾構機則發生了一定程度的上浮（圖3）。

圖3中，管片上浮的最大值達57.5 mm，超過了報警值（50 mm）；且大多數管片的上浮值在25～50 mm之間，已經接近報警值。為減小上浮的趨勢，本工程采取了以下措施：推進時考慮上浮情況，預先向下掘進50～70 mm；將2.3.2節中提到的“四點注漿”變更至“兩點注漿”，利用注漿的“下壓”抑制上浮；加大注漿量以保證盾尾間隙填充密實；拋壓重物以平衡盾構質量。

圖3 盾構管片上浮情況

2.3.2 同步注漿控制

注漿一直是盾構施工中用于充填盾尾空隙和防止地表沉降的關鍵技術，其中又可分為同步注漿和二次注漿。本工程針對砂卵石地層開挖后極易被破壞的特性對注漿技術進行了相應設計。這里重點從注漿孔布置、注漿量控制2個方面介紹本工程采取的同步注漿控制技術。

本工程盾尾注漿孔在左上、左下、右上、右下4個位置共布置4個（圖4）。一般來說，應盡量保持4個注漿孔同時注漿，從而保證同步注漿的均衡、穩定。但當盾構機發生上浮或下沉而偏離了設計路線時，可適當調整注漿方式，將四孔注漿變為三孔注漿或兩孔注漿，從而實現糾偏。

圖4 注漿孔分布示意

經計算，在充填率為1的情況下，本工程盾構隧道每環注漿量理論控制值為2.76 m3，對隧道穿越渾河區段每環的注漿量進行統計，繪制成注漿量曲線圖（圖5）。

可見，除推進初期注漿量較低外，盾尾注漿量基本保持在150%左右，且各環注漿量大多處于150%～200%之間，滿足一般要求。

3 結語

本文結合沈陽地鐵10號線穿越渾河段，對泥水平衡盾構施工過程中的關鍵施工參數進行理論計算和實測分析，針對富水砂卵石地層過河段盾構正面穩定性控制、土體損失率控制和隧道上浮控制進行研究分析，得到以下主要結論：

1）砂卵石地層具有力學不穩定特性，開挖后極易破壞，使盾構開挖面不穩定。對于本工程以砂礫地層為主的過河段，實際切口水壓力的設定比理論計算值大20～30 kPa，能滿足正面穩定的要求。送泥泥漿黏度值取20～25 s，相對密度控制在1.10～1.15 g/cm3，刀盤扭矩控制在額定值的50%，這些參數一旦超限，應分析原因，盡快采取必要措施予以調整。

2）在無法實施地表沉降監測的過河段，應以干砂量的測量與分析結果為參考，及時調整施工參數，有效控制超/欠挖量。本工程泥水盾構未設置鉸接裝置，對于砂卵石地層中的施工，應以施工參數正常且沉降最小化為原則，綜合考慮各種因素，將在直線段施工盾構超/欠挖量控制在1.5%以內、曲線段施工盾構超/欠挖量控制在3.0%以內，總體沉降可控。

3）本工程在隧道左上、左下、右上、右下4個位置共布置4個注漿孔，并保持4點同時注漿，同時將各環注漿量控制在理論值的150%～200%之間，很好地控制了地表沉降。隧道穿越渾河區段盾構管片出現了一定程度的上浮，為減輕盾構上浮的趨勢，采取了預先向下掘進、將“四點注漿”變更至“兩點注漿”、加大注漿量、拋壓重物等措施，起到了良好的效果。

圖5 隧道穿越渾河區段注漿量曲線