小半徑富水礫砂過河段盾構施工技術

楊洲

摘 要：土壓平衡盾構過河段富水沙礫層地層結構松散，地層自穩性差，地下水豐富，卵石含量多，在該地層中實施盾構管廊施工存在較高技術要求，結合沈陽市地下綜合管廊工程某盾構區間穿越小半徑富水礫砂過河段施工，從優化掘進參數控制、渣土改良控制、管片選型拼裝進行了技術研究有效解決出渣控制難、螺旋機易噴涌、管片易錯臺破損、沉降控制難度大等問題為類似工程提供借鑒作用。

關鍵詞：綜合管廊；盾構施工；小半徑曲線段；富水礫砂；過河段

1 引言

過河段施工時地下水位高，礫砂層粗骨料直徑大且數量多，土壓平衡盾構掘進中需嚴格控制盾構土壓的動態平衡、及時同步注漿可以減少對周圍土產生的擾動，有效控制地表沉降，使渣土具有充分的和易性，解決出渣難控制、易造成螺旋機噴涌現象。

盾構設計軸線轉彎半徑小，接近北重盾構機極限轉彎半徑，姿態糾偏及管片選型困難，在小半徑曲線轉彎過程中盾構機與管片之間可能會因盾尾沒有間隙極易造成管片錯臺破損，以至于影響成型隧道管片質量。

2 簡述

2.1 工程概況

沈陽市城市地下綜合管廊（南運河段）工程，是國內首條盾構法施工的地下綜合管廊，是沈陽市十大市政重點工程之一。本工程單線長12.6km，斷面為單洞單圓形式，外徑6m，內徑5.4m。區間左線于里程左K0+346.6～左K0+638.2盾構以305m小半徑曲線過河段施工。隧道拱頂覆土厚度約為8.0m～15.0m，最大坡度21‰。

2.2 水文地質條件

經地質勘探，該盾構區間地層主要由第四系全新統和上更新統黏性土、砂類土及碎石類土組成。盾構區間隧道施工范圍內所處地層主要由圓礫層、礫砂層及粉細砂層組成，地質軟硬不均，易形成“泥餅”。地下水穩定水位埋深為6.5m～9.3m，地下水位高，透水性強，過河段地層主要以富水礫砂為主。

3 采取的技術措施

3.1 優化掘進參數

結合盾構始發前100m掘進情況，盾構正常掘進參數擬定如下：根據富水砂卵石盾構掘進經驗，本工段盾構掘進為快速通過減少因刀盤轉動對周圍土體長時間擾動而導致超排，通過調整土倉內上土壓實施適度的欠壓掘進，能有效的減少對刀具磨損，降低刀盤扭矩的同時加大推進壓力，提高掘進速度，從而減少設備運轉時間，可降低土倉內渣土溫度，減少刀盤固結泥餅現象出現，降低改良渣土所需材料耗材降低成本。

掘進參數調整優化的措施核心問題是如何用好膨潤土，掘進時采取泡沫結合膨潤土進行渣土改良，使土倉內渣土具有良好的和易性，操作手根據觀察螺機排土情況調整使用外加劑。

在實際掘進施工中，應根據不同的地質條件，合理的設定土倉上部壓力、推力、掘進速度、刀盤扭矩、刀盤轉速、螺旋機轉速等重要參數，及時同步注漿且要加大注漿量，減少對地表土體造成沉降。

3.2 強化渣土改良

在富水礫砂地層中施工，由于礫砂地層摩擦阻力較大，地下水豐富，透水性強，在掌子面上注入泡沫混合液、膨潤土等外加劑，充分攪拌刀盤切削下來的渣土，使土倉內的渣土具有良好的和易性，實際施工中比對改良效果好具有和易性的渣土與土倉中沒有充分攪拌而排出的渣土而言，改良和易性好的渣土很明顯可以使刀盤扭矩減小，增大推力后使掘進速度增加，減少盾構設備運轉時間、刀盤磨損，提高設備的使用壽命，保證了盾構安全、連續、快速施工。

根據現場配比實驗及結合實施中經驗得：泡沫由90%～95%壓縮空氣和5%～10%泡沫混合液組成；泡沫混合液的組成為泡沫原液3%～5%、水97%。本工程所用泡沫劑粘度不低于0.1Pa·s。泡沫系統中壓縮空氣26m3/h～28m3/h，混合液1.5m3/h，使用四路泡沫打入刀盤，控制每環泡沫原液用量50L～70L。

膨潤土泥漿配合比：水：膨潤土=10：1，經充分攪拌均勻后，發酵40分鐘，讓其充分膨松。其中膨潤土為優質的鈉基膨潤土，膨潤土稠度根據地層情況渣土改良效果控制在40s～60s之間。改良過的渣土可有效解決出渣難控制。

3.3 小半徑曲線階段管片選型

小半徑曲線隧道施工掘進關鍵還在于盾構機的鉸接性能、盾尾間隙的大小及管片選型。北重的盾構機盾尾間隙3公分已經確定的情況下，管片選型成為拼裝管片的首要考慮。小半徑曲線掘進隧道軸線控制難度大，糾偏困難，管片易發生錯臺破損，造成管片滲水等不良影響。

以300m半徑右曲線為例，取1.2m小段，外圈變長L1，內圈變長L2，則L1-L2=6000×1.2/300=24mm。由于管片錯縫拼裝，無法保證每環管片糾偏量均為24mm，則需將線路分為小段，以小段為單位（不超過5環）通過管片點位的不同組合保證平均糾偏量為24mm/環即可。左曲線同理。

3.4 成型隧道管片質量控制

控制小半徑曲線成型隧道管片拼裝質量主要采取加大同步注漿量、二次雙液注漿止水環及三次管片螺栓復緊的檢查相結合，以加強小半徑曲線段成型管片不出現側向移動造成成型管片的上浮、錯臺現象。使脫出盾尾的管片成型穩定，為盾構掘進提供反力，避免掘進過程中成型管片被擠破，讓盾構機沿隧道設計軸線方向掘進。

在管片拼裝之前首先要對盾尾進行全方位的清理，以保證拼裝后的管片不產生擠壓破環；管片螺栓需復緊三次以上，每環管片拼裝時對橫向縱向螺栓初次擰緊，管片脫出盾尾后進行二次復緊；盾構掘進完成下一環拼裝開始對三環內的管片再次復緊。

若管片脫出盾尾出現管片下沉，應在管片下部增加2個注漿孔增大注漿量且采取二次注漿的方法穩定成型管片。

3.5 解決掌子面噴涌、冒頂問題

掘進過程中如發現上部土壓瞬間增大螺機噴涌，應及時關閉出閘口，關閉螺機，首先確定全部關閉了通往土倉內的水管，在頂部土壓不超限的情況下繼續掘進，刀盤油壓、扭矩較大判定土倉內渣土較滿停止掘進，適當打開出閘口，不啟螺機，讓土壓將土倉內渣土擠出，觀察出閘口排出渣土速度較慢至不自流時再啟動刀盤開始掘進。及時觀察開挖面地層變化和出土量嚴格控制超挖避免地面沉降。當盾尾拖過10環左右加大二次注漿量。

4 結束語

通過沈陽市地下綜合管廊工程某盾構區間穿越小半徑富水礫砂過河段的施工經驗，根據地層變化排渣狀態及時從優化掘進參數控制、渣土改良控制、管片選型拼裝進行了技術研究且有效解決，避免因超排帶來的地面沉降過大等安全質量風險，保證了成型隧道的管片拼裝質量，為類似工程提供借鑒作用。

參考文獻：

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