土壓平衡盾構(gòu)富水砂層掘進施工關(guān)鍵技術(shù)

王利偉 方 偉

（中交三航局廈門分公司盾構(gòu)中心 福建廈門 361000）

1 工程概況

1.1 工程設(shè)計情況

沙堤站～上街站區(qū)間單線長1600m，采用2臺復合型土壓平衡盾構(gòu)機施工。區(qū)間線路沿國賓大道向東行進，途徑沙堤村、沙堤大橋、華佗路后進入上街站。區(qū)間段共4段平面曲線，半徑最小為500；線間距最大為37.4～13m；縱斷面為V型坡，縱斷面最大縱坡9.236‰，最小縱坡4‰，區(qū)間隧道覆土最大厚度14.6m，最小為9.6m。

區(qū)間盾構(gòu)隧道開挖直徑為6480mm，采用通用型預制鋼筋混凝土管片襯砌，管片寬度為1.2m。管片安裝采取錯縫拼裝方式，以彎螺栓連接。

盾構(gòu)管片襯砌背后注漿采用同步注漿與二次補充注漿相結(jié)合的方式。

1.2 地層情況

盾構(gòu)隧道穿越地層主要為：淤泥、淤泥質(zhì)土、淤泥夾砂、粗中砂、粉細砂、粉質(zhì)粘土、粉土、卵石。

地下水主要有潛水、承壓水。

潛水水位埋深約3.70～5.20m，含水層主要為粉細砂層。

承壓水主要賦存于粗中砂（中密）層及卵石層，水位埋深1.20～5.20m，承壓水頭約 2.5～19.9m。

2 富水砂層工程地質(zhì)特點

2.1 工程地質(zhì)分類

砂按照其顆粒大小及含量主要分為：粗砂、中砂、細砂、粉砂。本工程主要為中粗砂和粉細砂兩大類別。

2.2 工程性質(zhì)特點

中粗砂地層在天然狀態(tài)下，淺地層段結(jié)構(gòu)較松散，密度較低，在自重作用下可壓密；此類地層滲透性強，在沒有地下水作用下具有一定自穩(wěn)性，但在有水作用下其工程特性變化大，易流動、坍塌。

粉細砂主要由單體礦物顆粒組成，其工程性質(zhì)介于砂性土和黏性土之間，富水狀態(tài)下易發(fā)生坍塌、管涌，受外界擾動下易液化。

3 施工風險

目前國內(nèi)隧道施工在淺埋深、軟弱地層、下穿江河湖、外部環(huán)境很敏感需嚴格控制地表沉降傾向于采用盾構(gòu)施工法，主要采用泥水和土壓平衡盾構(gòu)。對富水砂層，依據(jù)地下水的含量和壓力，砂土的塑性流動性和透水性，采用泥水盾構(gòu)相對安全，但大部分城市交通、地鐵及管廊隧道因其線路穿越不同的地層，同一區(qū)間隧道可能有部分段為富水砂層，而其他段可能是黏土等地層甚至幾種地層交錯在一起，中間更換盾構(gòu)機是不可取甚至不可行，有時綜合考慮區(qū)間地層情況還得采用土壓平衡盾構(gòu)，且其相對泥水盾構(gòu)具有總體費用低、占用施工場地小的優(yōu)點。在富水砂層中采用土壓平衡盾構(gòu)施工，需提前分析、判斷施工風險，采取有效措施確保施工安全和工程質(zhì)量。

（1）盾構(gòu)機始發(fā)、到達接收風險大，易出現(xiàn)洞門密封失效導致涌水涌沙。

（2）地面沉降大。

①土倉內(nèi)壓力和掌子面水土壓力難以形成動態(tài)平衡，易波動，導致超挖或欠挖引起地表沉降。

②螺旋機出渣口易形成噴涌，導致水土流失，引起地表較大沉降、塌陷。

富水砂層地下水豐富、水頭壓力大（很多地段為承壓水）；地層高透水性，受擾動易液化，渣土改良難以達到理想流塑狀態(tài)，螺旋機內(nèi)“土塞”效應(yīng)差產(chǎn)生噴涌，導致水土大量流失：①推進中盾尾產(chǎn)生大量積沙積水，導致清理任務(wù)重，不能連續(xù)推進，影響進度和質(zhì)量；②引起地表沉降、塌陷。

③砂層自穩(wěn)性差，掘進施工中，注漿不及時、不充分或漿液質(zhì)量不匹配、注漿參數(shù)設(shè)定不當；刀盤、盾體對砂層產(chǎn)生擾動，這兩點都導致地層沉降。

（3）設(shè)備風險

①主軸承密封、鉸接密封因進細小固體顆粒等原因密封失效；盾尾密封因推進中被管片拖拉壞、注漿漿液固結(jié)、密封油脂質(zhì)量差異等原因引起密封失效導致壓力保不住被擊穿。

②富水砂層水土壓力大，地層中砂土顆粒易返入同步注漿管，導致漿管堵塞。

③刀盤、刀具磨損大，影響施工進度，對地層擾動大。在較長區(qū)間掘進施工中甚至導致中途停機開倉換刀，成本費用高，風險大。

4 易出現(xiàn)的質(zhì)量問題

（1）盾構(gòu)姿態(tài)難以控制，盾構(gòu)姿態(tài)不良導致成型隧道軸線偏差大，尤其曲線的緩和曲線段。

（2）成型隧道管片外觀質(zhì)量差，易出現(xiàn)錯臺、開裂、破損及滲漏水現(xiàn)象。

（3）成型隧道橢圓度超標。

5 施工措施

5.1 鋼套箱始發(fā)技術(shù)

鋼套箱盾構(gòu)始發(fā)接收是為了在富水沙層或者周邊環(huán)境復雜時，確保盾構(gòu)始發(fā)時洞門密封不漏水，土倉內(nèi)建立起土壓力。具體為在洞門加一500mm長度的鋼套箱，內(nèi)徑與端墻預留洞口相同6750mm，鋼套箱與洞門預埋鋼環(huán)連成一體，鋼套箱后端設(shè)有密封裝置，筒體上設(shè)置兩道鋼絲刷密封。

（1）方法/步驟

鋼套箱設(shè)計筒長為500mm，直徑（內(nèi)徑）6780mm，外徑6980mm，筒體采用16mm鋼板卷制而成，筒體外設(shè)筋板。筒體的端頭和上下兩半圓接合面均焊接法蘭，筒體縱向及上下均采用法蘭連接，用高強度螺栓連接緊固。

鋼套箱與洞門鋼環(huán)由高強度螺栓連接，初步固定鋼套箱后對稱依次擰緊螺帽。為了保證鋼套箱的密閉性，其法蘭盤與洞門鋼環(huán)滿焊。

鋼套箱內(nèi)焊接兩道鋼絲刷，盾構(gòu)機始發(fā)后，當盾尾進鋼套箱第一道鋼絲刷后，立即用厚度1cm的加工好的弧形鋼板將其焊接密封，一側(cè)焊接在0環(huán)管片背面（管片特制，背面預埋鋼板），另一側(cè)高確定螺栓連接鋼套箱法蘭盤上并焊接之間的縫隙。

（2）安裝注意事項

①安裝前先進行試拼裝，以保證鋼套箱尺寸準確。

②整環(huán)安裝上去后其尺寸偏差不得大于0.5cm。

③各接口出必須連接可靠并且完全密封，以免后期盾構(gòu)推進中漏水漏沙。

5.2 盾構(gòu)機過砂層地段的關(guān)鍵是防止因噴涌、失水、擾動等原因?qū)е碌某两担⒆龊锰厥獾囟蔚募庸烫幚砑坝绊懛秶鷥?nèi)建（構(gòu)）物的保護工作。

（1）在過富水砂層前，停機全面檢查門機、攪拌站、盾構(gòu)機等設(shè)備及維修保養(yǎng)：①防止水土、漿液由盾尾密封滲漏，以免密封失效、地層沉降，無法及時對管片背后進行填充；②避免因長時間停機，導致土倉大量積水及盾體與圍巖間間隙無法及時填充。

（2）合理設(shè)定掘進模式和掘進參數(shù)。一般采用土壓平衡模式（極個別情況臨時采用略欠壓，但要注意地表環(huán)境及后期及時補漿：土倉因氣體較多等原因?qū)е卤飰海軜?gòu)機無法推進），依據(jù)地層情況選擇合理的掘進參數(shù)：土壓、刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩、推進速度、螺旋機轉(zhuǎn)速、閘門開度、注漿壓力流量等；密切關(guān)注推進油缸壓力差、形程差，如表1。

表1 盾構(gòu)掘進參數(shù)（埋深14m，中鐵裝備盾構(gòu)機）

（3）控制好盾構(gòu)機姿態(tài)。避免糾偏，減少對土體的擾動；若要進行糾偏，盡量多糾少糾，以保證盾構(gòu)間隙為主要原則。

（4）進行有效的渣土改良。

主要有泡沫、膨潤土及聚合物添加劑等，以改善渣土的和易性、止水性。每進一批材料都應(yīng)取原土進行試拌配比試驗，以透水實驗和塌落度判定改良效果。結(jié)合本區(qū)間施工實際情況，在富水砂層中一般采用泡沫進行渣土改良是滿足正常掘進施工的。

每環(huán)注入量一般為80～150L/min，原液配比率為3～5%，發(fā)泡倍率一般選擇在8～12之間。泡沫注入率選在20～70%之間，根據(jù)實際的地質(zhì)狀況可做調(diào)整。在部分段含水較少時，看渣土情況，適當注水，流量1～3m3/環(huán)。

（5）確保同步注漿與二次注漿。

同步注漿用砂漿，依據(jù)地層情況試配確定配合比，綜合考慮漿液拌和及運輸時間，初凝時間一般控制在5～6h，每班取樣兩次。注漿壓力比土體靜水壓力大0.05MPa，注漿與推進同步、勻速注入；注漿過程中密切關(guān)注盾尾漏漿情況，若出現(xiàn)滲漏，停止掘進和注漿，相應(yīng)位置連續(xù)泵入盾尾油脂，以不滲漏為準，恢復推進后注漿注意控制壓力。停機期間關(guān)閉單向閥，每隔10min注入一次，以免堵管；停機時間≥1h時，需注入膨潤土保管，對泵頭進行清洗；停機時間≥4h時，需注入膨潤土保管，拆除軟管接頭，對泵頭和管路進行清洗。

二次注漿有三種方式：在脫出盾尾后第四環(huán)位置頂部（曲線段為轉(zhuǎn)彎外側(cè)管片上半部）注入雙液漿（1：1）或水玻璃（試驗確定，控制初凝時間在30～40s）以盡早固結(jié)穩(wěn)定管片，避免管片上浮，確保姿態(tài)；從盾尾倒數(shù)第七環(huán)開始每間隔五環(huán)往后從頂部進行單液漿（水泥漿）注入，單孔單次0.5～1.5m3；后期管片脫出臺車后依據(jù)隧道滲漏水情況進行對應(yīng)注漿（注漿如壓力上升較快，間隙注），注意盡可能與前次注漿位置錯開。

（6）依據(jù)渣土松散系數(shù)及含水率，密切關(guān)注渣土情況和出渣量，結(jié)合渣土體積和吊裝重量確定單環(huán)出渣量，避免超挖或欠挖。

（7）在富水砂層掘進盡量做到連續(xù)快速掘進，確保各工序間銜接順暢，盡量減少停機次數(shù)和時間。

（8）做好地面及成型隧道監(jiān)測工作，及時反饋相關(guān)信息以指導具體施工。

（9）對影響范圍內(nèi)管線、建構(gòu)筑物進行事先調(diào)查和鑒定，采取遷移、加固等措施。

（10）加強管片拼裝質(zhì)量，對管片螺栓進行至少三次復擰。及時對盾尾泥水進行清理，除對流出的含有較多砂土的盾尾油脂進行清除外，其他可以暫時保留。

6 特殊情況處理

噴涌：

（1）噴涌現(xiàn)成條件

①足夠大的水頭壓力和充足的水源。土倉內(nèi)的水一是來自前面開挖面；二是來自盾構(gòu)機于圍巖間隙形成的匯水通道，尤其是在下坡段。

②渣土塑性流動性差，止水性差，螺旋機內(nèi)未形成有效的“土塞”效應(yīng)，螺旋機內(nèi)高壓力的水形成集中滲流，進而帶動渣土顆粒高速運動。

③螺旋機內(nèi)的流體未在到達出閘口時壓力遞減到零，導致閘門開啟因內(nèi)外較大壓力差形成噴涌。

（2）采取措施

①減少土倉內(nèi)積水，切斷匯水通道。保證同步注漿和二次注漿，避免盾構(gòu)后方來水匯積到土倉；盡量連續(xù)推進，避免長時間停機，以免產(chǎn)生較多積水。

②加強渣土改良效果；由螺旋機注入泡沫或膨潤土。

③通過事前選取相應(yīng)的螺旋機形式及對出渣口進行改造等措施，是流體在出閘口壓力遞減為零。

7 結(jié)語

富水砂層較多存在于我國南方地區(qū)，其主要問題是水導致砂層具有的巖土性質(zhì)特點和變化。每個地方因土體具體顆粒組成，水的含量、形態(tài)不同，具體施工中出現(xiàn)不同的、多樣的現(xiàn)象，牢牢把握機器設(shè)備的適應(yīng)性、加強風險分析預判、密切結(jié)合監(jiān)測數(shù)據(jù)采取合適的施工工藝，加強工程過程控制，可以有效避免施工風險和確保成型隧道質(zhì)量。