富水砂卵石地層長時間降水段大直徑盾構施工技術

夏洪波

(1.中國交建總承包經營分公司，北京 100088；2.中交機電工程局有限公司，北京 100088)

1 工程概況及難點分析

1.1 工程概況

成都軌道交通17號線一期工程項目范圍為金星站(含)～機投橋站(含)，線路全長約26.140 km，設計速度目標值140 km/h。明九區間2#中間風井～九江北站盾構區間左線長2 180.048 m，右線長2 285.11 m，2臺土壓平衡式盾構由明九區間的2#中間風井始發，九江北站接收。左線第809～1 438環和右線第800～1 517環隧道之間為947 m的明挖區間，明挖區間小里程端接五桐廟停車場出入場線隧道，設盾構吊出井，大里程端接九江北站，17號線正線左右隧道與明挖區間平行設置，見圖1所示。

圖1 正線隧道盾構區間與明挖區間平面位置關系

明挖區間采用坑外降水明挖順作法施工，17號線正線盾構隧道掘進至790環(1 185 m)時進入明挖基坑降水影響區域，明挖降水段隧道埋深為9.1～25.4 m，處于10.8‰上坡段，左線盾構隧道外邊線距明挖區間主體結構7.7 m，右線盾構隧道外邊線距離明挖區間主體結構6.6 m。

盾構機采用中交天和設計生產的土壓平衡式盾構機，型號為?8 580 mm，設計推力76 000 kN，最大扭矩29 189 kN·m，主驅動功率29 189 kN·m，開挖直徑8.634 m；管片外徑8.3 m，管片內徑7.5 m，管片寬度1.5 m。

1.2 明挖降水段地質情況

1.2.1 原地質情況

通過地勘報告及明挖基坑開挖情況察看，此段地層從上到下依次為1.2～5.3 m厚的人工填筑雜填土、0.5～2.8 m厚的粉質黏土、0.7～3.0 m厚的層狀或透鏡狀沙土，底層為卵石土，稍密～密實，卵石含量占55%～70%及70%以上不等，粒徑一般為2～15 cm，其余為細、中砂充填，滲透系數最大可達30 m/d以上。

1.2.2 降水及降水后地質情況

明挖基坑于2017年6月開始降水施工，至2018年12月主體結構封頂經歷長達17個月降水。降水過程中，地層中填充的部分砂礫細小顆粒被降水井抽排帶走，降水過程前期沉砂池砂量較高，后期砂量減少，沉砂情況及降水后明挖基坑地質情況如圖2所示。

2018年12月進行專項補勘，補勘結果表明地層上部人工雜填土無變化，中間細顆粒含量減小，砂卵石含量約75%，滲透系數最大可達35 m/d以上，卵石含量及滲透系數較降水前有所增大。

圖2 明挖區間抽砂及降水后地質情況

1.2.3 明挖降水段水位情況

明挖段小里程為五桐廟出入場線盾構區間接收端，見圖1，端頭降水井保持降水，其余已完成主體結構頂板土方回填的區段，停止降水。2019年3月，實測明挖降水段左右線地下水位約為地下15.5 m。

1.3 盾構隧道施工難點分析

成都砂卵石地層具有卵石磨圓度好、含量高、分選性差、密實性差、均勻性差、抗壓強度高、滲透系數大、透水性強、富水性良好等特點，導致自穩能力差，隧道施工時容易造成塌方。

明挖降水段經過長時間降水過后，土體呈現松散、無粘結和大小不均勻的顆粒狀，顆粒之間粘聚力降低、孔隙變大；明挖段掘進過程中實測水位約為地下15.5 m，掌子面處于富水地層和臨近富水地層，在盾構掘進的擾動中，容易打破土體的受力平衡，使掌子面或擾動面產生不穩定，造成局部土體坍塌或地表沉降。

此外，成都地鐵17號線一期工程地鐵設計時速140 km/h，盾構機采用開挖直徑8.634 m的土壓平衡式盾構機，是大直徑盾構在成都砂卵石地層的首次應用，缺乏可直接參考的施工經驗。

綜上所述，此隧道施工面臨高富水、大卵石、大直徑盾構、長時間長距離降水段、穩定性差等特點，每一項都是隧道施工的難點[1-3]。多項難點的耦合，加劇了隧道盾構施工的難度，需要行之有效的施工方案和關鍵技術保障，才能保證隧道盾構施工的安全。

2 隧道盾構施工關鍵技術

2.1 明挖降水段預加固

2.1.1 地表注漿加固

為了對隧道盾構施工進行預加固，在降水段盾構掘進正上方，左線從第809環至1 438環、右線從第800環至1 517環進行加固。注漿孔按照間距2.8 m×2.8 m布置，深度從隧道中心線以上至中間砂卵石范圍，如圖3所示。地表注漿采用袖閥管，初始注漿壓力為0.3 MPa，穩壓后為1.0 MPa，漿液采用水灰比為1∶1的水泥漿液。

圖3 預加固示意圖

以單孔設計注漿量和注漿壓力作為注漿結束標準，其中應以單孔注漿量控制為主，注漿壓力控制為輔。本工程在具體實施過程中，每孔注漿量控制在3 m3，注漿預加固應在盾構到達之前2～3個月實施。注漿完成后進行鉆孔取芯，取芯狀況見圖4，隧道中心線以上至中間砂卵石范圍加固效果較好。

圖4 明挖降水段加固后取芯

2.1.2 預留跟蹤注漿管

在盾構施工上方，按照5 m間距提前進行管線探挖，設跟蹤注漿孔。在盾構掘進過程中，根據盾構掘進參數及監測數據對地層進行實時補漿加固處理，用以防止滯后沉降塌陷[4]。

2.2 盾構掘進控制技術

2.2.1 盾構渣土改良

渣土改良是盾構施工的核心[5]。做好渣土改良，保證渣土具有良好的流塑性。避免渣土滯排，造成螺旋機被卡；同時若渣土改良控制不佳，易造成渣溫較高、刀盤結餅、掘進參數惡化、盾構掘進超方，引起地表沉降。

選用質量較好的鈉基膨潤土，并摻入適量的泡沫進行降水段渣土改良。采用的膨潤土應經過充分膨化，膨潤土泥漿配比為鈉基膨潤土∶水=1∶6，膨潤土粘度應超過40 s，改良后渣土坍落度控制在15～20 cm之間。每環掘進膨潤土摻入量為4～5 m3，每環管片需要摻入泡沫3～4 m3，掘進一環管片出土體積約為105 m3。

2.2.2 盾構掘進參數控制

盾構參數設定是盾構施工的關鍵技術。土壓力值根據埋深及土層情況計算，壓力波動控制在±0.02 MPa。土壓力P值與地層土壓力和靜水壓力相平衡，設地層靜水壓力與土壓力之和為P0，P0=γ·h(γ為土體的平均重度，根據計算取加權重度21.5 kN/m3，h為計算位置至地表的垂直距離)，則P=K·P0，K為土的側向靜止土壓力系數，穿越卵石土地層取0.3；上部土倉土壓P′=P±0.02 MPa。

根據成都盾構施工特點和經驗，本工程的盾構掘進參數設置為推力2 000～2 500 t；扭矩800～1 200 t·m；上部土倉壓力0.8～1.4 bar；注漿壓力0.2～0.4 MPa；出土量105～106 m3；每環注漿量12 m3；掘進速度40～50 mm·min-1，在掘進過程中根據地表監測數據，動態選擇最佳參數。在實際掘進過程中，降水段較非降水段無明顯差異。

2.3 同步注漿及二次注漿管控

做好同步注漿及二次注漿，減小管片脫離盾尾間隙擾動和注漿不飽滿引發的地表沉降，進入明挖降水段后二次補漿提至管片脫出盾尾2～5環即對管片后的建筑孔隙進行二次注漿。

每立方米同步漿液配比為水泥230 kg，膨潤土(鈣基)100 kg，粉煤灰310 kg，砂700 kg，水400 kg。管片背后間隙體積為6.7 m3。根據成都卵石地層盾構施工特點和經驗，為保證管片背后間隙填充密實，明挖降水段地層擴大系數取值1.5～2.0，每環注漿量12 m3，并同時保證注漿壓力為0.2～0.4 MPa，二次補漿壓力為0.4 MPa。

2.4 盾構姿態管控

嚴格控制盾構糾偏量，避免糾偏過急增加對地層的擾動，引起地表沉降。盾構進行平面或高程糾偏的過程中，必然會增加建筑空隙，造成一定程度的超挖，因此在盾構機進入明挖降水段之前，將盾構機調整到良好的姿態，并且保持良好姿態穿越明挖降水段。在盾構穿越的過程中盡可能勻速推進，速度不得低于40 mm/min，盾構姿態變化不可過大、過頻，控制每環糾偏量不大于5 mm(平面和高程)，控制盾構變坡不大于1‰，以減少盾構施工對地層的擾動影響。

2.5 管片拼裝質量管控

及時對管片螺栓進行復緊，保證良好的成型管片姿態。管片安裝時從隧道底部開始，然后依次安裝鄰接塊，最后安裝封頂塊。每安裝一塊管片，立即插入管片縱環向連接螺栓并緊固。整環管片全部安裝完后，用風動扳手緊固所有螺栓，同時緊固所有注漿孔封堵塞。完成上述工作后，盾構才可進入下一環的掘進。下一環管片盾構實際油缸行程掘進至750 mm以及1 500 mm時，對臨近的兩環管片再次進行復緊，保證管片在脫出盾尾后螺桿不松動，后續施工過程中應及時檢查管片螺栓的松緊度，對管片環、縱向松緊度不足的螺栓進行復緊。

3 施工監測及分析

地表沉降監測是檢測盾構施工的有效手段[6]，通過對非降水段的地表和降水段的地表進行沉降監測分析，結果如下：

(1)降水段地表累計沉降大于非降水段區域，降水段累計沉降最大約1.5 cm，沉降量在可控范圍內，見圖5。

圖5 降水段地表沉降時程曲線

(2)在非降水段區域時，盾尾脫出造成的沉降占比(56%)最大；進入降水段區域后，土體固結沉降占比(49%)增大，甚至超過盾尾脫出引起的沉降(38%)。

4 結束語

2019年7月，明九區間2#中間風井～九江北站左右線順利穿越明挖降水段并洞通，通過超方情況、管片姿態、監測情況、掘進指標等可以判斷，盾構掘進前和過程中采取的各項措施是有效的，掘進過程是安全可控的，這是大直徑土壓平衡盾構機首次在成都富水砂卵石地層長時間長距離降水段的成功應用。施工中有如下體會：

(1)富水砂卵石長時間降水地層盾構掘進施工，渣土改良是核心，以膨潤土為主、水和泡沫為輔的改良材料成功保證了渣土良好的流塑性，并嚴格控制了每環出土量。

(2)采用水灰比1∶1水泥漿液，在盾構到達前的2～3個月實施，有效地對長時間降水地層進行補漿，起到了良好的加固效果。

(3)嚴控盾構掘進參數，并實時調控，減小了對富水地層的擾動，降低了地表沉降，較好地控制了隧道盾構施工的穩定性。

(4)降水段隧道盾構施工中，土體固結沉降是地表沉降的主要原因，其次是盾尾脫出，應根據實時監測數據及時補漿。