富水粉細砂層盾構下穿湖泊風險分析及控制
——以太原地鐵2號線下穿迎澤湖工程為例

閆 瀟, 楊雙鎖*, 姜 山

(1. 太原理工大學地下工程系，太原 030024；2. 中鐵三局集團有限公司，太原 030001)

隨著現代地下空間利用的發展，城市地下工程建設正面臨越來越多的地下穿越工程，地下穿越工程是一項高風險建設工程。在下穿湖泊項目中，由于湖水壓力大容易造成螺旋輸送機噴涌或由于湖底沉降過大造成湖底坍塌，湖水倒灌等險情。一旦發生事故，不僅影響工程自身的建設，還會對被穿越結構或環境產生巨大的影響。所以，每項地下穿越工程的施工都會如履薄冰，必須格外謹慎[1-2]。

中外學者針對盾構下穿河流、湖泊工程的風險和風險控制進行了大量研究。張慶賀等[3]以南京地鐵為例，研究了超淺覆土下盾構穿越水底隧道所需的最小覆土厚度，并針對超淺覆土風險提出了河底加固措施；吳世明等[4]以泥水盾構穿越錢塘江大堤為例，針對產生的風險源，分析了風險產生的原因，提出對泥水盾構掘進參數優化的控制措施，保證了工程順利進行；任瑛楠等[5]采用三維非線性有限元模型，對杭州地鐵土壓平衡盾構穿越錢塘江大堤進行了數值模擬，分析了大堤沉降和變形的風險，并提出了有效控制地面沉降措施；萬俊峰[6]以鄭州地鐵2號線富水粉細砂地層中長距離下穿有壓給水管線為例，提出盾構刀盤結構形式及相應配置要適應富水粉細砂層掘進和保壓;合理的施工工藝措施對地表沉降控制的必要性；李承輝等[7]通過總結蘭州地鐵盾構下穿黃河的經驗,對泥水盾構穿越黃河過程中的風險控制進行了研究，提出了掘進參數對風險控制的重要性；黃俐等[8]結合北京地鐵六號線青褡區間施工實際，研究了盾構施工中7個典型突出風險事件；雷澤明[9]以武漢地鐵為例，研究了盾構參數及同步注漿壓力與注漿量在軟土地基中的關鍵技術；朱偉等[10]從孔隙水滲流流量角度，解釋了土壓平衡盾構噴涌機理，并對影響噴涌的要素就行了分析；黃宏偉等[11]總結了不同國家不同地區盾構隧道地表沉降規律，介紹了盾構各階段對沉降的貢獻度；張忠苗等[12]分析了過江隧道盾尾密封失效原因，并總結了在高承壓水中盾尾刷修復方法。

目前對盾構下穿河流和湖泊工程的風險分析和控制較少，且多集中在泥水盾構穿越江河湖泊的風險分析和控制。針對太原這種地處河漫灘地區，土壓平衡盾構穿越富水粉細砂地層還缺少更多的相關實例。為此，基于富水粉細砂層[13]土壓平衡盾構下穿湖泊工程，對于存在的風險，分析了該地層條件下風險產生的機理，并針對性地提出了3種風險控制措施。結合太原地鐵2號線土壓平衡盾構穿越迎澤湖底施工實例，進一步驗證了風險控制的合理性，并取得了較好的施工效果。

1 工程條件分析

太原地鐵2號線雙塔西街到大南門盾構區間，區間線路從雙塔西街站盾構始發后，左線和右線分別下穿位于迎澤公園中的迎澤湖后，到大南門站接收。迎澤湖水深2～2.5 m，湖寬40～300 m。盾構下穿迎澤湖平面圖如圖1所示。

圖1 盾構下穿迎澤湖平面圖Fig.1 Shield tunneling through yingze lake plan

湖底地層由上而下為雜填土、黏質粉土、粉質黏土、中砂、粉細砂。盾構左線隧道頂距離湖底16.9～18.2 m，其中湖底雜填土厚度9.56～11.2 m。盾構右線隧道頂距離湖底13.5～17.67 m，其中湖底雜填土厚度7.67～11.8 m。盾構左線下穿湖體長度約185 m，盾構右線下穿湖體長度約459 m，隧道頂部有大范圍液化黏質粉土層存在，盾構穿越期間造成的擾動極易在湖底形成滲漏通道，造成冒頂、噴涌、湖底塌陷等事故的發生。雙大區間左線地質剖面圖如圖2所示。

圖2 雙大區間左線地質剖面Fig.2 Two lager left-line geological profiles

2 工程風險分析及控制

土壓平衡盾構穿越富水粉細砂層，工程風險主要集中于盾構螺旋機噴涌；湖底沉降過大引起的湖水滲透、地表變形；盾尾密封失效。

2.1 盾構螺旋機噴涌風險機理分析及控制

2.1.1 土壓平衡盾構的工作原理

土壓平衡盾構機在盾構掘進機中部設有密封擋板，又稱承壓板。它與刀盤、盾體之間形成密封土壓力倉。刀盤旋轉掘削下來的土體，經過刀盤開口進入密封土倉壓力室后，經螺旋輸送機運到皮帶輸送機上，然后輸送到停在軌道的渣車上。盾構機通過盾構千斤頂推進油缸給土倉壓力室加壓，以平衡開挖面水土壓力，從而保持開挖面的穩定。圖3為土壓平衡盾構機原理示意圖。

PW為水壓力；P為土壓力；PTBM為盾構土倉壓力；PW+P=PTBM圖3 土壓平衡盾構機原理示意圖Fig.3 Schematic plan of soil pressure balance shield machine

2.1.2 噴涌風險

土壓平衡盾構噴涌風險是指在地下水位高，透水性大的沙土地層中，水在盾構開挖的渣土中滲流會具有動水力。在一定動水壓力作用下，如果開挖的渣土具有明顯的觸變性，則水體與砂體、土體無法形成固結，會從螺旋輸送機排土口噴涌而出，對工程產生風險[14-15]。

2.1.3 盾構機噴涌機理分析

水在沙土中滲流時，會受到微小沙粒的阻力。這個力的作用方向與水在沙土中滲流方向是相反的。根據牛頓第三定律，作用力與反作用力大小相等，方向相反，水流也必然對沙粒產生一個相等的力。通常把水流作用在單位體積土顆粒上的力稱為動水力GD，又稱滲流力[16]。

通過力的平衡條件可得動水力的計算公式：

GD=T=γwI

(1)

圖4為盾構噴涌滲流模型，根據動水力的計算公式，可得在盾構機壓力倉中產生的動水力為

圖4 盾構噴涌滲流模型示意圖Fig.4 Schematic plan of gushing seepage model of shield

(2)

式(2)中：l1為盾構機土壓艙寬度。

在螺旋輸送器其中產生的動水力為

(3)

式(3)中：H3為螺旋輸送器中水頭高度；l2為螺旋輸送器長度。

在螺旋輸送器中，當土顆粒受到向上的動水力等于土的有效重度時，即

GD=γwI=γ′=γsat-γw

(4)

式(4)中：γsat為土的飽和重度；γ′ 為土的有效重度。

此時土顆粒間的黏聚力等于零，土顆粒間將處于懸浮狀態而失去穩定，這時的水力梯度稱為臨界水頭梯度Icr。當IIcr時，土體噴涌。

由此可認為噴涌發生的機理是：在地下水位高的區間段，由于開挖面上水壓力高，加之開挖出來的沙土本身透水性大，級配不好，水在沙性土中發生了滲流，由此產生了動水力。當動水力小于土體重度時，土體和水體以相同速度經螺旋輸送機傳送到皮帶輸送機上，當動水力大于土體重度時，此時水體對土粒的作用力大于了土顆粒間的重力，導致水體運動速度大于土體排出速度，流水便在增大的壓力下帶動正常排出的沙土噴涌而出，形成了噴涌現象。

2.1.4 噴涌風險控制措施

由于噴涌發生是因為動水力大于了土體重度，故需要降低土中水滲流時的動水力。現場施工中，通常通過渣土改良方式，來控制噴涌發生。即通過盾構機端頭部注入口向前方土體、刀盤面、密封壓力倉和螺旋輸送機注入泡沫、膨潤土或者高分子聚合物等添加劑，使盾構掘削下來的砂土具有較好的抗滲性、流塑性和黏聚性，可以有效降低沙土中水滲流時產生的動水力。

(1)常用渣土改良材料：在盾構施工中，通常將泡沫劑、膨潤土、高分子聚合物等作為渣土改良的材料。表1為常用渣土改良材料優缺點比較。

表1 常用渣土改良材料優缺點比較Table 1 The advantages and disadvantages of commonly used residuum materials are compared

針對湖底全斷面砂層富水地層此種地質條件,根據表1優缺點綜合分析施工采用高分子聚合物進行渣土改良。

(2)現場實際應用：富水粉細砂層中掘進采用高分子聚合物進行渣土改良，根據已有施工經驗，工程添加的高分子聚合物濃度一般在 1/1 000～3/1 000 。但在工程實際應用中，原有的高分子聚合物濃度沒有很好的改良渣土和易性，噴涌現象還有發生，將高分子聚合物濃度創新性地提高到 10/1 000，渣土實現較好的和易性。有效抑制了噴涌的發生。圖5為現場改良后的土體。

圖5 現場改良后的土體 Fig.5 Field improved soil

2.2 盾構通過后的盾尾空隙沉降機制及控制

2.2.1 盾構施工引起地表沉降的主要4個階段

(1)盾構到達前的先期沉降。盾構機向前掘進過程中，在尚未到達開挖面前一段距離內，會對前方土體產生擾動。對于沙質土，其部分原因是由于地下水位下降，引起前方土體應力釋放。在應力重新分布過程中，土顆粒實現重新固結，在固結過程中，引起地表沉降。

(2)盾構通過時引起的地表沉降。如圖6所示，由于刀盤外徑為6 480 mm，而盾殼外徑為6 440 mm，土體作用力由刀盤到盾構外殼，因為外徑不同有沉降差，會引起部分土體沉降。此外，由于施工因素影響，盾構盾殼在千斤頂液壓支架推力作用下，向前推進過程中對土體也形成了擾動，使周邊土體松弛，在這些因素共同作用下引起了地表的沉降變形。

圖6 盾構機構造示意圖Fig.6 Schematic drawing of shield mechanism

(3)盾構通過后的盾尾空隙沉降。如圖6所示，盾殼外徑為6 440 mm，管片外徑為6 200 mm，當土體作用力由盾殼作用到管片上時，由于管片與盾構外殼之間空隙較大，容易造成較大的地表沉降。而這部分空隙主要通過同步注漿和二次注漿進行填充，若盾尾空隙同步注漿注漿量不足或者注漿凝固時間過長，在土體作用力完全作用前無法形成一定的強度，就容易引起地表較大的沉降。

(4)管片襯砌后地表長期后續沉降。盾構機通過，管片襯砌同步注漿后，由于漿液需要凝固時間產生強度，以及土層固結、次固結、蠕變等作用。土體發生這些變化需要一段很長的時間，故會引起長期的地表沉降。

2.2.2 富水粉細砂層盾構主要沉降發生階段

富水粉細砂層盾構沉降主要發生在盾構通過后的盾尾空隙沉降，這是因為和其他地層相比，富水粉細砂地層有特殊的水理特性。

(1)膠結性較差，顆粒粒徑的分布廣，與巖石相比，承載能力較小。

(2)顆粒級配性差，松散狀態較多，具體表現為滲透能力強，有較大的滲透系數。

由于粉細砂自身結構特征：在盾構施工時其成拱性差，極易出現坍塌。刀盤掘進過程中對粉細砂土產生大的擾動致其孔隙水壓力變化比較大，容易產生超孔隙水壓力，加之盾尾通過后會留下較大的空隙。故該階段容易產生較大的沉降。

2.2.3 沉降風險控制措施

富水粉細砂層盾構沉降主要發生在盾構通過后的盾尾空隙，也就是第3階段沉降，對于這一階段沉降控制措施主要為同步注漿及二次補漿。當位于盾尾的管片拼裝完成后，盾構機在千斤頂推力下繼續向前推進，當土體接觸面由盾殼轉移到管片上時，這部分會形成較大的間隙。對這部分間隙的控制采用4組管路通過同步注漿和二次補漿的方式填充，以防止和減小底層的變形，并且提高結構穩定性。

(1)注漿材料及其配比設計。同步注漿材料采用水泥砂漿。水泥砂漿有許多優點，如結石體強度高、結實比率大、具有較長的耐久性，并且有很好的抗滲性，能有效防止地下水侵析。同步注漿水泥采用42.5硅酸鹽水泥，該水泥可有效提高注漿結實體的膠結性、耐腐蝕性，將管片包裹于耐腐性注漿結實體中，從而減弱地下水中含有的化學物質對管片混凝土的腐蝕。現場注漿材料如圖7所示。漿液的主要物理力學指標如表2所示。掘進過程同步注漿配比實驗如圖8所示。

圖7 施工現場注漿材料Fig.7 Grouting materials for construction site

表2 同步注漿漿液的主要物理力學性能指標Table 2 Main physical and mechanical properties of synchronous grouting slurry

圖8 掘進過程同步注漿配比實驗Fig.8 Synchronous grouting ratio test during tunneling

(2)同步注漿主要技術參數。

注漿壓力設定：根據設計要求，本工程同步注漿壓力選擇為0.2～0.3 MPa。

注漿量的控制：每推進一環的建筑空隙為

π(D12-D22)L/4

(5)

式(5)中：D1為刀盤外徑6.48 m/盾構外徑6.44 m；D2為管片外徑 6.2 m；L為管片寬度1.2 m。

根據管片壁后環形間隙與地層有效填充的經驗公式計算，結合該工程的地質特點和設計要求取環形間隙理論體積的1.4～1.6倍，管片寬度1.2 m。故左線每環壁后注漿量：Q=4.7～5.4 m3一般取值5.0 m3/環。

注漿速度：同步注漿速度與掘進速度相匹配，按盾構完成一環1.2 m掘進的時間內完成當環注漿量來確定其平均注漿速度，達到均勻的注漿目的[17]。

二次補漿：二次注漿材料與同步注漿漿液材料一致。二次注漿管片間距為3～5環，距離盾構機位置15～20環處相當于鐘表1點或11點位置進行二次注漿。注入量根據注漿壓力確定，注漿壓力不超過0.4 MPa。

工程施工按照設計盾構掘進過程中同步注漿漿液凝固時間為6 h，注入該漿液地表沉降變形過大，不足以把沉降控制在合理范圍內。通過實驗優化注漿配比，使其凝固時間由6 h變為4 h，有效控制了湖底沉降，最終監測點累計沉降25.33 mm。

2.3 盾尾密封失效風險分析及控制

2.3.1 盾尾密封失效風險

土壓平衡盾構機盾尾密封是將盾構機內部與外界土層隔離的系統。通過盾尾密封可以將土體、地下水與盾構機之間形成一道重要的安全屏障。盾尾密封失效就是盾構機盾尾不能有效阻止盾構機外界土體、水體向盾構機內部滲透。如果盾尾密封失效一旦發生，加上處理不及時，就可能造成嚴重后果。同步注漿及二次注漿過程會發生漏漿，富水沙土會從盾構尾刷間隙涌入隧道內部，間接導致土層水土流失引起地面不均勻沉降。如果對于湖底盾構施工，還可能發生湖底貫穿、冒頂而危及整個工程。

2.3.2 盾尾密封控制措施

盾尾密封控制措施主要是改進盾尾刷。盾尾刷主要用于盾體尾部的密封，確保管片拼裝完成后，在管片與土體直接接觸時，不會出現向盾構機內部漏水、漏砂問題。盾尾刷通常采用鋼絲刷結構，密封效果較好。通過向鋼絲刷兩邊溝槽注入油脂，既保持了鋼絲的彈塑性也起到了油脂較好的隔水作用。盾尾密封的道數通常根據隧道埋深、地下水位高低來定，一般為2～3道。圖9為盾尾密封系統示意圖。

圖9 盾尾密封系統示意圖Fig.9 Schematic diagram of shield tail sealing system

工程土壓平衡盾構主要在富水粉細砂層中進行，富水粉細砂對盾尾刷磨損較大，加之掘進距離長，且該地層無更換條件。故在實際施工前，已對盾尾刷進行了改造。將前邊兩道鋼絲刷更換為彈性好的優質鋼絲刷，將第三道鋼絲刷更換為采用36層薄鋼板組裝而成的盾尾刷，如圖10所示。改良后防水效果明顯，保證了盾構一次性安全通過。

圖10 現場改良后盾尾刷Fig.10 Field improvement backing tail brush

3 工程實踐研究

3.1 監控量測

監測點的布設原則是配合盾構在富水粉細砂層中安全施工，優化盾構在掘進過程中的參數控制，取得該盾構區間段的沉降控制參數。工程因需要對湖底沉降監測，采用對湖底打不銹鋼管的方法。具體布置為：迎澤湖內監測點布設間距20 m一個斷面，共布置7個斷面；監測點布設采用1根3分不銹鋼管，長3 m帶絲扣，附2根不銹鋼管長1 m帶絲扣及接頭(圖11)。

圖11 迎澤湖面布設沉降觀測點現場Fig.11 Site map of settlement observation point on Yingze Lake

3.2 監測數據分析

整理實際監測沉降數據如圖12所示。由圖12可知，盾構機機身通過斷面前，地層沉降基本沒有發生變化，在盾構機掘進至監測斷面下方，測得監測點累計沉降為2.5 mm，監測斷面脫出盾尾，地層發生沉降，監測點累計沉降達到10.93 mm；當監測斷面脫出盾尾12 h后監測點累計沉降量達到 15.9 mm，當監測斷面脫出盾尾24 h后監測點累計沉降達到19.2 mm，當監測斷面脫出盾尾48 h后監測點累計沉降量達到23.14 mm，沉降速率趨于穩定，最終測得監測點累計沉降25.33 mm。

圖12 實際監測沉降數據Fig.12 Actual monitoring settlement data

4 結論

針對土壓平衡盾構在富水粉細砂層中下穿湖泊的風險，分析了風險產生機理，提出了相應控制措施。結合太原地鐵下穿迎澤湖工程的實例加以驗證，得出以下結論。

(1)盾構穿越富水粉細砂層時，針對螺旋機噴涌風險，通過渣土改良將高分子聚合物濃度創新性的提高到 10/1 000，可以有效控制螺旋機噴涌，維持土倉壓力平衡，降低盾構在富水粉細砂層中下穿湖泊時湖底坍塌、湖水倒灌風險。

(2)根據盾構噴涌滲流模型，當沙土動水力超出臨界值時,將發生對工程有危害的噴涌風險；富水粉細砂地層盾構沉降主要發生在盾尾空隙沉降。該沉降主要是由于管片與盾構外殼之間空隙較大，同步注漿漿液無法有效填充空隙導致。

(3)由于富水粉細砂特殊的水理特性，盾構掘進過程中經過實驗，創新性的采用改良后同步注漿漿液配比，使其凝固時間由6 h變為4 h，有效控制了湖底沉降，并測得最終沉降量為25.33 mm。

(4)針對在富水粉細砂層中長距離掘進可能導致盾尾刷失效風險。通過將第三道盾尾刷由鋼絲尾刷改造為鋼板尾刷，有效減小了盾尾刷磨損導致盾尾刷失效風險，可以成功一次性安全通過。