液化土層中土壓平衡盾構施工及風險控制分析

胡立群，衛佳鶯

（無錫地鐵集團有限公司建設分公司，江蘇 無錫 214000）

隨著現代城市建設的不斷發展，隧道尤其是地鐵隧道越來越多地出現在城市建設之中。盾構法施工以其安全、高效、經濟、環保的特點，在隧道施工中被大量采用，盾構穿越液化地層的情況也時有發生。土體液化是指地震引起的強烈振動使飽和砂土和粉土顆粒發生相對位移，顆粒間的空隙水壓力上升，有效應力減小并接近零時，砂土顆粒局部或全部處于懸浮狀態，抗剪強度接近或等于零，形成“液體”現象。盾構施工對土體的影響與地震不同，主要表現為對土體的振動和擠壓、加載與卸載、空隙水壓力的上升與下降，從而引起液化土層應力狀態的變化，易發生流砂造成盾構姿態變化風險，砂土液化產生的涌水、涌砂現場也容易導致開挖面失穩，威脅隧道本身以及周邊建（構）筑物的安全。文章將結合工程實例，討論土壓平衡盾構在遇到液化土層時應如何進行風險判別、風險預測，提出一些盾構期間以及施工后的控制措施。

1 工程概況

1.1 區間概況

無錫地鐵4號線一期工程廣石路站—青石路站區間為盾構法區間，整體呈北-南走向，區間全長約為2107m，區間隧道頂埋深約為9.4～17.2m。該區間隧道主要穿越②1淤泥質粉質黏土、②1-T黏質粉土夾粉黏、②3粉質黏土、④2-2黏質粉土夾粉砂、⑤1粉質黏土、⑤2黏質粉土、⑤3粉質黏土、⑥1黏土、⑥1-1黏土、⑥2粉質黏土層，如圖1所示。

1.2 液化土層概況

根據廣石路站—青石路站區間液化判別補充資料，按《建筑抗震設計規范》（GB 50011—2010）和《城市軌道交通結構抗震設計規范》（GB 50909—2014）進行液化判別，判別結果為20m淺的②1-T層黏質粉土夾粉質黏土為液化土層，液化指數為0.87～29.77，按最不利情況考慮，液化等級為嚴重液化，其物理性能參數為含水量W=31.9%，直剪（快剪）Cqk=8.1kPa、φqk=28.9°，直剪（固快）Cqk=9.1kPa、φqk=30.3°，滲透系數K=1.00×10-4（cm/s），地基基本承載力σ=70kPa。

液化土層在該區間分布范圍較大，如圖1所示。沿區間線路方向長度約為285m，盾構區間在其中穿行長度約為83m，區間隧道頂埋深約為9.4～17.2m。

1.3 施工情況

圖1 液化土層分布范圍縱斷面圖

根據地質勘察報告來看，該區間液化土層分布范圍較大，囊括廣石路站南端頭部分區域。在廣石路站施工時，土方開挖已穿越液化土層。在開挖過程中，由于液化土層的特性，已經引起福特4S店地面發生變化，說明這一片區域內的液化土層已經受到了第一次擾動。接下來的廣石路站附屬結構施工對液化土層造成了第二次擾動。待盾構區間右線進入液化土層施工時，將對液化土層造成第三次擾動。最后左線穿越施工時，將對液化土層造成第四次擾動。

盾構穿越液化土層施工前，液化土層已經被擾動至少2次，液化土層地表建筑物已觀測到部分沉降，盾構施工對土層擾動風險較大，必須采取相應的施工措施，避免風險的發生。

2 風險分析

2.1 盾構掘進風險

根據土體物理性能表可知，②1-T黏質粉土夾粉質黏土土體重度為19.0kN/m3。

根據盾構機各部位結構尺寸計算得出相對重度刀盤（鋼質結構）為77.4lN/m3，刀盤+中前盾為16.7kN/m3，中前盾為1，4.3kN/m3，尾盾為4.2lN/m3（不含管片）、7.2lN/m3（含2環管片）。

根據盾構機各部位密度和土體重度可知，盾構機在液化土層呈現“頭重尾輕”的狀態。因此，當土體出現嚴重液化時，盾構機前部將產生向下栽頭的趨勢，盾構機中后部將產生向上翹起的趨勢，盾構姿態難以控制，如果在接收段范圍仍然無法保證盾構姿態，可能影響盾構接收。

一旦盾構機在掘進過程中發生快速位移、栽頭的情況，將很難做出有效控制，僅能通過調整分區油缸推力進行微調。如果盾構機位移、栽頭導致姿態變化過大，就會造成管片與盾構機盾尾密封間隙的變化，當間隙變化超出盾尾刷承受范圍時，外部流動性極強、含水率較高的②1-T層黏質粉土夾粉質黏土將很快涌入盾尾，進而擴散至整個成型隧道內。一旦發生盾尾泄露，盾構機外土體形成空洞，將進一步導致盾構機姿態惡化，盾尾間隙進一步增大，由此形成惡性循環。

2.2 地面建構筑物風險

由于液化土層分部范圍較大，涉及的地面建構筑物也較多，因此地面一旦發生大幅度的隆沉變化，受到波及的建構筑物數量必然較多。

（1）地面臨近建筑。廣石路站南端頭附近現有3家汽車4S店，均為鋼結構框架+大面積落地玻璃幕墻，對地表變化比較敏感。當鋼結構框架變形時，玻璃幕墻因其本身材質特性容易發生爆裂。

（2）地下管線。盾構穿越液化土層段上方存在多條重要的自來水、雨水、燃氣及電力管線，且這一部分管線供應區域面積較大，無論哪一條管線受到影響，都將影響附近大量居民、商鋪、工廠的正常生活、生產秩序。

2.3 隧道運營風險

成型隧道的風險及后果主要來自以下兩個方面：

（1）成型隧道在液化土層中沒有良好的持力層，自身無法穩定。由于成型隧道在土體中的天然浮力，整體有一個向上移動的趨勢。液化土層本身自穩性差、承載力交底較低、含水量較高，因此成型隧道在液化土層中很有可能發生較大的位移，無論是橫向位移還是豎向位移，都會造成盾構機與管片之間的盾尾間隙變化，一旦盾尾間隙變化超過一定程度，同樣可能發生盾尾泄露，后果與上面分析的盾構機姿態位移是相同的。

（2）難以控制盾構機在液化土層中的掘進姿態，因此必然需要進行頻繁、大量的分區油壓調整，而推進油缸的力是全部作用在后部管片上的，如果某個方向推力較大，將使原本就不穩定的成型隧道發生更加嚴重的位移。

3 處理措施

3.1 土體改良

為避免盾構施工期間，因液化土層受到擾動繼續液化造成隧道或地面建構筑物發生風險，可對液化土層進行土體改良，具體措施如下：

（1）對液化土層進行改良，可通過地面注漿加固對液化土層進行土體改良，提高液化土層的穩定性。對距離較近的建筑物進行斜管注漿加固，建筑物發生變形，可以通過注漿控制建筑物穩定，使建筑物安全可控。

（2）可向刀盤前方土體、土倉內注入一定量的添加劑，以減小其滲透系數，提高保水性，防止涌水、涌砂現象的發生。添加劑主要有膨潤土、黏土、泡沫劑、克泥效等。

3.2 姿態控制

在液化地層中，由于盾構機土倉壓力、刀盤扭矩等波動較大，容易造成盾構姿態難以控制。在這種情況下，應密切關注盾構機水平、垂直和俯仰角的變化，保持土倉壓力等于或略大于前方靜止土壓力和水壓力之和。同時，在各項參數可控的條件下，適當提高掘進速度，減少盾構對土體的擾動時間，避免停機。

3.3 洞內加固

洞尾間隙往往會導致土體受卸荷作用產生擾動，此外，隧道成型后自身的浮力以及運營期間列車行駛的震動也容易引起隧道在液化土層中的變化，采用同步注漿和二次注漿可以減少這些因素對隧道產生的影響。

同步注漿方面，可在普通注漿材料中添加一些改性水玻璃注漿液，加快漿液在地層中的封閉成環；二次注漿方面，可采用插注漿管進行全周二次注漿，以加強其整體結構，明顯降低地表沉降。

4 結束語

土壓平衡盾構在液化土層中施工存在較大的風險，必須在考慮具體地質條件、周邊環境和施工工序的條件下進行細致的風險分析。同時，重視施工對土層造成的多次擾動、盾構姿態控制、掘進參數監視、地表沉降控制以及施工組織管理，采取土體改良、洞內加固等相應措施，在施工前、施工中、施工后全過程控制施工風險。此外，相比土壓平衡盾構，泥水盾構擁有壓力均勻可控的優點，這為隧道在液化土層中施工的機械選型提供了一個可選研究的方向。