富水軟土地層盾構掘進施工技術

劉 爽

（蘇州市軌道交通集團有限公司，江蘇蘇州 215000）

隨著我國經濟的快速發展、人們生活水平的不斷提高、城市化進程的加快，城市軌道交通建設成為城市地下空間建設的重要建設部分，引起了越來越多的各界關注。近年來，隨著盾構技術的不斷發展和提高，盾構法施工已被廣泛應用于全國各大城市地鐵區間隧道的施工中，在地下空間工程施工中表現出較大的優越性。盾構法適合在第四紀洪沖積黏土地層中推進，并不需要降水，在地下水豐富、地層環境較差的區域較為適用：從機械化程度、施工速度方面來說，機械化程度高、施工速度快；管片工廠制作，現場機械化精密安裝，施工質量過程中得到嚴格控制，成為各大城市掘進地鐵區間的首選工法之一。城市地上地下空間的高速發展，空間資源日益匱乏，新建軌道交通隧道受各方因素限制，面臨復雜的周邊環境，須穿越各種不良地質，施工工況愈加復雜，面臨越來越多的未知風險。

富水軟土地層有含水量高、流塑性大、周邊環境條件差等特點，采用盾構法施工過程中易出現盾構機姿態不受控制現象，主要表現為盾構機栽頭及上浮，會引起盾構管片的上浮等一系列問題；若盾構參數控制不佳，周邊環境構筑物及地面極易發生沉降。因此，盾構隧道掘進過程中的風險分析與風險控制，對保證開挖面的穩定、有效控制地表沉降、確保沿線構造物的安全、合理選擇施工管理指標進行掘進控制管理等方面均有重要意義。

本文主要針對蘇州富水軟土地層盾構掘進通過控制與優化掘進參數、渣土改良、改善同步注漿工藝以達到控制地層變形、管控風險及提高效益的目的。

1 工程概況

蘇州地鐵5號線通園路站-星港街站區間（下文稱通-星區間）位于蘇州工業園區金雞湖大道正下方，區間單線隧道全長1 054.864 m，左右線隧道總長2 115.443 m。區間隧道內徑5.5 m、外徑6.2 m，中間設一處聯絡通道，其中區間采用盾構法施工，聯絡通道采用礦山法施工。通-星區間隧道埋置較深，盾構掘進穿越土層為主要以稍密～中密的④/2粉土夾粉砂、⑤/1A稍密的粉土夾粉質黏土、軟塑～流塑狀的第⑦工程地質層（粉質黏土、粉砂夾粉土、粉質黏土、粉土夾粉砂層）。最低潛水位標高為1.75 m，涉及微承壓水含水層主要為粉土層、粉砂夾粉土層。

2 掘進參數分析及優化

2.1 土壓力分析

盾構采用土壓平衡掘進時，施工的關鍵是設定水土壓力，推進速度、推力和出土方量三者的相互關系，按松弛高度計算土壓力理論值，對盾構施工軸線控制和地層沉降控制起主要作用。

施工過程中結合推進數據，進行分析，適時調整土壓力，優化推進速度、推力及注漿方量，土壓力偏差不超過±10 kPa，以確保地面變形在規范范圍內。

2.2 出土量分析

根據螺旋輸送機轉速和閘門的開口度控制其密封艙內土壓力，Φ6 430盾構機理論出土量為46.76 m3/環。

采用土壓平衡盾構機時，實際出土量與理論出土量的關系為其98%～100%之間，以保證盾構正面土體的穩定。

盾構在保持一定正面土壓力時，輸送機的轉速決定了其排土量。為了保持土壓平衡，螺旋輸送機的轉速與盾構推進千斤頂推進速度應得到較好的控制，且開挖面穩定和正面刀盤土壓力受出土量影響，因此，控制排土量是控制地表變形的重要措施。

2.3 推進速度分析

推進過程中，通過對土壓力傳感器的數據分析，以控制盾構千斤頂的區壓、推力和推進速度，以保持適當土壓力值使盾構推進速度與出土速度相匹配。

2.4 同步注漿參數分析

地表沉降的重要原因是盾構穿越導致周邊地層損失、盾構隧道周圍土體擾動、剪切破壞的重塑土再固結。施工過程中同步注漿的四個關鍵要素分別是：注漿材料及和配合比、注漿壓力、注漿量、注漿時間，該四要素是防止隧道坍塌、控制地表沉降等事故發生的關鍵。為減少和防止地表沉降，在盾構掘進過程中，通過同步注漿及時填充盾構機盾尾與開挖輪廓之間的間隙，在脫出盾尾的襯砌背后環形建筑間隙中填充注漿，避免地表沉降。

3 渣土改良

渣土改良目的為平衡盾構前方土壓，以便于控制地表沉降、穩定開挖面；渣土改良后具有良好的止水性，防止地下水流失，可有效防止土渣黏結刀盤、產生泥餅，有效降低螺旋輸送機及刀盤扭矩，減少對刀具和螺旋輸送機的磨損，加快盾構機掘進速度，提高盾構機掘進效率。

渣土改良通常包括往刀盤、土倉及螺旋輸送機添加膨潤土或泡沫劑等材料。

（1）泡沫劑的使用。

泡沫溶液的組成：水與泡沫分別占比為水96%、泡沫添加劑4%。泡沫組成：6%～10%泡沫溶液和90%～94%壓縮空氣混合而成。泡沫的注入量按開挖方量及渣土實際情況計算為300～500 L/m3，每環的泡沫注入量原液約為60～100 L。

（2）膨潤土泥漿的使用。

配合比為水∶膨潤土∶添加劑=10∶1∶0.1，加泥量為出土量的5%～20%，注入壓力比盾構的土倉壓力略高。

4 同步注漿工藝

5號線通-星區間充分借鑒學習了蘇州地鐵既有成功的施工經驗，制定了一套新型單液漿的同步注漿方案，拓展思路，為蘇州軌道交通盾構施工提供雙液漿的經驗，制定了一套雙液漿注漿方案，試用于通-星區間左線施工。

富水軟土地層含水量高、地層流塑性大，盾尾管片脫出后地層收縮變形發展快，不利于控制土體損失。由于地層含水量高，延長了漿液的實際初凝時間，使脫出盾尾不受約束的管片數量增多，管片在浮力和偏心受力的影響下易發生向上位移。因此，使漿液及時填充管片背后建筑空隙，盡快固結是富水軟土地層盾構施工的關鍵之一，要求漿液具備速凝、早強的功能特點。

同步注漿A液水泥漿配合比用量如表1所示，同步注漿B液水玻璃配合比用量如表2所示，同步注漿A、B液配合比用量如表3所示。

表1 同步注漿A液水泥漿配合比用量 單位：kg

表2 同步注漿B液水玻璃配合比用量 單位：L

表3 同步注漿A、B液配合比用量 單位：L

同步注漿B液水玻璃時，波美度應調整至30°Be′；同步注漿A、B液時，初凝時間應為20～50 s，3 d強度達1 MPa。

注漿壓力：注漿壓力過大，會造成管片背后壓力大，引起錯臺和錯縫。注漿壓力一般取靜止水土壓力的1.1～1.2倍，控制在0.3～0.5 MPa范圍。

注漿量：按照Φ6 430刀盤切削面計算，每環管片理論注漿量為2.7 m3，正常段每環注漿量不小于3.2 m3（注漿率按照120%考慮）；在盾構穿越房屋段，每環注漿控制量不小于4.05 m3（注漿率按照150%考慮）。在掘進過程中注漿量以出土量和監測結果為依據進行調整，雙液漿初凝時間短，結實率高，配合同步注漿壓力，控制注漿量，同步注漿壓力不得大于0.5 MPa。

二次補漿：于管片脫出盾尾5～7環開始二次補強注漿，注漿量不小于1.3 m3（注入率按50%考慮），注漿壓力一般不超過0.5 MPa，具體注漿情況需結合地面沉降監測情況。

同步注漿防止堵管措施：雙液漿同步注漿管路采用內循環清水清洗，每環清洗一次；漿液運輸管道與儲存設備同樣清洗，清洗時采用橡皮球放入輸送管用清水清洗，確保管路無沉淀物。

速凝早強型雙液漿有利于促使漿液及時填充管片背后建筑空隙，盡快固結獲得初期強度，給予管片環徑向約束，抵抗土體的收縮坍落變形，其對控制地層沉降、管片上浮均有較好的效果。該漿液具有初凝時間短、結實率高、較節省注漿量等特點，在蘇州地層盾構施工中，注入率α為220%～242%，具有一定經濟效益。由于具備快速控制周圍地層收斂變形的能力，提高了盾構掘進速度，正常段掘進速度約20 環/d，同步注漿防止堵管措施及二次補強注漿等措施也彌補了雙液漿漿液特性的不足。

5 結語

蘇州富水軟土地層盾構掘進通過控制與優化掘進參數、渣土改良及改善同步注漿工藝以達到控制地層變形、管控風險及優化施工的目的。