地層鐵路隧道建設(shè)中大斷面富水復(fù)合地層的施工技術(shù)

李紅峰

（中鐵十九局集團(tuán)第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

1 工程概況

某地鐵5 號(hào)線工程為該地區(qū)骨干線路，全線采用盾構(gòu)法掘進(jìn)施工，因線路多穿過軟硬不均的復(fù)合地層，部分路段仍采用淺埋暗挖法開挖。5 號(hào)線所經(jīng)地區(qū)工程與水文地質(zhì)條件非常復(fù)雜，所經(jīng)區(qū)域地下水豐富，暗挖區(qū)間中有多個(gè)處于建筑物密集區(qū)，隧道下穿及特殊構(gòu)筑物等為常態(tài)。殘基層與風(fēng)化巖結(jié)構(gòu)松散，施工中易發(fā)生坍塌等現(xiàn)象。

5 號(hào)線暗挖區(qū)間隧道斷面形式主要為馬蹄形，主要包括單洞單線與單雙洞雙線等不同結(jié)構(gòu)形式，隧道埋深分布較均勻，平均埋深為15.5 m。沿隧道縱向每間隔30 m 選取一組測(cè)點(diǎn)，地層與環(huán)境條件復(fù)雜地段，采用較小的取點(diǎn)間距，監(jiān)測(cè)點(diǎn)盡量反映在地鐵隧道施工全過程引起的累積沉降值[1]。場(chǎng)地地下水狀況見表1。

表1 場(chǎng)地地下水狀況

區(qū)域隧道穿越地層以沙土、黏土居多，拱頂分布大范圍的粉土夾砂層，伴有明顯的地下水?dāng)_動(dòng)，導(dǎo)致砂層穩(wěn)定性欠佳，易出現(xiàn)涌水現(xiàn)象。需要以合理方式保證砂層的穩(wěn)定性。引入雙側(cè)壁法，部分區(qū)段開挖失穩(wěn)，該處采取掌子面封閉注漿措施，貫徹先排灌、后開挖的施工理念。為避免施工中破除臨時(shí)支護(hù)引起沉降，采用增加超前小導(dǎo)管支護(hù)范圍的措施，抑拱部位預(yù)埋長(zhǎng)500 m 的注漿小導(dǎo)管。注漿材料視地質(zhì)條件確定，在砂層中注水泥水玻璃雙液漿[2]。

因隧道開挖采用雙側(cè)壁法施工，超前預(yù)注漿不能完全形成封閉止水墻，在隧道內(nèi)采用深管井降水輔助暗挖施工。下部施工時(shí)水量很大，因地質(zhì)變化大，降水效果有限。從臨時(shí)抑拱上搭設(shè)長(zhǎng)6 m、間距30 cm 縱向間距的注漿管。下臺(tái)階下部向外15°搭設(shè)長(zhǎng)8 m 的引水管，解決了隧道開挖時(shí)掌子面滲水等事故，保證了工程質(zhì)量。

2 富水砂層土平衡盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)

盾構(gòu)推進(jìn)過程中存在超前沉降現(xiàn)象但幅度較小，主要成因是由于盾構(gòu)機(jī)掘削面引起的地下水位偏低。盾構(gòu)到達(dá)時(shí)，沉降現(xiàn)象集中在測(cè)點(diǎn)離盾構(gòu)切口3 m 范圍內(nèi)。盾構(gòu)設(shè)定土壓值較大，出土量＜100%時(shí)，設(shè)定土壓值較小，地表呈隆沉變化。盾尾通過后的隆沉離開測(cè)點(diǎn)5 m 范圍內(nèi)，若采用同步注漿，則不易發(fā)生沉降。后續(xù)沉降由于盾構(gòu)施工中擠壓、蛇形等擾動(dòng)土體后產(chǎn)生沉降，沉降速率逐漸減小。

經(jīng)分析，盾構(gòu)推進(jìn)過程中地層損失及隧道受擾動(dòng)是引發(fā)土體沉降的基本原因。施工可通過調(diào)節(jié)土倉壓力和作業(yè)面壓力的方式使其達(dá)到平衡狀態(tài)，此舉能夠有效減少地表沉降[3]。

此外，建筑空隙得到有效填充后可緩解地表沉降，注漿作業(yè)時(shí)要加強(qiáng)保護(hù)，以免盾尾密封刷受損。渣土排出量必須與掘進(jìn)的挖掘量相匹配，使盾構(gòu)工作處于最佳狀態(tài)。土壓平衡盾構(gòu)在富水砂層施工中易出現(xiàn)出渣量異常情況，需對(duì)渣土進(jìn)行改良，使渣土流塑性滿足螺旋出土器排土要求。

土壓平衡盾構(gòu)在富水砂層施工的核心是渣土改良，渣土流塑性效果好，才能有效控制出渣量，達(dá)到控制地層沉降的目的。土壓平衡盾構(gòu)施工期間需要加強(qiáng)對(duì)排土量的監(jiān)測(cè)，靈活調(diào)整切削量并使兩者平衡，從而抵抗源自于開挖面的水壓和土壓力。

3 富水復(fù)合地層盾構(gòu)施工難點(diǎn)

富水復(fù)合地層的施工條件錯(cuò)綜復(fù)雜，在此條件下的小半徑掘進(jìn)、硬巖掘進(jìn)刀具控制等均對(duì)施工技術(shù)提出較高要求。從隧道軸線控制、刀具管理等方面提出對(duì)應(yīng)措施，經(jīng)嚴(yán)格選型的盾構(gòu)對(duì)富水復(fù)合地層具有較好的適應(yīng)性。

富水復(fù)合地層盾構(gòu)的關(guān)鍵要點(diǎn)體現(xiàn)在小半徑曲線始發(fā)、極破碎風(fēng)化巖掘進(jìn)等方面，需從實(shí)際施工條件入手，在盾構(gòu)選型時(shí)展開適應(yīng)性分析，以提高設(shè)備適用性。工程中，隧道掌子面穩(wěn)定性較好，較為適宜的是土壓盾構(gòu)方式，相比于泥水平衡盾構(gòu)，所需成本相對(duì)較少，施工效率較高。

盾構(gòu)區(qū)間局部為地質(zhì)條件復(fù)雜的復(fù)合地層，因此要優(yōu)化掘進(jìn)模式，根據(jù)施工地層實(shí)際情況，推薦選用復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)的方式。

復(fù)合地層施工條件下的長(zhǎng)距離小半徑掘進(jìn)難度較大，體現(xiàn)在糾偏困難、管片侵限等方面。由于隧道曲線半徑偏小且不具有足夠高的糾偏靈敏度，因此明顯加大了隧道中弧線控制難度。超挖刀在運(yùn)行中易出現(xiàn)超挖現(xiàn)象，相比于理論挖掘量，實(shí)際狀況明顯偏大，導(dǎo)致地層損失。千斤頂存在推力作用，從而提供水平分力，導(dǎo)致管片失穩(wěn)，發(fā)生向曲線外側(cè)偏移的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。

小半徑曲線段管片局部出現(xiàn)明顯滲漏水現(xiàn)象，主要原因是管片拼裝不到位，出現(xiàn)管片錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，使得止水條無法實(shí)現(xiàn)緊密銜接，部分設(shè)置在管環(huán)外側(cè)的混凝土開裂。

4 富水復(fù)合地層施工措施

4.1 復(fù)合地層長(zhǎng)距離小半徑掘進(jìn)

隧道曲線半徑小，會(huì)加大盾構(gòu)施工時(shí)的糾偏量，導(dǎo)致隧道軸線難以控制。超挖刀不斷進(jìn)行超挖掘進(jìn)，導(dǎo)致實(shí)際挖掘量偏大，造成較長(zhǎng)時(shí)間的后期沉降。盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，管片端面與軸線具有一定夾角，使得管片向曲線外側(cè)偏移。

管片受力復(fù)雜，前方管片內(nèi)側(cè)角與后方都容易在外力作用下受損，為薄弱區(qū)，且在穿越小半徑區(qū)間時(shí)將形成更為明顯的斜向應(yīng)力。

鑒于盾構(gòu)小半徑曲線施工難度大，需要從盾構(gòu)設(shè)備、管片設(shè)計(jì)等方面探討合適處理措施，如預(yù)留合適的隧道偏移量、同步注漿和二次注漿等。盾構(gòu)推進(jìn)油缸采用分區(qū)控制模式，盡量減小整體推力，盾構(gòu)司機(jī)應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況使盾構(gòu)提前進(jìn)入預(yù)備狀態(tài)。

盾構(gòu)以蛇行方式前進(jìn)挖掘，應(yīng)堅(jiān)持長(zhǎng)距離慢修正的原則。盾構(gòu)出現(xiàn)抬頭、左右偏現(xiàn)象時(shí)分別加大對(duì)應(yīng)區(qū)域的油缸推力。施工采用鉸鏈連接方式，這樣能夠縮短盾構(gòu)剛性連接長(zhǎng)度。盾構(gòu)轉(zhuǎn)彎時(shí)通過的孔洞設(shè)置為橢圓形，配置超挖刀，以達(dá)到增大凈空間的效果。

盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)易出現(xiàn)油缸行程誤差大的現(xiàn)象，不利于隧道背襯注漿作業(yè)，該處管片厚度缺乏均勻性。為此，要盡可能縮小油缸行程差，并以各段掘進(jìn)情況為主要參考，靈活調(diào)整。

小半徑曲線段施工中，盾構(gòu)推力大會(huì)加大管片側(cè)向位移，需嚴(yán)格控制盾構(gòu)推進(jìn)力，采用在管片位移方向額外注漿的方式來解決問題。

降低盾構(gòu)推力，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件選擇合適的土倉壓力，保證掌子面的穩(wěn)定。盾構(gòu)過小半徑曲線段前，排查設(shè)備，保證盾構(gòu)無故障通過曲線段。盾構(gòu)掘進(jìn)中應(yīng)及時(shí)進(jìn)行同步注漿，使管片與圍巖間孔隙填充密實(shí)。轉(zhuǎn)彎時(shí)需精確控制盾構(gòu)推力，避免管片因受力過大造成破裂。拼裝手要保證管片位置精度，防止因渣土引發(fā)的應(yīng)力集中損壞管片，盡量使其完全作用在管片上。

根據(jù)隧道漏水原因，應(yīng)確保防水條粘結(jié)質(zhì)量，拼裝前用水清洗止水條，確保管片拼裝質(zhì)量，保證足夠油缸推力。

4.2 富水碎裂帶掘進(jìn)

豐富的地下水使同步注漿液被稀釋沖刷，造成隧道管片上浮。管片脫出盾尾后，環(huán)形建筑孔隙保持相對(duì)穩(wěn)定，如不及時(shí)固定管片，脫出盾尾處于無約束狀態(tài)，管片在浮力作用下不斷上浮。

富水碎裂帶盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)極容易發(fā)生管片上浮現(xiàn)象，因此在施工前需調(diào)低掘進(jìn)姿態(tài)，嚴(yán)格控制好盾構(gòu)的日掘進(jìn)量，最大限度減少管片上浮。

選用不易稀釋的注漿液進(jìn)行同步注漿，使?jié){液能快速凝固，保證同步注漿量充足。在拱部一點(diǎn)的位置預(yù)埋注漿孔，注入水泥水玻璃雙液漿，限制管片繼續(xù)上浮。注入雙漿液時(shí)需設(shè)置止水環(huán)，提高前方同步注漿質(zhì)量。

4.3 硬巖掘進(jìn)段刀具控制

硬巖不利于盾構(gòu)掘進(jìn)作業(yè)，此時(shí)易出現(xiàn)刀具非正常磨損、壓塊脫落和螺栓斷裂等異常狀況。硬巖抗壓強(qiáng)度高，盾構(gòu)前方土體不易坍塌，選擇敞開式掘進(jìn)模式，土倉內(nèi)僅有少量渣土。掘進(jìn)參數(shù)包括推進(jìn)力和推進(jìn)速度等，對(duì)刀具磨損影響最直接的是推力。推力過大，短期內(nèi)盾構(gòu)掘進(jìn)速度會(huì)很快，但長(zhǎng)時(shí)間的過大荷載會(huì)產(chǎn)生變形。硬巖地層應(yīng)避免調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)，否則會(huì)引起滾刀受力不均現(xiàn)象。

硬巖段掘進(jìn)作業(yè)時(shí)可采取向工作面噴適量泡沫的方式，這樣可起到冷卻和潤(rùn)滑滾刀的效果，減輕刀具磨損程度。針對(duì)硬巖段施工螺栓易松動(dòng)情況，應(yīng)及時(shí)加固螺栓，保證滾刀安裝緊固。在完成刀具更換試運(yùn)作后，及時(shí)檢查刀具安裝狀態(tài)，每掘進(jìn)完成一定長(zhǎng)度后檢查刀具磨損情況。

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中若出現(xiàn)參數(shù)異常現(xiàn)象，要及時(shí)檢查刀具，必要時(shí)換新。土倉內(nèi)換刀具安全隱患較大，因此必須確定一套科學(xué)的刀具檢查與更換流程，以便順利完成換刀作業(yè)。

5 結(jié)束語

針對(duì)某5 號(hào)線工程地質(zhì)條件及施工重點(diǎn)，設(shè)計(jì)合理施工方案。盾構(gòu)在長(zhǎng)距離隧道中施工時(shí)，針對(duì)其存在的管片侵限等方面，采取相應(yīng)措施。復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)能適合工程地質(zhì)條件，滿足標(biāo)段區(qū)間盾構(gòu)施工要求。