土壓平衡盾構河底長距離全斷面富水砂層施工技術

黃春來，饒偉

(中交三航（廈門）工程有限公司，福建 廈門 361006)

1 引言

受地質因素和排土方式影響，土壓平衡盾構機在富水砂層掘進時易出現螺旋輸送機噴涌、地層擾動大的現象，造成地面沉降乃至坍塌等環(huán)境風險，在滲透系數較大的富水砂層一般適宜選取泥水平衡盾構機進行掘進施工[1]，有利于沉降控制和減少設備負荷。但由于受工程復雜地質、周邊環(huán)境條件或造價等因素綜合影響，工程實踐往往面臨在富水砂層中采取土壓平衡盾構機掘進施工的現狀[2]。

福州地鐵4 號線某盾構區(qū)間受長度方向復雜地質影響，采用土壓平衡盾構機掘進施工。區(qū)間需穿越河底全斷面含泥中細砂層380 m，施工風險高，施工期間主要通過采取技術措施處理和科學管理，有效地控制了施工風險，提高了施工效率。

2 工程概況

福州地鐵4 號線某盾構區(qū)間長約1.56 km，隧道外徑6 200 mm，采用土壓平衡盾構進行施工。盾構機在掘進黏土及基巖復合地層隧道約350 m 后，下穿城市河道約380 m，盾構區(qū)間隧道頂部距離河底13.95～18.28 m，隧道洞身范圍主要為強透水性<2-4-6>（含泥）中細砂（部分夾雜<2-4-2>淤泥質土）。

該工程穿越段地質具有如下特點：

1）受潮汐及地下水流動影響顯著。下穿河道為閩江分支，穿越段離閩江約750 m，兩端與閩江連通，河道水系受閩江潮汐影響，水系具有一定潮汐動態(tài)特征，水位標高為2.9（落潮）～7.3 m（漲潮）。4～9 月汛期洪水對流量、流速、水位的影響顯著。穿越段隧道隧頂至河道底部地層均為<2-4-6>（含泥）中細砂（部分夾雜<2-4-2>淤泥質土），隔水層薄（部分河底僅100 mm厚淤泥），地層地下水與河水水力聯(lián)系密切，且勘察測得該地層在隧道洞身深度地下水水平流速約0.8～2.5 m/d，存在較大的流動性。

2）<2-4-6>（含泥）中細砂地層顆粒組成中，細砂（粒徑0.075～0.25 mm）占比超過40%，最大達67%，粉粒（粒徑0.005～0.075 mm）、黏粒（粒徑≤0.005 mm）總和占比小于10%，地層滲透系數達3.5×10-2cm/s，屬強透水性地層，具有中等液化性。

3 主要風險分析

由于上述地質特點，受潮汐及地下水流動影響顯著，地層處于天然的非穩(wěn)定狀態(tài)，地層粉、黏粒含量少，黏聚力小，細砂含量占比高，顆粒級配差，土壓平衡盾構機掘進時，刀盤前方及盾構機殼體周圍土體受擾動影響，易出現液化現象。液化砂土經盾構機土倉、螺旋輸送機排土通道噴涌而出，出渣量難以控制，既給盾構機扭矩、土倉壓力等關鍵參數控制增加難度，也易造成地層較大沉降、嚴重時河水倒灌，危害成型隧道和周邊環(huán)境安全。

4 針對性措施

4.1 設備系統(tǒng)檢查

良好的設備密封狀態(tài)是盾構機在富水砂層穿越河道的基礎。針對該工程地質情況，工程實施前，選擇優(yōu)質產品對盾構機的鉸接密封、盾尾密封系統(tǒng)進行了更換，對主軸承密封性能進行了檢測評定。

4.2 綜合渣土改良措施

富水砂層掘進中渣土改良是控制噴涌的關鍵，只有渣土改良到位，才能保證盾構施工的安全、順利、快速。根據本工程富水砂層地層黏粒含量低、含水量高、滲透系數大的特點，結合現場實際條件，采取了綜合方法進行渣土改良。

4.2.1 土倉注入膨潤土改良

由于砂層中粉粒、黏粒含量極少，為提高砂土的含泥量、補充土體的微細顆粒組分，改善顆粒級配，減小土體的內摩擦角，增加開挖渣土的流動性和不透水性，土倉注入膨潤土溶液進行渣土改良。

膨潤土漿液采用膨潤土、純堿、CMC（陶瓷基復合材料）拌制?？紤]施工成本，采用鈣基膨潤土增加適量純堿以提高泥漿指標，經試驗比選，最終確定膨潤土溶液配比如下：膨潤土摻量10%，純堿摻量5%，CMC 摻量5‰，試驗測定泥漿黏度100 Pa·s。

通過注入膨潤土溶液，渣土黏性有明顯改善，但由于地層含水量大、透水性較高，且盾構機膨潤土系統(tǒng)容量限制，體積注入率僅10%，改良效果有限。

4.2.2 土倉優(yōu)質泡沫改良

泡沫作為渣土改良的常用措施，是由多種表面活性劑、穩(wěn)定劑、滲透劑和強化劑復配而成，具有發(fā)泡率高、潤滑性好、成本低和操作方便等優(yōu)點，可有效減少盾構掘進的機械磨損、調整土體塑性流動性，降低渣土的透水性，便于螺旋輸送機內形成土塞，有效防止噴涌發(fā)生[3]。

在采取上述土倉注入膨潤土改良渣土的基礎上，盾構穿越期間通過現場測試增加了泡沫劑改良措施。原品牌泡沫摻入體積濃度5%，膨脹率15%，但穩(wěn)定性較差，經對比選用了低濃度、高膨脹率、穩(wěn)定性較好的泡沫，泡沫混合液濃度2.5%，發(fā)泡倍率20 倍，注入率15%。

經改良后，渣土的流塑性較好，除每環(huán)開始掘進時渣土較稀外，掘進過程中未發(fā)生噴涌現象。

4.2.3 高分子聚合物應急渣土改良

高分子聚合物具有較強的吸水膨脹能力并可增稠，還能起潤滑作用，在土倉內注入高分子聚合物可提高渣土的黏稠度，增強渣土的塑性。

當出現噴涌時，在土倉內注入少量高分子聚合物水溶液，通過土倉攪拌棒攪拌后與渣土中水分子結合發(fā)生絮凝作用生成絮團，提高渣土稠度，防止噴涌發(fā)生。

4.3 掘進參數控制

1）土倉壓力。由于砂層富水、滲透性強，土倉壓力可按水土分算確立，分別計算側向土壓力和水壓力，土壓力控制以靜止土壓力為計算依據，水壓力可近似按靜水壓力計算。掘進過程中，控制土倉壓力的波動值在0.1 MPa 以內。

2）刀盤轉速。在富水砂層中掘進時，適當降低刀盤轉速，對減少盾構機通過時對周圍地層的擾動、降低刀盤刀具磨耗顯得尤為重要，掘進過程中控制刀盤轉速為1.0～1.2 r/min。

3）刀盤扭矩。結合渣土改良情況，刀盤扭矩控制范圍為2 200～2 500 kN·m。拼裝工序原因停機會導致土倉渣土堆積，每環(huán)開始推進時刀盤扭矩適當偏大是正?，F象，隨掘進開始渣土改良劑注入和刀盤轉動次數增加，刀盤扭矩會逐漸下降至正常值，也可在每環(huán)掘進完成后適當增加膨潤土溶液注入量以降低下一循環(huán)掘進開始時的刀盤扭矩。

4）掘進速度。富水砂層掘進時盾構掘進速度以控制合理的土倉壓力為基準，考慮減少施工擾動和便于掘進控制，掘進速度控制在25～40 mm/min。在曲線段施工時，應適當降低掘進速度。

4.4 注漿控制

富水砂層含水量高，易受施工擾動，液化后穩(wěn)定性急劇下降，造成地表沉降，在施工時，需保證同步注漿量，并及時進行二次注漿。

4.4.1 同步注漿

為及時填充管片外開挖間隙，同步注漿采用盾尾4 根注漿管同步壓注，頂部兩側2 根管道的注漿量控制為底部注漿管的2 倍，總體注漿量根據下穿前試驗段積累數據總結情況確定注入率為180%。

同時，為及時穩(wěn)定地層，提高成型管片的整體穩(wěn)定性，對漿液的配合比進行調整，將原漿液初凝時間6～7 h 縮短到4～5 h。調配前后漿液配合比見表1。

表1 調配前后漿液配合比

4.4.2 二次注漿

二次注漿的主要作用為彌補同步注漿量的不足，為避免損壞盾尾密封系統(tǒng)，二次注漿一般在管片脫出盾尾5 環(huán)以后進行。

漿液采用水泥-水玻璃雙液漿（體積比1∶1），其中，水泥漿水灰比為0.9～1.0，初凝時間約40～60 s，采用注漿量和注漿壓力雙控管理（其中1 項指標達到限值即停止注漿），單點單次注漿量不超過0.5 m3，注漿壓力≤0.5 MPa。

4.5 應急方案

應急方案作為危險發(fā)生時的重要管理措施，在盾構機河底長距離富水砂層掘進時尤為重要。應做好幾個方面的工作：

1）制定盾構機密封系統(tǒng)發(fā)生泄漏、河底“冒頂”時的應急處置措施，特別是風險頻率相對較高的鉸接密封和盾尾密封系統(tǒng)泄漏；

2）做好應急方案的實操演練工作，包括物資設備的準備、操作工人的交底；

3）健全落實全天候主要領導值班制度。

5 實際效果

本工程在實施期間，通過對設備的維護檢修、渣土改良方法的不斷優(yōu)化、掘進參數和注漿管控以及應急預防等措施，使盾構機掘進高效、安全。

1）設備管理上，穿越前邀請設備廠家對設備狀態(tài)進行了再評估，對發(fā)現的設備隱患及時進行了處置。

2）渣土改良方面，首先，采用了土倉單獨的注入泡沫方法進行改良，但刀盤扭矩居高不下，維持正常掘進刀盤扭矩達4 000 kN·m；結合現場場地條件，后采取了每環(huán)注入約4 m3膨潤土溶液改良，但螺旋輸送機出閘口渣土較稀、盾尾底部清理工作量大，影響施工進度；綜合采取正常掘進時泡沫劑和膨潤土結合改良方法，輔以高分子聚合物應急改良措施后，渣土的流塑性較好，掘進過程中未發(fā)生噴涌現象。

3）盾構掘進過程中，隨著渣土改良等措施的優(yōu)化完善，盾構掘進參數控制難度降低，土倉壓力波動趨于合理，正常掘進刀盤扭矩下降至2 500 kN·m 以內，推進速度控制連續(xù)穩(wěn)定。

4）穿越前，對密封泄漏應急方案組織進行了現場桌面演練和2 輪次的實操演練，確保應急方案落實到位。

5）整個穿越期間，平均進度約8 環(huán)/d，地表環(huán)境變形穩(wěn)定，未出現河道異常情況。

6 結語

土壓平衡盾構機在河底長距離全斷面富水砂層中掘進時面臨密封磨損泄漏、螺旋輸送機噴涌、沉降控制困難等主要施工風險，福州地鐵4 號線某區(qū)間通過不斷優(yōu)化，針對設備狀態(tài)、渣土改良、掘進參數及注漿控制、應急預案等方面采取針對性措施，有效管控了施工風險，提高了施工效率，保證了盾構機高效、安全掘進，可為類似地質條件下土壓平衡盾構機掘進施工提供參考和借鑒。