軟硬交錯地質盾構空艙模式下土體改良和加固技術

鐘傳強

(中鐵十八局集團 第四工程有限公司，天津 津南 300350)

引言

地下隧道盾構法施工技術近些年來發展十分迅速，具有安全系數高、不受外部交通和氣候影響等優勢。在地下軌道交通盾構法施工時，如果遭遇下部硬上部軟地質，不僅非常容易導致刀具被嚴重磨損，而且還會引發盾構掌子面容易塌方、地面容易塌陷、盾構設備偏離設計范圍等安全質量事故[1]。本文結合南京軌道交通4號線蔣王廟站-崗子村站區間工程實例，對下部硬上部軟地質盾構施工面臨的難題進行分析，介紹泡沫劑改良土體技術以及盾構空艙快速施工技術，為盾構穿越軟硬交錯地質提供借鑒。

1 工程概況

南京軌道交通4號線蔣王廟站-崗子村站區間采用盾構施工技術，其中兩段區間直徑分最小曲線直徑和最大曲線直徑分別為1400 m和4000 m，最大和最小縱坡度分別為4.3 %、坡度是2.2 %。盾構區間分左、右區間，通過海瑞克S-282土壓平衡盾構進行施工，區間隧道覆土深度是8～22 m。

該軌道交通隧道區間穿越的軟硬交錯地質具有“下部硬上部軟”的特點，上半部分大部分為質地較軟的黏質粉土，下半部分為質地較硬的強風化砂巖。其硬巖層與軟土層間的過渡層比較少甚至無過度，軟硬分界比較突出，能承受的壓力、剪力等物理力學差距明顯，而且穿越一些斷層破碎帶和富水帶，未知風險因素較大，這些特殊地質條件下容易產生非線性、時變性等不確定性狀況，很容易導致隧道盾構機刀盤加快磨損，姿態產生較大偏移等困難。此外，該地鐵隧道區間還下穿一些住宅樓。

2 下部硬上部軟地層施工弊端

出現下部硬上部軟地質情況時，因為掌子面周邊地質情況復雜，導致刀盤接觸的巖石力學指標不均，盾構施工時，常常會出現刀具受損率高、盾構姿態不容易掌握、地表出現不均勻沉降、出碴異常、刀盤容易結泥餅、巖體坍塌、泥漿噴涌等異常現象[2]，上述現象的出現原因主要如下：

2.1 下部硬上部軟地質影響盾構功能正常使用

出現下部硬上部軟地質的時候，盾構刀盤受力極不均勻。盾構施工時，重點工序之一就是構建并保持掌子面的水土壓力平衡體系，最大程度降低對地層擾動，實現防止沉降及環保目的。下部硬上部軟地質受力不均。在下部硬上部軟情況顯著的地層中，常常影響盾殼及刀盤不均不平穩的受力，導致盾構機原設計施工方向和實際施工方向出現誤差，這個時候需要通過經常性的工序轉換進行調節，以免影響施工效率。另外，刀盤旋轉時，當刀具處于軟硬不均巖土分界面時，很容易受到硬巖層巖石的沖擊，從而導致刀圈出現裂縫、折斷甚至脫落，刀體受損嚴重[3]。

2.2 下部硬上部軟地質導致碴土不易改良

在下部硬上部軟地質情況下，掌子面圍巖受壓情況多變，由于松散土、軟性土、黏性土、流狀土和粉質土及堅硬巖石混合，造成碴土不容易改良。此外，盾構機需要水土平衡，這對碴土改良提出了更嚴格的標準。因為隧道區間地質水文條件異常復雜、改良碴土機理分析不全和進行碴土改良工藝不匹配等因素，盾構施工時，如果掌子面出現欠壓，那么就容易引發上部軟性地層失穩、出碴過量及不均勻沉降等情況。而掌子面出現超壓情況，在松散土、軟性土、黏性土、流狀土和粉質土地層中，常常導致結泥餅、噴涌、刀具偏磨、糊刀盤、刀圈損壞等異常情況發生[4]。

2.3 下部硬上部軟地質容易導致刀具超載損壞

在下部硬上部軟地質中，因為適合軟土施工的盾構機摩擦力、土艙堆碴反力激增，可能會突破刀具所承受載荷的極限范圍。如果刀盤受到摩擦力、土艙堆碴反力過大，導致刀盤刀具長時間承受過大載荷，進而導致滾刀軸因承壓過大出現變形，進而造成滾刀刀具受損率偏高，滾刀刀圈出現偏磨或斷裂。

3 復合盾構空艙施工技術

盾構機在軟硬交替軟硬交錯地質施工中，土艙內及刀盤表面很容易出現結泥餅的情況，并容易導致施工速度變慢、出現涌泥、嚴重超方、推力增大、刀盤和刀具損壞嚴重等現象。下面主要介紹盾構空艙模式下土體改良和加固技術，很好地解決了以上問題，確保地鐵盾構安全順利施工[5]。

3.1 空艙模式技術特點和優點

所謂空艙施工模式，通常在下部硬上部軟地質條件中，盾構機進行施工時，當掌子面沒有支護壓力情形時，巖土體可以保持一段時間不坍塌，或者掌子面土體在進行加固后，可以保持不坍塌狀態。把盾構機土艙里的巖土清空處理，確保滾刀和其他刀具可以最大程度發揮功效[6]。該模式能夠有效處理刀盤易結泥餅現象，并提升掘進效率。在空艙施工模式下，因為把土艙中的渣土進行了清空處理，減少了刀盤的帶土量，有效降低了結泥餅的成因。通過工程實踐，在下部硬上部軟地質環境施工時，刀盤沒有被破壞，刀具和刀盤最大磨損量只有8 mm左右。出現下部硬上部軟地層情況時，進行空艙掘進的推力不大，另外推力幾乎沒有明顯起伏變化；而非空倉時的推力比較大，刀箱容易把渣土固結，常常因為刀具被損壞導致受力較大變化，刀盤扭矩較大,刀具破壞較多。空艙狀態下，由于刀盤不容易被附著土體，受力比較均勻，受損破壞程度較小，能較好發揮刀具破巖功效，掘進速度比土平衡和欠壓模式都高。在下部硬上部軟的軟硬交錯地質，進行地層加固后的空艙模式，施工效果更佳。

3.2 空艙模式施工條件

軟硬交錯地質適合進行空艙施工的應用范圍：①如果上部土體為質地較硬、遇水時比較穩定的全風化巖、粉質黏土或黏土時，由于該種土質穩定性較強，可以長驅直入采取空艙方式；②當上部為稍密黏質粉土，通過注漿加固后滿足在一定時間保持不坍塌，就能夠開展空艙施工。不適用地質為：上部為淤泥層、含水粉沙土、砂卵石等自穩性差無法進行固結的地層。當下部為質地較硬的混合土和強風化泥質粉砂巖時，由于其自穩性較強，所以空艙模式對軟硬交錯地質下部硬巖的地質條件沒有過多限制。

3.3 空艙模式施工參數與地層適應性

空艙施工模式在軟硬交錯地質中施工，如果不科學地提高施工速度和推力，容易破壞刀圈。為避免刀具在巖石與巖土臨界處轉速過快導致受損，在確保對地層產生最小擾動的前提下，為提升掘進速度，當推力較小時，掘進速度優先，然后再選擇刀盤低轉速參數。通過施工實踐統計分析得到參數詳見表1，綜合考慮選擇2.3 r/min，貫入度8.3 mm/r。

表1 施工試驗參數

3.4 泡沫劑進行土體改良技術

南京軌道交通4號線盾構區間穿越區域上部軟性土體具有較大黏性，出于提升盾構機對“下部硬上部軟”軟硬交錯地質適應性之目的，方便出渣土及土倉壓力的掌控，通過泡沫劑對刀盤前的渣土進行科學改良，有效降低其滲透系數、抗剪強度和黏附強度，確保渣土具備一定可塑性、流動性、壓縮性。

為確保盾構能安全掘進及順利出土，通常對每環土體通過泡沫進行土體改良，1000 L泡沫大約能滿足20～33環需求。

泡沫劑的合理使用，能確保盾構順利推進、有效降低刀盤扭矩、對油缸總推力進行調節，確保土倉壓力，使盾構能夠按照設計要求推進，實現地面沉降控制，確保推進速度并且借助分析使用過程，最大限度降低泡沫劑用量，節約成本。盾構推進時，因為泡沫劑占比可以反映泡沫劑使用占比率和及含量值，所以泡沫劑的占比率是施工的重要參數指標。

通過對地鐵區間右線泡沫劑占比、刀盤受壓力和扭矩、掘進速度、盾構總推力等幾項重要指標的變化趨勢進行統計和研究分析，可以明確土倉壓力與泡沫劑占比率不存在直接關聯，另外分析得出以下研究成果：

(1)右線155～315施工區間的地質粘黏性比較強，當施工區間泡沫劑占比率偏小時，出現盾構總推力偏較大的情況。通過分析可以做出這樣的判斷：區間的地質粘黏性比較強時，刀具和土倉隔板等構件由于土體粘黏，刀具的扭矩被加大甚至被破壞，因此在地質粘黏性比較強的區間，盾構進行推進時，可以適當調整刀盤轉速、總推力以及泡沫劑占比率，避免刀盤前端因為溫度和壓力偏高導致出現結泥餅的現象。

(2)右線盾構始發段及接收端，這兩段都位于三軸攪拌樁和旋噴樁加固區，水泥含量很多，盾構推進速度不高的施工區域，泡沫劑占比率較高，通過分析可以做出這樣的判斷：對于經過水泥加固的區間以及土質較硬的區間，可以把泡沫劑占比率調整到3.6-4.6 %。

(3)右線525～575環區間的土質比較松軟，大多為淤泥以及質粉質黏土地質，容易出現沉降，最大沉降量達到19 mm。在該區域施工，泡沫劑占比率較低，約為0.9-1.9 %;盾構施工速度較快，可達到39 mm/min;刀盤扭矩較小,僅為1509～1999 mN.m;盾構推力較小,僅為6689～7000 kN;土壓力較大，達到1.9 Bar。為避免隧道區間周邊出現大范圍沉降，可以進行以下舉措應對：

a.為防止刀盤前端土體出現大范圍塌陷，將土倉壓力提高到2.1～3.1bar。

b.盾構掘進的同時,需同步進行厚漿注漿來及時填充管片壁外產生的空隙，避免土層產生過大的沉降。注漿孔布置在隧道管片環的封頂塊、標準塊、鄰接塊上的管片吊裝孔，施工前利用鋼釬將吊裝孔外端的素混凝土捅破后注漿。厚漿配合比(Kg/m3)——消石灰:粉煤灰:膨潤土:砂:水=60:400:70:800:360，配比根據實際掘進情況作合理優化。在過土質比較松軟等特殊地段時，僅靠盾構同步注漿不能完全滿足對地層沉降或沿線建構筑物沉降要求時,就需要通過二次注漿的方法防沉降。在注漿孔安裝帶有雙向球閥的注漿咀，以便注漿。按理論管片壁厚空隙填充量的120 %～140 %注漿壓力控制在0.35～0.45MPa，確保管片壁后不存在任何空隙。同步注漿漿液一般地段采用厚漿進行填充，合比(Kg/m3)為——消石灰:粉煤灰:砂:膨潤土:水=80:350:1080:80:350。距離建構筑物較近采用水泥砂漿，水泥砂漿配合比(Kg/m3)為——普通硅酸鹽水泥:膨潤土:粉煤灰:砂:水=170:55:245:770:270；加速盾構機推進，將盾構機在淤泥層中的滯留時間縮短。

c.將刀盤轉速降低至0.9-1.1 r/min，從而將刀盤對土體的擾動程度降低。

d.如果一些區域的沉降速率和沉降量比較大，通過二次雙液漿注漿形式進行加固處理。如果區域內無構造物，那么就無須進行二次雙液漿注漿，有效規避對土體的二次擾動，避免再次出現沉降。

總而言之，在盾構施工時，通過先進的發泡設備，對泡沫劑配合比進行合理優化，將刀盤進行正、反旋轉；另外，借助刀盤加泥加水系統加入冰水對刀盤進行降溫，防止溫度過高損壞刀盤、軸承等構件。對后續軟硬交錯地質段，將施工時泡沫劑的壓注量限制在每環30～50 L范圍內。

3.5 地層綜合加固技術

當掌子面出現空腔，上層土體缺乏土艙壓力的有力支撐，為避免引發掌子面出現失穩和地表出現沉降，此時需要對空腔進行注漿充填，實現上層土體的綜合預注漿加固。綜合加固技術包括地層加固技術、建筑物預加固技術和跟蹤注漿技術。

3.5.1 地層加固技術施作辦法

軟硬交錯地質段，對盾構進行開艙前，采取地層加固技術確保土體的穩定性。為保證上部軟土層和硬巖層臨界位置的加固效果，雙液漿分層注漿漿液配合比詳見表2。為避免注漿后的土體對盾構機“抱死”，可以在雙液漿內加入適量的粉煤灰。

表2 每m3注漿漿液配比一覽表

常壓換刀注漿通常進行加固區域：注漿標高為巖層面到盾構機上方3 m，注漿寬度9.5 m，其他詳細數據如圖1所示。

圖1 加固區縱剖面圖(單位：m)

3.5.2 建筑物預加固和跟蹤注漿

對建筑物下部基礎通過水泥-水玻璃雙液漿進行注漿加固。在盾構施工時，必須實時做好沉降觀測和安全防范，及時做好跟蹤注漿，在盾構完成軟硬交錯地質穿越后，要馬上進行二次注漿。

3.6 包裹膜技術

對地層進行注漿加固的時候，通過采取膨潤土砂漿保護、改性水玻璃漿液或者和油性聚氨酯漿液等包裹膜技術，對盾構機進行包裹隔離處理，避免盾構機不能正常運轉。

3.6.1 膨潤土砂漿保護

預制膨潤土砂漿具有便于操作、價格便宜、包裹迅速等優點。測量人員要實時觀察管片的實際情況，如果察覺管片出現開裂或較大變形，需要馬上與施工員取得聯系，暫停注漿，并及時分析原因。

3.6.2 改性水玻璃或油性聚氨酯保護膜

改性水玻璃漿液或者油性聚氨酯漿液能夠將凝結性漿液進行屏蔽，防止其包裹盾構機出現“抱死”現象。改性水玻璃漿液主要材料為水玻璃溶液和磷酸溶液，但是聚氨酯揮發時氣味較濃，而且注漿速度比較慢。

3.7 空艙模式施工及加固效果

在軟硬交錯地質段，通過采用空艙模式有效規避了刀盤容易結泥餅現象，防止了隧道塌方災害，通過綜合注漿加固后，對正上方的地表進行沉降監測，地基沉降比較穩定，從圖2地表沉降監測曲線可知最大沉降量為2 cm，滿足要求。

圖2 地表沉降監測曲線

結語

依托南京軌道交通4號線蔣王廟站-崗子村站區間工程實例，研究了在城市軌道交通施工中所遇到下部硬上部軟巖層采取空艙模式施工技術及泡沫劑改良、地層加固措施，通過技術分析和實踐可知，在盾構機上通過配制性能較好的泡沫劑發泡設備，在進入軟硬交錯地質段前，通過泡沫劑對土體有效改良。由于被改良土的狀況影響泡沫劑性能的發揮，所以為確保泡沫最佳效果，必須充分考慮相關的土質情況。對滾刀扭矩進行合理設置，提高周邊刀具厚度，依據巖層貫入度對施工速度進行調節，從而降低刀具磨損度，通過空艙施工模式能很好解決盾構施工刀盤結泥餅問題，確保地鐵盾構安全順利施工。