軟土和砂土液化地層盾構隧道修建技術

伍偉林， 鄒 育

(1. 佛山市鐵路投資建設集團有限公司，廣東佛山528000； 2. 中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都610031)

軟土和粉細砂層主要分布于沿海和河流三角洲地區，上海、佛山、寧波等城市是典型的軟土和粉細砂地區。目前軟土和砂土液化地層盾構隧道施工和運營問題較多，盾構隧道施工階段中風險主要表現為：在粉細砂地段存在涌水涌砂、掌子面失穩、管片上浮及地表沉降大[1-3]；在軟土中姿態難以控制，易出現“磕頭”和“蛇形前進”現象，管片錯臺量大，頂部裂縫多[4-5]。地鐵隧道在運營階段中病害主要表現為滲漏水、結構裂縫及損壞、隧道縱向沉降及橫向收斂變形等[6]。如上海一號線自1995年通車至今，最大沉降量超過300 mm，上海全網隧道滲漏水為隧道病害主要類型，占全部病害之比達71%，結構損傷類病害占比為22%[7-9]；引起病害的主要原因有施工過程的質量問題、地面區域沉降、列車振動和周邊物業開發等[10]。

為了減少施工及運營期間地鐵隧道的病害和風險，需對軟土和液化砂層區域的盾構隧道采取更有效的設計方法和合理的施工參數。本文以佛山地鐵二號線一期工程為依托，對軟土和液化砂層區間盾構隧道修建技術進行研究。

1 工程概況

佛山地鐵二號線一期工程地下段全長25.31km，共14個地下區間，2個出入段線，地下區間以盾構區間為主。地下區間沿線建構筑物復雜，地質條件較差，盾構隧道主要穿越淤泥(流塑)、軟土(流塑—軟塑)、軟土(流塑—軟塑)、淤泥質粉細砂、淤泥質粉土及粉細砂層等不良地質，隧道范圍軟土層厚達20～35 m，其中位于軟土和砂土液化地層的盾構隧道約13 km，占全線盾構區間長度51%(圖1)。

圖1 佛山二號線一期穿越軟土和砂土液化地層典型縱斷面

2 軟土和砂土液化地層盾構隧道關鍵技術

2.1 長期運營沉降控制

2.1.1 隧道設計

(1)隧道平面盡量遠離重要性建構筑及對沉降變形敏感區段，縱斷面“用足線路縱坡、困難情況下可適當考慮加大車站埋深，減少隧道處于軟土和液化砂層地層，盡量讓隧道底位于穩定持力地層”。

(2)深厚軟土或砂土液化地層采用內徑6 m盾構隧道，較常規內徑5.4 m盾構隧道，隧道限界預留300 mm的變形量，便于運營階段調線調坡及為后期加固措施預留空間。

(3)隧道管片采用錯縫拼裝，確保圓環接縫剛度分布趨于均勻，增加隧道整體空間剛度，更有利于抵抗軟土和砂土液化地層中的隧道結構變形。

軟弱地層及砂土液化地層中，為了提高襯砌的空間剛度，優先采用錯縫式。

(4)在管片接縫之間設置中空的管狀構件——裝配式定位榫，連接螺栓從管狀構件中穿過，并與管狀構件協同變形(圖2)。

圖2 裝配式定位榫安裝順序示意

湖綠區間右線隧道有20環管片應用了定位榫，使用帶定位榫的管片平均錯臺量由10～15 mm減少為3～5 mm，且無滲漏水點，拼裝質量較其他管片有較明顯的提高，同時通過對采用定位榫前后各20環成型隧道圓度進行測量發現，定位榫段管片橢變更小(圖3)。

圖3 定位榫安裝對管片圓度的影響

2.1.2 地層加固設計

當隧道軌面線以下無法避開軟土和砂土液化砂層時，需要對隧道周邊地層進行加固處理。在地面有條件的情況下，優先采用了地面加固措施，保證加固質量。當地面無條件，且隧底軟土或砂土液化地層小于3 m時，可采用洞內注漿加固。

針對深厚軟弱下臥層區段隧道，全斷面加固造成大量浪費，采用上部格柵+下部點陣的加固方式，垂直于線路方向的三軸攪拌樁加固深度為地面至穩定地層以下1 m，平行于線路方向攪拌樁加固深度為拱腰以上3 m至隧底以下3 m(圖4、圖5)。

圖4 上部格柵+下部點陣式三軸攪拌樁加固平面

圖5 上部格柵+下部點陣式三軸攪拌樁加固剖面

除軟土和砂土液化地層段，針對軟硬地層起伏較大或者車站與區間過渡區段，為了防止基底剛度差異較大引起差異沉降，導致隧道結構損壞，隧道加固方案應與車站基底加固方案保持一致。同理，處于軟土和砂層液化地層聯絡通道加固方案應該兼顧盾構隧道加固。

通過建立三維有限元模型，研究列車振動荷載作用下，砂土液化地層改良前后隧道長期不均勻沉降變化。從圖中可以看出，砂土液化地層中隧道沉降量會隨著時間增加不斷地緩慢累計，在運營初期發展較快，隨著運營時間的增加，沉降發展逐漸變緩。當對砂土液化地層進行加固處理后，隧道結構的長期沉降值明顯減少(圖6)。

圖6 砂土液化地層隧道沉降與運營時間關系曲線

2.2 施工過程風險控制

軟土和砂土地層盾構施工過程考慮的主要風險在于聯絡通道開挖，盾構始發、接收和盾構正常掘進，其中聯絡通道開挖和盾構始發、接收的安全與加固質量有關，盾構正常掘進與盾構選型和盾尾刷的密封性有較大聯系。

2.2.1 聯絡通道加固

二號線一期全線共7個聯絡通道位于砂層中，5個位于淤泥質土層中。當聯絡通道位于軟土地層時采用地面三軸攪拌樁加固，而對砂層地段聯絡通道，需再增加外包素連續墻，并素連續墻內設置降水井。加固范圍都為結構平面輪廓外擴3 m，素連續墻深度由地面至進入不透水層1 m(圖7)。

圖7 聯絡通道端頭加固設計方案

在地面加固實施后，并不能保證砂層地層聯絡通道施工安全，在進行抽芯時發現芯樣中存在大量未加固的砂層，且水平探孔時部分探孔存在涌水涌砂情況，后通過采用地面注漿或冷凍法加固方才保證聯絡通道的施工安全。

針對富水砂層地段聯絡通道，建議優先采用冷凍法加固法，既避地面加固效果難以保證，又可以減少管線遷改和交通疏解。

2.2.2 端頭加固

二號線一期全線共10個端頭含砂層，6個端頭位于淤泥質土層中，盾構區間端頭位于軟弱地層時，采取三軸攪拌樁加固；當端頭范圍存在砂層時，新增外包素混凝土墻+一排旋噴樁咬合的加固方案，三軸攪拌樁加固范圍都為隧道上下左右各外擴3 m，素連續墻深度由地面至進入不透水層1 m。盾構始發加固體厚度為10 m，盾構接收加固體厚度為10.8 m(圖8)。

圖8 盾構端頭加固設計方案

在地面加固實施后，并不能保證砂層地段的盾構端頭安全，水平探孔時洞門處均發生了涌水涌砂，后通過地面補償注漿加固或鋼套筒才保證了盾構安全始發、接收。

針對位于砂層的盾構端頭，地面攪拌樁加固效果不佳，采用鋼套筒始發、接收更有利于保證施工安全。

2.2.3 盾構選型設計

結合工程地質及水文條件、周邊環境及施工場地等因素選用不同的盾構機，針對滲透性和地下水壓力較大的地層，優先采用泥水平衡盾構。當場地條件受限的情況時，通過對土壓平衡盾構設置防噴涌裝置，采用雙螺旋輸送機、加強盾構密封等措施，也能保證盾構施工過程的安全，但地表變形將加大。

2.2.4 冷凍法更換盾尾刷設計

盾構正常掘進時，盾尾刷是保證盾構內部與外部隔離的一道重要的安全屏障，由于盾尾刷養護不當或盾尾刷使用時間過長等原因，在盾尾刷密封性效果差的時候需要及時進行更換，特別是在砂層地段容易出現重大安全事故。而地面加固在深厚砂層地段加固效果又難以保證，盾尾刷更換過程中又存在較大安全風險。

湖綠區間右線隧道盾構機采用4道盾尾刷，其中第1道、2道為可更換式，設計考慮了一次冷凍法更換盾尾刷。通過在預設的盾尾設置一塊全環鋼管片，利用鋼管片預留的水平孔凍結加固地層，使盾尾外圍土體凍結，形成強度高，封閉性好的凍結帷幕，阻止盾尾滲漏到盾構隧道內。在凍結體取芯孔無滲漏，整體凍結效果良好，進行盾尾刷更換。湖綠區間右線隧道盾尾刷更換過程地面沉降小于3 mm，整體風險可控(圖9)。

圖9 冷凍鋼管片測溫孔及取芯孔位置

2.3 施工參數控制

結合盾構在軟土及砂土地層掘進經驗，盾構施工過程同步注漿壓力為0.2～0.5 MPa，二次注漿壓力為0.3～0.4 MPa，注漿量往往達到理論計算空隙量的180%～200%，采用注漿壓力和注漿量雙指標控制標準。

針對砂層中產生管片上浮的現象，同步注漿的水泥砂漿配合比適當增加水泥摻量，采用早強水泥，減少膨潤土的摻量；二次注漿材料選用水泥-水玻璃雙液漿。砂層地層盾構掘進過程中對盾尾第4環管片進行二次注漿，注漿點位主要在1點或者11點位置，避開封頂塊位置，注漿量按照每環0.2～0.3 t水泥，通過雙液注漿使管片盾尾同步注漿快速凝固，增加管片頂部抵抗力，抵抗管片的浮力。

除注漿參數，在軟土和砂土地層的盾構機自身掘進參數也非常重要，軟土和砂土地層的盾構掘進參數參考值見表1。

表1 軟土和砂土地層的盾構掘進參數參考值

3 現場監測數據

軟土和砂土地層盾構隧道施工過程除了保證自身安全，還需要保證周邊環境的安全，并通過地面監測情況及時調整盾構施工參數。根據軟土和砂土地層的盾構掘進參數參考值，對未采用地面加固的位于全斷面淤泥質土或粉細砂層盾構隧道和采用地面加固的深厚淤泥質土盾構隧道的掘進過程進行地表沉降監測分析。

粉細砂地層盾構隧道掘進過程中，地表沉降主要發生在盾構刀盤前后10環，即盾構刀盤和盾尾脫出盾構機階段,盾構通過后地表沉降很快趨于穩定，穩定后最大沉降約29.2 mm,如圖10所示，滿足規范要求的30 mm控制值。

圖10 粉細砂層盾構掘進縱向地表沉降時程曲線

淤泥質土盾構掘進過程中，刀盤前方土體會發生隆起，刀盤后方土體出現沉降。如圖11所示，刀盤后方15環地表沉降發展較快，15環以后的地面沉降仍在繼續發展，即管片脫出盾尾后，所產生的地層沉降占施工導致的地層沉降的絕大部分，同時受盾構施工擾動的淤泥質土固結時間長，后續地表沉降持續增大。

圖11 淤泥質土層盾構掘進縱向地表沉降時程曲線

當淤泥質土層采用地面三軸攪拌樁進行上部格柵+下部點陣的加固方式后，由于加固區非滿堂加固，盾構掘進過程中掌子面的地層會不斷變化，強度差異較大，導致盾構機土倉內壓力難以控制。如圖12所示，由于盾構前方未加固的土體受到一定擠壓而出現較大的隆起，最大隆起量約7.8 mm,而當管片脫出盾尾后，地表沉降迅速發生沉降，但最終沉降量相對較少，最大沉降約5.3 mm，且盾構通過后地表沉降很快趨于穩定，體現了地面加固的效果。

圖12 加固后的淤泥質土層盾構掘進縱向地表沉降時程曲線

4 結束語

軟土及砂土液化地層盾構隧道存在施工階段風險大、運營過程變形大的問題。通過對佛山地鐵二號線一期工程的建設過程進行研究和總結，得出一套適合軟土及砂土液化地層修建盾構隧道的方法：

(1)軟土及砂土液化盾構隧道施工過程地面變形也較大，采用地面加固后沉降發展很快趨于穩定，但仍存在地表沉降和隆起現象，區間隧道設計時應盡量位于穩定持力地層中。

(2)深厚軟土地層盾構隧道除采用加固措施外，建議加大隧道內徑，方便后續調線調坡及后續隧道加固。

(3)軟土及砂土液化管片采用定位榫進行拼裝，減少了軟弱地層中管片拼裝過程中的錯臺量和滲漏水病害，提高成型隧道質量，保證了管片耐久性。

(4)砂層地層中三軸攪拌樁加固效果不佳，位于砂層地層中的聯絡通道建議優先采用冷凍法加固，位于砂層地層中的盾構端頭優先采用鋼套筒始發、接收。

(5)盾尾刷為盾構掘進過程中最后一道安全保證，對長距離位于砂層中的盾構隧道建議增加冷凍法更換盾尾刷。

針對軟土及砂土液化地層隧道的運營沉降，目前只局限于理論計算模擬，最終的效果有待長期運營的檢測。