砂卵石地層地鐵隧道盾構施工地面沉降控制探討

彭正杰

（上海同是科技股份有限公司，上海市 201100）

1 引言

蘭州軌道交通2號線一期工程4標公交五公司站—定西路站區間主要布設于老城區主干道，周邊管線及建筑物密集，城市道路交通繁忙，地層條件復雜，經工程地質勘察查明：隧道主要穿行于富水砂卵石及強風化砂巖層，盾構始發段地層為全斷面富水砂卵石，砂卵石粒徑較大。盾構始發是盾構法施工的重要環節之一，盾構始發時的風險控制一直是地鐵工程中的重難點，盾構在砂卵石地層進洞往往會對周邊環境產生比較大的影響。由于砂卵石地層存在不穩定性，盾構掘進時極易產生刀盤前方坍塌，影響盾構機正常始發，嚴重時引發周邊建筑物、管線破壞。因此對砂卵石地層的研究探討，總結出有效控制地面沉降的技術措施是很有必要的。

2 工程實例

2.1 工程概況及水文地質

蘭州軌道交通2號線一期工程4標公交五公司站—定西路站區間盾構擬從定西路站始發，沿排洪南路自北向南掘進至公交五公司站接收。本區間右線長度約831.2 m，左線長度約734.7 m，左右線最大線間距約84.0 m，區間隧道底板標高約1 494.2～1 505.3 m，隧道底板埋深約18.4～31.3 m，區間采用土壓平衡盾構施工，區間設一座聯絡通道兼泵房。

公交五公司站—定西路站區間位于黃河南岸河谷盆地內，地貌類型屬侵蝕堆積河谷平原，場地地貌單元屬黃河Ⅱ級階地。地層主要為第四系人工填土、第四系全新統沖積黃土狀土、卵石及下第三系漸新統粉砂巖組成，下水為第四系松散層孔隙潛水，含水層主要為第四系沖積卵石。卵石雜色，密實，顆粒母巖成分以花崗巖、石英巖為主，磨圓度較差，呈次圓狀～次棱角狀，分選性一般，可能存在粒徑≥60 cm的漂石。地下水類型為潛水，地下水埋深9.6～16.4 m，水位高程1 510.96～1 513.91 m。公交五公司站—定西路站區間縱斷面采用V字坡，最大縱坡2.95%，區間主要穿行于富水砂卵石及強風化砂巖層，盾構始發段地層為全斷面砂卵石層，如圖1所示。

圖1 公交五公司—定西路區間地質剖面圖

2.2 砂卵石地層盾構施工引發地面沉降的危害

因為盾構機盾尾間隙的存在和盾構掘進時的擾動，盾構掘進過程中不可避免會造成地面沉降，但在不同的地質條件下出現的沉降特性存在差異。盾構機穿越砂卵石地層時，砂卵石地層受盾構掘進擾動后，盾構機刀盤前方地面出現不正常的沉降，監控量測速率變大，同時出土量增大，隨著盾構掌子面遠去，原沉降區域逐步穩定，經過一段時間盾尾脫出管片后，監控量測反映出盾尾后方地面還存在一定滯后沉降的特點。而地鐵線路上方主要為城市主干道、各類管線、建（構）筑物等，一旦未及時處理，無法遏制沉降發展時，極易引發重大安全事故。

3 砂卵石地層盾構施工引發地面沉降的主要原因

3.1 地質因素

砂卵石地層是一種的不穩定的特殊地層，卵石顆粒之間點對點傳力，卵石間空隙大，沒有黏聚力，自穩能力差，砂卵石主要倚靠直角的摩擦咬合作用維持地層穩定，地層反應靈敏，刀盤旋轉切削時，地層很易破壞原來的相對穩定或平衡狀態而產生坍塌，引起較大的地層變動和圍巖擾動[1]。結合蘭州軌道交通2號線一期工程的實際施工經驗，引起地面沉降主要表現在以下方面：（1）盾構刀盤旋轉切削時，刀盤與卵石層接觸面的壓力不均，導致刀頭及螺旋機震動、卡頓，對地層擾動較大，刀盤前上方砂卵石松動，會快速下落并產生較大的空洞區域，導致掌子面坍塌、地表沉降發生的概率增大；（2）根據工程地質勘察報告及本地區實地調查，地層下可能存在未知的空洞、廢棄的管道、防空洞等；地表層管線布設時埋設回填不密實，土體松散，自穩性差，盾構掘進擾動后易出現地面沉降、塌陷；（3）場地表層多屬于人工填土、濕陷性黃土，長時間暴露或遇水易風化和軟化，受水浸泡后形成未知空洞；（4）由于卵石之間存在間隙，盾構掘進時地層受刀盤擾動后松散，盾構機盾尾脫出后，二次注漿漿液通過卵石縫隙流竄，地層無法及時有效地填充，導致后續的二次沉降。

3.2 環境因素

（1）地鐵主要布設于老城區，老城區管網老舊破損以及滲漏情況嚴重，地層長時間受水影響，軟化崩解后產生未知空洞；管線長期滲漏而形成的不良地質體也反作用于管線，各類管線支承條件進一步惡化，使其發生滲漏、斷裂的可能增大；但城區主干道車流量大、交通繁忙，地下管網錯綜復雜，不良地質和破舊管線常常無法快速有效地治理，在管線與不良地質的長期相互作用下，地層整體性受到破壞，強度降低，自穩性差，盾構施工擾動后，易出現坍塌。

（2）蘭州市常年水位高差變化較大，近年汛期降雨量增大，地下水位會相應增高，雨水對地層沖刷后，地層中卵石重新組合沉積，導致部分區域卵石松散，整體性差。

3.3 技術管理因素

施工單位的綜合技術直接影響到地鐵盾構施工成效，因施工單位管理方面欠缺引起的地面沉降主要表現在以下方面：（1）現階段有資質承接城市軌道交通建設工程的承包方較多，但大部分承包商缺少卵石地層盾構施工的經驗，盾構機司機更是經驗短缺；（2）未嚴格按照設計及施工方案組織施工，存在未及時進行地層補充勘察、注漿漿液配比不符要求、未及時進行同步注漿和二級注漿、頻繁糾偏、管片鏈接螺栓未緊固、長時間停機或停機保壓不當、渣土改良不到位、長時間欠壓掘進等問題；（3）前期地質勘察單位對超前地質預報工作不到位，實際的地質情況與勘察成果存在不符，相關單位對地質的勘查與分析不準確，造成實際施工存在較大誤差，導致地鐵盾構施工出現地面沉降等問題，增大了盾構施工的難度。

4 盾構施工地面沉降控制技術要點

4.1 施工前控制

（1）地質勘察：在開工前及時進行地質補充勘察掌握砂卵石地質現狀；進行周邊環境排查，重點探查地下管線、地表土層，及時回填空洞、加固松散土層、修復滲漏管線。

（2）盾構選型：將建設地的地質水文條件作為盾構機選型的主要依據，擇優選擇刀盤、開口率、刀具配置、主軸承、螺旋輸送機、推進系統、刀盤驅動系統，合理科學地選型匹配，從根本上提高設備操作質量，保證盾構再掘進過程中安全有效地施工[2]。

4.2 施工中控制

（1）超前地質加固：盾構始發前，采用三軸攪拌樁進行卵石層加固，其縱向加固深度8 m，徑向加固厚度3 m，可有效提高卵石層穩定性[3]。

（2）降水：富水砂卵石地層進行盾構始發，始發段需要采取降水措施，在地層加固完成后，對始發段進行水位檢查，可在洞門范圍內施做水平探水孔，保證降水水位低于盾構開挖面以下0.5 m。

（3）盾構掘進要設置合理的土壓力，保持穩速、穩壓不間斷地前進，防止超挖，嚴格控制掘進速度、盾構推力、刀盤轉速和扭矩，并根據掘進時卵石層的松散系數，計算掘進的理論排土量，實際出土量采用重量和方量進行控制；在穿越砂卵石和其他地層交接位置時，要及時調整盾構參數，防止發生偏心；如遇粒徑較大的漂石，適當減小刀盤轉速，增大油缸推力，將刀具的貫入量控制在10 mm/r以下，同時采取刀盤正反轉的方式緩慢切削漂石，同時控制刀盤扭矩的變化幅度控制在10%以內[4]。

（4）盾構糾偏：在曲線上推進時，土體對盾構和隧道的約束力差，盾構軸線較難控制，因此推進速度要放緩，糾偏幅度不要過大，并加強糾偏測量工作等，以減少地層損失，降低地面沉降量。

（5）渣土改良：盾構機在砂卵石地層中掘進時，通過加水或膨潤土一般不能有效地改善土體流塑性，從而導致刀盤扭矩增大，螺旋機出渣不暢，作業面失去穩定。應優化渣土改良材料，可選用泡沫、鈉基膨潤土、高分子材料等，能夠有效改善土體的流動性，降低扭矩并保護盾構機刀具，達到穩定作業面的效果，通過采取渣土改良的措施，盾構機在砂卵石地層中掘進時，地面沉降可以得到良好改善。

（6）注漿：保證同步注漿飽滿，采用結合出渣量判斷注漿需求量和控制注漿壓力方法，最大程度利用同步注漿填充滿管片背后的間隙和地層損失；盾構掘進施工的同時，進行洞內二次注漿，進一步補充地層空隙；二次注漿要及時，一般在盾尾4～6環即開始二次注漿，二次注漿時注漿管盡量穿透同步注漿層，使二次注漿能夠到達松散地層中[5]。注漿材料及配比選用應嚴格按照施工方案并經實驗后確定，因雙漿液凝結時間較快，無法有效填充卵石縫隙，注漿先采用單漿液快速進行填充，之后再用微膨脹水泥與水玻璃為原料的雙漿液進行有效封堵，并嚴格控制漿液結石率，注漿壓力和注漿量雙重指標控制，能有效填充卵石孔隙，從整體上提高地層密實度。

（7）刀盤卡頓：刀盤卡頓是砂卵石地層施工中較為常見的問題，因卵石粒徑過大，導致刀盤卡死、扭矩增大，從而引起掌子面坍塌或超方等問題。若較大粒徑卵石或卵石群將刀盤開口卡住，進而卡死刀盤，通常預防措施有以下3種：①可正反轉刀盤實現脫困；②增大濃泥漿注入壓力，并收回推進缸或采用主動鉸接油缸輔助，可將盾構機倒退20～30 mm，再轉動刀盤，出半斗渣土，再注入濃泥漿，再轉動刀盤，反復如此，從而實現脫困；③若刀盤仍無法脫困，則盾構掌子面施加氣壓，進行開倉取石[2]65。

（8）地層加固：盾構掘進時刀盤前上方卵石坍塌嚴重時，可在相應位置的地面進行鉆孔至刀盤上方，采用高壓旋噴樁注漿對砂卵石進行固結，增加砂卵石間的黏結力，提高卵石群的整體性，能有效控制刀盤前上方卵石坍塌。

（9）監控量測：按照監控量測方案要求的頻率進行監測，并提高監測數據的準確性，出現異常情況及時調整監測頻率，做到“勤測量、速反饋”。蘭州軌道交通2號線一期工程建設充分利用信息化管理平臺及遠程監控系統管理、分享、匯總、分析監測數據，預測地面沉降、位移趨勢，在信息化管理平臺中設定警戒值，數據異常或超標時，系統自動報警，并將報警情況通過手機短信告知相關人員，提高了監控監測的及時性、有效性，并高效指導施工。

4.3 管理改進

（1）嚴格按照設計和施工方案組織施工，加強盾構掘進工序間的管理工作，掘進、出土、管片拼裝等各工序銜接緊密，充分做好施工前的準備工作，及時進行盾構機設備配件的維修、保養工作，減少停機；采用耐磨性較強的刀具，減少換刀次數，并提前建立刀具更換計劃，選擇合適的換刀位置和方案，有序開展換刀，減少換刀停機時間[5]68。

（2）嚴格審查分包單位資質、業績，強化分包合同安全責任條款，現場進場材料要嚴格把關，技術、質量、安全、進度等管理應納入承包商的管理體系中，同時加強分包商的風險意識及管理風險意識，杜絕以包代管的現象發生。

5 結束語

隨著我國經濟的快速發展和城市化進程的不斷進步，我國大中城市大范圍修建地鐵，目前大部分地鐵隧道施工首選盾構施方法，而砂卵石地層是一種典型的自穩性較差的地層，受盾構施工擾動，極易造成坍塌，引發地面沉降，盾構施工過程中必須高度重視；通過開工前的補充勘查，分析地質特征，提前消除地層隱患，強化超前地質預報、盾構選型、盾構參數、排土量、同步注漿、二次注漿等工作，并根據監控量測數據進行統計分析，找出規律變化，來指導盾構參數修正，采用信息化手段進行安全風險管控，有效控制地面沉降，保證了盾構機安全、快速推進。以蘭州市軌道交通2號線工程建設為例，針對砂卵石地層盾構施工地面沉降控制進行了初步的探索和總結，為砂卵石地質條件下盾構法施工地鐵隧道提供參考依據。