富水砂卵石地层长时间降水段大直径盾构施工技术

夏洪波

(1.中国交建总承包经营分公司，北京 100088；2.中交机电工程局有限公司，北京 100088)

1 工程概况及难点分析

1.1 工程概况

成都轨道交通17号线一期工程项目范围为金星站(含)～机投桥站(含)，线路全长约26.140 km，设计速度目标值140 km/h。明九区间2#中间风井～九江北站盾构区间左线长2 180.048 m，右线长2 285.11 m，2台土压平衡式盾构由明九区间的2#中间风井始发，九江北站接收。左线第809～1 438环和右线第800～1 517环隧道之间为947 m的明挖区间，明挖区间小里程端接五桐庙停车场出入场线隧道，设盾构吊出井，大里程端接九江北站，17号线正线左右隧道与明挖区间平行设置，见图1所示。

图1 正线隧道盾构区间与明挖区间平面位置关系

明挖区间采用坑外降水明挖顺作法施工，17号线正线盾构隧道掘进至790环(1 185 m)时进入明挖基坑降水影响区域，明挖降水段隧道埋深为9.1～25.4 m，处于10.8‰上坡段，左线盾构隧道外边线距明挖区间主体结构7.7 m，右线盾构隧道外边线距离明挖区间主体结构6.6 m。

盾构机采用中交天和设计生产的土压平衡式盾构机，型号为∅8 580 mm，设计推力76 000 kN，最大扭矩29 189 kN·m，主驱动功率29 189 kN·m，开挖直径8.634 m；管片外径8.3 m，管片内径7.5 m，管片宽度1.5 m。

1.2 明挖降水段地质情况

1.2.1 原地质情况

通过地勘报告及明挖基坑开挖情况察看，此段地层从上到下依次为1.2～5.3 m厚的人工填筑杂填土、0.5～2.8 m厚的粉质黏土、0.7～3.0 m厚的层状或透镜状沙土，底层为卵石土，稍密～密实，卵石含量占55%～70%及70%以上不等，粒径一般为2～15 cm，其余为细、中砂充填，渗透系数最大可达30 m/d以上。

1.2.2 降水及降水后地质情况

明挖基坑于2017年6月开始降水施工，至2018年12月主体结构封顶经历长达17个月降水。降水过程中，地层中填充的部分砂砾细小颗粒被降水井抽排带走，降水过程前期沉砂池砂量较高，后期砂量减少，沉砂情况及降水后明挖基坑地质情况如图2所示。

2018年12月进行专项补勘，补勘结果表明地层上部人工杂填土无变化，中间细颗粒含量减小，砂卵石含量约75%，渗透系数最大可达35 m/d以上，卵石含量及渗透系数较降水前有所增大。

图2 明挖区间抽砂及降水后地质情况

1.2.3 明挖降水段水位情况

明挖段小里程为五桐庙出入场线盾构区间接收端，见图1，端头降水井保持降水，其余已完成主体结构顶板土方回填的区段，停止降水。2019年3月，实测明挖降水段左右线地下水位约为地下15.5 m。

1.3 盾构隧道施工难点分析

成都砂卵石地层具有卵石磨圆度好、含量高、分选性差、密实性差、均匀性差、抗压强度高、渗透系数大、透水性强、富水性良好等特点，导致自稳能力差，隧道施工时容易造成塌方。

明挖降水段经过长时间降水过后，土体呈现松散、无粘结和大小不均匀的颗粒状，颗粒之间粘聚力降低、孔隙变大；明挖段掘进过程中实测水位约为地下15.5 m，掌子面处于富水地层和临近富水地层，在盾构掘进的扰动中，容易打破土体的受力平衡，使掌子面或扰动面产生不稳定，造成局部土体坍塌或地表沉降。

此外，成都地铁17号线一期工程地铁设计时速140 km/h，盾构机采用开挖直径8.634 m的土压平衡式盾构机，是大直径盾构在成都砂卵石地层的首次应用，缺乏可直接参考的施工经验。

综上所述，此隧道施工面临高富水、大卵石、大直径盾构、长时间长距离降水段、稳定性差等特点，每一项都是隧道施工的难点[1-3]。多项难点的耦合，加剧了隧道盾构施工的难度，需要行之有效的施工方案和关键技术保障，才能保证隧道盾构施工的安全。

2 隧道盾构施工关键技术

2.1 明挖降水段预加固

2.1.1 地表注浆加固

为了对隧道盾构施工进行预加固，在降水段盾构掘进正上方，左线从第809环至1 438环、右线从第800环至1 517环进行加固。注浆孔按照间距2.8 m×2.8 m布置，深度从隧道中心线以上至中间砂卵石范围，如图3所示。地表注浆采用袖阀管，初始注浆压力为0.3 MPa，稳压后为1.0 MPa，浆液采用水灰比为1∶1的水泥浆液。

图3 预加固示意图

以单孔设计注浆量和注浆压力作为注浆结束标准，其中应以单孔注浆量控制为主，注浆压力控制为辅。本工程在具体实施过程中，每孔注浆量控制在3 m3，注浆预加固应在盾构到达之前2～3个月实施。注浆完成后进行钻孔取芯，取芯状况见图4，隧道中心线以上至中间砂卵石范围加固效果较好。

图4 明挖降水段加固后取芯

2.1.2 预留跟踪注浆管

在盾构施工上方，按照5 m间距提前进行管线探挖，设跟踪注浆孔。在盾构掘进过程中，根据盾构掘进参数及监测数据对地层进行实时补浆加固处理，用以防止滞后沉降塌陷[4]。

2.2 盾构掘进控制技术

2.2.1 盾构渣土改良

渣土改良是盾构施工的核心[5]。做好渣土改良，保证渣土具有良好的流塑性。避免渣土滞排，造成螺旋机被卡；同时若渣土改良控制不佳，易造成渣温较高、刀盘结饼、掘进参数恶化、盾构掘进超方，引起地表沉降。

选用质量较好的钠基膨润土，并掺入适量的泡沫进行降水段渣土改良。采用的膨润土应经过充分膨化，膨润土泥浆配比为钠基膨润土∶水=1∶6，膨润土粘度应超过40 s，改良后渣土坍落度控制在15～20 cm之间。每环掘进膨润土掺入量为4～5 m3，每环管片需要掺入泡沫3～4 m3，掘进一环管片出土体积约为105 m3。

2.2.2 盾构掘进参数控制

盾构参数设定是盾构施工的关键技术。土压力值根据埋深及土层情况计算，压力波动控制在±0.02 MPa。土压力P值与地层土压力和静水压力相平衡，设地层静水压力与土压力之和为P0，P0=γ·h(γ为土体的平均重度，根据计算取加权重度21.5 kN/m3，h为计算位置至地表的垂直距离)，则P=K·P0，K为土的侧向静止土压力系数，穿越卵石土地层取0.3；上部土仓土压P′=P±0.02 MPa。

根据成都盾构施工特点和经验，本工程的盾构掘进参数设置为推力2 000～2 500 t；扭矩800～1 200 t·m；上部土仓压力0.8～1.4 bar；注浆压力0.2～0.4 MPa；出土量105～106 m3；每环注浆量12 m3；掘进速度40～50 mm·min-1，在掘进过程中根据地表监测数据，动态选择最佳参数。在实际掘进过程中，降水段较非降水段无明显差异。

2.3 同步注浆及二次注浆管控

做好同步注浆及二次注浆，减小管片脱离盾尾间隙扰动和注浆不饱满引发的地表沉降，进入明挖降水段后二次补浆提至管片脱出盾尾2～5环即对管片后的建筑孔隙进行二次注浆。

每立方米同步浆液配比为水泥230 kg，膨润土(钙基)100 kg，粉煤灰310 kg，砂700 kg，水400 kg。管片背后间隙体积为6.7 m3。根据成都卵石地层盾构施工特点和经验，为保证管片背后间隙填充密实，明挖降水段地层扩大系数取值1.5～2.0，每环注浆量12 m3，并同时保证注浆压力为0.2～0.4 MPa，二次补浆压力为0.4 MPa。

2.4 盾构姿态管控

严格控制盾构纠偏量，避免纠偏过急增加对地层的扰动，引起地表沉降。盾构进行平面或高程纠偏的过程中，必然会增加建筑空隙，造成一定程度的超挖，因此在盾构机进入明挖降水段之前，将盾构机调整到良好的姿态，并且保持良好姿态穿越明挖降水段。在盾构穿越的过程中尽可能匀速推进，速度不得低于40 mm/min，盾构姿态变化不可过大、过频，控制每环纠偏量不大于5 mm(平面和高程)，控制盾构变坡不大于1‰，以减少盾构施工对地层的扰动影响。

2.5 管片拼装质量管控

及时对管片螺栓进行复紧，保证良好的成型管片姿态。管片安装时从隧道底部开始，然后依次安装邻接块，最后安装封顶块。每安装一块管片，立即插入管片纵环向连接螺栓并紧固。整环管片全部安装完后，用风动扳手紧固所有螺栓，同时紧固所有注浆孔封堵塞。完成上述工作后，盾构才可进入下一环的掘进。下一环管片盾构实际油缸行程掘进至750 mm以及1 500 mm时，对临近的两环管片再次进行复紧，保证管片在脱出盾尾后螺杆不松动，后续施工过程中应及时检查管片螺栓的松紧度，对管片环、纵向松紧度不足的螺栓进行复紧。

3 施工监测及分析

地表沉降监测是检测盾构施工的有效手段[6]，通过对非降水段的地表和降水段的地表进行沉降监测分析，结果如下：

(1)降水段地表累计沉降大于非降水段区域，降水段累计沉降最大约1.5 cm，沉降量在可控范围内，见图5。

图5 降水段地表沉降时程曲线

(2)在非降水段区域时，盾尾脱出造成的沉降占比(56%)最大；进入降水段区域后，土体固结沉降占比(49%)增大，甚至超过盾尾脱出引起的沉降(38%)。

4 结束语

2019年7月，明九区间2#中间风井～九江北站左右线顺利穿越明挖降水段并洞通，通过超方情况、管片姿态、监测情况、掘进指标等可以判断，盾构掘进前和过程中采取的各项措施是有效的，掘进过程是安全可控的，这是大直径土压平衡盾构机首次在成都富水砂卵石地层长时间长距离降水段的成功应用。施工中有如下体会：

(1)富水砂卵石长时间降水地层盾构掘进施工，渣土改良是核心，以膨润土为主、水和泡沫为辅的改良材料成功保证了渣土良好的流塑性，并严格控制了每环出土量。

(2)采用水灰比1∶1水泥浆液，在盾构到达前的2～3个月实施，有效地对长时间降水地层进行补浆，起到了良好的加固效果。

(3)严控盾构掘进参数，并实时调控，减小了对富水地层的扰动，降低了地表沉降，较好地控制了隧道盾构施工的稳定性。

(4)降水段隧道盾构施工中，土体固结沉降是地表沉降的主要原因，其次是盾尾脱出，应根据实时监测数据及时补浆。