高环境风险下盾构在全断面粉细砂层中的掘进控制

焦倓然 JIAO Tan-ran；任飞 REN Fei；邓胜 DENG Sheng；曾红 ZENG Hong

（中铁五局（集团）有限公司电务城通分公司，郑州450000）

摘要：本文介绍了郑州地铁2号线广～新～国区间EPB盾构在全断面富水粉细砂层中掘进遇到的一系列困难时，采取的一些相应改进措施与掘进参数调整，最终达到安全下穿重大环境风险的施工成果。

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关键词 ：EPB盾构；全断面富水粉细砂层；下穿大直径自来水管；沉降控制

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0131-03

作者简介：焦倓然（1986-），男，湖南浏阳人，副总工程师，工程师，研究方向为岩土与城市地下工程；任飞（1983-），男，山东威海人，项目总工程师，工程师，研究方向为地铁盾构施工；邓胜（1987-），男，湖南益阳人，工程部长，助理工程师，研究方向为城市轨道交通工程；曾红（1967-），男，湖南长沙人，项目经理，工程师，研究方向为地铁盾构施工。

0 引言

随着城市化进程的不断加快，城市地面交通压力剧增，发展城市地下轨道交通成为解决城市地面交通压力的有效解决途径，国内城市轨道交通建设正进入如火如荼的阶段。浅埋暗挖隧道施工方法属于传统工法，要求必须在无水条件下施工，城市大深度、大范围降水会严重影响其施工质量。此外，城市轨道交通的隧道工程开挖断面小，地面情况复杂，受地质条件、结构断面、地形条件等的限制，这种工法始终无法在隧道工程中大规模推广应用。

本文结合城市轨道交通隧道工程特点，提出采用盾构法开挖隧道的施工理念。盾构法施工是以盾构这种施工机械在地面以下暗挖隧道的一种施工方法，地层掘进、出土运输、衬砌拼装、接缝防水和注浆填充盾尾与管片衬砌间的间隙等主要作业均在盾构的保护下进行，不仅不影响地面交通，而且适用于各种地质结构，尤其在过江河、过群房（无桩基托换）施工中比浅埋暗挖法更具优越性，并且能保证隧道、地面的安全。

1 工程概况

1.1 工程概况

郑州市轨道交通2号线一期工程01标广播台站至新龙路站盾构区间（以下简称广～新区间）、新龙路站至国基路站盾构区间（以下简称新～国区间）大体呈 “L”形，区间隧道自北向南沿花园路敷设。广～新区间右线隧道全长1401.125m，左线隧道全长1396.480m，区间隧道埋深为10.3m～19.1m。新～国区间左线隧道全长695.149m，右线隧道全长793.950m，区间隧道埋深为9.3m～13.8m。

广～新～国区间采用两台土压平衡盾构机分别进行隧道左右线主体结构施工。左线盾构机采用中铁装备厂制造生产的“中铁8号EPB”，刀盘外径6280mm，刀盘开口率为56%，右线盾构机采用德国海瑞克公司制造生产的“EPB，S-368”，刀盘外径6280mm，刀盘开口率为62%。

广～新、新～国区间左右线需5次下穿总长达853m的DN1400(1991年铺设)、DN1200（1982年铺设）带压砼源水管，沉降控制要求高，如果出现爆管，将中断郑州市白庙水厂唯一黄河供水源，影响郑州市三分之二以上地区居民供水，造成重大社会负面影响。

1.2 工程地质情况及工程水文情况

1.2.1 工程地质情况

根据地质勘察报告，两个区间盾构穿越及上覆土层主要为：1-1杂填土、2-1粉土、2-3细沙、3-2粉质粘土、4-1粉土、4-2粉砂、4-3细沙层。隧道主要穿越2-3细沙、4-2粉砂、4-3细沙层。

1.2.2 工程水文情况

本工程地表水主要来自大气降水。

地下水类型为第四系潜水。4-2粉砂及4-3细砂为主要含水层，4-2粉砂及4-3细砂粘粒含量较低，富水性强，透水性好。

2 问题的产生、原因分析及解决方向

2.1 盾构穿越全断面砂层问题汇总及原因分析

盾构在较大埋深、高地下水、全断面粉细砂地层中的掘进施工容易产生的问题有：

①盾构出渣性状波动剧烈，出渣不连续；

②同步注浆易堵管、无法保证注浆量；

③盾尾发生漏水、漏沙、漏浆；

④盾构刀盘扭矩波动剧烈，盾构施工不连续；

⑤盾构土仓压力波动剧烈，导致掌子面容易失稳；

⑥地层自稳性极差。

通过以上问题的汇总及分析，推测出导致以上问题的主要原因有：

①砂性土没有粘聚力，导致在土仓、螺机内的渣土和易性不好，相同螺机转速、螺机后门开口的情况下，渣土流速不稳定、掌子面土压力波动剧烈，不易掌控、刀盘扭矩持续增大，波动频繁；

②砂性土自稳性极差，无法形成塌落拱，导致本应填充同步注浆的盾尾建筑空隙内地层中的砂子填充，地层随即产生沉降；

③砂性土中基本没有粘聚力，地下水的侧压力系数几乎达到0.8，水土压力较大；

④饱和粉细砂层中的砂土液化现象严重，由于刀盘搅动及盾构机推进过程中本身的扰动，导致刀盘前方、盾体上方、盾尾后部的砂土均存在一定程度的液化现象。

2.2 主要解决方法

2.2.1 砂性土没有粘聚力，出渣和易性不好，出渣及刀盘扭矩不稳定

主要解决措施有：

采用以膨润土为主，泡沫为辅的渣土改良方案，利用充分发酵后的钠基膨润土悬浊液的粘性及渗透性、利用刀盘前方的膨润土泵送蝶阀及刀盘、土仓后壁的搅拌棒，使原状的粉砂、细砂与钠基膨润土充分充分搅拌均匀，人为向原状地层中补充粘粒，提高刀盘前及土仓内渣土的粘聚力、吸收饱和粉细砂中的游离水，从而达到保证渣土流动性、和易性、出渣连续性的效果。

2.2.2 砂土自稳性差，在同步注浆固结之前地层已发生沉降

解决措施为：

①采用双液浆作为同步注浆材料，利用水泥-水玻璃的快速初凝，可以达到在砂层失稳前即已完成填充并具有抵挡砂层继续失稳趋势强度的同步注浆，可以较好地解决砂层在同步注浆时及同步注浆后砂层持续沉降无法控制的问题。但是由于本工程所采用的“中铁8号”EPB盾构机不具备采用双液浆进行同步注浆的条件，所以此方向无法继续实验与研究，仅能作为是供参考。

②低干缩性、高泵送性的同步注浆材料目前主要采用“厚浆”，即：塌落度在180mm以下，稠度在10～13cm之间的惰性浆液，其主要组成材料为粉煤灰、中砂、水及外加剂。

③地下水侧压力数大，地下水压大。

主要解决措施有：

渣土改良方案采用膨润土，利用充分发酵后的钠基膨润土悬浊液的粘性及渗透性、利用刀盘前方的膨润土泵送蝶阀及刀盘、土仓后壁的搅拌棒，使原状的粉砂、细砂与钠基膨润土充分充分搅拌均匀，人为向原状地层中补充粘粒，提高刀盘前及土仓内渣土的粘聚力、吸收饱和粉细砂中的游离水，起到一定的隔水作用，人为降低土层中地下水的侧压力系数，降低地下水压力；通过“类粘性土”在螺机内的堆积，形成土塞，可以有效地、显著地降低螺机发生喷涌的可能性；在盾构推进过程中，在以郎肯土压力为理论水土合算计算出的理论土压力的基础上，增加0.2bar作为预备土压力，保证盾构在掘进过程中的土仓压力高于地层土压力，保证盾构刀盘通过前、盾体通过时的地层不发生沉降。

3 具体施工改进措施及实施过程与效果

3.1 土仓及刀盘前改进措施

3.1.1 掘进参数改进

采用高土压、高刀盘扭矩、大贯入度、低螺机转速的盾构掘进参数系统，以控制出土量及保证施工连续性为盾构参数的设置原则。以理论计算土压基础上再增加0.1～0.2bar左右的土压力为土仓压力设定值。以渣土松散系数1.2左右来控制出土量（包括泵送进入土层的膨润土、泡沫等材料），每环出渣量控制在56m3左右。保证螺机转速控制在3r/min左右，通过螺机低转速，来确保出土量的控制的限界以内。

3.1.2 渣土改良方案改进

采用以钠基膨润土+泡沫的渣土改良方案，以钠基膨润土为主，泡沫为辅。膨润土采用质量1∶4配置膨润土悬浊液，并发酵24小时以上，发酵后膨润土粘度控制在20s左右，膨润土按每环12m3左右使用。泡沫采用90～95%压缩空气和3～5%泡沫溶液混合而成，泡沫溶液由3%的泡沫添加剂原液与97%的水混合而成。在必要时可以提高泡沫原液用量，泡沫溶液配比可以达到5%的原液+95%水配置。泡沫原液按照30~50L/环考虑，根据试掘进情况调整。有必要时，采用高分子聚合物进行渣土改良。

3.1.3 出渣性状跟踪及测量

对每一环的出渣性状进行塌落度测量。每环进行两次，取土样不得在渣土车内进行，土样必须取自螺机出口，控制渣土塌落度在180mm~220mm之间。对每一环的渣土温度进行测量。每环进行4次，保证渣土温度在35℃以内。

3.2 盾尾及同步注浆改进措施

3.2.1 同步注浆浆液实验对比情况

区间左线盾构始发段施工采用水泥砂浆进行盾构同步注浆，浆液配比为：细砂：粉煤灰：膨润土：水泥：水=840:380:60:140:380。浆液配置初凝时间为6～8小时，终凝时间为23～25小时；水泥砂浆干缩率为0.8%左右（现场实验室测定，除去表层泌水，准确性有待考证），初凝强度为0.8～1.2MPa左右。

区间左线自277环以后，采用惰性浆液进行盾构同步注浆施工，试验后确定浆液配比为：中粗砂：粉煤灰：熟石灰：钠基膨润土：水：羧基高效减水剂=900∶300∶80∶60∶350∶3。配比实验浆液初凝时间为18小时左右；浆液稠度控制在10～12cm之间；厚浆浆液干缩率为0.05%（现场实验室测定，除去表层泌水，准确性待考证）。

3.2.2 盾尾密封刷改进措施

区间左、右线施工用盾构机均采用三道唇形盾尾密封刷；共布置四个点位、八个油脂注入孔。由于盾尾刷在管片压紧后，实际有效的盾尾油脂腔容积较小。为保证盾尾油脂的泵送性能，项目部在中铁装备厂技术人员的帮助下对盾尾刷进行了部分改造。

①改短盾尾油脂孔处的盾尾刷。

将盾尾油脂注入孔附近的盾尾刷钢丝刷加工成10cm×5cm的矩形开口，保证盾尾刷被管片压紧时不阻碍盾尾油脂均匀顺利的泵入盾尾油脂腔，保证在相同的盾尾油脂注入压力下，能有更多的盾尾油脂充填入盾尾油脂腔。

如图1所示。

②改短第二道整圈盾尾刷的钢丝刷长度。

为保证第一及第二道盾尾油脂腔的油脂饱满程度，避免出现盾尾油脂在油脂腔内出现空腔现象，将第二道盾尾刷的钢丝刷剪短3～5cm。

如图2所示。

3.2.3 二次补浆改进措施

由于采用厚浆作为同步注浆材料，鉴于厚浆凝结时间长的主要原因是因为浆液内没有水泥而采用熟石灰作为胶凝材料，所以，二次补浆的浆液采用水泥单液浆作为补浆材料。每5环进行一次二次补浆，二次补浆以注浆压力为控制标准，注浆压力不高于0.8MPa。

3.2.4 盾尾后施工止水环改进措施

鉴于盾构施工地层为富水粉细砂地层，地层自稳性、成拱性极差，容易发生盾尾一脱出管片既已发生了地层沉降的现象，为保证同步注浆及二次补浆能够顺利注入管片壁后（水土压力过大及盾尾后建筑空隙过小，导致无法注入），每10环进行一次盾尾后30cm注入聚氨酯的止水环施工措施，建立相对稳固的盾尾后方压力环境，保证同步注浆及二次补浆的注浆泵能够顺利的将同步注浆材料及二次补浆材料顺利的打到地层中去。

4 地表及管线沉降数据分析

广～新区间左线隧道下穿DN1200自来水管线期间，据2014年7月22日上午至27日晚监测数据显示：刀盘在到达地表测点下部前该测点累计沉降为2~3mm；盾体通过时累计沉降为6~7mm；盾尾脱出后沉降速率明显降低，累计沉降为12mm左右。盾体通过中根据目前监测数据显示地表沉降规律大致为：刀盘通过前、盾体通过中、盾尾脱出时沉降量减小，地表稳定的周期为30小时左右。

可以判断出，在富水粉细砂地层中的盾构掘进，想在盾构第一阶段沉降时通过保压造成地层一定量的隆起基本不可能实现，沉降发生最剧烈的阶段为第二、第四阶段的沉降，而第五阶段的后续长期沉降基本上没有或者无法测量得出结果。

5 盾构施工情况分析及所取得施工控制体系

通过坚持试验段所取得的实验成果，广～新～国区间左右线前后5次，安全累计下穿长度达853m的DN1400（1991年铺设）、DN1200（1982年铺设）带压砼源水管，累计沉降控制在15mm以内，没有出现爆管情况，保证了郑州市三分之二以上城区居民的日程生产生活用水，取得了郑州市人民及郑州市轨道公司的高度赞赏。

为保证盾构在富水粉细砂地层条件下的安全顺利掘进，特别是在城市这种施工安全与施工效益紧密挂钩的地区，保证施工安全是实现项目盈利的首要前提条件。为了达到这一目标，项目部通过这次成功下穿的经验总结了一套行之有效的盾构施工控制体系：

①保证盾构土仓压力在掘进过程中维持在比理论试算土压力高0.1～0.2bar的压力值，持续、稳定的保压推进；

②每环盾构出土量控制在56方左右，虚方系数控制在1.2左右；

③采用膨润土为主，泡沫为辅的渣土改良方案，每环保证至少注入11方以上的膨润土；

④逐步增大同步注浆压力、增大同步注浆量，保证同步注浆压力控制在3bar左右，同步注浆量控制在6方左右；

⑤严格按照3至5环进行一次水泥单液浆的二次补浆，注浆量控制在2方左右；

⑥采用聚氨酯每10环做一道止水环，保证盾尾密封及盾构同步注浆的填充压力；

⑦实行24小时地表巡视监控制度，确保第一时间得出监测数据指导盾构施工。

在施工控制体系下，通过加强施工全过程管控，盾构法施工取得了显著成效。从经济效益的角度来分析，虽然盾构法的施工成本略高于浅埋暗挖法，但是对于广～新～国区间左右线这样地下水位高的隧道工程来讲，采用浅埋暗挖法必须另外花费大量成本来配置许多辅助措施，所以相比之下，盾构法的工程造价反而更低。具体数据详见表1。

6 结论

采用盾构法施作广～新～国区间左右线隧道工程，突破了浅埋暗挖法所受的地层结构、地址条件等种种限制条件，并且在盾构施工中，通过施工控制解决了盾构出渣性状波动剧烈，出渣不连续；盾尾漏水、漏沙、漏浆等技术问题。此外，盾构施工期间地层稳定，没有出现爆管情况，工序调控得当，工程质量达到了设计要求，因此，建议将盾构法大规模推广应用到城市轨道隧道工程建设中。

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参考文献：

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