盾构穿越砂层关键施工技术

张剑 ZHANG Jian

（中铁一局集团有限公司，咸阳 712000）

摘要： 随着盾构技术的日益成熟，盾构区间施工时，遇到地层也越来越多样。本文重点探讨了在盾构区间施工中，为了穿越全断面砂层及钙质结核区，制定一整套客观科学的技术措施。

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关键词 : 地铁隧道；盾构法；砂层；钙质结核；施工技术

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）23-0122-05

作者简介：张剑（1976-），男，湖南桃江人，毕业于中南工业大学，研究方向为地铁。

0 引言

本文针对郑州地铁盾构施工区间，重点研究全断面砂层及钙质结核区地层中盾构的推力、扭矩、沉降等相关参数，通过研究膨润土与聚合物在全断面砂层中作用，并在施工前开展详细的试验，总结出相对科学的参数，为后续施工提供了经验指导。

1 工程概况及地质情况

1.1 工程概况

郑州地铁一号线碧沙岗站～郑州大学站盾构区间左线长度为1198.039m，右线长度1199.468m，线间距为13m，平面最小曲线半径为320m，纵断面设0.5%～2.75%的“V”字型纵坡，隧道顶埋深9.6m～16.3m，中间设1处联络通道。

区间由郑州大学站西端头以330m小半径始发向西北方向延伸，下穿机械研究所家属院8号楼与青少年宫后，进入碧沙岗公园继续向北延伸，下穿花园酒店后，以320m半径穿过嵩山北路与泰隆大厦停车场后向西延伸拐入建设西路，进入碧沙岗车站。该区间主要位于郑州主干道中原东路与建设西路上及碧沙岗公园，属城市繁华区域，地面建筑物及地下构筑物复杂。（图1）

1.2 工程地质及水文情况

1.2.1 工程地质条件

本区间盾构施工范围土层主要为粉土层、粉质粘土，局部为粉砂，各别粉土钙核含量高，局部富集胶结，在该土层掘进过程中刀盘扭矩及推力会受到影响。

具体见下面土层描述：

第（20）层（Q3al）粉土，浅黄色～褐黄色，稍湿，中密～密实，含锈黄斑、少量浅灰斑、白色钙丝条纹，局部砂感较强，含有少量小钙核和蜗牛碎片。无光泽反应,干强度低，韧性低，摇振反应中等。层底标高93.82-96.59m，层底深度8.9-12.83m，层厚0.9-6.2m，平均层厚3.84m。静力触探Ps平均值为11.74MPa，标贯击数N经杆长修正后的值为16.8。

第（22）层（Q3al＋pl）：粉土，黄褐色～褐黄色，稍湿～湿，稍密～中密，局部稍粘，含铁锈斑、少量浅灰斑，含少量钙质结核。无光泽反应,干强度低，韧性低，摇振反应中等。层底标高88.57-93.79m，层底深度12.0-17.7m，层厚0.5-6.8m，平均层厚3.40m。静力触探Ps平均值为3.05MPa，标贯击数N经杆长修正后的值为18.2。

第（29）层（Q3al＋pl）粉土，黄褐色，稍湿，中密～密实，含有铁锈斑，少量浅灰斑，大量钙质结核，粒径1~3cm。无光泽反应,干强度低，韧性低，摇振反应中等。层底标高86.16-91.15m，层底深度15.5-21.7m，层厚0.40-5.6m，平均层厚2.82m。静力触探Ps平均值为8.96MPa，标贯击数N经杆长修正后的值为19.4。

第（32）层（Q3al＋pl）：粉土，棕黄色～褐黄色，稍湿～湿，中密～密实，含铁锈斑、少量浅灰斑，含少量钙质结核。无光泽反应,干强度低，韧性低，摇振反应中等。层底标高82.26-90.02m，层底深度17.0-23.7m，层厚0.6-4.0m，平均层厚1.75m。静力触探Ps平均值为3.61MPa，标贯击数N经杆长修正后的值为16.9。

第（34）层（Q3al＋pl）：粉土，棕黄色～褐黄色，稍湿～湿，中密～密实，局部粘粒含量稍高，含大量钙质结核，局部富集胶结。无光泽反应,干强度低，韧性低，摇振反应中等。层底标高81.72-87.66m，层底深度18.9-24.0m，层厚0.7-5.3m，平均层厚2.31m。静力触探Ps平均值为7.92MPa，标贯击数N经杆长修正后的值为20.7。

1.2.2 区间水文条件

区间地下水类型为潜水，属弱透水、弱富水层。潜水含水层主要为粉土，有少量粉砂，厚约30m，稳定地下水位16m。场地内地下水位年变幅2.5~3m，多年变幅4~5m，因此确定本场地最高水位埋深为10.0m，水位基本在隧道中部及顶部。由于水位位置基本在粉土层面，粉土层渗透系数较小，粉砂层渗透系数较大，所以隧道内所受到的水压力较小。

2 工程特点、重点、难点

2.1 开挖面失稳

如果盾构开挖面水、土压力无法与盾构机密封舱内压力持平，开挖面就会失稳。在流动性较低的砂性土层中采用土压平衡盾构法作业时，切削下来的土体无法充满密封舱，大粒径砂性土沉积于舱底，小粒径的浮于上层，造成分层离析、表层失水，舱内压力无法平衡开挖面上部的土压力，致使土地失稳。

受高水压力的影响，刀盘切削振动可能造成作业面周围的砂土液化，孔隙水压力升高，有效应力降低，抗剪强度大幅度降低甚至丧失。液化造成管涌流砂导致作业面失稳，继而造成地层大幅度位移，使得相邻的建、构筑物产生差异沉降，管线破损，地表出现严重的沉陷，使建设方蒙受了巨额的经济损失。

2.2 盾构推进时周围土体发生液化导致土体沉降

由于粉细砂层颗粒之间几乎没有吸引力，无法紧密粘连在一起，加之含水量大，使得在循环荷载作用初期就瞬间变形。这是因为当外力挤压颗粒时，颗粒之间的孔隙体积被压缩，孔隙比降低，此时部分有效应力瞬间转移，由超孔隙水压力来承担，土骨架强度损失，土体发生残余变形。当施加的动应力比临界动应力低时，土体颗粒会随着振动时间的延长而不断调整，逐渐适应了压力环境的变化节奏，变形渐渐变得缓和，逐渐形成新的土体结构。最终，在长时间持续振动的作用下，土体结构参数的变化趋势近似平缓，差异性调整基本停止，逐渐形成了新的结构体系；新的土体结构受外部压力的影响，又继续调整结构参数，以获得比较稳定的平衡结构。此时的永久变形值已基本稳定。但是，一旦外部动应力超过临界动应力，土体结构在频繁振动的作用下继续调整内部参数，但是仍无法与新的压力环境相适应。在此阶段，孔隙水压力持续增加，有效应力持续降低，最终造成土体强度大幅度损失，此时粉细砂层就形成了液化状态。

盾构机在砂性土层中向前推进时，设备周围的砂土在频繁的振动作用下极易液化。设备向前推进的速度越快、持续时间越长，土体液化程度越严重，并且可能引起地表发生大幅度沉降。

2.3 密封舱内砂土积聚，切削推进困难

盾构机在砂性土层中向前推进时，如果土体含少量粘粒，往往在盾构密封舱内的压力较高时，无法将渣土顺利排出，如果不及时处理还强行推进，舱内的砂粒失水固结后粘连的更加紧密，会引起千斤顶的顶推力不断增大，并且刀盘的扭矩会加大，对盾构产生更大的阻力，这样有可能损伤刀具，造成主轴承开裂，最终不得不停机整修。

密封舱闭塞的成因：在砂性土体中的盾构作业，密封舱压力往往比在粘性土中盾构时的压力大。砂性土本身存在内摩擦力，含少量粘粒的砂性土经刀盘切削进入密封舱后，少量粘粒所提供的粘结力，会使渣土受密封舱的高压作用发生应力重分布，极易在螺旋出土器的进出口部位形成拱作用，阻断拱外渣土进入出土器的路径，最终导致密封舱闭塞。

2.4 舱内泥砂“结饼”

有的土体黏聚力和内摩擦角较大，盾构机在这样的土层中作业时，密封舱主轴承周围的土体易排水固结形成饼状，若任其发展，整个密封舱最终会被饼状的土充满，造成刀盘扭矩加大，难以切削土体，甚至无法继续盾构。砾质粘性土黏聚力和内摩擦角较大是导致密封舱内结饼的主要原因。在实际施工中，应该提前采取控制措施，适当降低土体的粘聚力和内摩擦角，以确保盾构机正常推进。

3 实际施工参数及方法

3.1 前期施工准备

考虑到全断面砂层的土体特性，为降低刀盘扭矩及推力，减少螺旋机及刀盘的磨损，采用泡沫+膨润土（或高分子聚合物）对渣土进行改良。

通过对盾构前方土体注入浆液使盾构前方土体均匀；加大土的坍落度；降低土的透水性，起到隔水的作用；降低了刀盘扭矩，减少了地基的内摩擦角．提高了挖掘渣土的流动性，改善了盾构机作业参数；减少渣土的渗透性，使整个开挖土传力均匀，工作面压力变动小，有利于调整土仓压力，保证盾构机掘进姿态，控制地表沉降。

3.1.1 地面试验准备

现场取原样砂土100kg，钠基膨润土（300元/t），高分子聚合物，钠基膨润土（680元/t）、取正在掘进区间的已出渣土30kg。

采取高分子聚合物按照1.5:1000、2:1000、3:1000的质量比进行配置，膨润土按照1:6和1:8质量比进行配置。

3.1.2 地面试验阶段

①原状土与盾构渣土试验阶段。

根据塌落度桶100mm×200mm×300mm（体积0.00589立方米）需要称10kg的原样渣土，实测原状土的塌落度为10mm。为比较盾构机能够出渣土的塌落度，取正在掘进出渣区间的渣土实测塌落度，实测塌落度为73mm，表明塌落度必须在70mm以上的渣土能够满足盾构出渣的需求。

②采取高分子聚合物改良渣土试验阶段。

结论：采用高分子聚合物按照1:2000的配比进行渣土改良，改良塌落度控制在82mm。

③采取膨润土改良渣土试验阶段。

采用（680元/t）膨润土进行渣土改良，采用1：8的配比进行改良，改良后渣土塌落度控制在100mm。

结论：根据地面试验结果可得：

方案1：膨润土泥浆：膨润土：水=1:8（质量比）粘度为9.3s，理论渣土的方量为44.6m3，注入量为9方膨润土泥浆，成本为681元/环。

方案2：膨润土泥浆：膨润土：水=1:6（质量比）粘度为10.2s，理论渣土的方量为44.6m3，注入量为9方的膨润土泥浆，成本875元/环。

方案3：高分子聚合物：聚合物：水=2:1000（质量比）粘度为11.7s，理论渣土的方量为44.6m3，注入量为12.1m3，成本为842元/环。

根据比选结果显示：由于方案2和方案3的成本情况接近，方案1的成本情况为最低，在实际掘进过程地层为全断面粉砂层情况下优先采取改良方案1。

3.2 设备保障

3.2.1 停机检修

在盾构机进入砂层前，选择一个地层条件较好，隧道线型平缓、地面建筑物少，管线少的位置进行停机检修。设备检修内容包括：①驱动动力系统，如电机、液压马达、高压油管等；②电气控制系统中的电磁阀、接触器以及传感器；③注浆系统，检修注浆泵、清通注浆管路，使之保持畅通；④渣土改良装置，检修泡沫泵、水泵，及时清理，确保管路通畅；⑤运输系统，含皮带机及电瓶车。设置挡泥板板，根据作业要求适当调整皮带运输机参数，减少设备落泥量；对电瓶车刹车系统进行整修，确保刹车灵敏；⑥检查铰接密封、盾尾密封的密封性能是否符合工程要求。

3.2.2 掘进跟踪维保

在盾构机掘进过程中，对容易出现问题的设备进行重点保养维修，保证设备的正常运转。①每环掘进结束后及时清洗注浆管，保证注浆管路的畅通。②加泥泵每隔一段时间就要开启加泥，防止加泥泵及管道堵塞。③加强设备的电路检修，要定期对重要设备的电路进行跟踪检查与维修。

3.2.3 改善砂层的塑流性、止水性的结构及措施

为了进一步调整砂层掘进中碴土的塑流性、止水性差，采用以下结构及措施：①装配自动泡沫和添加剂注入装置，盾构时，可适当向开挖面注入泡沫和膨润土及其他聚合物，以调整碴土的流动性。②在刀盘盘面和土仓壁处设置了共计8个注入口，其中刀盘4个、土仓壁4个添加剂注入孔，可充分全面地向开挖面和土仓注入泡沫及其他添加剂。③为了防止砂层流塑性、止水性差的现象发生，刀盘开口的设计使碴土进入土仓的通道流畅；土仓空间较大，中心障碍物少，表面平滑，可有效增加添加剂与碴土的混合效率。④刀盘上设有外周5个、内周2个，可以随着刀盘一起转动，辅以仓壁上2个的固定搅拌棒可起到搅拌碴土的功能，对土仓中的废弃土体进行强制搅拌，使注入在开挖面上或土仓中的添加材料（加泥、水、气泡）与切削下来的土体在土仓中进行充分的搅拌，提高土体的塑性流动性，使在园滑土仓中的废弃土体具有良好的流动性和止水性。

3.3 施工参数控制

为盾构机安全通过砂层地段，我们本着保压、快速通过砂层断面。盾构进入砂层前10环作为试验段，根据试验段的掘进来确定后面盾构掘进的施工参数。

根据过砂层前10环试验段的试掘进，通过分析监测数据，确定盾构掘进参数如下：①全断面砂层盾构推力与扭矩明显增大，掘进推力：28000 kN ~34500kN，刀盘扭矩：2000 kN·m ~3200 kN·m，刀盘转速：0.8rpm/min。推进速度在25~30mm/min左右。本区间盾构推力按照每50环进行统计，编制折线图显示每一环推力的变化过程，对于推力进行分析（图6、图7）。②土仓压力：推进过程中上部土仓压力建立在0.16 MPa ~0.18MPa，停机前土压建立到0.20MPa。当盾构机模式为拼装模式时，应控制好土压，下降值不得超过0.06MPa。根据地面监测情况，适当调整土仓压力，确保掌子面的稳定，保证盾构机前方地面隆起1~3mm（图8）。③注浆量和注浆压力：每掘进一环的注浆量为5.5m3~6.05m3。充盈系数约1.55。④掘进速度：盾构机过砂层段时，掘进速度保持在25~30mm/min。⑤出土量：要严格控制出土量，保证进、出土平衡，实际施工中的出土量控制在50m3~55m3。

3.4 施工监测控制

盾构过砂层前，加密监测点的布置，盾构过砂层时，增加地面沉降的监测频率到2次/天，提高地面沉降控制标准（按规范报警值的70%设定砂层掘进报警值），一旦沉降量超限，立即采取措施，并进行二次补充注浆，控制地面和房屋的继续沉降。

4 施工效果

4.1 地面沉降情况

通过采取各种措施，在过砂层地段掘进过程中，地面最大沉降累计量为28.1mm，保证了路面和房屋的沉降量在设计允许范围内，对路面环境的影响很小。

4.2 土体改良情况

通过室内试验和实际应用及监测结果表明：泡沫和膨润土同时使用不仅可以改良全断面粉细砂层的流动性，而且降低了渗透性，既有利于防止喷涌、防止闭塞，通过大量膨润土的注入又降低了地层的空隙，减少了泡沫的消散和损失，保证了仓压的稳定很好的控制了地面沉降。聚合物的使用对喷涌、结泥饼、土塞的问题，在短时间内能起到立竿见影的作用，但由于聚合物较为昂贵，因此正常掘进情况下不使用。可备一部分作为应急物资在喷涌、结泥饼和土塞的事故发生后的应急处理用。

5 结语

本文结合上述各工程，对盾构穿越全断面砂层及钙质结核区关键施工技术进行的一些简单的介绍。由于我国的地下工程正处于发展阶段，许多技术还不够成熟，许多经验还不够完善，而且我国各地地质条件相差较大。所以不同工程在借鉴以前工程的基础上，同时要结合自身的一些特点，选择合理、合适的施工方法。保证工程的安全性、经济性、适用性。

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