成都地鐵4號線砂卵石地層土壓平衡盾構施工技術

馮歡歡，楊書江

(1.中鐵隧道集團盾構及掘進技術國家重點實驗室，河南鄭州 450001;2.中鐵隧道股份有限公司，河南鄭州 450001)

0 引言

盾構在砂卵石地層掘進時易出現刀盤刀具磨損、刀盤及螺機卡機等常見故障現象和滯后沉降等控制難點。針對盾構在砂卵石地層條件下掘進的特點，研究人員已從刀盤選型及優化設計、刀具磨損規律、同步注漿技術和地層沉降控制等方面進行了相關研究。張明富等［1］采用最新動態監測裝置，對北京地鐵4號線4標角門北路站—北京南站區間隧道盾構刀具進行磨損監測，并對砂卵石地層條件下盾構刀具動態磨損情況進行了分析;黃清飛［2］采用理論分析、現場實驗及盾構模型實驗等手段對砂卵石地層盾構刀盤刀具設計及其與土相互作用進行了系統深入地研究;王振飛等［3］對富水砂卵石地層大直徑盾構刀具的磨損與適應性進行了分析;宋克志等［4］和馬連叢［5］分別進行了砂卵石地層條件下土壓盾構施工泡沫技術和渣土改良技術的研究;楊書江［6］對成都地鐵某富水砂卵石盾構區間地表坍塌原因進行初步分析，并結合工程實踐提出相應的施工對策;何川等［7］對土壓平衡盾構在富水砂卵石地層中的快速掘進技術進行了初步探討;王樹華［8］針對成都地鐵砂卵石地層特點進行了盾構選型探討;江華［9］以北京地區典型砂卵石地層盾構工程為背景，研究了土壓平衡盾構與砂卵石地層的適應性特征。本文基于成都地鐵4號線一期工程4標區間砂卵石地層條件下盾構施工情況，著重對小半徑曲線段掘進、滯后沉降控制等工程難點進行分析，并提出相應應對措施。

1 工程概況

成都地鐵4號線一期工程4標區間隧道起于蘇坡立交站東端，止于草堂路站西端。區間隧道線路見圖1。

圖1 區間隧道路線示意圖Fig.1 Route of the running tunnel

該區間盾構穿越地層主要為:粉質黏土〈2－3〉、粉土〈2－4〉、細砂〈2－5〉、中砂〈2－6〉及卵石土〈2－8〉。其中，卵石地層主要包括:松散卵石土〈2－8－1〉、稍密卵石土〈2－8－2〉、中密卵石土〈2－8－3〉和密實卵石土〈2－8－4〉。卵石含量50% ～75%，粒徑以20～80 mm為主，部分粒徑大于100 mm，充填物為中砂，局部夾漂石。該地層特點是整體松散、自穩性較差、經擾動后極易塌方，洞內和地面加固效果差。

2 掘進參數控制

盾構施工的關鍵是掘進參數的合理選擇。施工時，根據地質環境和施工條件的變化，嚴格控制和靈活調整盾構掘進參數，主要包括土倉壓力、出渣量、刀盤轉速和扭矩、掘進速度和推力、注漿壓力和流量等。

2.1 土倉壓力控制

由于區間隧道為砂卵石地層，采用土壓平衡模式掘進，刀盤極易“卡死”而造成推進困難，因而采取適量欠壓模式掘進［10］。土倉壓力通過采取設定掘進速度、調整排土量的方法建立，并以維持切削土量與排土量的平衡為基準。在盾構掘進速度一定的情況下，主要通過調整螺旋輸送機的轉速來調整出土量，以維持土倉壓力的相對平衡。盾構隧道覆土厚度9～13 m，掘進時土倉上方壓力保持在0.1 MPa左右、土倉下方壓力保持在0.08 MPa以上為宜。

2.2 出渣量控制

盾構在砂卵石地層掘進時，出渣超量會造成地面沉降超限，因此，必須將出渣量作為各項掘進參數的重點加以嚴格控制［11］。出渣量采用體積與質量雙重控制機制，螺旋輸送機出土以保證土壓值的穩定為前提，不能過大波動。

施工中對渣斗車進行分格量化，從渣斗車頂往下每10 cm所對應的渣土數值進行精確計算，確保快速確定每環出渣量。掘進時采取渣土改良措施增加渣土的流動性和止水性，密切觀察螺旋輸送機的栓塞和出土情況，以及時調整添加劑的摻量。螺旋輸送機轉速一般控制在7～10 r/min為宜。

2.3 刀盤轉速及扭矩

因富水砂卵石地層自穩性差，如刀盤轉速過高，將加大刀盤、刀具的磨損，同時對土體擾動也會加大，不利于土體自穩，因此需適當降低刀盤轉速［12］。刀盤轉速控制在1.0～1.2 r/min較為合適，刀盤扭矩控制在3 000～4 600 kN·m為宜。

2.4 掘進速度和推力

理論上，只要有足夠的推力就能獲得足夠的掘進速度，但在刀盤轉速一定的情況下，掘進速度越大，刀盤貫入度也越大，在粒徑大的密實卵石層中極易出現卡刀盤等不良現象。

推力的大小依據掘進速度來調整，過大會引起刀盤向掌子面的正壓力增大，對刀盤扭矩控制不利。另外，推力也易受到土壓變化的影響，從盾構總推力的構成分析，除了要克服盾體前進時的摩擦力和刀盤正面破碎巖石的正壓力外，還要克服土體對掌子面的正壓力，該項目盾構掘進速度與推力分別控制在45～55 mm/min、10 000～13 000 kN范圍內為宜。

2.5 同步注漿壓力和流量

注漿壓力和注漿量是同步注漿的關鍵數據。

1)注漿壓力。同步注漿最大壓力根據底層的水土壓力大小來確定。從盾尾圓周上的4個點同時注漿，上部2個注漿孔的壓力控制在0.15～0.2 MPa，下部2個注漿孔的壓力在0.2～0.25 MPa;

2)注漿量。漿液注漿率按1.5～2.2計算，每環同步注漿量按6 m3進行控制。

3)注漿速度。注漿速度和推進速度保持同步。

2.6 二次注漿參數

盾構欠壓模式掘進過程中，易造成地面沉降，因此二次注漿至關重要。

1)當盾構正常掘進時。在富水砂卵石地層同步注漿漿液終凝時間長，為防止漿液流動，利用管片吊裝孔孔位對管片背后進行補充注雙液漿，每隔10環封閉1圈。

2)當盾構掘進出現超挖時。在出渣超量相應位置，利用管片吊裝孔及時對管片上方進行注漿填充，以防止地面塌陷。

3 工程難點及對策

3.1 管片整環旋轉現象

拼裝成型的管片與設計要求的拼裝位置相比較，旋轉了一定的角度。當進入圓曲線后，不易調整，同時也增加了封頂塊的拼裝難度。

3.1.1 原因分析

1)千斤頂油壓差大，管片受力不均勻產生相對轉動;管片位置安放不準確，導致拼裝時形成旋轉。

2)千斤頂的受力方向與環面不垂直，盾構推進時產生導致管片轉動的力矩;管片螺栓孔和螺栓之間一般留有3 mm的間隙，給2環管片之間相互錯動提供了條件。

3)盾構刀盤長時間往一個方向旋轉，盾構自身的反扭矩使管片旋轉。

3.1.2 應對措施

1)控制好盾構推進的姿態，每組千斤頂的油壓差避免過大;調整好管片環面的角度，減少推進過程中產生的轉動力矩;拼裝管片時管片要放置正確，千斤頂靠攏時要有足夠的頂力使管片不發生相對滑動;管片拼裝時，每個油缸的撐靴在頂到管片上時，要全部扶正，盡量使管片受力均勻。

2)拼裝機操作時要動作平緩。

3)盾構主司機在掘進過程中，根據滾動角及時調整刀盤的轉向。

3.2 小半徑曲線段掘進控制

3.2.1 難點分析

盾構到達清江中路后，需經過1個小半徑曲線段(R=400 m)。盾構在小半徑曲線段掘進過程中，遇到的施工難點主要有:1)隧道軸線控制難度大，糾偏困難;2)管片在水平分力作用下容易發生較大的位移，造成管片錯臺;3)對地層擾動大，容易產生較大的地面沉降;4)管片易產生開裂和破損;5)漏水現象嚴重。

3.2.2 解決措施

對于小半徑曲線段轉彎的難點，主要從盾構掘進參數、盾構設備(鉸接裝置)和管片選型等方面來采取措施。

1)糾偏與隧道軸線控制措施。掌握好左右兩側油缸的推力差，盡量減小整體推力，實現慢速急轉;盾構主司機根據地質情況和線路走向趨勢，使盾構提前進入相應的預備姿態，減少因后期不良姿態引起的糾偏量。

2)控制管片水平移動。進入緩和曲線段時，將盾構姿態往曲線內側偏移15～20 cm，形成反向預偏移，抵消后期管片向曲線外側的偏移量。

3)減小對地層的擾動，避免大的沉降。

4)盡量避免錯臺和破損。

5)減少漏水。①做好盾構姿態控制，避免管片推裂變形;②提高管片拼裝質量，掘進過程中多次復緊螺栓，壓緊止水膠條;③做好盾尾止水注脂及注漿工作。

3.3 滯后沉降控制

3.3.1 滯后沉降過程分析

刀盤切削土體時，掌子面附近土體受其擾動，在刀盤的前方、上方易形成松散帶，從而引起地層損失。這些地層損失隨著時間推移逐漸擴散到地表，并通過地面沉降、塌陷進行釋放［13］。以下分階段闡述成都地鐵4號線砂卵石地層盾構掘進沉降過程。

1)階段1。掘進前，掌子面土體整體穩定，刀盤前方和盾殼上方土體略有松散，松散土體是受上次掘進擾動而自然松散的。掘進前土體狀態如圖2所示。

2)階段2。掘進產生地層損失。掘進時，刀盤前方、上前方原有的松散土體落入土倉，掌子面上方土體出現空隙、空洞，從而形成地層損失。同時，由于砂卵石地層內摩擦角普遍較大，土層具有一定的成拱性，形成的空洞會暫時保持一段時間。掘進時掌子面上方產生空隙如圖3所示。

圖2 掘進前掌子面土體狀態示意圖Fig.2 Diagram of soil condition at tunnel face before boring

圖3 掌子面上方空隙示意圖Fig.3 Diagram of cavity above the tunnel face

3)階段3。即時沉降發展。受重力等因素影響，盾體附近空洞頂部土體逐步松散、不斷剝落，逐漸填滿下方位置，從而使地層損失由盾體附近向上方發展。此階段產生的地面沉降具有即時性、一次性，沉降完成后地面迅速趨于穩定。即時沉降地層損失向上發展過程如圖4和圖5所示。

圖4 即時沉降發展示意圖(發展中)Fig.4 Development of immediate settlement(in developing)

圖5 即時沉降發展示意圖(釋放)Fig.5 Development of immediate settlement(released)

4)階段4。再次沉降。大量降雨過后，地層水位逐漸上升，不斷浸泡、沖刷地層，上層松散土體由于細顆粒被不斷搬運，其土顆粒間隙越來越大，最終再次出現較大空隙甚至空洞，并在地下水流作用下快速向上發展，再次在地面釋放地層損失，造成地面再次沉降、塌陷。再次沉降發展過程如圖6和圖7所示。

圖6 再次沉降發展示意圖(發展中)Fig.6 Development of secondary settlement(in developing)

圖7 再次沉降發展示意圖(釋放)Fig.7 Development of secondary settlement(released)

3.3.2 控制措施

根據以上滯后沉降形成機制分析可知，成都地鐵砂卵石地層滯后沉降產生周期長、突發性強、后期難以發現和監控。因此，必須遵循“防控為主，監測巡視為輔，建立有效應急機制”的治理方針，保障工程質量、維護公共安全。

1)掘進前控制。①掘進前做好地面原始高程測量和記錄;②對即將通過地段進行全面仔細地地質分析，判斷地層實際層狀和土質結構，設定掘進參數值，確定掘進控制重難點;③根據前期分析，在進入困難地段、松散地層前，提前調整好盾構掘進狀態［14］。

2)掘進中控制。①采用土壓平衡模式掘進，保證出渣均勻連續;②進行渣土改良，調整好渣土流態，減少刀盤對地層的過多擾動;③避免強行糾偏，防止超挖而使地層損失增大;④嚴格控制出渣量，并加大同步注漿量，并選點及時進行洞內二次補充補漿;⑤做好各類監測、測量工作，實時掌握地層變形動態。

3)掘進后控制。對盾構通過后的地段進行及時、全面分析，包括掘進原始資料和地面監測資料等。重點分析的參數有:①松散系數、渣土構成、出渣方量和渣土稱重。根據地質圖分析掘進段渣土松散系數，同時參考實際渣土性狀，判斷理論出渣量及超挖情況;②掘進注漿速度、注漿量。根據實際注入的同步漿液、二次漿液情況判斷地層松散情況，并且折算出同步注漿、二次注漿補損情況，評估地層損失量;③地面監測資料。根據地面沉降觀測資料，制作沉降速率圖，并根據沉降情況判斷該段掘進后地層損失情況。通過綜合分析以上各種參數，得出較為精確的地層實際受損情況。

根據分析，對即時沉降正在發生或即時沉降發生后、滯后沉降尚未發生的情況及受掘進擾動影響的地層進行注漿填充(見圖8)。

圖8 頂管注漿示意圖Fig.8 Diagram of grouting

4)建立應急機制。①建立健全應急體系，確保信息渠道通暢;②責任到人、各司其責、分工明確;③設立專用搶險物資庫，預備專用機械和材料;④全天候地面監測和巡視，發現異常及時處理。

5)注意事項。①地面在掘進后一周內塌陷或沉降量大的地段，其下地層基本為自由剝落的松散土，極易發生較大的滯后沉降;②掘進前、掘進中控制的目的是防止超挖、盡量減少地層損失，以控制滯后沉降產生條件;掘進后控制則是著重對可能產生滯后沉降的松散體進行跟蹤處理，彌補其地層損失，從根本上消滅滯后沉降發生條件;③人是關鍵因素。使用經驗豐富的盾構司機進行盾構掘進，技術熟練的工人進行盾構操作及施工，杜絕人為因素造成的沉降超限;④地面塌陷較淺時，采用級配良好的回填土回填，并視情況分層碾夯振實，塌陷深度大時，采用C20素混凝土灌注密實。

4 結論與討論

在成都地鐵4號線施工過程中，根據地質條件的變化及盾構掘進狀態，實時調節刀盤轉速及扭矩、推進速度、推力和注漿量等關鍵掘進參數，有效克服了管片整環旋轉現象，順利完成了小半徑曲線段的施工，在滯后沉降控制等方面也取得了良好的效果，最終實現盾構安全、高效掘進。該工程的實施經驗對富水砂卵石地層的盾構施工具有較好的借鑒意義，拓展了土壓平衡盾構的適用范圍。但在滯后沉降控制方面仍需要進一步研究，如何有效檢測掘進形成的地層損失也是今后研究的重點。

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