盾構在富水粉土粉砂地層中穿越大直徑陳舊自來水干管施工技術研究

高毅

摘 要：針對鄭州粉砂地層具有高滲透性，穩定性差，隧道穿越富水粉砂、砂質粉土層具有滲流液化的特性，在動水壓力作用下易造成開挖面失穩、出渣性狀波動劇烈、刀盤扭矩波動劇烈、盾尾滲漏、螺機噴涌等問題，盾構掘進施工過程中沉降控制難度極大。故以鄭州地鐵2號線廣播臺站至新龍路站盾構區間為例，對盾構在富水粉土粉砂地層中穿越大直徑陳舊自來水干管等重大風險源的施工技術進行探討，希望對類似工程施工具有一定借鑒作用。

關鍵詞：粉土粉砂 盾構施工 大直徑陳舊自來水干管 技術研究

中圖分類號：U455.43 文獻標識碼：A 文章編號：1674-198X（2015）04（c）-0047-02

盾構法施工技術以其特有的智能、安全、地層適用性廣等特點與優勢，越來越多地得到推廣和應用。雖然盾構法施工技術成績斐然，但是由于盾構隧道施工改變了原地層的狀態，必然會引起或多或少的地層位移和地表沉陷，它將影響到鄰近建筑物安全。本文結合鄭州地鐵2號線在富水粉土粉砂地層中土壓平衡盾構穿越大直徑陳舊自來水干管的施工中面臨的問題進行探討，希望對盾構法施工技術在今后的發展和應用中有所幫助。

1 工程概況

鄭州地鐵2號線廣播臺站至新龍路站區間，右線隧道全長1401.125 m，左線隧道全長1396.603 m，外徑6 m，區間隧道埋深為10.3 m～19.1 m，采用土壓平衡盾構施工。主要穿越地層為細砂、粉土、粉質粘土，主要風險源為下穿2條給水管線：DN1400給水管（帶壓源水管）、DN1200給水管（帶壓源水管），因順向斜穿和側穿，影響范圍長，又不具備管線保護和區間線路調整條件，區間施工風險極大。

1.1 工程地質情況

根據地質勘察報告，三個區間盾構穿越及上覆土層主要為：1-1雜填土、2-1粉土、2-3細沙、3-2粉質粘土、4-1粉土、4-2粉砂、4-3細砂層。

1.2 工程水文情況

勘察場地勘探深度范圍內地下水類型為第四系潛水。第四系沖積-洪積（4-2）粉砂及（4-3）細砂為主要含水層，（4-2）粉砂及（4-3）細砂粘粒含量較低，富水性強，透水性好，滲透系數為6～18m/d；地下水水位埋藏變化較小，初見水位埋深為3.0～7.8m，平均埋深為4.81m。

1.3 廣播臺站至新龍路站盾構區間下自來水干管情況介紹

1.3.1管線現狀

經現場實際踏勘與走訪調查發現：DN1400給水管為混凝土管材，管節長度為2m、4m、6m三種形式，接頭形式為承插接頭，內部密封材料為麻繩+砂漿，1991年5月完成管道鋪設，距今22年；DN1200給水管為混凝土管材，管節長度為2m、4m兩種形式，接頭形式為承插接頭，內部密封材料為麻繩+砂漿，為1982年完成管道鋪設，距今31年。2根給水管線的基礎均為原狀土夯實，在轉彎處和檢查井處接頭采用混凝土支墩加強，但整體穩定性較差。

兩條水管為黃河至自來水廠的源水干管，如果發生水管斷裂的情況社會影響極大，地方政府要求必須保證管線的安全。因管道位于主干道下方，不具備加固和保護條件，區間線路也不具備調整條件，只能通過嚴格控制盾構施工沉降來保證管線安全。

1.3.2 管線與隧道位置關系

DN1200給水管與隧道位置關系：區間左線在里程ZDK10+394處與DN1200給水管線投影相交，管線埋深3.05m，距隧道頂部8.2m；區間右線在里程YDK10+446處與DN1200給水管線投影相交，管線埋深3.03m，與隧道頂部距離7.9m。盾構從291環開始斜穿DN1200自來水管線（斜穿距離從隧道中心線到管線邊線9m開始計算），341環后，盾尾從東邊出自來水管線。

DN1400給水管與隧道位置關系：區間左線在里程ZDK11+046.9～ZDK11+262.0段215.1m隧道長度范圍內側穿DN1400給水管線，管線平均埋深2.89m，與隧道頂部距離在6.9～12.2m之間。左線盾構掘進至801環開始斜穿DN1400自來水管線（斜穿距離從隧道中心線到管線邊線9m開始計算），905環出DN1400自來水管線。

1.4 盾構穿越全斷面富水砂層出現的問題

根據廣-新區間左線掘進600環、右線始發25環的施工經驗總結，盾構在較大埋深、高地下水、全斷面粉細砂地層中的掘進施工容易產生的問題有：（1）盾構出渣性狀波動劇烈，出渣不連續；（2）同步注漿易堵管、無法保證注漿量；（3）盾尾發生漏水、漏沙、漏漿；（4）盾構刀盤扭矩波動劇烈，盾構施工不連續；（5）地層自穩性極差等。

由以上主要問題所導致的其他次生問題主要有：（1）地表沉降在刀盤到達前即已開始，在脫出盾尾時沉降速率達到最大，地表沉降控制困難；（2）盾構螺機噴涌、頻繁超挖；（3）管片脫出盾尾后的建筑間隙被砂層迅速填充，同步注漿漿液無法起到填充、支撐作用；（4）同步注漿漿液自盾尾間隙內漏出，導致同步注漿壓力注漿量不夠。

1.5 出現問題的原因分析

通過以上問題的匯總及分析，推測出導致以上問題的主要原因有：（1）砂性土沒有粘聚力，導致在土倉、螺機內的渣土和易性不好，相同螺機轉速、螺機后門開口的情況下，渣土流速不穩定、刀盤扭矩持續增大，波動頻繁；（2）砂性土自穩性極差，無法形成塌落拱，導致本應填充同步注漿的盾尾建筑空隙內地層中的砂子填充，地層隨即產生沉降；（3）砂性土中基本沒有粘聚力，地下水的側壓力系數幾乎可以采用1.0，水土壓力較大；（4）飽和粉細砂層中的砂土液化現象嚴重，由于刀盤攪動及盾構機推進過程中本身的擾動，導致刀盤前方、盾體上方、盾尾后部的砂土均存在一定程度的液化現象。

1.6 所采取的針對性措施

針對以上問題與原因分析，主要采取兩項針對性措施。

（1）采用以膨潤土為主，泡沫為輔的渣土改良方案。改善渣土在刀盤前、土倉內及螺機內的和易性及孔隙比，到達較好的渣土流動及連續性，穩定的刀盤扭矩的目的。利用充分發酵后的鈉基膨潤土懸濁液的粘性及滲透性、利用刀盤前方的膨潤土泵送蝶閥及刀盤、土倉后壁的攪拌棒，使原狀的粉砂、細砂與鈉基膨潤土充分攪拌均勻，人為向原狀地層中補充粘粒，提高刀盤前及土倉內渣土的粘聚力、吸收飽和粉細砂中的游離水，從而達到保證渣土流動性、和易性、出渣連續性的效果；通過“類粘性土”在盾構機體周邊的包裹，使盾構推進產生的震動、擾動不易使周邊土體產生“液化反應”；同時，高效發酵膨潤土的注入也能同時潤滑刀盤，起到降低刀盤扭矩的作用。通過“類粘性土”在螺機內的堆積，形成土塞，可以有效的、顯著的降低螺機發生噴涌的可能性；在盾構推進過程中，在以郎肯土壓力為理論水土合算計算出的理論土壓力的基礎上，增加0.2bar作為預備土壓力，保證盾構在掘進過程中的土倉壓力高于地層土壓力，保證盾構刀盤通過前、盾體通過時的地層不發生沉降，甚至留有一定隆起量作為“安全儲備”。

（2）改善同步注漿系統及漿液，采用干縮性較小、可泵送性較高能夠保證較高的盾尾注漿壓力的同步注漿漿液，配套采用能保證較高盾尾壓力的盾尾密封系統，使在砂層失穩前同步注漿漿液即已達到強度。

由于本工程所采用的盾構機不具備雙液漿進行同步注漿的條件，所以只能改良同步注漿材料，采用低干縮性、高泵送性的同步注漿材料目前主要采用“厚漿”，即：塌落度在180mm以下，稠度在10～13cm之間的惰性漿液，其主要組成材料為粉煤灰、中砂、水及外加劑。另，采用此方法必須同時滿足盾尾密封系統能滿足8bar左右的同步注漿壓力的要求，不然無法滿足“厚漿”注入量的要求。

具體措施：通過采用粉煤灰、中砂、水及外加劑為主要材料的“厚漿”進行同步注漿材料，其拌制設備可以沿用水泥砂漿的攪拌系統，但是在運輸管路及下放閘口處需要進行改進處理，保證“厚漿”比水泥砂漿流動性降低后仍能較快的從漿液拌制桶到達漿車。盾構機用同步注漿施魏因泵可以泵送水泥砂漿與“厚漿”，盾構機用的同步注漿系統不需要做出調整。對盾構盾尾密封系統進行改進：對盾構機的前兩道盾尾刷進行鋼絲刷剪短3cm處理，擴大盾尾密封腔的容積，保證盾尾油脂在三道盾尾刷之間充分填充，并能在推進過程中管片不斷脫出盾尾的磨刷情況下，有足夠存量的盾尾油脂能夠對盾尾刷與管片之間的間隙進行填充與密封，盾構油脂應采用具有良好泵送性能、隔水性能、粘性好、纖維長的油脂盾尾油脂。

2 結語

通過對上述盾構區間施工問題的分析和研究，采取了針對性的措施，順利完成了富水粉土粉砂地層復雜環境下盾構穿越大直徑陳舊自來水干管的施工，未發生任何安全質量事故。對鄭州地鐵二號線的建設解決了一重大問題，值得相似工程參考借鑒。

參考文獻

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