成都地鐵富水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)深化研究

黃偉

（中鐵十一局集團(tuán)有限公司城市軌道工程有限公司湖北武漢430074）

成都地鐵富水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)深化研究

黃偉

（中鐵十一局集團(tuán)有限公司城市軌道工程有限公司湖北武漢430074）

以成都地鐵10號(hào)線1標(biāo)富水砂卵石地層盾構(gòu)工程為背景，針對(duì)1號(hào)線、2號(hào)線建設(shè)期間出現(xiàn)嚴(yán)重制約盾構(gòu)掘進(jìn)效率的刀盤刀具嚴(yán)重磨損、頻繁換刀、刀盤結(jié)餅和導(dǎo)致地面多次塌陷事故的地表沉降等現(xiàn)象，開(kāi)展了富水砂卵石地層分析、盾構(gòu)選型及控制參數(shù)分析、現(xiàn)場(chǎng)盾構(gòu)掘進(jìn)和渣土改良、沿線注漿試驗(yàn)，進(jìn)一步提出和總結(jié)了成都地鐵富水砂卵石地層盾構(gòu)施工關(guān)鍵技術(shù)及具體措施。包括：樹(shù)立“排出為主，破碎為輔”的地層處治理念，調(diào)整刀盤和螺旋出土和螺旋出土器的結(jié)構(gòu)形式、刀盤開(kāi)口率、刀盤布置形式，改進(jìn)同步注漿和二次注漿漿液配合比，優(yōu)化渣土改良系統(tǒng)，提升沿線注漿工藝等。施工實(shí)踐表明：以上調(diào)整措施是有效的，10號(hào)線1標(biāo)盾構(gòu)掘進(jìn)效率顯著提高和工程風(fēng)險(xiǎn)大幅度降低。

成都地鐵；富水砂卵石地層；盾構(gòu)施工技術(shù)；深化研究

引言

為了解決城市交通擁堵，國(guó)內(nèi)一、二線城市掀起了一股地鐵建設(shè)的熱潮。繼北京、上海、廣州之后，深圳、武漢、天津、重慶、杭州、成都等城市也陸續(xù)開(kāi)始了地鐵的建設(shè)。其中，成都于2010年開(kāi)通運(yùn)營(yíng)地鐵。根據(jù)成都市地鐵規(guī)劃，到2020年其運(yùn)營(yíng)里程將達(dá)500km。然而，由岷江、沱江、青衣江、大渡河沖積形成的成都平原下分布著廣袤的富水砂卵石地層，與國(guó)內(nèi)其它地方的地層相比，成都富水砂卵石地層具有特殊性，主要表現(xiàn)在“三高”[1]：①地下水位高，水位埋深2.0～5.0m；②卵漂石含量高，含量高達(dá)60～71%；③卵石強(qiáng)度高，單軸抗壓強(qiáng)度50～150MPa。在這種特殊復(fù)雜的地質(zhì)條件下，地鐵盾構(gòu)法施工遇到了許多技術(shù)難題，其中，以刀具磨損、刀盤堵塞結(jié)泥餅和地表沉降三個(gè)方面最為突出。雖然成都地鐵1號(hào)線和2號(hào)線的針對(duì)以上問(wèn)題，采取了盾構(gòu)改造、渣土改良和降水-注漿等技術(shù)手段，積累了一些建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，但由于先前工程的理論研究也不系統(tǒng)，實(shí)際工程幾乎是“摸著石頭過(guò)河”，尚未形成完全成熟經(jīng)驗(yàn)，且多為從某一單一問(wèn)題角度出發(fā)，缺乏整體性認(rèn)識(shí)，因此在進(jìn)度控制和成本控制等方面付出了慘痛的代價(jià)。為了提高施工進(jìn)度和控制施工成本，有必要對(duì)成都富水砂卵石地層盾構(gòu)施工技術(shù)開(kāi)展進(jìn)一步研究。

1 成都地鐵富水砂卵石地層分析

為獲取盾構(gòu)穿越砂卵石地層空間分布情況及力學(xué)特性，選取從簇錦車站開(kāi)挖出的砂卵石土進(jìn)行篩分試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。

表1 砂卵石地層砂空間分布分析結(jié)果

由篩分試驗(yàn)結(jié)果可知，成都地鐵10號(hào)線1標(biāo)盾構(gòu)區(qū)間砂卵石土層中粒徑20～200mm的顆粒所占比例達(dá)到65%以上，小于0.075mm的顆粒所占比例不足3%，卵石含量較高，缺少中間顆粒，級(jí)配曲線不連續(xù)。盾構(gòu)在該類型地層掘進(jìn)施工時(shí)，容易出現(xiàn)開(kāi)挖面失穩(wěn)、坍塌。此外，由于細(xì)顆粒含量少，土體難以形成不透水的塑流體而充滿盾構(gòu)密封土艙，導(dǎo)致排土設(shè)備堵塞、壓力艙內(nèi)結(jié)泥餅等（見(jiàn)表2）。

由地質(zhì)勘察試驗(yàn)結(jié)果可知，盾構(gòu)穿越的砂卵石土層具有較高的含水量，且土層具有很強(qiáng)的滲透能力，其中盾構(gòu)主要穿越的<2-6-4>卵石土層的滲透系數(shù)達(dá)到4.16×10-4m/s。在該土層中進(jìn)行盾構(gòu)施工，極易造成噴涌、掌子面失穩(wěn)等工程事故。另外，<2-6-4>卵石土層的內(nèi)摩擦角較大，對(duì)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的開(kāi)挖裝置和排土機(jī)械的磨損較大，在盾構(gòu)土艙內(nèi)容易造成堵倉(cāng)事故。

表2 各土層物理力學(xué)性能

綜上所述，在富水砂卵石地質(zhì)條件下，盾構(gòu)施工過(guò)程中盾構(gòu)開(kāi)挖面容易失穩(wěn)而發(fā)生地面坍塌。假如施工中采用單純土壓平衡盾構(gòu)施工，會(huì)給工程帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)刀盤、刀具以及螺旋輸送機(jī)等設(shè)備會(huì)磨損嚴(yán)重，對(duì)盾構(gòu)的正常掘進(jìn)非常不利。因此，應(yīng)穩(wěn)定開(kāi)挖面、提高壓力艙渣土的流動(dòng)性與抗?jié)B性、減輕刀具磨損，必須根據(jù)該具體的地質(zhì)條件來(lái)選擇適合的盾構(gòu)設(shè)備及配置、采取適當(dāng)?shù)脑粮牧挤椒ā⒅贫ㄐ碌牡毒呔S護(hù)與更換方案、實(shí)施因地適宜的盾構(gòu)沿線地層注漿加固方法。

2 渣土改良技術(shù)

2.1 原材料及配合比

渣土改良材料選擇界面活性材料和膨潤(rùn)土，由兩套系統(tǒng)分別運(yùn)輸，界面活性材料為德國(guó)巴斯夫公司生產(chǎn)的特殊發(fā)泡劑和壓縮空氣制作成的氣泡，膨潤(rùn)土為鈉質(zhì)膨潤(rùn)土。其它材料有水泥、砂、粉煤灰等，其中，水泥為阿法基P.O42.5水泥，砂為河砂、中砂，粉煤灰為Ⅰ級(jí)。

在盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)的膨潤(rùn)土系統(tǒng)向土倉(cāng)和掌子面注射泥漿混合液，泥漿的注入流量滿足下列關(guān)系：Q（泥漿的流量）=α（泥漿注入率）×Q（渣土的流量）；Q（渣土的流量）=A（掌子面的面積）×V（掘進(jìn)速度）。其中，漿液配合比為：水泥：水：黃砂：粉煤灰：膨潤(rùn)土=1.00：2.50：2.50：3.0：0.625。

界面活性材料為泡沫添加劑3%、水97%組成的混合物，通過(guò)盾構(gòu)機(jī)的泡沫系統(tǒng)注入。泡沫添加劑由90～95%壓縮空氣和5～10%泡沫添加劑混合而成，不同的地層中選擇相應(yīng)的泡沫用量有所不同。在本工程施工過(guò)程中，根據(jù)地下水的特點(diǎn)和改良效果，適當(dāng)調(diào)整了加水量。

2.2 室內(nèi)試驗(yàn)

2.2.1 直剪試驗(yàn)

為測(cè)定盾構(gòu)掘進(jìn)地層中的重塑土以及加入泡沫劑改良土體的抗剪強(qiáng)度參數(shù)（黏聚力c和內(nèi)摩擦角準(zhǔn)值），采用應(yīng)變控制式直剪儀，分別施加50～300kPa的不同垂直壓力，進(jìn)行剪切試驗(yàn)，求得破壞時(shí)的剪應(yīng)力τ，亦即抗剪強(qiáng)度S。以抗剪強(qiáng)度為縱坐標(biāo)/垂直壓力P為橫坐標(biāo)，繪制S～P關(guān)系曲線，然后根據(jù)庫(kù)侖定律得出土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c和準(zhǔn)。其試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示，不同摻量泡沫劑重塑土抗剪強(qiáng)度與垂直壓力關(guān)系如圖1所示（摻量0%時(shí)為未加入泡沫劑）。

成都砂卵石土層的摩擦角較大，抗剪強(qiáng)度較高，在200kPa固結(jié)壓力下的直剪強(qiáng)度為188.238kPa，使得盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中需要維持較大的刀盤扭矩，容易造成盾構(gòu)推進(jìn)困難。由圖1可知，不同比例的泡沫濟(jì)注入重塑土進(jìn)行改良后，其土體的內(nèi)摩擦角和抗剪強(qiáng)度均比改良前有不同程度降低，土體改良效果較為明顯，其中按5%比例的泡沫劑注入后使重塑土體的內(nèi)摩擦角降低最大約5°；按3%比例的泡沫注入后的重塑土抗剪強(qiáng)度與按5%比例的泡沫注入后的重塑圖抗剪強(qiáng)度相當(dāng)，考慮經(jīng)濟(jì)因素，選取3%溶液濃度較為合理。

圖1

表3 抗剪強(qiáng)度參數(shù)

2.2.2 滲透試驗(yàn)

本次試驗(yàn)取重塑砂卵石土以及加入泡沫劑改良后的土體分別進(jìn)行滲透試驗(yàn)。

由圖2可知，砂卵石土層具有較強(qiáng)的滲透性，其滲透系數(shù)為加入泡沫劑后的240～500倍，表明加入泡沫劑改良后的土體抗?jié)B性能明顯提高，若不采取加入泡沫劑改良土體，盾構(gòu)施工極易引起掌子面前方土體固結(jié)及土艙內(nèi)結(jié)泥餅，從而導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)排土不暢，掘進(jìn)困難。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

通過(guò)對(duì)右線第15～19環(huán)不改良渣土與第33～37環(huán)按3%配合比加入泡沫劑改良渣土的2種掘進(jìn)狀態(tài)進(jìn)行比較，其盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)如表4所示。

表4 砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)

由表4不加泡沫劑的掘進(jìn)參數(shù)可知，盾構(gòu)在掘進(jìn)第15～19環(huán)過(guò)程中多次停機(jī)，存在推力大、扭矩大、進(jìn)尺小、刀盤被卡死、出渣量不易控制、姿態(tài)偏差過(guò)大、地表沉降控制相當(dāng)困難等問(wèn)題。在掘進(jìn)至第19環(huán)時(shí)，盾構(gòu)機(jī)最大推力達(dá)到16.273kN，最大扭矩達(dá)到4.59MN·m，推進(jìn)平均速度僅4mm/min，從螺旋輸送機(jī)排出的渣土溫度達(dá)到56℃，不得不停機(jī)，開(kāi)倉(cāng)檢查后發(fā)現(xiàn)刀盤開(kāi)口被泥餅封住，土艙內(nèi)的卵石土潮濕，有結(jié)球現(xiàn)象。在保持掘進(jìn)過(guò)程中土艙壓力一定的情況下，通過(guò)向掌子面注入泡沫后，盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)得到明顯的改善，其中，掘進(jìn)第33～37環(huán)過(guò)程中的平均掘進(jìn)速率達(dá)到44mm/min，且千斤頂總推力降低約22.4%，刀盤扭矩降低約18.3%；在掘進(jìn)過(guò)程中加入泡沫劑后，從土艙內(nèi)排出的渣土均呈流塑狀態(tài)，盾構(gòu)掘進(jìn)正常，且地表沉降得到有效控制。

3 沿線注漿技術(shù)

3.1 傳統(tǒng)注漿技術(shù)在砂卵石地層的不足

在富水砂卵石地層，采用傳統(tǒng)工藝注漿加固存在一下問(wèn)題：①水泥漿由于漿體顆粒大無(wú)法注入密實(shí)砂卵石中；②袖閥管注漿時(shí)，管的頂部封口困難，注漿加固時(shí)漿液向上冒，注漿效果不好。成都砂卵石地層地質(zhì)特殊，常規(guī)的注漿加固方法效果不理想。因此，以往的注漿加固方法應(yīng)用于成都富水砂卵石地層中無(wú)法保證注漿效果。

由于砂卵石地層顆粒間無(wú)膠結(jié)力，整體穩(wěn)定性差，盾構(gòu)穿越時(shí)對(duì)砂卵石擾動(dòng)較大，隧道上方地層易剝層坍塌。因此，成都地鐵盾構(gòu)穿越建筑物時(shí)，必須進(jìn)行盾構(gòu)穿越前的預(yù)注漿和穿越后的二次注漿。此外，成都富水砂卵石地層不適用攪拌樁和旋噴樁進(jìn)行加固施工，一般采用袖閥管注水泥漿的加固方法。與一般地質(zhì)條件相比，砂卵石地層采用傳統(tǒng)袖閥管注漿加固不足之處有：①洗孔過(guò)程中，孔壁周圍的砂卵石向孔內(nèi)塌陷，嚴(yán)重時(shí)砂卵石會(huì)將孔隙全部充滿，導(dǎo)致套殼不能按設(shè)計(jì)下到位，封口位置不準(zhǔn)確，影響注漿效果，同時(shí)，成都砂卵石地層一般是上部松散下部相對(duì)致密，施工過(guò)程中往往是漿液注入表層的松散層，需要注漿加固位置的深層反而未注入漿液。②成都砂卵石層地下水豐富，注入的水泥漿液很容易稀釋并被水沖走，導(dǎo)致注漿效果不好。③對(duì)于致密性好的富水砂卵石層，由于水泥粒徑相對(duì)偏大，無(wú)風(fēng)注入到砂卵石縫隙中，不能加固成一個(gè)整體，導(dǎo)致注漿加固效果不好。

3.2 富水砂卵石地層注漿施工

根據(jù)傳統(tǒng)袖閥管注漿加固在成都富水砂卵石地層的不足，在傳統(tǒng)袖閥管的施工工藝的基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)措施，形成了高富水、高砂卵石含量地層條件下的固定封口、水泥-水玻璃與AB化學(xué)漿液相結(jié)合的注漿施工方法。富水砂卵石地層的注漿工藝見(jiàn)圖3所示。

圖3 注漿工藝

不同于傳統(tǒng)的袖閥管注漿，成都砂卵石地層的注漿材料選擇水泥-水玻璃漿液和AB化學(xué)漿液。其中，水泥-水玻璃漿液采用雙液氣動(dòng)注漿泵將攪拌好的水泥漿和水玻璃按1：1體積配合比注入注漿管內(nèi)（水泥-水玻璃初凝時(shí)間控制在10min左右），經(jīng)注漿管單向閥向加固區(qū)域擴(kuò)散，填充大的空隙并凝結(jié)。當(dāng)氣動(dòng)注漿泵注入壓力達(dá)到3MPa左右時(shí)停止。AB化學(xué)漿液采用氣動(dòng)雙液注漿泵注入。化學(xué)漿液經(jīng)注漿管單向閥注入到水泥－水玻璃漿無(wú)法注入的需加固范圍內(nèi)，擠走此范圍的水，并迅速反應(yīng)與砂卵石粘結(jié)在一起，形成具有一定強(qiáng)度的整體。AB液的初凝時(shí)間控制在3min左右，注入體積為計(jì)劃加固區(qū)域體積的6%（設(shè)計(jì)為加固區(qū)域含水體積的1.2倍）。當(dāng)AB液按計(jì)劃量注入完成后清理現(xiàn)場(chǎng)，注漿加固結(jié)束。若計(jì)劃量未全部注時(shí)，氣動(dòng)注漿泵已經(jīng)無(wú)法泵入，則需要調(diào)整AB液材料配比，需適當(dāng)增加AB液的初凝時(shí)間。此外，無(wú)論是水泥-水玻璃漿，還是AB化學(xué)漿液，在注入過(guò)程中設(shè)備必須完好，不能中途停止。一旦由于某種原因停止，注漿管內(nèi)漿液凝固，不能再次注漿，將無(wú)法達(dá)到計(jì)劃注漿效果。

圖2 滲透系數(shù)與泡沫劑摻量關(guān)系

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)應(yīng)用正確的盾構(gòu)機(jī)配置和選型技術(shù)，成都地鐵施工過(guò)程中刀盤磨損大幅度減輕、渣土改良明顯改善、地表沉降有效控制，提高了盾構(gòu)掘進(jìn)效率和降低了工程風(fēng)險(xiǎn)。

（2）成都地區(qū)富水砂卵石地層采用土壓平衡盾構(gòu)施工，刀盤結(jié)構(gòu)型式及土體改良效果是砂卵石地層盾構(gòu)施工效率、地層適應(yīng)性的主要影響因素，解決好上述兩大因素，可以大大提高土壓平衡盾構(gòu)的掘進(jìn)性能和適應(yīng)性特征，使得該類型地層采用土壓平衡盾構(gòu)施工完全可行。

（3）膨潤(rùn)土、泡沫劑的組合模式被試驗(yàn)證明用于成都富水砂卵石地層土體改良能發(fā)揮較好的土體改良效果。

（4）在成都富水砂卵石地層長(zhǎng)距離快速掘進(jìn)、近距離穿越建筑物及管線、復(fù)雜條件下的始發(fā)達(dá)到施工等方面，仍需要各界同仁不斷摸索經(jīng)驗(yàn)和吸取教訓(xùn)，不斷提高盾構(gòu)施工水平，從而保證地鐵盾構(gòu)施工的安全性、高效性和經(jīng)濟(jì)性。

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U455.43

A

1004-7344（2016）30-0179-03

2016-10-9

黃偉（1980-），男，江西景德鎮(zhèn)人，工程師。