淺談富水砂層盾構施工控制措施

韋 珪

（中鐵十八局集團軌道交通工程有限公司，天津 300222）

0 引言

本論文以廣州市軌道交通某標段盾構區間工程為背景，為確保盾構順利穿越富水砂層地帶及地表為淺基礎和無基礎的 175 棟群體房屋，在富水砂層地質試驗段，進行盾構施工管控及施工參數擬定。借鑒成都地鐵盾構穿越富水砂卵石地層的掘進管控方式，擬定非同條件地層的施工管理方式、施工參數。目前富水砂層盾構施工成為研究的熱點問題，本次研究可為盾構穿越復雜地質條件施工提供可靠的技術依據。

1 工程概況

廣州市軌道交通某標盾構區間工程（DK 20+264.92～DK 20+540）下穿既有建筑物（居民區），其中盾構施工段右線 257～372 環，共 174 m；左線 225～257環、307～344 環，共 107 m。開挖面地層多為砂層和黏土層，地質較差，隧道洞頂距地面 10～20 m。線路正上方有不同年代居民房屋 40 棟，總面積 12 066 m2，施工影響范圍（隧道 2 倍埋深，約為 25.0～38.0 m）內有房屋 175 棟，總面積 50 938 m2。受規劃道路拆遷的影響，既有建筑物均有加蓋現象，地表建筑物極其密集。其中多數建筑物為淺基礎或無基礎，少部分為人工挖孔樁基礎，直接坐落在砂層地質上，存在較大施工風險。

根據補勘資料，本工程所處的地質條件較為復雜，隧道穿越的地層主要包括粉細砂、中粗砂、礫砂、黏土層，地下水豐富。選擇試驗段為 YDK 20+790.17～YDK 20+661.23 區間（40～125 環），試驗重點段為YDK 20+745.16～YDK 20+685.16 區間（70～110 環），地質條件與目標區域類似。其中砂層約占 87.2%，黏土層約占12.8%，地表為盾構施工場地與荒地，無建筑物。經過試驗段掘進施工，對渣土改良、掘進參數、洞內注漿、地表沉降等進行分析，工程概況如圖 1～圖 3 所示。

圖2 既有建筑物實物圖及加蓋實物圖

圖3 試驗段與既有建筑物區域縱斷面地質圖

2 試驗段盾構施工控制措施

2.1 施工參數統計分析

為解決砂層中出現的噴涌問題，先對施工參數進行理論分析，在實際掘進過程中，根據出渣量、地面沉降監測數據對施工參數做動態調整。盾構機總推力與掘進速度曲線如圖 4 所示，盾構機刀盤轉速、扭矩、上部土壓、出渣量曲線如圖 5 所示。

根據以上掘進參數采集，試驗段的主要施工參數范圍如表 1 所示。

通過試驗段參數進行統計，該段范圍內埋深 11 m，地層主要是黏土層和砂層，施工過程中總推力 1 200～1 500 T、刀盤轉速 1.4～1.5 rpm、扭矩 1.3～1.8 MN · m、土壓 1.2～1.5 bar、出渣量 60～63 m3、注漿量平均 4.5～5.5 m3，施工過程未出現噴涌、出渣正常、注漿量偏少，主要原因為盾尾漏漿，導致同步注漿量不足引起地表沉降。

2.2 渣土改良

試驗段 70～110 環內砂層約占隧道的 80%，據此情況，利用泡沫劑進行渣土改良。泡沫劑比例為泡沫劑 3%、水 97%，泡沫溶液混合液 10%、壓縮空氣 90%。改良后的渣土流塑性較好，螺旋機出渣口無塊狀渣土流出，渣溫正常且無噴涌現象，渣土改良效果較好。

2.3 注漿施工

同步注漿是控制沉降的主要措施之一，務必做到“掘進注漿同步，不注漿不掘進”，確保每環的注漿足量。同時對脫出盾尾的管片及時進行二次注漿填充穩固，確保周圍土體填充密實，有效控制了后期沉降。同步注漿配比如表 2 所示。

同步注漿是盾構施工的重要工序，注漿飽滿、均勻是控制地表沉降的有力保證。在實際施工過程中考慮土體的滲漏，要求同步注漿量不少于 6 m3/環，而根據實測值，同步注漿一般為 4.5～5 m3/環。同步注漿量偏少，主要原因是因為盾尾刷出現漏漿現象，無法達到足量的注漿量，及時跟進了二次注漿，二次注漿量 2～3 m3/環。盾構施工同步、二次注漿量統計如圖 6 所示。

圖4 盾構機總推力、掘進速度曲線圖

圖5 盾構機刀盤轉速、扭矩、上部土壓、出土量曲線圖

表1 主要施工參數范圍表

表2 同步注漿材料及配合比

2.4 監測結果分析

根據試驗段盾構掘進的沉降數據，將統計數據繪制成地表橫向沉降槽曲線圖和斷面沉降時程圖（圖 7～圖 9）。

D2 監測斷面右線對應 15～20 環， 7 月 5 日刀盤掘進至 D2 斷面，7 月 9 日盾尾通過該斷面，最大沉降出現在D2-8 點位，監測點對應右線隧道軸線，累計沉降量為-26.05 mm。從圖 7 可看出，沉降較為明顯且主要發生在盾尾脫出管片后。

掘進 D2 斷面時，盾構主要施工參數：土壓力穩定在 1.0～1.5 bar，推力控制在 700～900 T，推進速度 5～20 mm/min，同步注漿量約為 4.7～5.7 m3/環，出渣量 64 m3/環。沉降原因主要是同步注漿量偏少導致沉降較大。

D3 監測斷面右線對應 38～42環， 8 月 5 日刀盤掘進至 D3 斷面，8 月 7 日停機進入分體始發第二階段，8 月22日恢復掘進。最大沉降出現在 D3-4、D3-5 點位，監測點對應右線隧道軸線，累計沉降量-14.79 mm。停機后有小量沉降，2 天后趨于穩定。

掘進 D3 斷面時，盾構主要施工參數：土壓力穩定在 1.3～1.5 bar，推力控制在 1 000～1 400 T，推進速度 20～40 mm/min，同步注漿量約為 4.5～5.5 m3/環，二次注漿量 2～3 m3，出渣量控制在 62 m3/環。沉降原因主要是同步注漿量偏少導致沉降較大，掘進土壓導致的沉降影響較小。

D4 監測斷面右線對應 54～56 環，8 月 23 日刀盤掘進至 D4 斷面，8 月 25 日管片脫出盾尾。最大沉降出現在 D4-4 點位，監測點對應右線隧道軸線，累計沉降量 -27.26 mm。8 月 27 日單次沉降 -24 mm 嚴重超標，盾尾脫出管片1.5 天后沉降監測數據超標，砂層區域地表沉降迅速。

掘進 D4 斷面時，盾構主要施工參數：土壓力穩定在1.1～1.4 bar，推力控制在 1 300～1 500 T，推進速度 20～40 mm/min，同步注漿量約為 4.5～5 m3/環，二次注漿量 2～2.5 m3，出渣量控制在 63 m3/環。單次沉降主要原因為同步注漿量不足，二次注漿未及時跟進，導致單次沉降遠超規范值。

圖6 盾構施工同步、二次注漿統計圖

圖7 D2 斷面監測數據曲線圖

圖8 D3 斷面監測數據曲線圖

圖9 D4 斷面監測數據曲線圖

從以上監測數據曲線圖可看出，盾構施工參數基本正常，土壓能夠滿足施工要求。引起沉降的主要原因為盾構施工過程中，盾構機掘進對土體有一定的擾動，即擾動土體在成型管片脫出盾尾后，成型管片與土體之間的空腔未能及時填充充足，土體失穩沉降 1～1.5 天反應至地表。分體始發過程中，盾尾油脂管路長導致漿液注入不及時，密封效果不好導致同步注漿竄入盾尾，盾尾漏漿影響同步注漿量不足，二次注漿未及時補充跟進導致土體沉降速率加大。隧道正上方反應明顯，分析得出以下沉降規律。

（1）盾構掘進到達前，盾構推力的擾動和刀盤的轉動會對地表產生微量的沉降，沉降值穩定在5 mm 之內。盾構機通過后，淺部土體、較深部土體沉降明顯，最終體現為整體沉降。從斷面監測情況看，盾構經過該斷面時，土體趨于穩定需耗時 4～6 天。

（2）盾構右線通過斷面對線間產生擾動，形成 V 型沉降槽。盾構區間左、右線中心間距約 14 m，左、右線凈間距約 8 m，右線盾構掘進引起的左線隧道上方地表沉降10 mm 左右，對左線隧道土體有一定的影響。

（3）沉降槽曲線基本沿隧道中線呈正態分布，一般在軸線處的沉降值最大。隧道洞徑范圍是沉降的主要范圍，離隧道邊線 5 m 處的沉降基本占峰值的 65% 左右。單線施工對地表影響范圍為距中心20 m 左右（隧道頂埋深約 2 倍洞徑時），沉降約在 -5 mm 內。

3 結論

（1）土壓力控制。在以黏土層為主、砂層為輔的地質中，埋深 10.8～11.5 m 時，盾構掘進施工土壓控制在 1.3～1.5 bar 時，地表沉降相對較穩定；在砂層為主、黏土層為輔的地質中，埋深 10.8～11.5 m 時，土壓控制在 1.4～1.5 bar 時，地表沉降相對較穩定。

（2）渣土改良控制。在黏土層為主、砂層為輔的地質中掘進需采用泡沫添加劑， 砂層中適當加大泡沫劑的用量能有效地改良黏土的和易性、降低渣土的溫度、減小刀盤扭矩、減少泥餅產生，渣土改良效果較理想。

（3）出渣控制。本試驗段以黏土層與砂層地質為主，富水較大，出渣經過三重控制，即行程控制、渣土斗控制和門式起重機稱重系統控制。出渣量嚴格控制在 63 m3以內。

（4）注漿控制。注漿初凝時間控制在 5～6 h 以內，必須 4 根管同步均勻注入，通過同步注漿減少砂層快速坍塌，穩定隧道內管片的姿態，在此地層中注漿壓力控制在 2.0～3.5 bar 較為合適。脫出盾尾 3～5 環位置及時配合二次注漿（雙液漿），主要注上半部。同步注漿與二次注漿同時進行，及時填充和穩定管片上方的空隙，避免同步注漿凝固之前地層坍塌。脫出盾尾 10 環后每 3環注入一定量的二次注漿（單、雙液漿），填充同步注漿漿液固結收縮產生的空隙，確保管片外周填充密實。

（5）盾構姿態控制。砂層施工過程中姿態成向上趨勢，富水砂層中為減少上浮影響，盾構機推進施工姿態控制于 -20 mm，嚴格按照規范要求將掘進姿態控制在±50 mm 以內。

（6）盾尾油脂注入量。油脂注入 28～40 kg/環，需確保均勻、飽滿。加強盾構機盾尾刷的檢修，施工時注入足量的盾尾油脂，防止因漿液沖入盾尾刷及第一艙內固結導致的盾尾密封性差、漏漿等不良現象。

（7）地表監測控制。加強地表監測，在原有的監測斷面，在隧道邊線 6 m 范圍外適當增加監測點，加大到 30 m 監測范圍，通過實際數據來分析沉降影響范圍。

（8）穿越風險源前基礎控制。在進入建筑群前對所有設備進行全面檢修，保證設備出勤率，做好施工組織計劃、物資和勞動力配備及資金、技術儲備，保證盾構機連續平穩掘進，順利通過既有建筑群。