大直徑盾構施工主要問題及勘察技術措施

郭紅梅

（1.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京 100101；2.城市軌道交通深基坑巖土工程北京市重點實驗室，北京 100101）

北京某市政改造工程入地段隧道擬采用直徑15.5m的盾構施工，沿線穿越多處地表水體、地鐵、鐵路、地下管線及建筑物和構筑物等多處環境風險點，對地層擾動引起的地層沉降控制難度大。本文通過對大直徑盾構施工中存在的盾構選型、豎井基坑支護、地下水控制及豎井加固等主要問題進行分析，并采取相應的針對性勘察技術措施。

1 工程概況

隧道長7346m，設南、北盾構井各一處，中間設豎井一處，大盾構直徑15.5m,隧道底板埋深28.0～60.0m，中部豎井及南、北側豎井基底埋深為42.5m和26m。

1.1 工程特點

環境超敏感，安全環保控制標準高，平均月進度指標達300m，掘進工期計劃24個月，屬同類地層中最高進度指標。

1.2 地層分布情況

盾構穿越粘性土、粉土與砂層互層，以高密度富水砂層為主，地層沉積物的組構、空間相變規律具有較明顯的區域性特征和過渡漸變性，具有典型的多沉積旋回特征。

1.3 地下水情況

擬建場地85m范圍內存在5層地下水，深部地層承壓水頭高，層間潛水（三）局部地段具有承壓性，承壓水頭約5m，承壓水（四）水頭高度約17m，承壓水（五）水頭高度約27m，承壓水（六）水頭高度約32m。

2 主要問題分析

2.1 盾構選型

盾構機長距離穿越富水高密砂層，部分地段砂層標貫值超過120擊，最大泥水壓力達6bar，施工難點多，對盾尾密封要求高，刀盤刀具磨損大，泥水長距離輸送管路磨損嚴重，進排漿泵站、管路磨損后需頻繁更換，設備可靠性要求高，風險高，擬采用間接控制式泥水平衡盾構機。

（1）工程地質特點。密實度高、石英含量高的富水密實砂層對刀具的磨損大，對刀盤外援流動磨損快，需多次換刀，刀盤應具有盡可能大開口率。

（2）泥水壓力控制模式。掌子面結構松軟且下穿建構筑物，地面沉降控制要求高，故采用帶氣墊的間接泥水壓力控制模式。

（3）設備選型針對性設計。盾構機選型，以地質為基礎，在開挖直徑、耐壓能力、基本功能滿足要求前提下，應重點關注一頭一尾。刀盤設計應解決大直徑、長距離、砂層掘進，刀盤、刀具磨損，安全有效換刀、常壓刀盤中心易結泥餅、盾構機姿態調整及刀具狀態監測等難題。刀具布置形式應適應高密實度、高石英含量地層，盾尾密封應能滿足長距離高水壓掘進密封要求，同時考慮更換能力。

2.2 地下水控制問題

豎井處采用地下連續墻（插入隔水層中），深層地下水位觀測井，坑內疏干配合應急減壓井的組合式控制方案。

2.3 豎井基坑支護問題

中間豎井基坑采用地下連續墻+內支撐結構全逆作圍護結構形式，南北兩側盾構豎井基坑采用地下連續墻+內支撐支護方案。

2.4 盾構豎井加固問題

盾構井端頭擬采用高壓旋噴樁加固。

3 勘察技術措施

3.1 施工環境勘察

除應對工程及水文地質條件進行勘察外，還應對土地、規劃、道面交通、環境、供電及給排水設施，地上地下構造物和工程施工等障礙物，構造、土質、地下水、氣體、地層沉降及周邊設施等環境進行勘察[1]。

3.2 勘察試驗項目

（1）顆粒級配。對粉細砂④層、中砂④4層、粉細砂⑤5層、粉細砂⑥5層、粉細砂⑦層、粉細砂⑧層進行界限粒徑及界限系數試驗[2]，詳見表1，為盾構選型及泥漿處理提供數據支持。

表1 砂土層的界限粒徑及界限系數平均值統計表

（2）耐磨礦物成分。對粉細砂④層、中砂④4層、粗砂④5層、中砂⑤4層、粉細砂⑤5層、粉細砂⑥5層、粉細砂⑦層、粉細砂⑧層進行X射線衍射物相分析見表2，石英與長石礦物成分含量較高，其中石英含量平均值達36.5%～46.4%，為盾構刀具磨損性設計選型提供地質數據支持。

表2 砂層的耐磨礦物成分試驗結果

（3）砂層的室內剪切試驗。對粉細砂②3層、粉細砂③層、粉細砂④層、中砂④4層、中砂⑤4層、粉細砂⑤5層、粉細砂⑦層、粉細砂⑧層采取原狀砂樣進行室內直剪試驗，試驗結果見表3，為豎井基坑支護設計提供參數。

表3 砂層的室內直剪抗剪強度指標標準值統計表

（4）粘粒含量。對粉質粘土⑤層、粉質粘土⑥2層、粉質粘土⑦2層、粉質粘土⑧2層進行粘粒含量分析試驗，試驗結果見表4，粘土礦物含量超過25%易形成泥餅，在盾構選型針對性設計及施工中采取針對性技術措施[3]。

表4 土層顆粒組成統計表

3.3 水文地質試驗

（1）抽水試驗及注水試驗。在中部豎井位置針對潛水（二）和層間潛水（三）、承壓水（四）、承壓水（六）布設3組抽水試驗；針對承壓水（五）以及承壓水（五）和承壓水（六）間的相對隔水層粉質粘土⑦2層布設2組注水試驗。根據井結構中各土層所占有效花管長度的比例以及各土層經驗滲透系數比例，對不同地層分層提供建議值，試驗結果見表5。

表5 不同地層抽（注）水試驗測定的滲透系數表

（2）水位觀測孔布置及孔隙水壓力測定。擬建場地在85m范圍內對潛水及各層承壓水進行分層觀測，在盾構區間共埋設孔隙水壓力計監測盾構區間結構范圍內垂向孔隙水壓力，為盾尾密封設計及盾構設計施工提供較為準確的水位數據，監測結果見表6。

表6 地下水位長期觀測孔與孔隙水壓力計監測情況一覽表

（3）粘性土層的室內滲透系數。盾構豎井采用地下連續墻支護，插入下臥相對隔水層一定深度形成落地式止水帷幕，需要查明下臥粘性土層的分布、厚度、連續性及透水性能。下臥粉質粘性土層⑥2層及⑦2進行室內試驗，水平滲透系數為（1.6～7.2）×10-7cm/s，垂直滲透系數為（31.4～7.41）×10-8cm/s，透水性弱。

4 結論

（1）為選擇合適的盾構機型，除應對工程地質及水文地質條件進行勘察外，還應進行場地條件、障礙物、周邊環境、地面和地下障礙物等進行勘察。

（2）盾構機穿越地層的砂層顆粒粒徑及界限系數試驗為盾構選型及泥漿處理提供依據，耐磨礦物成分測定試驗為提供刀具磨損預估依據，粉質粘土粘粒含量試驗為預先解決盾構機結泥餅問題提供依據。

（3）長期觀測孔布設解決深部地下水觀測問題，孔隙水壓力計埋設為盾尾密封設計及盾構設計施工提供水位數據，現場抽水試驗和注水試驗為豎井基坑地下水控制方案選擇提供依據。