富水砂卵石地層EPB盾構衡盾泥輔助施工關鍵技術研究

謝鐵軍，呂 濤，楊果林，劉 歡，龍 彪

(1.中建五局土木工程有限公司， 湖南 長沙 410004； 2.中南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410075)

土壓平衡盾構(EPB)作為一種快速的隧道施工機械，具有不受出渣限制，掘進速度快，維護方便，使用成本較低等優勢[1]，被廣泛應用于城市隧道及地下工程的建設。土壓平衡盾構通過土艙內土壓平衡掌子面水土壓力，在進行帶壓換刀作業時需要前方土體形成穩定的泥膜保證工作面的氣壓平衡。以往的經驗中，往往采用注入膨潤土或水泥砂漿來置換盾構土艙內的土體[2]，以在刀盤前端位置處形成密實的泥漿護壁，保證施工人員安全。但是，在富水砂卵石地層中，由于其滲水和透氣性較大，使用常規的膨潤土泥漿往往難以保證泥膜氣密性[3]，而使用水泥砂漿雖然能夠滿足前方土體穩定和氣密性要求，但是其造價較高，且不利于換刀后盾構掘進[4]。

盾構在富水砂卵石地層掘進時，由于富水砂卵石地層的特殊性，掘進緩慢，易出現超挖現象，在管片與開挖面之間產生較大空隙，如若處理不當就會產生較大的地表沉降，從而對地面建(構)筑物產生影響。工程上通常采用地面預注漿加固技術和同步注漿的方法進行處置[5-10]。但是，在富水砂卵石地層中，由于其孔隙率較大、透水性強，同步注漿時易產生漿液滲流、串流等現象，注漿效果難以保證，從而導致管片脫出盾尾前同步注漿不密實，造成地面沉降；此外，在盾構隧道下穿城市密集建筑群時，地面超前注漿加固由于場地占用、環保施工等原因往往難以實施。

衡盾泥是一種高黏度的觸變泥漿，具有良好的和易性和粘附性，在水中不易被稀釋帶走。主要用于帶壓開倉作業的泥膜護壁，掘進中地層水量較大時可控制噴涌，在復雜地層中掘進時，空間注入填充可調整盾構機姿態，控制地面沉降[11]。鐘長平等[12]和竺維彬等[13]提出了衡盾泥帶壓開倉泥膜護壁工法及工藝，并將其用于實踐，取得了良好的效果。馬卉等[14]研究了衡盾泥在帶壓開艙時的閉氣保壓效果研究，首次提出了泥膜滲氣系數的概念。張德文等[15]探討了衡盾泥在富水巖溶地層帶壓開倉換刀中的應用，給出了在節理裂隙強烈發育、巖溶水補給異常豐富的地層中實現安全帶壓開倉、高效檢查及更換盾構刀具的衡盾泥輔助盾構解決方案。郭廣才[16]研究了衡盾泥成膜及閉氣機理，量化壓力分級及穩壓時間等指標，確保衡盾泥輔助帶壓開倉閉氣效果，實現了衡盾泥泥膜護壁工藝在海底塌陷地層帶壓開倉中的應用。綜上所述，雖然衡盾泥已經逐步應用于國內盾構施工[17-18]，但是在富水砂卵石地層中的輔助土壓平衡盾構帶壓換刀和掘進施工應用方面鮮見報道。

本文結合衡盾泥的基本特性，將其運用于長沙某電力隧道盾構區間富水砂卵石地層輔助帶壓進艙換刀及盾構下穿建筑群掘進施工。通過形成泥膜后土體氣密性檢測和盾構下穿時地表沉降監測的結果，充分驗證了衡盾泥輔助施工在兩種工況下的可行性，可供類似工程借鑒與參考。

1 工程概況

長沙某電力隧道盾構工程全長6 601.959 m，起訖里程為ZDK0+000—ZDK5+957.012，設置3個盾構工作井、7個電纜出線井。盾構機刀盤開挖直徑為4 350 mm，盾尾外徑為4 290 mm，管片外徑為4 100 mm，內徑為3 600 mm。盾構隧道分為南北兩條單線隧道，其中在北線DK1+705—DK2+190施工段需要穿越富水砂卵石地層，區間隧道平面曲線半徑最小半徑為150 m。在富水砂卵石區間段盾構掘進施工中主要存在以下問題：

(1) 區間下穿卵石地層距離長，土體強度高，掘進過程中對刀具磨損較大，需要頻繁更換刀具。同時，由于本工程沿線透水性地層與瀏陽河二級階地存在水力聯系，河堤兩側地下水會受高水頭影響而存在承壓性，不具備常壓開艙換刀的條件，只能進行帶壓換刀。

(2) 區間側穿洪西小區民房，房屋比較密集，且各土層分布不均，民房基礎均為淺基礎，磚混結構，樁基礎距離線路隧道邊最小距離為14 m，盾構施工易對洪西小區民房造成影響，盾構掘進或停機易造成民房不均勻沉降或傾斜失穩。

(3) 由于富水砂卵石土層級配較差，且存在部分大直徑卵石，盾構掘進過程中易產生超挖現象，地層損失較難控制；此外，富水砂卵石地層中同步注漿存在滲流、串流等問題，注漿效果難以保證。

2 衡盾泥輔助帶壓換刀施工

本文以盾構區間內富水砂卵石地層某次衡盾泥輔助帶壓開艙換刀過程為例，重點介紹衡盾泥輔助帶壓換刀施工要點、衡盾泥作用機理和實際工程效果。

該帶壓開倉換刀作業點在里程DK1+810處，處于萬家麗北路西側輔道及綠化帶位置，東側毗鄰萬家麗高架橋，西側為洪西小區民房，小區距離電力隧道凈距為12.82 m～12.89 m(見圖1)。

圖1 隧道與洪西小區民房位置關系圖

2.1 施工要點

(1) 盾尾后部止水。帶壓進倉前采用管片背后二次注漿和盾體徑向注漿組合的方式對盾尾后部進行封堵止水。倒數第5環、10環、15環、20環、25環進行系統雙液注漿。注漿壓力為0.2 MPa～0.4 MPa，每環的壓漿量一般為1 m3～2 m3，實際注漿量根據注漿壓力進行了微調。區間二次注漿采用水泥漿、水玻璃雙液漿進行,水泥漿采用P.C42.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃采用35Be′(波美度)的濃度,水泥漿漿液水灰比為1∶1；水泥漿與水玻璃的配比(體積比)為1∶1。

(2) 拌制衡盾泥。衡盾泥A液采用洞外拌和方式，通過地面高速剪切泵將衡盾泥A組分和水進行循環攪拌(見圖2)，攪拌時間大于10 min。衡盾泥A液通過電瓶車砂漿車運輸至洞內，衡盾泥A液和B液的混合采取洞內拌合方式(見圖3)。

圖2 A液洞外攪拌裝置

圖3 A、B液洞內混合

根據衡盾泥基本物理力學測試及現場試驗確定各組分配比，試驗結果表明在A料∶水=1.0∶1.5(漿體)，B料∶水=1.0∶1.0，A混合液∶B混合液=15∶1情況下衡盾泥具有較好的工作性能，滿足現場盾構機注漿及富水砂卵石地層的適應性要求。

(3) 衡盾泥-渣土置換

① 置換渣土前，通過打開吊裝孔，對脫出盾尾3～7環管片壁后注入雙液漿施做止水環進行止水。通過前盾、中盾位置徑向孔向盾體外側注入衡盾泥，對盾體進行包裹，并將注漿壓力保持在2.0 bar～3.0 bar。

② 開始置換渣土時，用螺旋輸送機從土艙的底部排渣，同時啟動手動加氣注入系統，保證土艙內壓力穩定。土艙內的渣土排出1/3～2/3后，立即停止螺旋輸送機排渣，通過膨潤土系統向土艙注入衡盾泥，并逐步關閉手動加氣，等到衡盾泥充滿土艙體積2/3后開始保壓，注入過程中亦應保證倉內壓力基本穩定。

③ 置換完成后，加壓過程中縮回鉸接和千斤頂使盾構機回退刀盤5 cm左右，在確保壓力穩定的情況下，邊后退邊注入衡盾泥，以便于更換刀具及在刀盤與掌子面之間建立5 cm左右的泥膜。土艙壓力控制在2.5 bar～3.0 bar，使衡盾泥充分注入刀盤周圍地層，形成氣壓保護膜。

(4) 分級加壓。為了使衡盾泥能更加有效的填充滲透，在漿氣置換前還需要進行衡盾泥梯級加壓。具體方法為：衡盾泥壓入從2.0 bar壓至2.8 bar，共分四個梯次壓入，每個梯次的壓力為0.2 bar，每個梯級共兩個小時的動態穩壓，過程中可以低速轉動(0.1 r/min～0.5 r/min，轉半圈)，以保證注入和滲透的均勻性。當注入壓力達到2.8 bar梯級的時候，進行12 h的動態保壓(2.8 bar)注入。

(5) 漿氣置換。衡盾泥梯級加壓并形成泥膜后，需要對土艙進行漿氣置換，用空氣置換出土艙衡盾泥，開啟螺旋機將衡盾泥排出，降低土艙倉位高度，提供換刀作業面，并利用氣壓保證泥膜及掌子面穩定。

加氣排土階段，以0.2 bar為一個壓力階梯壓力，每個下降階梯須穩壓2 h，波動控制在±0.1 bar左右，到達開倉壓力后，需穩壓6 h。啟動加氣系統后，立即通過倉室的排漿口(球形閥)或螺旋輸送機的排渣口排除衡盾泥(排土時控制不能轉動刀盤，防止螺旋機出土時，產生負壓，破壞衡盾泥泥膜的整體性)，并保持倉室內壓力恒定。

2.2 衡盾泥作用機理

在進行帶壓換刀作業時，需要前方土體形成穩定的泥膜保證工作面的氣壓平衡。在向富水砂卵石中注入一定壓力衡盾泥后，一方面由于衡盾泥是一種高觸變泥漿，具有較好的和易性，注入的衡盾泥會將砂卵石土中受有效應力較小的細顆粒沿著滲流管路遷移，并在掌子面后聚集形成有較多細顆粒的低孔隙率砂卵石土層截面；另一方面，由于衡盾泥具有較強的粘附性，注入的衡盾泥不僅填充土顆粒間的孔隙，同時會在土顆粒表面形成一層穩定的衡盾泥膜，當其受到外界氣壓或者水壓力作用時，可通過衡盾泥與土體顆粒間的粘附力有效抵消外界壓力，在掌子面上形成了一個穩定的氣壓保護膜。

2.3 工程效果評價

泥膜的形成效果通過測試土體的氣密性進行檢測判定。在衡盾泥渣土置換完成形成泥膜之后，根據艙內氣體壓力損失量進行衡量。本實例中，在土艙壓力為2.5 bar～3.0 bar時，2 h艙內氣體壓力損失小于0.05 bar，表明泥膜氣密性合格，泥膜效果良好。

漿氣置換步驟完成后即可進倉進行刀具更換，其余步驟本文不做詳述，完整的衡盾泥輔助帶壓換刀施工流程可參見圖4。

3 衡盾泥輔助盾構下穿敏感建筑施工沉降控制

本項目盾構隧道區間在DK1+705—DK1+772、DK1+881—DK2+010、DK2+130—DK2+180下穿洪西小區民房,盾構施工時對區間地表沉降控制、沿線建(構)筑物及管線的保護是本工程的重點，也是衡量工程建設質量的重要標準。按照設計圖紙，該下穿位置采用袖閥管注漿技術對土體進行預加固，洪西小區民房緊鄰甚至部分位于加固范圍內，但是受地面交通疏解和施工場地條件限制，原設計采用的袖閥管注漿方案難以實施，因此考慮采用衡盾泥輔助盾構實現地表沉降控制。

圖4 衡盾泥輔助帶壓進倉換刀流程圖

為了充分說明衡盾泥輔助盾構方案相對于袖閥管注漿加固方案的優越性，表1從技術方案、施工時間、施工設備、環保施工、場地協調、沉降控制效果以及經濟性等方面對地面注漿加固和衡盾泥輔助盾構進行了綜合比較。從表1可以看出，衡盾泥輔助盾構方案在各方面均優于地面注漿加固方案，特別是在工程預算上由于衡盾泥輔助盾構方案不考慮臨時占地、協調封閉門面及房屋、管線改線等相關費用，能夠顯著降低工程費用，節約資金。

表1 盾構側穿洪西小區注漿加固及衡盾泥方案的優缺點比選表

3.1 施工方法

盾構掘進進入洪西小區民房提前十環開始，通過從盾構機中盾位置的徑向孔處同步注入衡盾泥，及時填充盾構施工過程中由于刀盤超挖造成的盾體與土體之間的空隙，具體施工中要根據盾構機正上方地面的沉降量及時調整。衡盾泥的注入點在中午11點到下午1點鐘位置。衡盾泥注入后，會對盾體與土體間的超挖間隙進行填充，同時在一定注漿壓力下向四周的土層中滲透一部分衡盾泥，形成泥膜，有效的控制同步注漿和二次注漿的漿液向富水砂卵石地層中滲透，確保注漿效果。

3.2 輔助施工監測與評價

(1) 監測方案。盾構富水砂卵石地層掘進過程中，需要對地表沉降進行實時監測，區間地表測點埋設以隧道中心線正上方地表線為基準線 根據區間情況，在軸線走向上按正常區域10 m布置1點，同時每50 m布置1條監測斷面，每斷面為13個點(部分斷面由于周圍環境較為復雜，點位無法全部監測)，在軸線左右兩側分別設點，斷面測點間距為距離軸線3 m、8 m、13 m、18 m、23 m、28 m，對同一橫截面上的監測點位進行編號，其中07號監測點位為隧道中心線正上方地表處，01號和13號監測點位分別位于距離軸線左右28 m處，其他點位依次類推。

(2) 監測結果及評價。為了分析盾構隧道掘進過程中地表沉降在空間上和時間上的特征，隨機選取四個不同的橫截面分析其空間分布(見圖5)，同時選定某一橫截面上的三個監測點分析其隨時間變化的特征(見圖6)。從圖5、圖6可以看出，橫截面上的沉降大致呈V形分布，即中間沉降較大、兩邊沉降較小；隨著時間的推移，地表沉降會逐漸趨于穩定，隧道頂部中線附近沉降最大。由此可以判斷，07號監測點及其附近點位為地表沉降敏感點，通過對其進行沉降監測可以較好的反映出盾構隧道掘進過程中對地表的影響。

圖5 不同橫截面地表沉降數據

圖6 同一橫截面地表沉降隨時間變化曲線

在富水砂卵石地層掘進區間內，分別對使用衡盾泥輔助盾構和未使用衡盾泥輔助盾構施工的兩個橫截面上的07號監測點進行了沉降數據的對比分析，結果如圖7所示。從圖7中可以看出，常規盾構(未使用衡盾泥)在富水砂卵石區間掘進時，在掘進后1 d～6 d的時間內地表沉降呈現出急劇增加的趨勢，之后達到相對平穩階段，且沉降量最大值為25 mm，遠超限定值(8 mm)；使用衡盾泥輔助盾構掘進后，沉降曲線在監測周期內表現平穩，未出現急劇增加的趨勢，累計地表沉降最大值為6 mm，小于8 mm。由此可見，通過衡盾泥輔助盾構可以有效控制富水砂卵石區段掘進時的地表沉降，減小對周圍敏感建筑的影響。

圖7 衡盾泥輔助盾構與常規盾構地表沉降曲線

4 結 論

(1) 本文結合長沙某電力盾構隧道項目，在衡盾泥輔助帶壓進倉換刀施工過程中實現了較好的保壓止水效果，形成泥膜后2 h倉內氣體壓力波動值低于0.05 bar，為之后的進倉作業打好了良好基礎。

(2) 在富水砂卵石地層盾構掘進施工中，相比于常規盾構掘進，衡盾泥輔助盾構掘進能夠顯著降低地表沉降，將地表沉降控制在8 mm以內，達到了地表沉降控制目標。說明衡盾泥在注入地層后可以有效填充富水砂卵石地層中的間隙，防止出現過大沉降變形。

(3) 相較于傳統的施工工藝，衡盾泥輔助盾構施工具有工藝簡單、成本較低、安全有效、對周圍環境影響較小等諸多優勢，建議在土壓平衡盾構施工中廣泛推廣應用。