地層鐵路隧道建設中大斷面富水復合地層的施工技術

李紅峰

（中鐵十九局集團第二工程有限公司，遼寧遼陽 111000）

1 工程概況

某地鐵5 號線工程為該地區骨干線路，全線采用盾構法掘進施工，因線路多穿過軟硬不均的復合地層，部分路段仍采用淺埋暗挖法開挖。5 號線所經地區工程與水文地質條件非常復雜，所經區域地下水豐富，暗挖區間中有多個處于建筑物密集區，隧道下穿及特殊構筑物等為常態。殘基層與風化巖結構松散，施工中易發生坍塌等現象。

5 號線暗挖區間隧道斷面形式主要為馬蹄形，主要包括單洞單線與單雙洞雙線等不同結構形式，隧道埋深分布較均勻，平均埋深為15.5 m。沿隧道縱向每間隔30 m 選取一組測點，地層與環境條件復雜地段，采用較小的取點間距，監測點盡量反映在地鐵隧道施工全過程引起的累積沉降值[1]。場地地下水狀況見表1。

表1 場地地下水狀況

區域隧道穿越地層以沙土、黏土居多，拱頂分布大范圍的粉土夾砂層，伴有明顯的地下水擾動，導致砂層穩定性欠佳，易出現涌水現象。需要以合理方式保證砂層的穩定性。引入雙側壁法，部分區段開挖失穩，該處采取掌子面封閉注漿措施，貫徹先排灌、后開挖的施工理念。為避免施工中破除臨時支護引起沉降，采用增加超前小導管支護范圍的措施，抑拱部位預埋長500 m 的注漿小導管。注漿材料視地質條件確定，在砂層中注水泥水玻璃雙液漿[2]。

因隧道開挖采用雙側壁法施工，超前預注漿不能完全形成封閉止水墻，在隧道內采用深管井降水輔助暗挖施工。下部施工時水量很大，因地質變化大，降水效果有限。從臨時抑拱上搭設長6 m、間距30 cm 縱向間距的注漿管。下臺階下部向外15°搭設長8 m 的引水管，解決了隧道開挖時掌子面滲水等事故，保證了工程質量。

2 富水砂層土平衡盾構施工關鍵技術

盾構推進過程中存在超前沉降現象但幅度較小，主要成因是由于盾構機掘削面引起的地下水位偏低。盾構到達時，沉降現象集中在測點離盾構切口3 m 范圍內。盾構設定土壓值較大，出土量＜100%時，設定土壓值較小，地表呈隆沉變化。盾尾通過后的隆沉離開測點5 m 范圍內，若采用同步注漿，則不易發生沉降。后續沉降由于盾構施工中擠壓、蛇形等擾動土體后產生沉降，沉降速率逐漸減小。

經分析，盾構推進過程中地層損失及隧道受擾動是引發土體沉降的基本原因。施工可通過調節土倉壓力和作業面壓力的方式使其達到平衡狀態，此舉能夠有效減少地表沉降[3]。

此外，建筑空隙得到有效填充后可緩解地表沉降，注漿作業時要加強保護，以免盾尾密封刷受損。渣土排出量必須與掘進的挖掘量相匹配，使盾構工作處于最佳狀態。土壓平衡盾構在富水砂層施工中易出現出渣量異常情況，需對渣土進行改良，使渣土流塑性滿足螺旋出土器排土要求。

土壓平衡盾構在富水砂層施工的核心是渣土改良，渣土流塑性效果好，才能有效控制出渣量，達到控制地層沉降的目的。土壓平衡盾構施工期間需要加強對排土量的監測，靈活調整切削量并使兩者平衡，從而抵抗源自于開挖面的水壓和土壓力。

3 富水復合地層盾構施工難點

富水復合地層的施工條件錯綜復雜，在此條件下的小半徑掘進、硬巖掘進刀具控制等均對施工技術提出較高要求。從隧道軸線控制、刀具管理等方面提出對應措施，經嚴格選型的盾構對富水復合地層具有較好的適應性。

富水復合地層盾構的關鍵要點體現在小半徑曲線始發、極破碎風化巖掘進等方面，需從實際施工條件入手，在盾構選型時展開適應性分析，以提高設備適用性。工程中，隧道掌子面穩定性較好，較為適宜的是土壓盾構方式，相比于泥水平衡盾構，所需成本相對較少，施工效率較高。

盾構區間局部為地質條件復雜的復合地層，因此要優化掘進模式，根據施工地層實際情況，推薦選用復合式土壓平衡盾構的方式。

復合地層施工條件下的長距離小半徑掘進難度較大，體現在糾偏困難、管片侵限等方面。由于隧道曲線半徑偏小且不具有足夠高的糾偏靈敏度，因此明顯加大了隧道中弧線控制難度。超挖刀在運行中易出現超挖現象，相比于理論挖掘量，實際狀況明顯偏大，導致地層損失。千斤頂存在推力作用，從而提供水平分力，導致管片失穩，發生向曲線外側偏移的運動趨勢。

小半徑曲線段管片局部出現明顯滲漏水現象，主要原因是管片拼裝不到位，出現管片錯臺現象，使得止水條無法實現緊密銜接，部分設置在管環外側的混凝土開裂。

4 富水復合地層施工措施

4.1 復合地層長距離小半徑掘進

隧道曲線半徑小，會加大盾構施工時的糾偏量，導致隧道軸線難以控制。超挖刀不斷進行超挖掘進，導致實際挖掘量偏大，造成較長時間的后期沉降。盾構掘進時，管片端面與軸線具有一定夾角，使得管片向曲線外側偏移。

管片受力復雜，前方管片內側角與后方都容易在外力作用下受損，為薄弱區，且在穿越小半徑區間時將形成更為明顯的斜向應力。

鑒于盾構小半徑曲線施工難度大，需要從盾構設備、管片設計等方面探討合適處理措施，如預留合適的隧道偏移量、同步注漿和二次注漿等。盾構推進油缸采用分區控制模式，盡量減小整體推力，盾構司機應根據地質情況使盾構提前進入預備狀態。

盾構以蛇行方式前進挖掘，應堅持長距離慢修正的原則。盾構出現抬頭、左右偏現象時分別加大對應區域的油缸推力。施工采用鉸鏈連接方式，這樣能夠縮短盾構剛性連接長度。盾構轉彎時通過的孔洞設置為橢圓形，配置超挖刀，以達到增大凈空間的效果。

盾構推進時易出現油缸行程誤差大的現象，不利于隧道背襯注漿作業，該處管片厚度缺乏均勻性。為此，要盡可能縮小油缸行程差，并以各段掘進情況為主要參考，靈活調整。

小半徑曲線段施工中，盾構推力大會加大管片側向位移，需嚴格控制盾構推進力，采用在管片位移方向額外注漿的方式來解決問題。

降低盾構推力，根據實際地質條件選擇合適的土倉壓力，保證掌子面的穩定。盾構過小半徑曲線段前，排查設備，保證盾構無故障通過曲線段。盾構掘進中應及時進行同步注漿，使管片與圍巖間孔隙填充密實。轉彎時需精確控制盾構推力，避免管片因受力過大造成破裂。拼裝手要保證管片位置精度，防止因渣土引發的應力集中損壞管片，盡量使其完全作用在管片上。

根據隧道漏水原因，應確保防水條粘結質量，拼裝前用水清洗止水條，確保管片拼裝質量，保證足夠油缸推力。

4.2 富水碎裂帶掘進

豐富的地下水使同步注漿液被稀釋沖刷，造成隧道管片上浮。管片脫出盾尾后，環形建筑孔隙保持相對穩定，如不及時固定管片，脫出盾尾處于無約束狀態，管片在浮力作用下不斷上浮。

富水碎裂帶盾構掘進時極容易發生管片上浮現象，因此在施工前需調低掘進姿態，嚴格控制好盾構的日掘進量，最大限度減少管片上浮。

選用不易稀釋的注漿液進行同步注漿，使漿液能快速凝固，保證同步注漿量充足。在拱部一點的位置預埋注漿孔，注入水泥水玻璃雙液漿，限制管片繼續上浮。注入雙漿液時需設置止水環，提高前方同步注漿質量。

4.3 硬巖掘進段刀具控制

硬巖不利于盾構掘進作業，此時易出現刀具非正常磨損、壓塊脫落和螺栓斷裂等異常狀況。硬巖抗壓強度高，盾構前方土體不易坍塌，選擇敞開式掘進模式，土倉內僅有少量渣土。掘進參數包括推進力和推進速度等，對刀具磨損影響最直接的是推力。推力過大，短期內盾構掘進速度會很快，但長時間的過大荷載會產生變形。硬巖地層應避免調整盾構姿態，否則會引起滾刀受力不均現象。

硬巖段掘進作業時可采取向工作面噴適量泡沫的方式，這樣可起到冷卻和潤滑滾刀的效果，減輕刀具磨損程度。針對硬巖段施工螺栓易松動情況，應及時加固螺栓，保證滾刀安裝緊固。在完成刀具更換試運作后，及時檢查刀具安裝狀態，每掘進完成一定長度后檢查刀具磨損情況。

盾構掘進過程中若出現參數異常現象，要及時檢查刀具，必要時換新。土倉內換刀具安全隱患較大，因此必須確定一套科學的刀具檢查與更換流程，以便順利完成換刀作業。

5 結束語

針對某5 號線工程地質條件及施工重點，設計合理施工方案。盾構在長距離隧道中施工時，針對其存在的管片侵限等方面，采取相應措施。復合式土壓平衡盾構能適合工程地質條件，滿足標段區間盾構施工要求。