盾構穿越富水泥質粉砂巖地層變形沉降控制技術

馮敏捷，宋德文

1.中鐵二局集團有限公司，四川 成都 610031 2.廣州地鐵集團有限公司，廣東 廣州 510300

對復雜的泥質粉砂巖地層，采用無倉壓模式掘進施工，會出現渣土含水高、地面沉降大、同步注漿質量差的問題，管片在脫離盾構機后上浮超限，管片背后注漿開孔更是出現帶壓水噴涌。

為解決上述問題，通過對廣州地鐵8號線北延段某區間掘進參數的分析和研究，決定采用氣壓輔助模式掘進施工，同時采取同步注漿質量控制、超前二次注漿及跟蹤注漿技術、專項組織管理等措施，減少盾體周邊地層內地下水損失和后方來水，防止噴涌，有利于控制變形沉降、管片上浮，也保證了成型隧道質量。

1 工程概況

廣州地鐵8號線北延段某區間下穿大量中低層老舊建筑密集區、學校、商場、主干道及重要管線，區間左右線隧道呈“S”形，最小曲線半徑為400m。縱坡呈“V”坡，最大坡度為28‰。隧道覆土深度區間為18.6～24.6m，線間距為11.5～17.2m，主要穿越的地層為泥質粉砂巖。

盾構機采用中鐵裝備生產復合式土壓平衡盾構機，四輻條面板式復合刀盤直徑為φ6280mm，開口率為35%。

隧道范圍自上至下為雜填土、淤泥層、粉質黏土層、泥質粉砂巖層，洞身范圍為強、中、微風化泥質粉砂巖。隧道上方存在較厚的淤泥層，含水量在75%左右，呈流塑狀，飽和淤泥層失水沉降敏感。強風化帶組織結構部分破壞，為極軟巖，遇水軟化失水沉降敏感。中風化帶風化裂隙較發育，泥質膠結，為軟巖，較破碎。微風化帶風化裂隙較發育，巖芯呈短柱狀或長柱狀，表面光滑，厚層狀構造，泥質膠結。地下水以基巖裂隙水為主，具承壓性，水頭埋深為1.2～3.4m，根據掘進情況及成型管片滲漏情況判斷該段地層地下水含量豐富。

2 施工中遇到的問題

2.1 沉降變形

該區間在掘進施工初期以常規的全斷面巖層掘進模式進行施工，采取無倉壓模式掘進，前期施工正常；穿越廣州市交通技工學校、市教育印刷廠等建筑物后，出現區域性整體沉降。

由地面建筑物監測數據可知，沉降突變有兩個時間段：2018年12月21日—2019年1月1日，右線盾構機從建筑物25m外到穿越建筑物的過程；2019年1月16日—2019年1月20日，左線盾構機位于學校內時采取常壓換刀方案的過程。其余時間均是緩慢均勻沉降，累計沉降較大的監測點A72、A721位于192環附近，此處隧道穿越巖層為中風化、微風化泥質粉砂巖；A56～A58位于隧道東側，距右線最近距離為23.3m；A51位于隧道東側，距右線最近距離為38.3m。

以廣州市交通學校為中心，出現省華大物流公司、市教育印刷廠、小梅里社區等區域性變形沉降及房屋開裂。

2.2 管片上浮

經現場統計，陳家祠站—彩虹橋站區間右線隧道統計279環，其中59環管片破損，破損率為21%，18環管片錯臺大于20mm；左線隧道統計193環，其中33環管片破損，破損率為17%，10環管片錯臺大于20mm。

根據右線150～210環上浮量數據，管片脫出盾尾普遍存在上浮現象，管片脫出盾尾后的最大上浮量達到110mm。

3 原因分析

3.1 水文地質

（1）根據地質勘察報告，雙線區間均位于全斷面巖層中掘進，頂部巖層較厚（大于4.2m）、自穩性較好，未出現多出渣土，因此沉降非地層擾動或者塌方造成，建筑物不會存在坍塌危險。

（2）沉降區域位于強風化泥質粉砂巖凹槽和隧道最低點附近，強風化泥質粉砂巖透水性較強（1m/d），凹槽形成一個較強透水能力的匯水帶，掘進過程中上方潛水通過凹槽匯聚于開挖面及管片背后。

（3）沉降區域存在較厚淤泥層（4.6～9.85m），該地層含水量高（達到76.5%）、孔隙比值大（達到2.033）、壓縮系數大（高壓縮性），呈流塑狀，飽和淤泥層失水沉降敏感。根據現場觀察及統計，該區間右線在掘進172～279環時土倉大量來水，每環來水2～4m3，加上成型管片滲漏水較多，地層失水嚴重。

3.2 掘進參數控制

該區間沉降較大的區段在150～195環，施工參數如下：總推力為850～1260t，推進速度為1～5.8cm/min，刀盤轉速為1.5～1.7r/min，土倉壓力為0.06～0.13MPa，刀盤扭矩為2100～2652kN·m，同步注漿量為6～7m3，出土量為56～60m3。施工期間掘進參數易出現波動，土倉壓力普遍較低且呈下降趨勢，推力及扭矩較大呈上升趨勢，推進速度變化較大呈下降趨勢。

掘進過程中土倉壓力較低，開挖面水土壓力失衡，導致地下水位下降，淤泥層失水收縮，導致整體沉降（交通技工學校、印刷廠、華大物流等）。

3.3 管片背后填充

經計算，管片脫離盾尾后在水中的浮力F浮1=42.39t，管片自重G自=20.90t，在密度為1.6g/cm3的同步注漿漿液里浮力F浮2=67.82t。未接長軌道時，不計后配套拖車重力，即便同步注漿漿液未注飽滿，在上半部還是水的情況下，浮力也遠大于管片自身重力。

泥質粉砂巖地層由于自穩能力強、完整性好，能很好地控制自身沉降，使管片有足夠的上浮空間。同步注漿砂漿的固結時長為6～8h，使得管片有充足的工后上浮變形時間。再者，下坡段漿液在自重下跟隨盾構機掘進流動，頂部存在一定的空洞情況，管片上浮約束減少。

掘進過程中多次出現后方來水較大的情況，且在管片開孔注漿時常出現注漿孔涌出帶壓清水的情況，可見管片背后同步注漿、二次注漿填充及止水環施作的效果不佳。此段接近區間最低點，管片背后填充不密實形成匯水通道，后方來水匯聚、沖刷，也會影響注漿效果。

4 關鍵控制技術及措施

4.1 專項施工組織措施

針對該區間復雜的地質情況及周邊環境、高風險下穿建（構）筑物施工，編制專項施工組織措施并嚴格管理，確保風險源分析全面、關鍵措施落實到位、問題及時發現和有效處置是后續施工安全和變形控制的關鍵。采取以下施工組織措施可確保后續的施工安全、變形穩定：

（1）建立全工作面覆蓋的有線電話、對講機通信系統，并建立工作信息通報微信群，盾構監控系統接入公司遠程監控中心平臺，確保公司后臺實時掌握分析盾構施工參數，快速響應。

（2）安排技術員嚴格控制同步漿液拌制，防止拌制過程中隨意調整配合比，確保漿液拌制質量。在拌和站、井口、盾構機工作面安裝監控，監控室安排專人24h值班盯控同步注漿漿液運輸過程，防止擅自加水，工作面由土木技術員對漿液進行驗收。

（3）由盾構跟機土木技術人員加強對注漿填充工作的管控，做好詳細施工記錄。

（4）加強監測管理，增派變形監測人員，在地面監測完成后將監測快報發送至微信群內，并對監測情況做點評，及時調整盾構掘進參數。

（5）加強值班土木技術人員管理，加強教育、培訓，提高其責任心，同時明確其工作任務及職責，并在現場做好安全、技術、生產交接班工作，及時總結。

4.2 氣壓輔助掘進模式及參數控制

（1）綜合集中出現的沉降變形過大、管片上浮超限的問題，以及掘進參數總結分析，對掘進模式進行改進，采用氣壓輔助土壓平衡模式推進。控制倉內渣土面在掌子面頂部以下1～1.5m，上部壓入自然空氣，土倉壓力值比計算理論值高出0.02MPa，使掌子面水土壓力達到平衡狀態，保證盾體周邊地層內地下水損失和盾體后方來水，減少地下水進入土倉，防止噴涌，也有利于控制地面沉降、管片上浮。

（2）盾構推進參數按照設定參數執行，掘進過程中根據地面監測情況微調。施工參數控制范圍如下：總推力為1100～1200t，刀盤轉速為1.5～1.7r/min，土倉壓力為理論值+0.02MPa，刀盤扭矩為2100～2300kN·m，推進速度為3～4cm/min，同步注漿量為6～7m3，出土量為60～62m3，超前二次注漿及跟蹤注漿壓力為0.3～0.4MPa。

（3）若泥質粉砂巖膠結物含量超過45%，渣土改良不當易結泥餅。施工中加強每環渣樣篩洗分析，改良劑原液濃度為3%，發泡率調整為約11倍，選擇刀盤上3～4個噴口注入改良劑，單管流量以0.13m3/min左右為佳。

4.3 同步注漿質量控制

針對管片背后空洞及管片上浮等問題，結合泥質粉砂巖地層特性及含水量，在同步注漿砂漿不堵塞注漿系統的條件下，合理縮短固結時長，加強對管片的約束，根據現場試驗得出同步注漿砂漿固結合理時長為3～4h，并增加水泥、細砂的含量，將漿液密度調整為1.7g/cm3以上。注漿壓力控制在0.4MPa以下，每環（管片長1500mm）注漿量控制在6～7m3。注漿完成后，每隔2～3環打開管片頂部注漿孔，檢查管片背后填充情況，觀察固結時間。

4.4 超前二次注漿及多次跟蹤注漿

因為掘進過程中同步砂漿還具有較強的流動性，頂部可能存在氣囊空隙，所以在及時同步注漿的基礎上，對脫出盾尾的管片采取壓注雙液漿方式，填充頂部可能存在的氣囊空隙，控制管片上浮及變形沉降。超前二次注漿如圖1所示。

圖1 超前二次注漿示意圖

（1）在連接橋走道上安裝1套小型雙液漿注漿設備，堆放適量水泥、水玻璃原液等材料，推進中對脫離盾尾后3～5環管片頂部開孔壓注雙液漿。注漿量控制在每孔0.3～0.5m3，壓力不超過0.4MPa。注漿后0.5h檢查注漿效果，確保開孔無滲漏。

（2）利用連接橋注漿機每隔5環對管片腰部及以上部位注漿，施作止水環。隔斷管片背后間隙的縱向涌水通道，保證土倉氣密性，抑制工后沉降及管片上浮。

（3）注漿前需在注漿孔后方管片頂部預留泄壓孔，設置單向逆止閥；注漿時打開球閥直至漿液流出關閉；注漿完成后10～15min檢查效果，若有滲水、漏氣等，應再次注漿。

（4）在盾構機尾部6#臺車上再增加1套雙液注漿設備，根據監測情況注漿填充管片背后空隙，抑制工后沉降。

5 效果檢驗

采取同步注漿質量控制、超前二次注漿及跟蹤注漿技術、專項組織管理等措施后，該區間剩余建筑物及地面沉降變形穩定，監測沉降變形數據均在10mm以下，順利穿越Φ1200mm砼自來水管（1981年建造，為高壓主管線）、高壓燃氣管線。

同標段另一區間采用類似的掘進方案，順利穿越了流花湖、DN1200mm老舊高壓自來水管線、地下人防工程、廣茂鐵路、老舊房屋群等，變形沉降均控制在10mm以下。

6 實施建議

（1）氣壓輔助模式適合氣密性較好的地層，松散的砂層、卵石層或埋深較淺的隧道不適合該工法。掘進過程應嚴格進行每環渣樣篩洗分析，實時掌握地質和改良掘進情況。施工前應檢查隧道范圍內地質勘察鉆孔情況，并采取封堵措施。

（2）氣壓輔助初始壓力大小可根據埋深及水土壓力計算得到，但實施前需試壓。氣壓控制以逼退地下水及掌子面前方地表隆起量在5mm以下為宜。另外，掘進過程中需加強氣壓的變化監控，若出現氣壓驟變則需采取具有針對性的措施。

（3）超前二次注漿應開展配比試驗及試驗注漿，控制好雙液漿的固結時間，固結時間過長則易串漿包裹盾體，或易被地下水稀釋。

（4）加強盾尾刷檢查及維護，掘進過程中盾尾油脂需及時、足量壓注，降低土倉空氣擊穿盾尾密封的風險，避免土倉壓力驟降。

7 結論

通過分析和研究掘進參數，調整掘進模式，控制同步注漿質量，采取超前二次注漿及跟蹤注漿、專項掘進組織等關鍵措施，區間雙線盾構順利完成了后續風險點的下穿，也未加劇已施工段的變形沉降，得到了廣州地鐵集團及相關產權單位的認可，可為類似工程施工提供參考。總結經驗如下：

（1）在地下水含量豐富的泥質粉砂巖盾構掘進，土倉壓力穩定在比理論計算值高出0.02MPa左右可有效阻斷地下水涌入土倉及管片背后空隙，改善渣土改良效果，同時降低淤泥層失水收縮沉降風險。

（2）氣壓輔助掘進在減少地下水進入的同時，保證了脫出盾尾部分土體的干燥性，使管片與地層間空隙由氣體填充而非地下水填充，同步注漿不會因地下水稀釋而降低漿液性能，保證了同步注漿質量。

（3）隧道內超前二次注漿及跟蹤注漿是控制變形沉降、管片上浮的關鍵有效措施。超前二次注漿及跟蹤注漿采用總量、壓力雙指標控制，以管片背后填充密實、土倉內地下水涌入阻斷、管片上浮可控為標準。

（4）在相同工況下，采用氣壓輔助掘進，土倉內渣土量少，可減小刀盤扭矩，增大有效推力，降低總推力，有效減輕盾構掘進的負荷，加快掘進速度。

（5）氣壓輔助掘進有效地降低了土倉內渣土高度，減輕了開挖面同土倉內渣土對刀具及刀盤的磨損。