全斷面砂層掘進沉降控制技術(shù)

呂朝臣

（中鐵二十二局集團軌道工程有限公司，北京 100040）

1 工程概況

杭州機場軌道快線工程是一條集高架、明挖、盾構(gòu)相結(jié)合的地鐵項目，項目地處杭州江干區(qū)杭州火車東站附近，含高架、明挖盾構(gòu)三部分，盾構(gòu)從明挖段始發(fā)覆土最小埋深6.2m，最大埋深43m，盾構(gòu)隧道坡度較大，最大坡度29.1‰，最小轉(zhuǎn)彎半徑R500，且主要地層為粉砂和含礫中砂。項目盾構(gòu)區(qū)間風險源較多，主要下穿杭州地鐵1、4、6號線3條既有地鐵線，且區(qū)間長距離與地鐵6號線并行，最小間距6.4m；2個市政隧道；1條高架快速路、3座橋梁等。

1.1 盾構(gòu)機設(shè)備介紹

本區(qū)間采用兩臺鐵建重工ZTE7150土壓平衡式復合盾構(gòu)機，盾構(gòu)機主要參數(shù)如表1所示。

表1 盾構(gòu)機技術(shù)參數(shù)

1.2 地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

1.2.1 地層巖性

區(qū)間隧道埋深約為6～35.7m，本區(qū)間盾構(gòu)穿越的地層主要有③6粉砂、③7砂質(zhì)粉土、⑥2淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、⑦1粉質(zhì)黏土、⑦2粉質(zhì)黏土夾粉土、12○2含礫中砂、12○4圓礫，如表2所示。

1.2.2 水文地質(zhì)

（1）地表水。地表水主要為影響到本工程沿線的河流，沿線河流主要有備塘河、官河、橫河港，河面寬度約為15～30m。

（2）地下水。場地地下水類型主要是第四紀松散巖類孔隙水，根據(jù)地下水的含水介質(zhì)、賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征，可劃分為孔隙潛水和孔隙承壓水和基巖裂隙水三大類，本工程涉及地下承壓水。

2 地表沉降控制措施

2.1 采用土壓平衡模式掘進

盾構(gòu)機土壓平衡模式掘進時，刀具切削下來的土充滿土倉，土倉內(nèi)土壓與掌子面的土壓和水壓相平衡。同時通過螺旋機排土與掘進速度相匹配，控制土倉壓力。掘進過程中，始終維持開挖土量與排土量的平衡，以保證掌子面土體穩(wěn)定，防止超排造成地下水土的流失而引起地表過大沉降。

2.2 渣土改良

渣土改良具有較好的土壓平衡效果，利于開挖面的穩(wěn)定從而控制地表沉降；使渣土具有較好的和易性、流動性，便于切削下來的渣土快速進入土倉并順利排土，可有效防止渣土噴涌。在砂層中，可向刀盤前及螺旋輸送機內(nèi)注入膨潤土、高分子聚合物等，可以改良渣土和減小地表沉降。

2.3 采用微擾動掘進模式

借鑒以往工程實踐經(jīng)驗，砂層等軟弱地層，地層反應(yīng)靈敏，刀盤轉(zhuǎn)動切削時，地層很容易破壞原來相對穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，容易塌陷。尤其是在高富水的條件下，水流造成細顆粒流失，產(chǎn)生松散沉降直至塌陷。盾構(gòu)在軟弱地層中掘進易采用微擾動掘進模式。微擾動掘進模式即在土倉壓力上下波動小（土倉頂部壓力上下波動幅度控制在0.2bar之內(nèi)），刀盤轉(zhuǎn)速低。在采用微擾動掘進模式掘進時盡量提高掘進速度（≥50mm/min），增大貫入度，快速穩(wěn)定掘進。

表2 本區(qū)間主要地層巖性

2.4 嚴格控制出土量

保持精確出渣計量，確保出土不超排。盾構(gòu)掘進時通過出渣的方量和重量來推算掌子面的情況。超挖，掌子面就可能出現(xiàn)坍塌，造成地表沉降；欠挖，掌子面周邊土體向四周擠壓，改變地層的預應(yīng)力，造成地表隆起，待盾尾通過后，土體急速回落，最終造成地表沉降。

電瓶車渣土計量為每環(huán)4斗左右。實際施工過程中，出土量控制可采用掘進380mm出渣1渣斗車控制。龍門吊出土稱重為每環(huán)120t左右，每斗36t左右。根據(jù)以上計量方法可有效判斷有沒有超排和欠挖。

2.5 注漿量控制

因刀盤開挖面直徑大于管片外徑，加上開挖擾動，在脫出盾尾的管片與地層之間有一定的建筑間隙，及時進行壁后注漿填充建筑間隙。防止周圍土體松動或坍塌，有效抑制隧道周邊地層變位及地面沉降；包裹管片使管片受力均勻，保證管片早期穩(wěn)定性；在管片外形成隔水層，增強隧道防水性能，以防管片漏水，造成地層失水，引起地面沉降。

同步注漿在砂層等穩(wěn)定性差的地層尤為關(guān)鍵，在盾構(gòu)掘進的同時對盾尾尾部形成的建筑間隙進行注漿填充，在掘進的瞬時對盾尾建筑間隙形成有效填充，起到支撐周圍地層的作用，防止在空間和時間的積累作用下，出現(xiàn)地層沉降或塌陷。

二次注漿是在管片盾尾脫出數(shù)環(huán)之后，利用管片注漿孔再次對壁后進行注漿的方法，其作用是對同步注漿未填充完全的部位進行補充注漿；對同步注漿因漿液凝固后形成收縮，或漿液擴散、流失而形成的間隙進行補充注漿；對沉降控制標準較嚴格的位置，利用管片注漿孔向地層深處進行加強注漿，以固結(jié)隧道周圍地層，防止隧道漂移。

2.6 注入克泥效

刀盤開挖直徑為7180mm，盾體直徑為7150mm，在盾體周邊與地層存在15mm的間隙。克泥效凝結(jié)時間快，利用盾體徑向孔向盾體四周注入克泥效膠體，用以填充盾體周邊與地層之間的間隙。克泥效還具有良好的抗稀釋性和擋水性，可阻止盾尾后方來水，防止噴涌造成超挖，注入克泥效可有效控制地表沉降。

2.7 做好停機措施

在砂層中，長時間停機，土倉內(nèi)失水，土壓泄壓較快，易導致地表沉降；長時間停機盾體周邊地層收縮水分流失及松散土體掉落導致盾體與地層間摩擦力增大，恢復掘進時，要使盾構(gòu)機脫困，將無法快速提高掘進速度，刀盤轉(zhuǎn)動后砂子流入土倉，造成超排，也極易導致地表沉降。為保證長時間停機土壓穩(wěn)定及恢復掘進后，快速提高掘進速度，在停機前做好停機措施，向刀盤注入膨潤土泥漿，轉(zhuǎn)動刀盤攪拌均勻，可有效解決長時間停機土倉泄壓；向盾體周邊注入潤滑性良好的膨潤土泥漿，可減小盾體與地層間摩擦力使盾構(gòu)快速恢復正常掘進，進而地表沉降。

2.8 施做止水環(huán)

在富水砂層，大下坡時，地下水沿管片或盾體向刀盤和土倉匯集，易造成噴涌，導致地表沉降。

在富水砂層掘進，砂漿填充建筑間隙后，因地下水較大砂漿不能及時凝固，會將砂漿稀釋，達不到預制砂漿凝固要求，不能及時穩(wěn)定地層。

因此要在盾尾后5環(huán)的位置注雙液漿施做止水環(huán)，每隔5環(huán)左右施做一次止水環(huán)，盡快穩(wěn)固管片和地層的同時還可封堵后方來水。在富水砂層中及時施做止水環(huán)也可降低地表沉降風險。

3 結(jié)語

杭州市地層較復雜，被業(yè)內(nèi)認為不適合建地鐵的城市之一，但工程人員克服各種困難，尤其針對含承壓水的砂層地層，其明顯特點是穩(wěn)定性差、顆粒細小、水分易流失、地下水豐富、補給迅速，在這類地層中容易造成噴涌、地層失穩(wěn)、超排等都會引起地表沉降，甚至地面塌陷。因此，通過杭州地鐵全斷面砂層盾構(gòu)施工，我們驗證了滿倉推進方法，渣土改良方法，加強同步注漿二次注漿，并使用克泥效工法等多項技術(shù)措施，可解決地面沉降問題，保證地面沉降可控，杭州地鐵順利完成，為后續(xù)類似地層盾構(gòu)施工提供寶貴施工經(jīng)驗。