雙螺旋盾構在粉砂、粉土液化地層下穿故黃河的施工技術分析

摘? 要：徐州市城市軌道交通2號線一期工程物資市場站～彭城廣場站區間盾構下穿故黃河，隧道頂部地層為粉砂、粉土液化地層，地層中等透水，液化等級中等。土壓平衡盾構機在穿越粉砂、粉土液化地層時容易產生過大的地面沉降，引發河底擊穿、螺旋噴涌、盾尾刷擊穿、河堤垮塌等風險，同時還會造成管片錯臺、滲漏水、甚至破損。為了確保盾構安全下穿故黃河，通過風險源辨識、盾構機選型、盾構掘進參數的優化等技術措施，順利完成本區間的盾構施工任務并取得了良好的效果，以期對類似工程的施工提供參考。

關鍵詞：盾構隧道;過河;雙螺旋;沉降;液化層

中圖分類號：U455? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2021）01-0000-00

徐州市城市軌道交通2號線一期工程物資市場站～彭城廣場站區間盾構下穿故黃河，隧道頂部地層為粉砂、粉土液化地層，地層中等透水，液化等級中等。河底隧道以上地缺少隔水層，江水與地下水直接連通，同時由于受盾構掘進擾動，砂質粉土易發生液化現象，導致地層自穩性變差，致使開挖倉內壓力波動不易控制，導致掌子面失穩坍塌，進而引起地表沉降[1]，此外，還導致河底擊穿、螺旋噴涌、盾尾密封失效、河堤護坡坍塌等風險，造成一定的經濟損失。因此，如何控制盾構安全過河，確保周邊環境安全是本工程施工的重點，通過盾構機合理選型、盾構掘進參數優化、監控測量、螺旋噴涌防噴涌、渣土改良等技術措施，使盾構安全快速的完成了下穿故黃河段施工。

1 工程概況

徐州地鐵2號線1期工程04標段物～彭區間采用1臺雙螺旋土壓平衡盾構機施工。區間隧道在右線80～148環、左線80～149環下穿故黃河河道。故黃河水深3.135m，下穿隧道長81.65m，區間隧道距離河道底豎向距離最小13.746m，河堤與河面存在一個2.5m的落差，如圖1-圖4。

1.1工程地質

下穿故黃河段區間隧道從上到下主要土層為①1層雜填土、②5-1層粉土、②5-2層粉土、②5-3層粉土。隧道頂部距離上部可液化②5-2黏質粉土1.1m。

1.2水文地質

地表水：本區間地表水主要為廢黃河。本區間穿越廢黃河（K7+175附近），該河河道寬約80m，河底高程33m左右，堤頂高程39～40m，勘察期間水面高程為35.98m，水深約3米。河水補給孔隙水、基巖裂隙水及裂隙溶洞水。

孔隙潛水：賦存于填土、黏質粉土層及老城雜填土中，勘察區域該層地下水位埋深約為1.5～4.0m，該含水層受壓密性、填充物影響，孔隙變化較大，透水性不均，總體呈中等透水性。

1.3特殊性巖土和不良地質

砂土液化：據勘察可知，沿線區間20.0m 深度范圍分布有②5-1、②5-1、②5-3層稍密～密實狀黏質粉土，經判別：②5-1層為可液化土層，折減系數1/3～2/3。據液化指數可知，區間（單孔液化指數為0.54～2.10）液化等級輕微。根據結構埋深，可液化土均位于隧道結構頂板以上，對工程影響較小，可不進行處理，但應適當提高結構強度。另外，粉土、粉砂層在一定動水頭差壓力下，易產生流砂現象，對工程安全造成影響，故本工程設計、施工時需引起注意[2]。

2盾構下穿故黃河主要風險及其發生機理

2.1 河底擊穿風險

下穿段地層主要為可液化的粉質粘土層，該地層滲透系數較大，無隔水效果。液化地層反應比較靈敏，盾構掘進過程中，由于刀盤擾動、土壓力和注漿壓力波動引發河底隆起或塌陷等原因，引起地層擾動，液化土在擾動下瞬間失去強度，由固態轉為液態而流動，造成上覆地層失穩，形成水的貫穿通道，加上河道水的巨大水壓力，導致隧道與河流貫通，嚴重時，造成淹沒區間及車站的重大損失，如圖5所示。

2.2 螺旋機噴涌河水倒灌隧道風險

液化地層在擾動下會由固態轉為液態，流動性增強。另外由于過河段地層透水性強，聯通性較好，在地層中容易形成水力通道，盾構開挖擾動地層，引起河道內的水滲流至盾構機密封倉內，容易出現螺旋機噴涌風險，甚至出現江水倒灌隧道的現象。螺旋噴涌會導致土倉壓力難以保持平穩，并極易造成土體超挖，致使隧道上部地面出現沉陷、坍塌;同時由于需要花很長的時間對噴出的渣土進行清理，導致盾構施工進度減緩。

2.3 鉸接處漏水風險

河道底部地層含水量大，如果鉸接密封失效，則可能導致鉸接處漏水，影響盾構掘進施工安全。

2.4 盾尾密封漏水風險

河道底部地層含水量大，如果盾尾刷損壞及盾尾油脂性能及注入量不足，可能出現盾尾涌水涌砂現象，影響盾構掘進施工安全。

2.5 地表沉降、河堤失穩風險

由于河堤處存在一個3m的落差，通過主動土壓力計算穿越的土壓控制為上部土壓1.54bar，下部土壓為1.88bar。

3 盾構機選型

（1）雙螺旋輸送機。為了適應故黃河段的不良地質情況，采用雙螺旋盾構。雙螺旋盾構在單螺旋盾構機螺旋后方在搭接了一級螺旋，在地層滲水率大、細顆粒比重小、地下水壓力較大的情況下有良好的防噴涌效果。兩級螺旋機采用搭接的連接形式（見圖6）：第1級螺旋輸送器采用頂部端頭軸向驅動，第2級采用底部端頭軸向驅動。第1級與第2級之間采用球形連接，第2級可水平轉動，并設有分隔閘門。每級螺旋輸送機具備獨立的驅動系統，既可聯動控制，也可每級獨立操作。正常情況下，兩段螺旋輸送機的轉速相同，在兩段螺旋間不積聚渣土，可以正常出渣。當土倉壓力過大或土偏稀可能發生噴涌時可以對兩段螺旋輸送機的轉速進行調節，使后端的螺旋輸送機轉速小于前端。由于前端螺旋輸送機輸出的渣土多于后端螺旋輸送機，渣土很快在兩段螺旋輸送機間積聚形成土塞，迅速止噴，保持密封倉內土壓力。[3]

（2）“三大密封”（刀盤驅動密封、中心回轉密封、鉸接密封）以及主軸承的老化情況，對需要進行維修或者更換的設備、配件應及時提出整改方法，避免掘進過程中出現設備故障導致停工。

（3）盾尾刷。盾尾刷采用2道鋼絲刷+1道鋼板束，鋼板刷不用手涂油脂，由于鋼板層與層緊密接觸，砂漿不容易進入，能有效避免尾刷砂漿板結，避免鋼板刷的失效，而且在推進過程中可以節省大量密封油脂。兩道鋼絲刷選用材料性能更好的加強型盾尾刷。

4 掘進參數控制

（1）盾構穿越前對施工設備進行全面檢修保養，并組織驗收，確保下穿過程中連續作業;

（2）收集、分析穿越前盾構掘進參數與地表沉降數據，作為下穿過程中的一個掘進參數設定的依據;

（3）控制貫入度40～50mm/min，刀盤轉速0.9～1.0rad/min，減少對上部可液化層的擾動;

（4）注入初凝時間為5h的砂漿，采用上部兩路注漿，注入量為理論間隙的160%～180%，注漿速度與掘進速度相匹配;

（5）對脫出盾尾后6環進行雙液注漿施作止水環，防止后部管片外側水往前端匯集;

（6）充分考慮進河流和出河流時存在河堤的高度差，及時調整土倉壓力;

（7）充分利用盾構雙螺旋的優勢（當一級螺旋出土時關閉二級螺旋，當二級螺旋出土時關閉與一級螺旋連接位置，可以有效防止噴涌。實際過程中為一級螺旋轉速6～8rad/min與閘門開度，二級螺旋轉速10～12rad/min），并使用優質泡沫，防止噴涌，保持土倉內土壓穩定;

（8）始發前更換新的盾尾刷并在三道盾尾刷上使用進口手涂盾尾油脂進行充分均勻涂抹，保障從盾尾刷表面至根部都涂抹上油脂，在掘進過程中，配備優質的油脂并在兩道密封腔內充分均勻壓注（每環注入量為50～60kg），防止盾尾刷被擊穿后泥水從盾尾進入;

（9）嚴格控制油缸行程和出土量，并利用門式起重機稱重記錄渣土重量及時進行收集匯總分析;

（10）控制好盾構姿態，減少盾構糾偏（5mm/環）及蛇形;

（11）做好管片選型及防水;

（12）下穿河流下使用全環增設注漿孔型管片進行深孔注漿;

（13）制定好應急預案，儲備充足應急物資，預備灌砂編織袋若干，掘進過程中安排人24h對河面進行觀察。

5 總結

在我國城鎮化高速發展的今天，城市內人口越來越集中，交通壓力劇增，對城市空間的利用提出了要求，地下城市軌道交通的興建很好的緩解了交通壓力。城市軌道交通修建的時候地表一般已存在各個年代修建的建構筑物，環境復雜，穿越河流及建（構）筑物已成為地鐵隧道施工常見難題。在確保地面安全的同時，也要綜合考慮地下施工的安全性，每一次類似的施工難題都需要分析和總結，形成對后續相類似地層施工的經驗具有積極的意義，文章筆者結合實際施工情況進行了總結，存在的不足有待進一步的分析探討。

參考文獻

[1] 毋海軍.土壓平衡盾構快速穿越液化土地層施工技術[J].鐵道建筑技術，2018（S1）：151 -155+200.

[2] 田瑞忠.盾構穿越粉砂、粉土液化地層施工技術[J].鐵道建筑技術，2019（1）：85-88.

[3] 陳喬忠.土壓平衡盾構穿越富水砂層雙螺旋輸送機控制噴涌技術探討[J].廣東土木與建筑，2015（1）：44-46.

收稿日期：2021-01-05

作者簡介：俎元凱（1987—），山西呂梁人，本科，工程師，研究方向：地鐵盾構法施工。

Analysis of Construction Technology of Double Helix Shield Tunneling Through the Yellow River Under the Silt and Silt Liquefied Stratum

ZU Yuankai

（The Fourth Engineering Co.， Ltd. of China Railway 11th Bureau Group， Wuhan Hubei 430000）

Abstract： Xuzhou Urban Rail Transit Line 2 Phase I Project Material Market Station ～ Pengcheng Square Station section of the shield tunnel under the Yellow River， the top of the tunnel is silt， silt liquefied stratum， the stratum is medium permeable， and the liquefaction level is medium. When the earth pressure balance shield machine traverses the silt and silt liquefied stratum， it is easy to produce excessive ground settlement， which will cause the risks of river bottom breakdown， spiral gushing， shield tail brush breakdown， and river embankment collapse. Pieces are misaligned， water leaks， or even damaged. In order to ensure that the shield passes safely through the Yellow River， through technical measures such as risk source identification， shield selection， shield tunneling parameters optimization， etc.， the shield construction tasks in this section have been successfully completed and good results have been achieved.The construction of the project provides a reference.

Keywords： shield tunnel; river crossing; double helix; settlement; liquefied layer