盾構(gòu)穿越承壓含水地層施工技術(shù)研究

陳銘輝，王 堅(jiān)，梁 捷

（上海宏波工程咨詢管理有限公司，上海市 201707）

0 引言

上海軌道交通18 號(hào)線丹陽路站~ 昌邑路站區(qū)間隧道需下穿黃浦江及兩岸防汛墻，隧道基本位于上海地區(qū)第一承壓含水地層中。該盾構(gòu)區(qū)間[1]地層具有含水量高、流塑性大、水穩(wěn)性差、強(qiáng)度低、透水性強(qiáng)、壓縮性低、壓縮過程快、抗剪強(qiáng)度高等特點(diǎn)，盾構(gòu)施工會(huì)出現(xiàn)管片上浮、碎裂、滲漏等嚴(yán)重問題。盾構(gòu)施工期間，通過采取可靠的技術(shù)質(zhì)量保障措施，能夠很好地控制盾構(gòu)在承壓含水地層中發(fā)生的施工問題，進(jìn)而提高了區(qū)間隧道管片的拼裝質(zhì)量，有效地控制了管片上浮，確保了區(qū)間隧道的軸線符合設(shè)計(jì)要求，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，規(guī)避了損失。

1 丹陽路站~ 昌邑路站區(qū)間工程概況

上海軌道交通18 號(hào)線丹陽路站~ 昌邑路站區(qū)間上行線隧道長(zhǎng)度1 257.134 m，下行線隧道長(zhǎng)度1 257.555 m，設(shè)置2 處聯(lián)絡(luò)通道。該隧道縱向?yàn)椤癡”字形坡，最大的縱向坡度為28‰。隧道的最小和最大埋深分別為17.9 m 和32.3 m，最小平面曲線半徑為629.851 m。工程施工籌劃見圖1。

圖1 工程施工籌劃示意圖

丹陽路站~ 昌邑路站區(qū)間采用兩臺(tái)中交天和Φ6 830 盾構(gòu)機(jī)，單臺(tái)盾構(gòu)機(jī)重342 t，盾構(gòu)機(jī)采用內(nèi)置式注漿管8 根（4 用4 備）。盾構(gòu)機(jī)依次從丹陽路站南端頭井始發(fā)，推進(jìn)至昌邑路站北端頭井接收。

2 工程水文地質(zhì)

2.1 工程地質(zhì)

丹陽路站~ 昌邑路站區(qū)間盾構(gòu)穿越地層包括：④、⑤11、⑤12、⑤2a、⑤31b、⑥、⑦11、⑦12層。盾構(gòu)施工注意以下事項(xiàng)：

（1）盾構(gòu)在④、⑤11、⑤12、⑤31b等黏性土層掘進(jìn)時(shí)，因土體結(jié)構(gòu)受擾動(dòng)后極易被破壞，使土體強(qiáng)度急劇下降、變形驟然增加，會(huì)出現(xiàn)掌子面失穩(wěn)。同時(shí)，盾構(gòu)在掘進(jìn)過程中，土體也會(huì)出現(xiàn)一定的回彈。其中，由于④、⑤11土層含水量高、孔隙比大、強(qiáng)度低、壓縮性高，且具有明顯的觸變、流變特性。因此，盾構(gòu)在掘進(jìn)施工過程中更應(yīng)加強(qiáng)施工速率的控制，避免盾構(gòu)施工對(duì)土層造成過大的擾動(dòng)，從而減少盾構(gòu)推進(jìn)施工后的沉降。另外，還應(yīng)注意隧道底部軟黏土在運(yùn)營(yíng)階段的次固結(jié)沉降影響。

（2）區(qū)間局部穿越⑥層層頂，⑥層可塑～硬塑的黏土具有較高的強(qiáng)度，對(duì)盾構(gòu)推進(jìn)會(huì)產(chǎn)生較大的阻力。當(dāng)盾構(gòu)推進(jìn)施工穿越強(qiáng)度不均勻的地層（如④與⑤11、⑤11與⑤12、⑤12與⑥、⑥與⑦11等層交界處）時(shí)，會(huì)引起盾構(gòu)掘進(jìn)開挖面不穩(wěn)定，易造成盾構(gòu)在線路方向上的偏離。

（3）⑤2a為微承壓含水層，⑦層（⑦11、⑦12和⑦2）為承壓含水層，在一定的動(dòng)水壓力作用下，易發(fā)生流砂或管涌等不良地質(zhì)。

2.2 水文地質(zhì)

本工程擬建施工場(chǎng)地淺部土層中的地下水類型為潛水?？睖y(cè)期間測(cè)得潛水的穩(wěn)定水位埋深為0.60～2.70 m（絕對(duì)標(biāo)高為2.13～4.11 m），平均埋深為1.26 m（平均標(biāo)高為3.04 m）。潛水的水位主要受地表徑流和大氣降水等影響，呈幅度不等的變化。根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》，上海地區(qū)潛水位埋深為0.30～1.50 m，常年平均地下水位埋深為0.50～0.70 m。根據(jù)上海地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，建議地下水高水位和低水位埋深分別取0.5 m 和1.5 m。

經(jīng)勘察，擬建工程場(chǎng)地揭示有⑤2a層和⑦層（含⑦11、⑦12和⑦2）（微）承壓含水層。⑤2a層為上海地區(qū)微承壓水含水層，場(chǎng)區(qū)內(nèi)揭示的頂板埋深為19.20～25.40 m，頂板標(biāo)高為-15.29～-21.61 m；⑦層為上海地區(qū)的第一承壓含水層，場(chǎng)區(qū)內(nèi)揭示的⑦層頂板的埋深為15.20～39.50 m，頂板標(biāo)高為-23.28 ～-35.73 m。鑒于⑤2a層與⑦層之間的第⑤31b層層厚較?。ㄆ渥钚『穸葍H0.7 m），且該層夾薄層粉性土，故微承壓水與承壓水之間可能存在一定的水力聯(lián)系。據(jù)上海區(qū)域觀測(cè)資料，上海地區(qū)（微）承壓水的水位隨季節(jié)呈幅度不等的周期性變化，水位埋深一般為3～12 m。

3 區(qū)間結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本區(qū)間隧道工程采用預(yù)制裝配式鋼筋混凝土管片，管片內(nèi)、外直徑分別為Φ5.9 m 和Φ6.6 m，管片的厚度和寬度分別為350 mm、1 200 mm，管片采用通縫拼裝。襯砌管片的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C55，抗?jié)B等級(jí)為P10、P12，由拱底塊（D）、標(biāo)準(zhǔn)塊（B1 和B2）、鄰接塊（L1 和L2）、封頂塊（XF）組成。本區(qū)間隧道縱縫和環(huán)縫采用M30 雙頭螺栓連接，環(huán)向共設(shè)12 個(gè)螺栓，縱向共設(shè)17 個(gè)螺栓，封頂塊的拼裝方法為縱向插入法。襯砌接縫防水采用三元乙丙橡膠制成的彈性密封墊和遇水膨脹橡膠。隧道貫通后，襯砌內(nèi)弧面按設(shè)計(jì)要求作嵌縫、抹孔等防水處理。

4 承壓含水地層盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)引起的不良情況

盾構(gòu)在承壓含水地層中掘進(jìn)施工（詳見圖2），主要由于管片上浮引起隧道襯砌成型管片脫出盾尾后產(chǎn)生隧道的整體上偏使軸線超限、管片碎裂、盾尾滲漏等問題，對(duì)隧道施工質(zhì)量產(chǎn)生不良影響。其中，管片碎裂和盾尾滲漏的問題如果不加以重視，將會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的生產(chǎn)安全事故，造成無法估量的損失。

圖2 工程平面和縱剖面

以丹陽路站~ 昌邑路站上行線95~145 環(huán)為例，盾構(gòu)主要施工參數(shù)如下：推進(jìn)土壓力0.33~0.37 MPa，推力1 600~2 100 t，刀盤扭矩220~300 t·m，推進(jìn)速度35~45 mm/min，同步注漿量5.0 m3/ 環(huán)，盾構(gòu)隧道豎曲線處于2.8%大縱坡下坡階段。成型隧道管片上浮主要表現(xiàn)為：管片脫出盾尾后1 d 內(nèi)的上浮量約為60 mm（最大上浮量為123 mm），其后管片上浮的速率明顯減緩，3 d 后管片基本趨于穩(wěn)定。具體數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 上行線95~145 環(huán)管片上浮量統(tǒng)計(jì)

該段區(qū)間土層位于⑤12灰色粉質(zhì)黏土、⑤2a灰色砂質(zhì)粉土、⑤31b灰色粉質(zhì)黏土、⑥暗綠~ 草黃色黏土、⑦11草黃色黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土、⑦12草黃色砂質(zhì)粉土。其中，⑦層為上海地區(qū)的第一承壓含水地層。最大覆土深度（位于浦東防汛墻位置）約為33.5 m，隧道至河床最小豎向凈距15.3 m。黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)粉土這兩種土層具有流塑性大、水穩(wěn)性差、強(qiáng)度低、透水性強(qiáng)、壓縮性低、壓縮過程快、抗剪強(qiáng)度高等特性。該土層中成型隧道管片的上浮會(huì)致使隧道發(fā)生縱向的變形，以環(huán)縫處最明顯。加之目前管片上浮和碎裂處位于盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)左拐彎段，左右兩側(cè)管片所受應(yīng)力不均等，受土層特性影響，右側(cè)管片受拉力更大，致使右側(cè)管片螺栓受彎曲變形比左側(cè)更明顯。所以，管片上浮后，右側(cè)管片碎裂情況比左側(cè)嚴(yán)重。

5 管片上浮碎裂原因分析

盾構(gòu)在承壓含水地層掘進(jìn)施工中產(chǎn)生的管片碎裂主要表現(xiàn)為：在盾尾拼裝區(qū)內(nèi)的2 環(huán)管片基本不會(huì)發(fā)生碎裂情況，而脫出盾尾的管片會(huì)出現(xiàn)連續(xù)性碎裂的的情況。前期管片發(fā)生破損的部位主要位于封頂塊（XF 塊）管片兩側(cè)的縱向部位，即相鄰L 塊（鄰接塊）管片縱縫處，多發(fā)生在縱縫靠近盾構(gòu)掘進(jìn)方向一側(cè)，碎裂深度一般在50~100 mm，長(zhǎng)度在500~1 100 mm，有混凝土碎片脫落現(xiàn)象。后期由于管片上浮，兩側(cè)B 塊（標(biāo)準(zhǔn)塊）管片也會(huì)出現(xiàn)不同程度的裂縫，發(fā)生位置與L 塊類似。以上破損由以下幾方面造成：

（1）盾構(gòu)機(jī)非故障性停機(jī)的影響

盾構(gòu)施工過程往往出現(xiàn)渣土無法正常外運(yùn)、管片供應(yīng)不及時(shí)的情況，因此造成盾構(gòu)出現(xiàn)停機(jī)現(xiàn)象。當(dāng)盾構(gòu)恢復(fù)正常推進(jìn)施工時(shí)，因刀盤切口處和土倉(cāng)內(nèi)渣土沉積，使得盾構(gòu)刀盤復(fù)轉(zhuǎn)時(shí)扭矩增大，盾尾液壓裝置對(duì)已成型管片形成的扭力發(fā)生變化，使成型管片出現(xiàn)破損碎裂的情況。另外，停機(jī)時(shí)間過長(zhǎng)，會(huì)使盾構(gòu)機(jī)整體有明顯下沉現(xiàn)象；盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)調(diào)整難度增加，也會(huì)造成管片破損碎裂。

（2）盾構(gòu)機(jī)設(shè)備自身的影響

丹陽路站~ 昌邑路站區(qū)間盾構(gòu)機(jī)需切削江浦路隧道浦東工作井地下連續(xù)墻，因此，盾構(gòu)機(jī)設(shè)備選型為中交天和復(fù)合式土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，并采用內(nèi)置注漿系統(tǒng)。該盾構(gòu)機(jī)直徑較普通外置注漿系統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)直徑單邊增加35 mm，造成隧道成型后管片外壁與土體的空隙增大，同步注漿漿液理論用量也較普通盾構(gòu)機(jī)有所增大（原盾構(gòu)機(jī)同步注漿理論用量為2.0 m3，內(nèi)置注漿系統(tǒng)盾構(gòu)機(jī)同步注漿理論用量為3.0 m3）。

本區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)后，在浦西段需穿越漁人碼頭和浦西防汛墻，地面、房屋和防汛墻變形控制要求高，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)需采用土壓和同步注漿兩種措施進(jìn)行雙控。掘進(jìn)過程中，房屋和防汛墻總體沉降控制較好，地層損失率基本控制在±3‰以內(nèi)。而同步注漿量普遍在5 m3以上，最大值為5.2 m3，實(shí)際的同步注漿量達(dá)到理論注漿量的180%。同步注漿量增大造成管片上浮情況嚴(yán)重，平均上浮量近80 mm，最大上浮量達(dá)123 mm （管片上浮量統(tǒng)計(jì)詳見圖3），導(dǎo)致盾尾上部間隙較?。▋H10 mm），且盾構(gòu)機(jī)豎曲線位于+2‰~-28‰的下坡變坡當(dāng)中，容易導(dǎo)致頂部管片破碎。

圖3 管片上浮量統(tǒng)計(jì)

管片上浮量較大，使得管片環(huán)間上浮量差異較大（最大差異達(dá)20 mm 左右），造成隧道管片間十字錯(cuò)縫情況嚴(yán)重，容易導(dǎo)致隧道腰部位置的管片碎裂。

（3）同步注漿漿液質(zhì)量的影響

同步注漿孔位和注漿量的分配不合理，造成注漿不均勻，底部注漿過多、過快也會(huì)造成管片上浮。施工前期，同步注漿漿液性能強(qiáng)度指標(biāo)不能滿足快速固結(jié)，未能及時(shí)起到固定管片的效果。在掘進(jìn)速度較快情況下，同步注漿的漿液[2]無法及早達(dá)到初凝并具有一定的固結(jié)強(qiáng)度，且隨著掘進(jìn)速度加快，地層損失空隙中同步注漿的漿液未凝固。由于注漿的壓力和漿液的比重較大，故漿液產(chǎn)生了大于管片自重的浮力，使成型管片具有了一定的浮力，成型管片和連接螺栓在浮力的作用下發(fā)生彈性形變，不能約束管片上浮。

（4）盾構(gòu)掘進(jìn)超挖的影響盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，特別是轉(zhuǎn)彎過程中，也會(huì)存在超挖的情況。因此，切口部位的地層損失空隙進(jìn)一步擴(kuò)大，從而使管片上浮的可能性進(jìn)一步增大。

6 控制管片上浮碎裂的措施分析

在發(fā)現(xiàn)隧道出現(xiàn)成型管片上浮碎裂情況后，項(xiàng)目監(jiān)理機(jī)構(gòu)立即組織業(yè)主和施工單位收集盾構(gòu)推進(jìn)相關(guān)數(shù)據(jù)，查閱國(guó)內(nèi)外有關(guān)技術(shù)資料，并結(jié)合以往管控經(jīng)驗(yàn)，提出了如下解決方案：

（1）為保障盾構(gòu)連續(xù)施工，避免出現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)非故障性停機(jī)的情況，增加管片供應(yīng)和渣土外運(yùn)能力，提升運(yùn)輸效率，減少盾構(gòu)機(jī)停機(jī)時(shí)間。

（2）盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)過程中，在保持扭矩不變的前提下放緩?fù)七M(jìn)速度，時(shí)刻注意盾尾間隙變化情況。一旦發(fā)現(xiàn)盾尾間隙有縮小的趨勢(shì)，立即通過各千斤頂推力的調(diào)整控制盾尾的間隙。

（3）調(diào)整盾構(gòu)機(jī)4 個(gè)同步注漿孔的注漿比例，將原來的上、下注漿孔按5 ∶5 的注漿比例調(diào)整為6.5∶3.5，甚至調(diào)整為7∶3，使?jié){液均勻合理填充密實(shí)。在調(diào)整注漿比例的同時(shí)改進(jìn)漿液配比，在滿足泵送的情況下降低同步注漿坍落度。另外，適當(dāng)加入促進(jìn)漿液提前凝固的膠凝材料，提高漿液初凝時(shí)間和強(qiáng)度（3 d 0.3 MPa）及漿液比重（1.8~1.9 g/cm3），提高漿液初期抗剪強(qiáng)度，減小管片上浮量，保證地層損失率的情況下將平均上浮量控制在4 cm。

在1# 臺(tái)車上部搭設(shè)注漿平臺(tái)，對(duì)上部管片每10環(huán)進(jìn)行1 道三環(huán)寬的上部180°雙液漿環(huán)箍注漿（詳見圖4），雙液漿配比為1∶3（水泥漿500 L，水玻璃160 L），每環(huán)每孔注漿量為0.2 m3，減小相鄰環(huán)間漿液的流動(dòng)，固化隧道頂部土體。

圖4 管片上部180°雙液漿環(huán)箍注漿

（4）經(jīng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得知，管片脫出盾尾后至車架段的成型隧道呈階梯式上浮趨勢(shì)，之后數(shù)據(jù)趨于穩(wěn)定。針對(duì)上浮情況，對(duì)盾構(gòu)機(jī)盾殼內(nèi)外連續(xù)5 環(huán)管片底部180°部位采用型鋼縱向拉接裝置對(duì)成型隧道進(jìn)行固定（詳見圖5），提高管片間的整體抗剪能力，減小隧道變形。同時(shí)增加12 t 的配重，為漿液固結(jié)爭(zhēng)取時(shí)間，減小管片上浮量。

圖5 型鋼拉結(jié)固定管片

（5）丹陽路站~ 昌邑路站區(qū)間將穿越⑤2a灰色砂質(zhì)粉土、⑥暗綠~ 草黃色粉質(zhì)黏土、⑦11草黃色黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土和⑦12草黃色砂質(zhì)粉土等復(fù)雜土層。盾構(gòu)掘進(jìn)每環(huán)進(jìn)行渣土留樣，及時(shí)掌握每環(huán)土層變化情況。同時(shí)，根據(jù)變化情況，考慮進(jìn)行渣土改良等措施，確保開挖面穩(wěn)定。

（6）對(duì)每環(huán)管片底和管片頂?shù)纳细?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量監(jiān)測(cè)，掌握管片脫出盾尾~ 車架段的上浮情況。建立每日數(shù)據(jù)分析會(huì)制度，每個(gè)班組作業(yè)結(jié)束后和下個(gè)班組作業(yè)開始前，由項(xiàng)目工程師牽頭召集技術(shù)員、盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)和盾構(gòu)司機(jī)等相關(guān)人員參加例會(huì)。盾構(gòu)司機(jī)匯報(bào)當(dāng)班推進(jìn)情況，結(jié)合項(xiàng)目工程師的當(dāng)日數(shù)據(jù)分析，根據(jù)當(dāng)日數(shù)據(jù)及監(jiān)測(cè)情況，確定下個(gè)推進(jìn)班的盾構(gòu)施工參數(shù)，由盾構(gòu)機(jī)長(zhǎng)下達(dá)下個(gè)推進(jìn)班的盾構(gòu)施工指令，做到精細(xì)化施工。

上述處理措施提出后，項(xiàng)目監(jiān)理機(jī)構(gòu)立即督促施工單位按照要求實(shí)施。經(jīng)過對(duì)丹陽路站~ 昌邑路站上行線325~335 環(huán)的管片上浮規(guī)律觀測(cè)，管片上浮累計(jì)變形量最大值由原來的123 mm 下降到15~30 mm，具體數(shù)據(jù)詳見表2。由此可以看出，該處理措施有效地控制了管片上浮，減少了管片碎裂、滲漏，保證了盾構(gòu)隧道施工質(zhì)量能滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范[3]要求。

表2 上行線325~335 環(huán)管片上浮量統(tǒng)計(jì)

7 結(jié)語

綜上所述，在承壓（微承壓）含水地層中進(jìn)行盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，常會(huì)出現(xiàn)管片上浮、管片碎裂、管片滲漏等現(xiàn)象。為了控制隧道管片上浮等問題的發(fā)生，在施工過程中，應(yīng)做好以下控制工作：

（1）應(yīng)確保盾構(gòu)連續(xù)施工，不能隨意出現(xiàn)停止盾構(gòu)掘進(jìn)的情況發(fā)生。

（2）管片上浮問題是同步注漿穩(wěn)定管片與管片上浮在時(shí)間上的賽跑，因此，應(yīng)調(diào)整好同步注漿漿液性能指標(biāo)，控制好各同步注漿孔漿液注入比例、注漿量和注漿壓。

（3）應(yīng)在成型隧道管片上做好拉結(jié)和配重，確保成型隧道的質(zhì)量。

（4）應(yīng)調(diào)整千斤頂?shù)耐屏?，確保管片均勻受壓。

（5）應(yīng)調(diào)整盾構(gòu)姿態(tài)、控制盾尾間隙，減少盾構(gòu)蛇形超挖。