河漫灘可液化地層土壓平衡盾構施工技術

狄明世

(中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030000)

1 前言

隨著全國城市軌道交通建設的快速發展，城市地鐵隧道經常不可避免地穿越可液化地層，但目前國內外大多僅對于地下結構自身安全開展抗震研究，針對可液化地層中盾構掘進施工階段的風險規避和控制技術研究尚少。由于盾構掘進施工時的機械振動和擾動，使得河漫灘飽和粉細砂地層容易產生液化現象，進而造成地面超限沉降，危及周邊鄰近建構筑物安全，嚴重時將引起隧道坍塌，造成巨大的經濟損失和惡劣的社會影響[1]。因此，不斷研究和總結可液化地層中土壓平衡盾構的施工經驗，確保盾構施工安全顯得尤為重要。

2 工程概況

太原地鐵2號線化章街站～通達街站區間右線長1 114 m，左線長1 112 m，通達街站～康寧街站區間右線長1 150 m，左線長1 082 m，兩區間結構形式均為外徑6.2 m單線圓形隧道，隧道覆土厚10～17 m，均采用盾構法施工。兩區間沿小店區人民路南北向布置，為汾河漫灘平原區地貌，與現狀汾河相距不足3 km，地下水位埋深1～5 m。

區間地層由第四系全新統人工填土層、第四系全新統汾河漫灘沖洪積層、第四系上更新統汾河沖洪積層組成，從上至下主要為雜填土、素填土、粉質黏土、黏質粉土、砂質粉土、粉細砂、中砂、粗砂、粉質黏土、黏質粉土。其中盾構穿越地層主要有黏質粉土、粉質黏土、粉細砂、中砂[2]。該工程盾構隧道所處地層均分布有飽和粉細砂層，勘查報告根據《城市軌道交通結構抗震設計規范》對埋深20 m以上全新統飽和砂粉性土標貫試驗法液化判別結果，總體上判定在8度地震作用下會液化，化章街站～通達街站區間液化等級為“輕微～中等”，通達街站～康寧街站區間液化等級為“中等～嚴重”。可液化地層與隧道位置關系及分布情況見表1。

表1 可液化地層分布情況統計

3 施工期間液化機理及危害

3.1 盾構施工引起的振動液化機理

松散的砂土和粉土，在地下水的作用之下達到飽和狀態，如果在這種情況下土體受到地震、動荷載作用，會有變得更緊密的趨勢，這種趨于緊密的作用使孔隙水壓力驟然上升，而在這短暫的過程中，驟然上升的孔隙水壓力如果來不及消散，就使原來由土顆粒間接觸點傳遞的應力(有效應力)減小，當有效應力完全消失時，土層會完全喪失抗剪強度和承載能力，變成像液體一樣，這就是地層液化現象[3-4]。

土性條件、初始應力條件、動荷載條件和排水條件是砂土液化的主要影響因素，其中動荷載條件是外因[5]。現有液化判定規范均以地震作為動荷載條件進行研究和判定，而盾構掘進施工過程中刀盤在設定的轉速和貫入度下周期性的循環振動荷載也可能成為砂土液化的動荷載條件。飽和粉細砂在往復剪切作用下，發生瞬間滑移破壞，孔隙體積減小，趨于振密，超孔隙水短時間內不能及時排除，導致孔隙水壓力快速上升，當孔隙水壓力上升到使砂粒間有效正應力降為零時，砂粒就會懸浮于水中，粉細砂轉變為流體狀態，產生振動液化流動現象[6]。

3.2 施工期間振動液化的危害

可液化地層中采用盾構法施工會引起諸多問題，刀盤前部土體振動液化→砂、水分離而依次下沉→地下水補給形成的空隙→更大范圍地下水滲流→臨近區域砂土失水→平衡破壞發生沉降[7]。受地層液化作用的影響，盾構機的三大密封易發生泄漏，螺旋機后倉門易出現突水、涌砂現象，情形嚴重的會加速地層損失，形成惡性循環，地層超限沉降，盾構姿態難以控制，隧道及地下管線異常沉降，地面建筑物沉陷、傾斜甚至倒塌。這種盾構施工振動液化表現規模、范圍、影響力等相對于地震液化要小得多，但對于工程造成的經濟損失和社會形象損失可能無法估量。

4 可液化地層盾構掘進施工關鍵技術

4.1 掘進參數選擇及控制技術

(1)為減少盾構周期性施工對液化土的振動影響，應盡可能地減小刀盤轉速及扭矩、勻速推進、盡量減小盾構總推力，可選擇以下掘進施工參數:刀盤轉速為0.5～0.8 r/min，刀盤扭矩為2 000～2 600 kN·m，掘進速度為30～40 mm/min，總推力不大于18 000 kN，并根據監測數據及時調整優化。

(2)嚴格控制出土量，采用重量與體積雙控，實際出土重量、體積與理論出土重量、體積誤差量應控制在±3%以內。通過丈量土箱及土箱內渣土高度計算每環出土體積，通過安裝在龍門吊上的稱重計記錄每環出土重量，嚴格控制出土量，若出現異常，及時采取補償措施。

4.2 渣土改良控制技術

(1)針對河漫灘地層富水高滲透性的特點，采用泡沫劑與高分子聚合物配合使用作為渣土改良劑。通過高分子聚合物材料的吸水膨脹能力提高渣土粘稠度，增加抗滲性；通過泡沫劑改善渣土和易性和流塑性。配合使用改良渣土，減少刀盤刀具磨損，穩定土壓，降低扭矩，減少或避免噴涌現象[8]。

(2)采用泡沫濃度4%，發泡率為10～12的泡沫劑溶液，注入率40%，掘進中根據斷面土層分布，刀盤扭矩變化和渣土流出狀態及時調整。

(3)高分子聚合物采用兩性聚丙烯酰胺，濃度取5%，注入率為6%～12%。

(4)渣土改良材料均注入刀盤土倉，兩路注高分子聚合物，其余管路注泡沫劑，兩種改良劑注入口內外圈間隔選用。盾構推進前，先加入泡沫，轉動刀盤，待刀盤扭矩正常穩定后，再向前推進，同時注入高分子聚合物[9]。每環推進完成后，先停止高分子聚合物注入，轉動刀盤3 min左右后再停止泡沫劑注入。

(5)渣土改良以泡沫劑為主，高分子聚合物為輔。以刀盤扭矩和渣土和易性為主要依據，適時調整泡沫劑注入參數；以出渣稠度和噴涌情況為依據，適時調整高分子聚合物注入參數。

4.3 同步注漿置換孔隙水技術

(1)漿液類型采用可硬性漿液，初凝時間短，早期強度高，有利于隧道襯砌穩定。配合比見表2，漿液主要性能要求見表3。

表2 同步注漿漿液配合比

表3 漿液主要性能指標

(2)注漿控制標準以壓力控制為主，注漿量控制為輔，每環注漿量充填系數不小于2，注漿壓力為平均土壓力的1.2倍，且不小于0.35 MPa，不大于0.4 MPa。同時通過地面監測數據及時調整優化注漿參數。

(3)同步注漿置換孔隙水工藝。飽和粉細砂地層地下水豐富，滲透系數大，盾尾間隙形成的同時，析出的孔隙水迅速填充，造成注漿困難，且漿液進入地層后被孔隙水稀釋，漿液性能影響較大，無法保證注漿填充效果。每環盾構開始掘進前，在盾尾倒數第三環(即脫出盾尾的第一環)頂部封孔塊管片預留注漿孔安裝球閥，通過鋼釬或電鉆打通預留注漿孔后，及時關閉球閥。開始掘進時，打開球閥釋放盾尾孔隙水，同步注漿及時填充置換。置換過程中通過盾尾同步注漿壓力監控，調整同步注漿流量和泄水球閥開合度，必要時降低掘進速度，確保同步置換，均勻注漿，盾尾空隙及時填充。

(4)球閥泄流出的地層水顏色變渾濁含有泥沙或流出漿液后，及時關閉球閥停止泄水。

4.4 二次注漿隔斷孔隙水技術

(1)漿液類型采用速凝型漿液——水泥與水玻璃雙液漿，漿液配合比及主要性能要求見表4。

表4 雙液漿配合比及主要性能

(2)二次注漿隔斷水工藝。每隔8～10環通過整環二次注漿形成隔水環箍，阻隔孔隙水沿成型隧道外壁流竄匯集，同時限制未初凝的同步注漿漿液因隧道坡度而縱向流動。隔水環箍需對該環6塊管片預埋注漿孔二次注漿，從下往上，左右交替對稱注漿。

(3)注漿距離要求。環箍注漿位置應選定在盾尾倒數6～8環位置。

(4)注漿工藝。選定注漿孔位，安裝注漿單向逆止閥后，用電錘鉆穿該孔位混凝土保護層，接上三通及水泥漿管和水玻璃漿管。注漿時，先注入純水泥漿液打通管道，觀察注漿壓力及閥門密封均正常后，再混合注入水玻璃溶液，終孔時適當加大水玻璃濃度。每孔注漿結束10～20 min后再將注漿頭拆除，并及時用雙快水泥或配套塑料堵頭封堵[10]。

(5)環箍隔水每環注漿量宜控制約1.2 m3，注漿壓力控制在0.3～0.5 MPa之間。

5 可液化地層無障礙盾構進出洞施工技術

盾構進出洞是盾構施工的關鍵環節之一，常規的盾構始發接收前必須破除洞門范圍鋼筋混凝土圍護結構，由于洞門鑿除期間土體必然長時間暴露，遇富水細砂地層極易出現土體塌方，涌水涌砂風險，導致地面下沉并危及周邊地下管線、建筑物及道路交通安全，該類事故時有發生。針對端頭井附近分布有飽和粉細砂或可液化地層時，洞門鑿除帶來的土體暴露將加大涌水涌砂風險，極易引起地面塌陷事故。為免除洞門鑿除的過程，采用玻璃纖維筋洞門圍護形式替代傳統鋼筋砼圍護形式，結合相關掘進參數控制，順利安全完成盾構區間無障礙始發接收任務。

5.1 洞門圍護樁玻璃纖維筋替代措施

玻璃纖維筋是一種玻璃纖維增強復合材料，抗拉強度較高、重量較輕、抗腐蝕性能好[11]，其抗彎抗拉性能與普通鋼筋性能無異，其抗剪性能差則可切割性能好，盾構機刀盤可直接切削。為實現盾構機無障礙始發接收，在區間隧道洞門范圍內采用相同設計參數的玻璃纖維筋混凝土灌注樁替代傳統鋼筋混凝土灌注樁，替代方式見圖1，玻璃纖維筋與普通鋼筋搭接長度不小于現行《混凝土結構設計規范》規定的同直徑螺紋鋼筋搭接長度的1.25倍。受力主筋間玻璃纖維筋與螺紋鋼筋之間的連接應采用與鋼筋直徑相適應的鋼制U型卡連接，且每根鋼材連接端U型卡數量不少于2個，鋼筋貼于U型卡內側，連接方式見圖2，鋼筋搭接布置在盾構機刀盤外1 m以上的范圍，且同一搭接斷面錯開50%以上。

圖1 玻璃纖維筋混凝土樁位置示意

圖2 鋼筋與玻璃纖維筋連接示意

5.2 無障礙始發接收掘進措施

始發接收階段盾構掘進參數是否設置合理決定著進出洞安全風險的控制效果，需重點關注并控制的參數主要是盾構刀盤切削混凝土的貫入度、刀盤扭矩、總推力等。針對以上分析，盾構推進要采用低扭矩、慢速度切削圍護樁的推進方式，并在推進過程中及時補充泡沫，增加渣土和易性，減小渣土對刀具的磨損性，同時降低刀盤軸承溫度。因此設定盾構掘進參數為:總推力不超過10 000 kN，刀盤旋轉速度不超過1 r/min，推進速度控制在5～10 mm/min，切口壓力控制在1～1.2 bar之間[12]。

6 總結及思考

在復雜地層特別是可液化地層中進行盾構施工，創新優化盾構施工工藝進行風險分析控制是一項復雜的系統工程，也是保障盾構施工安全的必要課題。本文所述的可液化地層盾構施工關鍵技術在太原地鐵2號線汾河漫灘地層成功應用，證明上述分析思路及技術措施是可行的，能夠為類似地層盾構施工提供參考。

此外，液化地層沉降反應很快，盾構刀盤與盾尾的外徑差造成的地層損失在盾體上就形成較大的沉降反應，盾尾同步注漿無法及時消除上述地層損失，今后在可液化地層盾構施工過程中，可以通過中盾注漿孔及時填充新型的克泥效材料，以及時消除盾體上的地層損失，更好地控制地層沉降。