土压平衡盾构机穿越卵石层施工技术研究

土压平衡盾构机穿越卵石层施工技术研究

周光强

中交隧道工程局有限公司盾构工程公司北京100122

摘要：随着社会的日趋进步，地面交通已远远不能满足人们的日常出行，城市地铁建设在近些年显现出了其强大的竞争优势。而地铁施工中区间隧道已从传统的暗挖法转向了盾构法施工，因其具有安全、高效的特点已广泛运用于地铁施工建设当中。盾构穿越卵石层时因卵石粒径分布不均，地下水丰富，可能因地层不密实导致掘进超方，存在严重的施工安全隐患。因此如何能在卵石地层安全施工成为了一项关键性的技术研究。

关键词：地铁建设、盾构法施工、卵石层、技术研究

1.工程概况

兰州轨道1号线西关什字站-文化宫站区间沿西津东路下敷设，规划路面宽度为50m。沿线穿越北园小区、城投金色家园、天安大厦、雷坛河、解放门立交桥。为躲避西关清真大寺，区间采取双线分绕方案，从临夏南路及临夏北路两侧绕避清真寺后，引入西关什字站。

区间最大曲线半径为R＝1200m，最小曲线半径为R＝400m。区间由文化宫出站后分别采用25‰、7.184‰的下坡到达西关什字车站。区间右线长805.961m，左线长791.117m。盾构始发处于强风化砂岩中，随后穿越泥岩，卵石土，在卵石土中完成接收。根据文化宫-西关什字区间地质勘查报告显示，区间卵石层中卵石粒径基本分布在20-800mm之间，卵石含量在80%以上。

根据《兰州市城市轨道交通1号线一期工程KC-3标段，详细勘察阶段文化宫~西关什字区间岩土工程勘察报告》，勘察期间区间地下水位埋深为7.10～10.6m，相应地下水位高程为1515.72～1517.37m。地下水主要富存于2-10卵石土、4-2-1砂岩中，属潜水类型。其中2-10卵石层含水层透水性好，富水性强，厚度大。地下水位受季节影响变化较大，水位年变化幅度约1.0~2.0m。

2砂卵石地层中盾构施工技术研究

文化宫-西关什字区间右线从433环开始进入卵石层，从泥岩过渡到卵石层时穿越一处地质断裂带。掘进中，值班技术员时刻关注皮带机出渣情况，及时调整施工参数。文化宫-西关什字区间因濒临黄河，地下水丰富，而砂卵石地层因卵石级配分布不均，密实度不够，地下水流失较快。在隧道施工中，如何通过控制各项盾构施工参数来有效控制螺旋机喷涌，地表沉降以及螺旋机卡死等问题成为了施工的重难点。

2.1砂卵石地层盾构掘进参数的控制

在盾构掘进施工前，为有效的了解各地层盾构掘进参数，通过向地层相似施工段了解并参考其掘进时的各项施工参数，再根据本区间进入卵石层中的掘进参数收集整理，确定适合本区间在砂卵石地层中掘进参数。在卵石地层中仅使用泡沫剂作为渣土改良的添加剂，发泡率设置为1:13，在盾构机掘进时，向开挖面、土仓等处加注泡沫混合液，其具体目的如下：

①使渣土具有良好的土压平衡效果，利于开挖面稳定，以此控制地表沉降；

②提高渣土的不透水性，使渣土具有较好的止水性，从而控制地下水流失；

③提高渣土的流动性，利于螺旋输送机排土；

④防止开挖的渣土黏结刀盘结成泥饼；

⑤降低刀盘扭矩以及螺旋输送机扭矩，同时减小刀盘及螺旋输送机的磨损，提高盾构掘进效率。

泡沫剂作为渣土改良剂输送和使用便捷，消泡后渣土能恢复原来状态，对环境没有影响。泡沫剂作为渣土改良剂可有效的达到止水效果，泡沫与渣土混合后附着在渣土表面，输送至螺旋机时，可以有效的将渣土输送至皮带，减少了对螺旋机的磨损，有效提高施工效率，具有显著的经济效益。

现场对泡沫混合液取样发现，将近30分钟才消泡，而对于目前工班施工情况而言，30分钟时间内可以对本环管片进行拼装并且下一环的准备工作全部到位，可以进行下一环的掘进施工。由此可见，30分钟的发泡效果可以有效的防止地下水土流失，螺旋机喷涌的问题，为砂卵石地层的施工提供了安全保障。

卵石地层因开挖面不稳定，掘进速度对地面沉降影响也极大。掘进速度过快时，土体容易隆起，破坏了原本地层的稳定性，在管片脱出盾尾后，如不能快速进行同步注浆对管片后壁填充密实很容易因为掘进过快对土体原本的结构稳定性造成一定的破坏性，土体的自稳能力下降，后期沉降明显，甚至可出现塌方。盾构掘进速度过慢时刀盘切削土体速度降低，刀盘周围土体扰动过大，松散卵石受地层扰动被土仓收集并经过螺旋机带出，导致出渣量超方。同时土体与盾体外壳空隙过大，在地面有重载时，极易造成塌方。文化宫-西关什字区间卵石地层位于兰州市西津东路主干道下方，盾构掘进速度如不能控制得当，一旦造成路面塌陷将会造成极其严重的后果。经过前期试掘进时的掘进参数分析发现盾构掘进速度保持在40-60mm/min对土体扰动最小，开挖面相对稳定，每环出渣量也基本保持在正常范围内，同时地表及建筑物各项监测数据稳定。

卵石层因卵石级配分布不均匀，导致盾构掘进时刀盘切削土体的掌子面与管片拼装完成后需要同步注浆的填充空隙较大，再者因为地下水丰富，流动性较大，同步注浆填充量也将进一步增大。设计同步注浆量每环在3m3，为了有效控制地表沉降，适时填充松散卵石土间的间隙，保证施工安全，砂卵石地层中每环注浆量直接达到了6-7m3。在卵石层中注浆量虽然远远的超过了设计量，但这是保证安全施工的必要措施，地下水流速过快，可以携带部分水泥浆液附着在卵石表面，形成支撑骨架，填充盾尾管片与开挖面的间隙，达到了止水的效果，可以有效的降低因地下水丰富，流动性较大而引起的管片上浮的情况，有利于成型隧道的稳定。

2.2卵石地层中管片拼装点位选取

管片拼装点位选取合理能够减少相邻管片环缝及纵缝的错台，同时可以防止管片拼装完成后出现隧道内渗漏水的情况，保证成型隧道的美观性。管片拼装时严格控制拼装质量，为防止管片拼装时挤碎管片而可能引起的渗漏水的情况，在每环拼装前及结束时都对盾尾间隙进行测量，调节盾尾间隙选取下一环的拼装点位，不因拼装点位处盾尾间隙过小而使得管片在脱出盾尾时挤碎管片引起隧道内渗漏水的情况；同时根据线路走向及时对管片俯仰进行测量，在俯仰与设计偏差过大时及时进行管片姿态的调整，达到最合适的管片姿态。管片拼装时防止渗漏水情况还得注意拼装点位的选取，16组油缸中上下点位（16点、8点）不适合拼装，是由于F块外形最小，容易出现渗漏水现象。

2.3二次注浆

在每环掘进完成及管片拼装完成后，成型的隧道部分地方出现渗漏水现象，渗漏点发生的原因可能有：1、同步注浆填充不饱满；2、管片拼装时局部位置被挤碎；3、管片防水材料粘贴质量不达标；4、管片拼装产生错台，止水条错位；5、管片姿态较差且拼装点位选取不合理。对于管片拼装质量良好且有渗漏点的地方采取水玻璃及水泥浆混合液进行二次注浆，注浆压力控制在2bar左右，第一次注浆完成后再对隧道进行检查，依旧渗漏的位置再次进行二次注浆，直至不再渗漏。

结语：

土压平衡盾构机穿越卵石地层时，需控制好掘进速度、注浆量、及时调整泡沫泡发率进行渣土改良，并且严格控制出渣量。富水砂卵石地层要严格把控管片防水粘贴质量、拼装质量，对拼装完成管片及时进行二次注浆对地层进行补强，防止后期沉降。

参考文献：

[1]《兰州市城市轨道交通1号线一期工程KC-3标段，详细勘察阶段文化宫~西关什字区间岩土工程勘察报告》；

[2]周文波.盾构法隧道施工技术及应用,中国建筑工业出版社，2004；

[3]吴全忠.城市地铁区间隧道盾构工程地表沉降控制，西部探矿工程，2003.