韋 珪

（中鐵十八局集團軌道交通工程有限公司，天津 300222）

0 引言

本論文以廣州市軌道交通某標段盾構(gòu)區(qū)間工程為背景，為確保盾構(gòu)順利穿越富水砂層地帶及地表為淺基礎(chǔ)和無基礎(chǔ)的 175 棟群體房屋，在富水砂層地質(zhì)試驗段，進行盾構(gòu)施工管控及施工參數(shù)擬定。借鑒成都地鐵盾構(gòu)穿越富水砂卵石地層的掘進管控方式，擬定非同條件地層的施工管理方式、施工參數(shù)。目前富水砂層盾構(gòu)施工成為研究的熱點問題，本次研究可為盾構(gòu)穿越復(fù)雜地質(zhì)條件施工提供可靠的技術(shù)依據(jù)。

1 工程概況

廣州市軌道交通某標盾構(gòu)區(qū)間工程（DK 20+264.92～DK 20+540）下穿既有建筑物（居民區(qū)），其中盾構(gòu)施工段右線 257～372 環(huán)，共 174 m；左線 225～257環(huán)、307～344 環(huán)，共 107 m。開挖面地層多為砂層和黏土層，地質(zhì)較差，隧道洞頂距地面 10～20 m。線路正上方有不同年代居民房屋 40 棟，總面積 12 066 m2，施工影響范圍（隧道 2 倍埋深，約為 25.0～38.0 m）內(nèi)有房屋 175 棟，總面積 50 938 m2。受規(guī)劃道路拆遷的影響，既有建筑物均有加蓋現(xiàn)象，地表建筑物極其密集。其中多數(shù)建筑物為淺基礎(chǔ)或無基礎(chǔ)，少部分為人工挖孔樁基礎(chǔ)，直接坐落在砂層地質(zhì)上，存在較大施工風(fēng)險。

根據(jù)補勘資料，本工程所處的地質(zhì)條件較為復(fù)雜，隧道穿越的地層主要包括粉細砂、中粗砂、礫砂、黏土層，地下水豐富。選擇試驗段為 YDK 20+790.17～YDK 20+661.23 區(qū)間（40～125 環(huán)），試驗重點段為YDK 20+745.16～YDK 20+685.16 區(qū)間（70～110 環(huán)），地質(zhì)條件與目標區(qū)域類似。其中砂層約占 87.2%，黏土層約占12.8%，地表為盾構(gòu)施工場地與荒地，無建筑物。經(jīng)過試驗段掘進施工，對渣土改良、掘進參數(shù)、洞內(nèi)注漿、地表沉降等進行分析，工程概況如圖 1～圖 3 所示。

圖2 既有建筑物實物圖及加蓋實物圖

圖3 試驗段與既有建筑物區(qū)域縱斷面地質(zhì)圖

2 試驗段盾構(gòu)施工控制措施

2.1 施工參數(shù)統(tǒng)計分析

為解決砂層中出現(xiàn)的噴涌問題，先對施工參數(shù)進行理論分析，在實際掘進過程中，根據(jù)出渣量、地面沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)對施工參數(shù)做動態(tài)調(diào)整。盾構(gòu)機總推力與掘進速度曲線如圖 4 所示，盾構(gòu)機刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩、上部土壓、出渣量曲線如圖 5 所示。

根據(jù)以上掘進參數(shù)采集，試驗段的主要施工參數(shù)范圍如表 1 所示。

通過試驗段參數(shù)進行統(tǒng)計，該段范圍內(nèi)埋深 11 m，地層主要是黏土層和砂層，施工過程中總推力 1 200～1 500 T、刀盤轉(zhuǎn)速 1.4～1.5 rpm、扭矩 1.3～1.8 MN · m、土壓 1.2～1.5 bar、出渣量 60～63 m3、注漿量平均 4.5～5.5 m3，施工過程未出現(xiàn)噴涌、出渣正常、注漿量偏少，主要原因為盾尾漏漿，導(dǎo)致同步注漿量不足引起地表沉降。

2.2 渣土改良

試驗段 70～110 環(huán)內(nèi)砂層約占隧道的 80%，據(jù)此情況，利用泡沫劑進行渣土改良。泡沫劑比例為泡沫劑 3%、水 97%，泡沫溶液混合液 10%、壓縮空氣 90%。改良后的渣土流塑性較好，螺旋機出渣口無塊狀渣土流出，渣溫正常且無噴涌現(xiàn)象，渣土改良效果較好。

2.3 注漿施工

同步注漿是控制沉降的主要措施之一，務(wù)必做到“掘進注漿同步，不注漿不掘進”，確保每環(huán)的注漿足量。同時對脫出盾尾的管片及時進行二次注漿填充穩(wěn)固，確保周圍土體填充密實，有效控制了后期沉降。同步注漿配比如表 2 所示。

同步注漿是盾構(gòu)施工的重要工序，注漿飽滿、均勻是控制地表沉降的有力保證。在實際施工過程中考慮土體的滲漏，要求同步注漿量不少于 6 m3/環(huán)，而根據(jù)實測值，同步注漿一般為 4.5～5 m3/環(huán)。同步注漿量偏少，主要原因是因為盾尾刷出現(xiàn)漏漿現(xiàn)象，無法達到足量的注漿量，及時跟進了二次注漿，二次注漿量 2～3 m3/環(huán)。盾構(gòu)施工同步、二次注漿量統(tǒng)計如圖 6 所示。

圖4 盾構(gòu)機總推力、掘進速度曲線圖

圖5 盾構(gòu)機刀盤轉(zhuǎn)速、扭矩、上部土壓、出土量曲線圖

表1 主要施工參數(shù)范圍表

表2 同步注漿材料及配合比

2.4 監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)試驗段盾構(gòu)掘進的沉降數(shù)據(jù)，將統(tǒng)計數(shù)據(jù)繪制成地表橫向沉降槽曲線圖和斷面沉降時程圖（圖 7～圖 9）。

D2 監(jiān)測斷面右線對應(yīng) 15～20 環(huán)， 7 月 5 日刀盤掘進至 D2 斷面，7 月 9 日盾尾通過該斷面，最大沉降出現(xiàn)在D2-8 點位，監(jiān)測點對應(yīng)右線隧道軸線，累計沉降量為-26.05 mm。從圖 7 可看出，沉降較為明顯且主要發(fā)生在盾尾脫出管片后。

掘進 D2 斷面時，盾構(gòu)主要施工參數(shù)：土壓力穩(wěn)定在 1.0～1.5 bar，推力控制在 700～900 T，推進速度 5～20 mm/min，同步注漿量約為 4.7～5.7 m3/環(huán)，出渣量 64 m3/環(huán)。沉降原因主要是同步注漿量偏少導(dǎo)致沉降較大。

D3 監(jiān)測斷面右線對應(yīng) 38～42環(huán)， 8 月 5 日刀盤掘進至 D3 斷面，8 月 7 日停機進入分體始發(fā)第二階段，8 月22日恢復(fù)掘進。最大沉降出現(xiàn)在 D3-4、D3-5 點位，監(jiān)測點對應(yīng)右線隧道軸線，累計沉降量-14.79 mm。停機后有小量沉降，2 天后趨于穩(wěn)定。

掘進 D3 斷面時，盾構(gòu)主要施工參數(shù)：土壓力穩(wěn)定在 1.3～1.5 bar，推力控制在 1 000～1 400 T，推進速度 20～40 mm/min，同步注漿量約為 4.5～5.5 m3/環(huán)，二次注漿量 2～3 m3，出渣量控制在 62 m3/環(huán)。沉降原因主要是同步注漿量偏少導(dǎo)致沉降較大，掘進土壓導(dǎo)致的沉降影響較小。

D4 監(jiān)測斷面右線對應(yīng) 54～56 環(huán)，8 月 23 日刀盤掘進至 D4 斷面，8 月 25 日管片脫出盾尾。最大沉降出現(xiàn)在 D4-4 點位，監(jiān)測點對應(yīng)右線隧道軸線，累計沉降量 -27.26 mm。8 月 27 日單次沉降 -24 mm 嚴重超標，盾尾脫出管片1.5 天后沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)超標，砂層區(qū)域地表沉降迅速。

掘進 D4 斷面時，盾構(gòu)主要施工參數(shù)：土壓力穩(wěn)定在1.1～1.4 bar，推力控制在 1 300～1 500 T，推進速度 20～40 mm/min，同步注漿量約為 4.5～5 m3/環(huán)，二次注漿量 2～2.5 m3，出渣量控制在 63 m3/環(huán)。單次沉降主要原因為同步注漿量不足，二次注漿未及時跟進，導(dǎo)致單次沉降遠超規(guī)范值。

圖6 盾構(gòu)施工同步、二次注漿統(tǒng)計圖

圖7 D2 斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

圖8 D3 斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

圖9 D4 斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖

從以上監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線圖可看出，盾構(gòu)施工參數(shù)基本正常，土壓能夠滿足施工要求。引起沉降的主要原因為盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)機掘進對土體有一定的擾動，即擾動土體在成型管片脫出盾尾后，成型管片與土體之間的空腔未能及時填充充足，土體失穩(wěn)沉降 1～1.5 天反應(yīng)至地表。分體始發(fā)過程中，盾尾油脂管路長導(dǎo)致漿液注入不及時，密封效果不好導(dǎo)致同步注漿竄入盾尾，盾尾漏漿影響同步注漿量不足，二次注漿未及時補充跟進導(dǎo)致土體沉降速率加大。隧道正上方反應(yīng)明顯，分析得出以下沉降規(guī)律。

（1）盾構(gòu)掘進到達前，盾構(gòu)推力的擾動和刀盤的轉(zhuǎn)動會對地表產(chǎn)生微量的沉降，沉降值穩(wěn)定在5 mm 之內(nèi)。盾構(gòu)機通過后，淺部土體、較深部土體沉降明顯，最終體現(xiàn)為整體沉降。從斷面監(jiān)測情況看，盾構(gòu)經(jīng)過該斷面時，土體趨于穩(wěn)定需耗時 4～6 天。

（2）盾構(gòu)右線通過斷面對線間產(chǎn)生擾動，形成 V 型沉降槽。盾構(gòu)區(qū)間左、右線中心間距約 14 m，左、右線凈間距約 8 m，右線盾構(gòu)掘進引起的左線隧道上方地表沉降10 mm 左右，對左線隧道土體有一定的影響。

（3）沉降槽曲線基本沿隧道中線呈正態(tài)分布，一般在軸線處的沉降值最大。隧道洞徑范圍是沉降的主要范圍，離隧道邊線 5 m 處的沉降基本占峰值的 65% 左右。單線施工對地表影響范圍為距中心20 m 左右（隧道頂埋深約 2 倍洞徑時），沉降約在 -5 mm 內(nèi)。

3 結(jié)論

（1）土壓力控制。在以黏土層為主、砂層為輔的地質(zhì)中，埋深 10.8～11.5 m 時，盾構(gòu)掘進施工土壓控制在 1.3～1.5 bar 時，地表沉降相對較穩(wěn)定；在砂層為主、黏土層為輔的地質(zhì)中，埋深 10.8～11.5 m 時，土壓控制在 1.4～1.5 bar 時，地表沉降相對較穩(wěn)定。

（2）渣土改良控制。在黏土層為主、砂層為輔的地質(zhì)中掘進需采用泡沫添加劑， 砂層中適當(dāng)加大泡沫劑的用量能有效地改良黏土的和易性、降低渣土的溫度、減小刀盤扭矩、減少泥餅產(chǎn)生，渣土改良效果較理想。

（3）出渣控制。本試驗段以黏土層與砂層地質(zhì)為主，富水較大，出渣經(jīng)過三重控制，即行程控制、渣土斗控制和門式起重機稱重系統(tǒng)控制。出渣量嚴格控制在 63 m3以內(nèi)。

（4）注漿控制。注漿初凝時間控制在 5～6 h 以內(nèi)，必須 4 根管同步均勻注入，通過同步注漿減少砂層快速坍塌，穩(wěn)定隧道內(nèi)管片的姿態(tài)，在此地層中注漿壓力控制在 2.0～3.5 bar 較為合適。脫出盾尾 3～5 環(huán)位置及時配合二次注漿（雙液漿），主要注上半部。同步注漿與二次注漿同時進行，及時填充和穩(wěn)定管片上方的空隙，避免同步注漿凝固之前地層坍塌。脫出盾尾 10 環(huán)后每 3環(huán)注入一定量的二次注漿（單、雙液漿），填充同步注漿漿液固結(jié)收縮產(chǎn)生的空隙，確保管片外周填充密實。

（5）盾構(gòu)姿態(tài)控制。砂層施工過程中姿態(tài)成向上趨勢，富水砂層中為減少上浮影響，盾構(gòu)機推進施工姿態(tài)控制于 -20 mm，嚴格按照規(guī)范要求將掘進姿態(tài)控制在±50 mm 以內(nèi)。

（6）盾尾油脂注入量。油脂注入 28～40 kg/環(huán)，需確保均勻、飽滿。加強盾構(gòu)機盾尾刷的檢修，施工時注入足量的盾尾油脂，防止因漿液沖入盾尾刷及第一艙內(nèi)固結(jié)導(dǎo)致的盾尾密封性差、漏漿等不良現(xiàn)象。

（7）地表監(jiān)測控制。加強地表監(jiān)測，在原有的監(jiān)測斷面，在隧道邊線 6 m 范圍外適當(dāng)增加監(jiān)測點，加大到 30 m 監(jiān)測范圍，通過實際數(shù)據(jù)來分析沉降影響范圍。

（8）穿越風(fēng)險源前基礎(chǔ)控制。在進入建筑群前對所有設(shè)備進行全面檢修，保證設(shè)備出勤率，做好施工組織計劃、物資和勞動力配備及資金、技術(shù)儲備，保證盾構(gòu)機連續(xù)平穩(wěn)掘進，順利通過既有建筑群。