戴志仁

(1.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 城市軌道與建筑設計研究院，陜西 西安 710043； 2.中鐵第一勘察設計院集團有限公司 軌道交通工程信息化國家重點實驗室，陜西 西安 710043； 3.陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室，陜西 西安 710043)

近年來，隨著各大城市軌道交通建設的迅速發(fā)展，在北京、成都、蘭州、南寧以及西安等地，富水砂卵石地層(卵石含量在40%～70%，體積比)條件下盾構隧道工程遇到的問題越來越突出[1]，比如盾尾后方隧道上浮、成型隧道偏離設計軸線、管片碎裂與滲漏、超挖引起地層空洞、刀具檢修導致地層失穩(wěn)等等，可能導致隧道貫通后需要進行大范圍調線調坡，大量管片需要進行修補甚至可能引起周邊構筑物沉降或裂縫風險等等[2-3]，無法滿足建設環(huán)境友好型社會的要求！

對于富水砂卵石地層條件下的盾構隧道工程，很多學者都進行了相關研究，戴志仁[4]針對蘭州地鐵1號線盾構下穿黃河隧道工程，對管片荷載模式與結構選型方面進行了研究，明確了高水壓下管片防水與耐久性控制因素；楊志團[5]對高壓富水砂卵石地層條件下的盾構管片內力與防水機理進行了深入研究，明確了單層襯砌是合理的；張莎莎等[6]提出了富水砂卵石地層條件下，滿足最大河床沖刷深度的區(qū)間隧道縱斷面設計方案，明確了基于河床地形的沉降變形規(guī)律與抗震穩(wěn)定性；王樹華[7]針對成都地鐵1號線砂卵石粒徑大、強度高的特點，提出了增大刀盤開口率與優(yōu)化掘進參數(shù)的理念，奠定了成都地區(qū)盾構快速掘進的基本思路；胡欣雨等[8]針對富水砂卵石地層中盾構掘進遇到的刀盤與螺旋輸送機磨損嚴重、排土困難及開挖面難以平衡等情況，提出了加泥式土壓盾構與欠壓掘進方法，在一定程度上提高了盾構掘進效率、減小了施工擾動；羅松等[9]提出了富水砂卵石地層盾構掘進地表滯后沉降的主要誘因及其應對措施，對實際工程具有一定的指導意義。這些既有研究成果主要集中在地層穩(wěn)定性控制與盾構掘進效率方面，很少對富水砂卵石地層盾構掘進相關問題進行系統(tǒng)研究。

目前，對富水砂卵石地層條件下的盾構隧道工程而言，隧道上浮與隧道軸線控制問題、盾構施工擾動與開倉換刀問題、風險源處理與環(huán)境保護問題等比較突出，因此本文針對近年來富水砂卵石地層盾構施工中面臨的盾構掘進與管片拼裝技術、隧道上浮與隧道軸線控制技術、刀具檢修與開倉技術，以及風險源處理技術等進行系統(tǒng)研究，提出滿足工程質量和周邊環(huán)境安全的富水砂卵石地層盾構隧道施工成套技術。

1 盾構掘進與管片拼裝技術

1.1 基于土壓平衡盾構的螺旋排土—泥膜支護工法

砂卵石地層條件下的盾構法隧道一般以土壓平衡盾構為主，但由于卵石土顆粒大小不一，細顆粒與膠結成分較少，經(jīng)常導致盾構機土倉內渣土塑流性與止水性難以滿足螺旋機工作需求，砂卵石地層中的盾構法隧道經(jīng)常出現(xiàn)土倉上半斷面無法有效充填，導致出現(xiàn)半倉掘進(欠壓掘進)，如圖1所示。而砂卵石地層條件下的泥水平衡盾構，經(jīng)常由于大粒徑卵石的破碎問題制約泥漿管道順利運輸。

圖1 砂卵石地層中盾構半倉(欠壓)掘進

鑒于常規(guī)土壓平衡盾構與泥水盾構存在的缺陷與不足，針對性地提出一種集合土壓盾構與泥水盾構兩者優(yōu)點的新工法，即“螺旋排土—泥膜支護”盾構工法?！奥菪磐痢嗄ぶёo”盾構工法結合泥水盾構開挖面穩(wěn)定的特點與土壓盾構排土簡便的特點，運用泥漿(泥膜)支護開挖面，同時使用螺旋排土器將渣土混合物排出，不僅解決了開挖面穩(wěn)定性難題，還解決了渣土排出難題，實現(xiàn)了富水砂卵石地層條件下土壓平衡盾構的保壓掘進，為施工微擾動控制奠定了基礎！對目前盛行的密閉式盾構法隧道技術而言，是一項重要的技術革新！

“螺旋排土—泥膜支護”盾構工法的本質是基于渣土改良的土壓平衡盾構，其實現(xiàn)的關鍵在于盾構機土倉內渣土的改良。為了改良土倉內的渣土，即改善渣土的流動性和止水性，使渣土處于塑流狀態(tài)，可考慮往土倉內注入高密度泥漿。根據(jù)砂卵石地層特性和室內試驗結果，往土倉內注入高密度泥漿較為合理的比例為15%～25%(體積比)，從而使盾構掘進渣土通過螺旋排土器順利排出。

1.2 盾構掘進總推力

富水砂卵石地層條件下，由于渣土塑流性較差，很多情況下土倉上部分都很難填滿(見圖1)，因此很難實現(xiàn)真正意義上的土壓平衡掘進模式，欠壓掘進與地層損失不可避免，所以盾構掘削面擠壓力Pg宜控制在靜止土壓力P0與主動土壓力Pa之間，主動土壓力Pa的計算公式為

(1)

其中，

Ka=tan2(45°-φ/2)

式中：Hw為水頭高度，m；h為隧道拱頂埋深，m；D為隧道外直徑，m；γw為水容重，kN·m-3；γ′為土體有效重度，kN·m-3；c為土體凝聚力，kPa；Ka為主動土壓力系數(shù)；φ為土體內摩擦角。

考慮到盾殼與周圍地層之間的摩阻力Ff，盾構機總推力F總可表示為

F總=Pg+Ff≥Pa+Ff

(2)

1)盾殼與周圍地層之間的摩阻力Ff

取單位長度隧道(受力示意圖詳見圖2)，以計算點處任意小的1塊豎向土條為研究對象，其寬度為a(土條與盾殼接觸面相應高度為b)，土條高度為h′，水平土壓力σx與豎向土壓力σy的合力f指向隧道中心。計算中不考慮沿盾構機軸向應力σz，因為σz與隧道徑向垂直，在隧道徑向方向無分力。σx，σy及f的計算公式為

σy=γ′h′

(3)

σx=K0γ′h′

(4)

=γ′h′[(cosα)2+K0(sinα)2]

(5)

其中，

h′=h+R(1-cosα)

圖2 隧道結構(盾構機)受力示意圖

式中：h′為計算點深度，m；K0為靜止土壓力系數(shù)；α為計算點與豎直方向交角(順時針方向)；R為隧道半徑，m。

由于隧道受力左右對稱，將f沿圓周方向進行積分，并考慮盾殼與地層之間的摩擦系數(shù)μ，可得摩阻力Ff為

(6)

式中：L為盾構機長度，m；μ為盾殼與地層之間的摩擦系數(shù)。

對式(6)進行積分計算，可得

Ff=πLμRγ′(h+R)(1+K0)

(7)

以典型的3-9-3(中密卵石土)與3-9-4(密實卵石土)地層為研究對象，取隧道半徑R=3.2 m，盾構機長度L=9.5 m，隧道拱頂埋深取10，15，20 m時，基于式(6)，盾殼四周摩阻力Ff的計算參數(shù)及計算結果見表1。

2)考慮修正摩阻力Ff的盾構機總推力

根據(jù)式(2)得到考慮修正摩阻力后盾構機總推力的計算公式為

(8)

盾構隧道開挖輪廓D=6.28 m，水容重γw=10 kN·m-3，對于2種典型卵石土，隧道拱頂埋深取10，15，20 m，基于式(8)，考慮盾殼修正摩阻力時盾構機總推力的計算參數(shù)及計算結果見表2。

表1 典型卵石土地層條件下不同隧道拱頂埋深對應的盾殼四周摩阻力計算

表2 考慮盾殼修正摩阻力的盾構機總推力

針對城市軌道交通工程較常遇到的2種典型卵石土，盾構機總推力與盾殼摩阻力隨隧道拱頂覆土厚度的變化曲線如圖3所示。其中，當?shù)罔F車站為地下2層站時，隧道拱頂埋深一般在10～20 m，此時隧道洞身范圍內遇到中密砂卵石土地層的情況相對較多；對于地下3層站而言，此時隧道拱頂埋深一般在15～25 m，此時隧道洞身范圍內遇到密實砂卵石土地層的情況相對較多。

由圖3可知：中密卵石土地層條件下，盾構隧道拱頂埋深一般在10～20 m之間，所以盾構機總推力宜維持在1 500～2 300 t之間，密實卵石土地層條件下，盾構隧道拱頂埋深一般在15～25 m之間，所以盾構機總推力宜維持在2 400～3 200 t之間。

1.3 盾構施工微擾動控制與中盾注漿技術

由表2可知，砂卵石土地層條件下，在盾構機總推力組成中，盾殼摩阻力占比一般在56%～61%之間，隨著隧道埋深的增大，占比有減小趨勢。

對于砂卵石土地層普通隧道直徑的盾構機而言，額定推力在3 500 t左右，最大推力一般在3 600～4 200 t之間。如果盾構總推力過大，必將導致盾構機姿態(tài)難以控制、轉彎與糾偏困難、影響管片拼裝與掘進軸線控制。因此，為了實現(xiàn)微擾動施工控制目標，在盾構掘削面水土壓力變化不大的情況下，應采取措施減小盾殼摩阻力。

圖3 典型卵石土地層條件下盾殼摩阻力與盾構機總推力變化曲線

為此，基于中盾注漿技術，通過盾殼四周設置的徑向注漿孔將惰性漿液注入盾殼與地層之間的空隙，可顯著減小盾殼與地層之間的摩擦效應，減小盾殼摩阻力，減小盾構機總推力；同時，還可及時填充盾構施工過程仔由于刀盤超挖造成的盾體與土體之間的空隙，隔離土倉掘進壓力和盾尾同步注漿壓力，最大程度地減緩盾尾空隙與地層沉降趨勢。

中盾注漿所用漿液應以惰性漿液為主，防止?jié){液凝固硬化將盾殼抱死。惰性漿液可視地層情況考慮采用克泥效(clay shock)[10]，克泥效是將黏土與強塑劑以一定比例混合后形成的高黏度、不硬化的可塑性黏土，惰性漿液現(xiàn)場試驗如圖4所示。

當采用中盾注漿技術在盾殼四周注入惰性漿液后，對于中密卵石土和密實卵石土地層條件，經(jīng)測試，盾殼與卵石層之間的摩擦系數(shù)分別減小為0.17和0.22[11]，仍采用表1和表2的計算參數(shù)，盾殼摩阻力和盾構機總推力隨著隧道埋深逐漸增加的變化曲線如圖5所示。

圖4 惰性漿液現(xiàn)場試驗

圖5 中盾注漿后典型卵石土地層條件下盾殼摩阻力和盾構機總推力變化曲線

對比圖3與圖5可知：采用中盾注漿后，盾殼摩阻力顯著降低，盾構總推力相應降低；其中中密卵石土地層中，盾構總推力為800～1 300 t，這是由于盾殼摩阻力下降約70%，在總推力中的占比由55%～61%下降至20%～23%；在密實卵石土地層中，盾構總推力為1 200～2 100 t，這是由于盾殼摩阻力下降約82%，在總推力中的占比由58%～61%下降至20%～22%。

由以上分析可知，采用中盾注漿后，可使盾構總推力減少近一半，從而極大地增加了盾構糾偏、轉彎的能力，更為重要的是減少了掘進擾動與超挖，在盾構穿越重大風險源地段宜推廣應用。

1.4 大比重漿液(厚漿)同步注漿技術

富水砂卵石地層中，由于地下水豐富且滲透系數(shù)大，因此漿液注入盾尾空隙后存在被稀釋、隨地下水流動的可能，再加上盾構掘進超挖的影響，導致盾尾空隙難以被漿液有效充填，地層空洞與地面突然坍塌現(xiàn)象屢見不鮮。

常規(guī)的單液可硬性漿液(水泥砂漿)初凝時間長(一般在5～8 h)，注入盾尾空隙被地下水稀釋嚴重，如圖6所示，無法確保盾尾空隙有限范圍的有效充填。

圖6 盾尾后方管片注漿孔打開后地下水涌出

改用大比重漿液(厚漿)，其質量配合比見表3，具有較高的比重，為1 893 kg·m-3，屈服強度隨時間的變化見表4。采用大比重漿液，從根本上解決了常規(guī)單液漿較好的塑流性與較高的早期強度之間的矛盾！同時具有較好的抗水分散性，能滿足盾尾后方三維空間的有效充填，可實現(xiàn)盾構管片與地層有效接觸，確保地層穩(wěn)定與環(huán)境控制的目標，大比重漿液(厚漿)泵送情況如圖7所示。

表3 大比重漿液質量配合比 (單位：kg)

表4 大比重漿液屈服強度隨時間的變化

1.5 管片拼裝技術

眾所周知，由于管片接縫的存在，導致成型后的盾構法隧道縱向剛度相對較低，管片接縫的螺栓預緊力是控制接縫剛度與縱向穩(wěn)定性的重要參數(shù)。管片接縫螺栓預緊力對管片接縫張開量、錯臺與踏步、螺栓孔處管片的碎裂與滲漏，以及管片襯砌的耐久性都有一定影響。

管片接縫的螺栓預緊力并不是越大越好，當管片脫出盾尾時，由于隧道平均密度(視密度)遠小于漿液密度，因此液態(tài)漿液將導致盾尾后方一定范圍內隧道出現(xiàn)上浮趨勢，過大的螺栓預緊力可能會使螺栓屈服，導致接縫張開、滲漏加劇、管片碎裂，進而導致盾尾后方隧道縱向上浮趨勢更加明顯。

一般情況下，城市軌道交通盾構隧道管片螺栓擰緊力矩M的計算公式為

M=Pd(k1+k2+k3)

(9)

式中：P為螺栓軸向預緊力，kN；k1為螺母與支撐面間摩擦力矩系數(shù)；k2為螺旋副間摩擦力矩系數(shù)；k3為擰緊力矩用于產(chǎn)生螺栓軸向力相應力矩，N·m。

對于一般的城市軌道交通，管片螺栓最大強度等級為8.8級，相應的螺栓公稱直徑d=30 mm，k1=0.5，k2=0.4，k3=0.1，螺栓軸向預緊力P=359.04 kN，采用式(8)計算可得螺栓擰緊力矩M=1 292.54 M·(N·m)-1。扳手作用于螺栓的力矩為隧道內手動扳手或氣動扳手施加的總力矩，通常取計算螺栓擰緊力矩的0.8倍作為實際應用的擰緊力矩控制值，即1 292.54×0.8=1 034.04 N·m。由計算結果可知，螺栓屈服條件下對應的最大擰緊力矩不足1 300 N·m，實際工程中，應嚴格控制最大值不超過1 034 N·m，避免擰緊力矩過大導致螺栓屈服，影響接縫密封效果與錯臺控制。

2 盾尾后方隧道上浮與隧道軸線控制技術

2.1 盾尾后方隧道上浮機理分析

根據(jù)文獻[12]的研究成果可知，盾尾后方隧道上浮的根本原因是由于液態(tài)漿液包裹與豎向不平衡地層力所致，并且根據(jù)隧道上浮范圍與影響程度，可以將上浮范圍分成2個階段，即盾尾空隙范圍內的上浮與突破盾尾空隙影響隧道上覆土體穩(wěn)定性的上浮，如圖8所示。

圖8 盾尾后方隧道(管片)上浮兩階段示意圖

對于富水砂卵石土地層而言，由于地層膠結性差，大顆粒相對較多(最大粒徑一般可達到50～60 cm)，因此理論上14 cm的盾尾三維環(huán)狀空間，經(jīng)常由于超挖與地層擾動，擴大至25～30 cm，再加上地層滲透系數(shù)較大、地下水壓力較大，因此給盾尾后方隧道上浮提供了條件，經(jīng)常導致盾尾后方隧道上浮超限、隧道軸線難以有效控制，因此第1階段的上浮，是富水砂卵石土地層中隧道上浮的主要形式。

2.2 隧道上浮控制措施

針對高壓富水砂卵石土地層的特性，為確保隧道成型質量、滿足安全運營的限界要求，可主要從以下幾方面控制盾尾后方管片的上浮。

1)盾尾后方隧道上浮機理與大比重漿液應用

從根本上抑制隧道上浮的措施是提高盾尾空隙內漿液的初始屈服強度，利用漿液的屈服強度抑制盾尾空隙范圍內隧道的上浮。由于大比重漿液具有較高的初始屈服強度，較好的工作性能(流動性與抗水分散性)，因此建議考慮采用大比重漿液及時充填盾尾空隙，確保盾尾后方成型隧道與地層間的有效接觸，利用大比重漿液的初始屈服強度抑制盾尾后方隧道上浮。

2)加強隧道縱向剛度

通過增大縱向連接螺栓等級、隧道內縱向槽鋼聯(lián)結(如圖9所示)，以及適當減少甚至不用環(huán)縫傳力襯墊等措施提高隧道縱向的整體剛度。

3)隔斷隧道縱向水流通道、減小上浮力

從行車與節(jié)能角度出發(fā)，城市地鐵隧道一般沿縱向呈“V”字形，當盾構沿下坡掘進且縱坡較大時，地下水將會聚集于開挖面附近，這將進一步加劇盾尾后方管片的上浮，因此可通過雙液漿打“環(huán)箍”或設置“止水環(huán)”的方式，隔斷縱向水流通道，減小盾尾后管片的上浮力。其中，“止水環(huán)”管片現(xiàn)場施工情況如圖10所示。

圖9 隧道內管片采用縱向槽鋼聯(lián)結

圖10 “止水環(huán)”管片施工現(xiàn)場

4)嚴格控制切向分力

當盾構機沿著平曲線或豎曲線段掘進時，千斤頂反力在隧道曲線段切線方向的分力作用，將會導致盾尾管片出現(xiàn)向曲線外側位移趨勢。研究表明[13]：當豎向分力增加250 kN時，盾尾隧道上浮量增加15 mm(尤其是高壓富水地層)。因此，實際工程中，需嚴格控制曲線外側的千斤頂荷載，嚴格控制切向分力。

在實際工程中，當盾尾后方隧道上浮導致隧道軸線難以控制時，經(jīng)常采用壓低軸線掘進的方法進行處理，這不但違背了盾構法隧道沿設計軸線高精度推進的基本原理[13]，也加大了盾尾后方管片碎裂與滲漏的風險，因此應慎重采用！

3 盾構刀具檢修與開倉技術

一般情況下，富水砂卵石地層中掘進時，當掘進長度超過500 m時，就需要考慮刀盤檢修與刀具更換[14]，以保證盾構機順利掘進，并保證周邊環(huán)境風險的可控。

從工程風險、造價與工期方面綜合考慮，一般以常壓換刀方式為主，富水砂卵石地層條件下的常壓換刀常采用降水結合地層加固(如素樁)的方法進行處理。然而，在臨近河流或湖泊，或周邊存在重大風險源時，降水效果難以保證或素樁無實施空間，常規(guī)方法實施存在較大的安全隱患，此時針對性地提出了塑性漿液“泥墻”(如衡盾泥)技術。該技術通過向土倉內注入衡盾泥，對渣土進行逐步置換，并在開挖面形成“泥墻”，實現(xiàn)常壓換刀與刀盤檢修。“泥墻”實施效果如圖11所示。

圖11 “泥墻”實施效果

塑性漿液可通過對無機物黏土改性得到，即通過塑化劑反應，形成一種高黏性泥漿。利用“泥墻”的保護，土倉內壓力可保持在300 kPa左右，相應水頭高度為30 m，完全可滿足城市軌道交通盾構法隧道刀盤檢修與刀具更換的需要，且具有較高的可靠性，應在實際工程中推廣應用。

4 風險源處理與地層加固技術

對于富水砂卵石地層，常規(guī)的預注漿地層加固效果有限，難以滿足重要構筑物的保護需求。因此提出了鋼管隔離樁與袖閥管跟蹤注漿技術。鋼管隔離樁主要用于盾構隧道與重要構筑物有條件被有效隔離的情況，如圖12和圖13所示(袖閥管跟蹤注漿用于盾構穿越老舊民房與大片密集村莊的情況)。

圖12 盾構側穿肖家河(中水管)鋼管隔離樁設計方案

圖13 盾構側穿肖家河(中水管)鋼管隔離樁實施現(xiàn)場

鋼管隔離樁的工作機理是：利用鋼管自身剛度與內部壓注的微膨脹水泥砂漿加上內插型鋼，在盾構隧道與被保護構筑物之間設置1排或多排(梅花形布置)，隔斷盾構掘進地層擾動的傳播途徑，隔斷附加應力傳播路徑，進而達到保護周邊重要構筑物的目的。

鋼管隔離樁與水平面的夾角可控制在45°～90°之間，考慮成孔擾動影響，尤其在大粒徑卵石較多的情況下，與被保護構筑物最小凈距應控制在3 m左右，鋼管長度與平面布置應能滿足隔離被保護構筑物的要求[15]。

在現(xiàn)場實際施工中，必須采取措施確保隔離樁成孔工藝，根據(jù)砂卵石粒徑大、強度高的特點，根據(jù)現(xiàn)場實施情況，可考慮采用潛孔鉆跟管鉆進工藝，確保成孔角度與長度滿足設計方案要求。

5 結論與建議

(1)富水砂卵石土地層中盾構總推力中盾殼摩阻力占了很大比重，可考慮采用中盾注漿(惰性漿液)的方法減小盾殼摩阻力，從而減小總推力，增加盾構掘進的靈敏度與可控性；同時應控制管片螺栓最大擰緊力矩，避免螺栓屈服，減小管片碎裂、接縫張開與滲漏風險。

(2)大比重漿液可確保盾尾空隙有效充填與盾尾后方隧道的縱向穩(wěn)定性，螺旋排土—泥膜支護工法同時具有泥水盾構開挖面穩(wěn)定與土壓盾構排土簡便的優(yōu)點，實現(xiàn)真正意義上的保壓掘進與微擾動施工控制，建議在實際工程中推廣應用。

(3)富水砂卵石土地層中盾尾后方隧道上浮主要集中在盾尾空隙范圍內，可綜合考慮采用大比重漿液、增加隧道縱向剛度、隔斷隧道縱向水流通道、嚴格控制切向分力等措施綜合治理，壓低隧道軸線掘進的方法不利于成型隧道質量控制，應慎重采用。

(4)塑性漿液可在開挖面形成“泥墻”，并使土倉內保持0.3 MPa左右的穩(wěn)定壓力，可基本滿足盾構刀具更換的需要，建議在實際工程中推廣應用。

(5)富水砂卵石地層中重要構筑物的保護，可考慮采用工藝靈活、效果可控的鋼管隔離樁技術。