胡立群，衛(wèi)佳鶯

（無錫地鐵集團(tuán)有限公司建設(shè)分公司，江蘇 無錫 214000）

隨著現(xiàn)代城市建設(shè)的不斷發(fā)展，隧道尤其是地鐵隧道越來越多地出現(xiàn)在城市建設(shè)之中。盾構(gòu)法施工以其安全、高效、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的特點(diǎn)，在隧道施工中被大量采用，盾構(gòu)穿越液化地層的情況也時(shí)有發(fā)生。土體液化是指地震引起的強(qiáng)烈振動(dòng)使飽和砂土和粉土顆粒發(fā)生相對(duì)位移，顆粒間的空隙水壓力上升，有效應(yīng)力減小并接近零時(shí)，砂土顆粒局部或全部處于懸浮狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度接近或等于零，形成“液體”現(xiàn)象。盾構(gòu)施工對(duì)土體的影響與地震不同，主要表現(xiàn)為對(duì)土體的振動(dòng)和擠壓、加載與卸載、空隙水壓力的上升與下降，從而引起液化土層應(yīng)力狀態(tài)的變化，易發(fā)生流砂造成盾構(gòu)姿態(tài)變化風(fēng)險(xiǎn)，砂土液化產(chǎn)生的涌水、涌砂現(xiàn)場(chǎng)也容易導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)，威脅隧道本身以及周邊建（構(gòu)）筑物的安全。文章將結(jié)合工程實(shí)例，討論土壓平衡盾構(gòu)在遇到液化土層時(shí)應(yīng)如何進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)判別、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)，提出一些盾構(gòu)期間以及施工后的控制措施。

1 工程概況

1.1 區(qū)間概況

無錫地鐵4號(hào)線一期工程廣石路站—青石路站區(qū)間為盾構(gòu)法區(qū)間，整體呈北-南走向，區(qū)間全長(zhǎng)約為2107m，區(qū)間隧道頂埋深約為9.4～17.2m。該區(qū)間隧道主要穿越②1淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、②1-T黏質(zhì)粉土夾粉黏、②3粉質(zhì)黏土、④2-2黏質(zhì)粉土夾粉砂、⑤1粉質(zhì)黏土、⑤2黏質(zhì)粉土、⑤3粉質(zhì)黏土、⑥1黏土、⑥1-1黏土、⑥2粉質(zhì)黏土層，如圖1所示。

1.2 液化土層概況

根據(jù)廣石路站—青石路站區(qū)間液化判別補(bǔ)充資料，按《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50011—2010）和《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50909—2014）進(jìn)行液化判別，判別結(jié)果為20m淺的②1-T層黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土為液化土層，液化指數(shù)為0.87～29.77，按最不利情況考慮，液化等級(jí)為嚴(yán)重液化，其物理性能參數(shù)為含水量W=31.9%，直剪（快剪）Cqk=8.1kPa、φqk=28.9°，直剪（固快）Cqk=9.1kPa、φqk=30.3°，滲透系數(shù)K=1.00×10-4（cm/s），地基基本承載力σ=70kPa。

液化土層在該區(qū)間分布范圍較大，如圖1所示。沿區(qū)間線路方向長(zhǎng)度約為285m，盾構(gòu)區(qū)間在其中穿行長(zhǎng)度約為83m，區(qū)間隧道頂埋深約為9.4～17.2m。

1.3 施工情況

圖1 液化土層分布范圍縱斷面圖

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告來看，該區(qū)間液化土層分布范圍較大，囊括廣石路站南端頭部分區(qū)域。在廣石路站施工時(shí)，土方開挖已穿越液化土層。在開挖過程中，由于液化土層的特性，已經(jīng)引起福特4S店地面發(fā)生變化，說明這一片區(qū)域內(nèi)的液化土層已經(jīng)受到了第一次擾動(dòng)。接下來的廣石路站附屬結(jié)構(gòu)施工對(duì)液化土層造成了第二次擾動(dòng)。待盾構(gòu)區(qū)間右線進(jìn)入液化土層施工時(shí)，將對(duì)液化土層造成第三次擾動(dòng)。最后左線穿越施工時(shí)，將對(duì)液化土層造成第四次擾動(dòng)。

盾構(gòu)穿越液化土層施工前，液化土層已經(jīng)被擾動(dòng)至少2次，液化土層地表建筑物已觀測(cè)到部分沉降，盾構(gòu)施工對(duì)土層擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)較大，必須采取相應(yīng)的施工措施，避免風(fēng)險(xiǎn)的發(fā)生。

2 風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 盾構(gòu)掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)土體物理性能表可知，②1-T黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土土體重度為19.0kN/m3。

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)各部位結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算得出相對(duì)重度刀盤（鋼質(zhì)結(jié)構(gòu)）為77.4lN/m3，刀盤+中前盾為16.7kN/m3，中前盾為1，4.3kN/m3，尾盾為4.2lN/m3（不含管片）、7.2lN/m3（含2環(huán)管片）。

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)各部位密度和土體重度可知，盾構(gòu)機(jī)在液化土層呈現(xiàn)“頭重尾輕”的狀態(tài)。因此，當(dāng)土體出現(xiàn)嚴(yán)重液化時(shí)，盾構(gòu)機(jī)前部將產(chǎn)生向下栽頭的趨勢(shì)，盾構(gòu)機(jī)中后部將產(chǎn)生向上翹起的趨勢(shì)，盾構(gòu)姿態(tài)難以控制，如果在接收段范圍仍然無法保證盾構(gòu)姿態(tài)，可能影響盾構(gòu)接收。

一旦盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中發(fā)生快速位移、栽頭的情況，將很難做出有效控制，僅能通過調(diào)整分區(qū)油缸推力進(jìn)行微調(diào)。如果盾構(gòu)機(jī)位移、栽頭導(dǎo)致姿態(tài)變化過大，就會(huì)造成管片與盾構(gòu)機(jī)盾尾密封間隙的變化，當(dāng)間隙變化超出盾尾刷承受范圍時(shí)，外部流動(dòng)性極強(qiáng)、含水率較高的②1-T層黏質(zhì)粉土夾粉質(zhì)黏土將很快涌入盾尾，進(jìn)而擴(kuò)散至整個(gè)成型隧道內(nèi)。一旦發(fā)生盾尾泄露，盾構(gòu)機(jī)外土體形成空洞，將進(jìn)一步導(dǎo)致盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)惡化，盾尾間隙進(jìn)一步增大，由此形成惡性循環(huán)。

2.2 地面建構(gòu)筑物風(fēng)險(xiǎn)

由于液化土層分部范圍較大，涉及的地面建構(gòu)筑物也較多，因此地面一旦發(fā)生大幅度的隆沉變化，受到波及的建構(gòu)筑物數(shù)量必然較多。

（1）地面臨近建筑。廣石路站南端頭附近現(xiàn)有3家汽車4S店，均為鋼結(jié)構(gòu)框架+大面積落地玻璃幕墻，對(duì)地表變化比較敏感。當(dāng)鋼結(jié)構(gòu)框架變形時(shí)，玻璃幕墻因其本身材質(zhì)特性容易發(fā)生爆裂。

（2）地下管線。盾構(gòu)穿越液化土層段上方存在多條重要的自來水、雨水、燃?xì)饧半娏芫€，且這一部分管線供應(yīng)區(qū)域面積較大，無論哪一條管線受到影響，都將影響附近大量居民、商鋪、工廠的正常生活、生產(chǎn)秩序。

2.3 隧道運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)

成型隧道的風(fēng)險(xiǎn)及后果主要來自以下兩個(gè)方面：

（1）成型隧道在液化土層中沒有良好的持力層，自身無法穩(wěn)定。由于成型隧道在土體中的天然浮力，整體有一個(gè)向上移動(dòng)的趨勢(shì)。液化土層本身自穩(wěn)性差、承載力交底較低、含水量較高，因此成型隧道在液化土層中很有可能發(fā)生較大的位移，無論是橫向位移還是豎向位移，都會(huì)造成盾構(gòu)機(jī)與管片之間的盾尾間隙變化，一旦盾尾間隙變化超過一定程度，同樣可能發(fā)生盾尾泄露，后果與上面分析的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)位移是相同的。

（2）難以控制盾構(gòu)機(jī)在液化土層中的掘進(jìn)姿態(tài)，因此必然需要進(jìn)行頻繁、大量的分區(qū)油壓調(diào)整，而推進(jìn)油缸的力是全部作用在后部管片上的，如果某個(gè)方向推力較大，將使原本就不穩(wěn)定的成型隧道發(fā)生更加嚴(yán)重的位移。

3 處理措施

3.1 土體改良

為避免盾構(gòu)施工期間，因液化土層受到擾動(dòng)繼續(xù)液化造成隧道或地面建構(gòu)筑物發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，可對(duì)液化土層進(jìn)行土體改良，具體措施如下：

（1）對(duì)液化土層進(jìn)行改良，可通過地面注漿加固對(duì)液化土層進(jìn)行土體改良，提高液化土層的穩(wěn)定性。對(duì)距離較近的建筑物進(jìn)行斜管注漿加固，建筑物發(fā)生變形，可以通過注漿控制建筑物穩(wěn)定，使建筑物安全可控。

（2）可向刀盤前方土體、土倉(cāng)內(nèi)注入一定量的添加劑，以減小其滲透系數(shù)，提高保水性，防止涌水、涌砂現(xiàn)象的發(fā)生。添加劑主要有膨潤(rùn)土、黏土、泡沫劑、克泥效等。

3.2 姿態(tài)控制

在液化地層中，由于盾構(gòu)機(jī)土倉(cāng)壓力、刀盤扭矩等波動(dòng)較大，容易造成盾構(gòu)姿態(tài)難以控制。在這種情況下，應(yīng)密切關(guān)注盾構(gòu)機(jī)水平、垂直和俯仰角的變化，保持土倉(cāng)壓力等于或略大于前方靜止土壓力和水壓力之和。同時(shí)，在各項(xiàng)參數(shù)可控的條件下，適當(dāng)提高掘進(jìn)速度，減少盾構(gòu)對(duì)土體的擾動(dòng)時(shí)間，避免停機(jī)。

3.3 洞內(nèi)加固

洞尾間隙往往會(huì)導(dǎo)致土體受卸荷作用產(chǎn)生擾動(dòng)，此外，隧道成型后自身的浮力以及運(yùn)營(yíng)期間列車行駛的震動(dòng)也容易引起隧道在液化土層中的變化，采用同步注漿和二次注漿可以減少這些因素對(duì)隧道產(chǎn)生的影響。

同步注漿方面，可在普通注漿材料中添加一些改性水玻璃注漿液，加快漿液在地層中的封閉成環(huán)；二次注漿方面，可采用插注漿管進(jìn)行全周二次注漿，以加強(qiáng)其整體結(jié)構(gòu)，明顯降低地表沉降。

4 結(jié)束語

土壓平衡盾構(gòu)在液化土層中施工存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，必須在考慮具體地質(zhì)條件、周邊環(huán)境和施工工序的條件下進(jìn)行細(xì)致的風(fēng)險(xiǎn)分析。同時(shí)，重視施工對(duì)土層造成的多次擾動(dòng)、盾構(gòu)姿態(tài)控制、掘進(jìn)參數(shù)監(jiān)視、地表沉降控制以及施工組織管理，采取土體改良、洞內(nèi)加固等相應(yīng)措施，在施工前、施工中、施工后全過程控制施工風(fēng)險(xiǎn)。此外，相比土壓平衡盾構(gòu)，泥水盾構(gòu)擁有壓力均勻可控的優(yōu)點(diǎn)，這為隧道在液化土層中施工的機(jī)械選型提供了一個(gè)可選研究的方向。