郭彬河

（中鐵十七局集團第六工程有限公司，福建 福州 350011）

0 引言

經(jīng)過多年嘗試和探索，盾構(gòu)掘進工法由敞開式盾構(gòu)發(fā)展成一種較為安全的封閉式盾構(gòu)模式，解決了盾構(gòu)施工的安全問題。我國的盾構(gòu)發(fā)展始于20世紀60年代上海黃浦江隧道，所采用的盾構(gòu)模式為封閉式。

進入21世紀以來，盾構(gòu)施工在我國城市地鐵領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用，其依靠大型設(shè)備在城市地下空間進行施工能夠很好地保障地下淺埋管線、地上構(gòu)筑物的安全。土壓平衡盾構(gòu)機為封閉式盾構(gòu)的一種，通過盾構(gòu)設(shè)備主機的殼體構(gòu)建形成封閉空間，依靠主機前方刀盤切削土體，切削下的土體在刀盤后面的土倉內(nèi)與水、改良溶劑、空氣混合形成良好的塑狀體，一部分通過螺旋輸送機排出，剩余部分渣土與空氣共同抵抗掌子面土體的側(cè)壓力，保持刀盤前方和上方土體的穩(wěn)定[1]。砂質(zhì)地層由于其本身特性無法較好地形成黏塑體，其渣土改良效果差，往往在盾構(gòu)施工過程中造成較大的土體沉陷，進而影響周邊構(gòu)筑物、管線的安全。本文通過實際施工案例，在掘進參數(shù)的調(diào)整、渣土改良劑的選擇方面，找出一種適合本地區(qū)盾構(gòu)施工的措施，確保施工期間的安全和效率。

1 工程概況

1.1 地層特性

行政中心站～園博園站區(qū)間（以下簡稱“行園區(qū)間”）以行政中心站為起點，向北沿規(guī)劃的北京南大街（原名新城大道）下方敷設(shè)，側(cè)穿及下穿綜合管廊后到達園博園站。區(qū)間沿線主要為空地，部分區(qū)間上方有綜合管廊，綜合管廊寬度8.4m，高5m，由于綜合管廊未貫通，里面無市政管線。區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，線路總長度為1087.240m，結(jié)構(gòu)覆土厚度為10.0～20.8m,區(qū)間穿越土層主要有粉細砂④^1層、粉質(zhì)黏土④^4層、粉質(zhì)黏土⑤^1層、粉土⑤^2層、粉細砂⑤^3層、中粗砂⑤^4層、細中砂⑥^1層、中粗砂含卵石⑥^2層（地質(zhì)圖見圖1）。線路平面有8處平曲線，平曲線半徑分別為1200m、1500m、2500m。線路縱向坡度呈“V”字型坡。

圖1 區(qū)間（部分）地質(zhì)剖面圖

部分地層特性如下：

（1）黃土狀粉質(zhì)黏土層③∕1層；屬黏土，有一定黏性，可塑性中，透水性適中，粉狀顆粒，可壓縮（受擠壓可變形）。

（2）粉細砂④∕1層；砂層，顆粒小，抗磨阻力大，透水大，遇水即流，不可壓縮。

（3）中粗砂④∕2層；砂層，中等和小顆?；旌仙绑w，抗磨阻力大，透水性大，遇水即流，不可壓縮。

（4）粉質(zhì)黏土④∕4層；黏土，黏性中，可塑性中，透水性適中，粉狀顆粒，可壓縮（受擠壓可變形）。

（5）粉質(zhì)黏土⑤∕1層；黏土，黏性中，可塑性中，透水性適中，粉狀顆粒，可壓縮（受擠壓可變形）。

（6）細砂⑤∕3層；砂層，顆粒小，抗磨阻力大，透水中，遇水即流，不可壓縮。

1.2 抗浮設(shè)防水位與防滲設(shè)計水位

擬建區(qū)間場地巖土層主要為滹沱河沖洪積形成。本次勘察鉆孔最大深度45.00m，受鉆探施工工藝限制，在勘察深度范圍內(nèi)未能實測到地下水位，根據(jù)對本區(qū)間場地附近初勘水位觀測孔的調(diào)查資料顯示，本區(qū)間賦存一層地下水，地下水類型為潛水（二），埋深大約40.00m左右，含水層為中粗砂（含卵石）⑧1層。本次勘察未見上層滯水，但由于大氣降水、管道滲漏等原因，場地內(nèi)不排除局部存在上層滯水的可能性。

根據(jù)場地地形、標(biāo)高、場地地下水的類型、變化幅度、補給排泄，并結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗，建議本工程場地基坑抗浮設(shè)防水位可按整平地面標(biāo)高以下6.0m選用。根據(jù)本次勘察結(jié)果和當(dāng)?shù)亟?jīng)驗，建議防滲設(shè)計水位按自然地面標(biāo)高考慮。

2 土體改良的要求

（1）目前，我國所應(yīng)用的盾構(gòu)機類型主要為土壓平衡式盾構(gòu)，其特點是用開挖出的土砂作為支撐開挖面穩(wěn)定的介質(zhì)，在砂質(zhì)地層施工，由于砂層穩(wěn)定性較低，盾體受包裹程度較高，在控制出土量方面要求嚴格等一系列因素決定了盾構(gòu)機必須滿足在高推力大扭矩的狀況下施工。為了降低設(shè)備負載及快速施工等方面要求，必須對開挖土體進行相關(guān)改良，因此要求作為支撐介質(zhì)的土砂具有良好的塑性變形、軟稠度、內(nèi)摩擦角小及滲透率小。但是由于一般砂層不能完全滿足這些特性，所以要進行改良，其技術(shù)要點是在刀盤前部和泥土倉中注入水、膨潤土泥漿、黏土、聚合物或泡沫等混合添加材料，經(jīng)強力攪拌，改善開挖土的砂塑性、流動性，降低渣土的透水性。

（2）行園區(qū)間部分施工參數(shù)。本區(qū)間施工至200環(huán)以后，開挖范圍內(nèi)砂層含量增加至50%以上，掘進參數(shù)較前有較大的變化，尤其表現(xiàn)在推力和扭矩的大幅增加、掘進速度大幅降低（部分掘進參數(shù)見表1）。

表1 掘進施工參數(shù)

由于細砂層自穩(wěn)性較差，且地表為新建主干道路，對沉降控制嚴格，所以必須通過對渣土進行改良，以便對渣土的流塑形和和易性進行優(yōu)化，減少對設(shè)備的負載，達到快速施工并及時對后方襯徹環(huán)管片土體進行加固，進而控制地表沉降。

3 改良劑需要解決的問題

（1）提高掌子面的抗?jié)B性能，避免土倉加水作業(yè)沖塌掌子面砂層土體。

（2）降低土倉內(nèi)渣土及掌子面土體的內(nèi)摩擦角，降低刀盤扭矩和頂進油缸壓力。

（3）提高渣土和易性，保證螺旋機排土順暢。

（4）降低螺旋機噴涌現(xiàn)象的發(fā)生。

（5）提高掘進速度，降低設(shè)備載荷。

4 改良劑的分類和特性

膨潤土泥漿和發(fā)泡劑是國內(nèi)土壓平衡盾構(gòu)施工常用的渣土改良劑[2]。分別利用刀盤面板上六路噴射管道進行渣土改良施工，達到渣土改良目的。

膨潤土泥漿適用于細顆粒含量少的砂層、砂礫層、卵石、漂石等地層。膨潤土是以蒙脫石為主要成分的非金屬黏土類化合物，其配比漿液能夠補充砂礫地層中相對匱乏的細黏性顆粒含量，并滲透進入砂礫地層中形成潤滑泥膜，從而提高地層渣土和和易性，降低刀盤扭矩，利于螺旋機排土順暢。

發(fā)泡劑是一種均質(zhì)的液體泡沫劑，經(jīng)管道輸送到泡沫發(fā)生器產(chǎn)生泡沫，從而增加渣土的黏滯性，改善刀盤的工作環(huán)境，增加土倉的密封和便于渣土的運輸。泡沫劑多用于細顆粒土層和砂層中，泡沫原液在混合液中占比3%～5%，然后與20倍的空氣混合通過刀盤泡沫搶注入到掌子面土體，利用泡沫劑表面的活性，使渣土的和易性提高，不至于水土分離，有效改善了渣土的流塑形，同時對于降低刀盤扭矩和油缸壓力也有很好的作用。

膨潤土泥漿注入法需用大型設(shè)備生產(chǎn)相當(dāng)數(shù)量的膨潤土泥漿，來保持盾構(gòu)施工的生產(chǎn)能力，另外，高含水率的膨潤土泥漿和開挖土的混合物在對環(huán)境保護措施嚴格的國家被認定為污染物，其處理價格昂貴，有時會引起公害。在歐洲，用發(fā)泡劑取代膨潤土泥漿，尤其當(dāng)盾構(gòu)通過透水性較強的砂土、含有少量黏土、粉砂細屑的礫石層時，發(fā)泡劑優(yōu)于膨潤土泥漿。

5 施工實例

石家莊三號線行園區(qū)間施工地層主要為粉質(zhì)黏土和砂質(zhì)地層，而砂質(zhì)地層施工無論是控制地表沉降還是隧道掘進施工都難于粉質(zhì)黏土地層。通過泡沫原液比5%，每根泡沫搶注入氣體為180～250L∕min，改良粉細砂和中粗砂地層。由于砂質(zhì)地層不利于保壓掘進施工，在掘進過程中采取半倉快速掘進施工，嚴格控制出土量。通過泡沫劑進行渣土改良，推力控制在15000kN以內(nèi)，刀盤轉(zhuǎn)速提升至1.8 轉(zhuǎn)∕min，刀盤扭矩控制在1600～2000kN·m，掘進速度控制在30～50mm∕min，通過嚴格管理組織快速施工，在土體脫離盾尾時，采取同步注漿穩(wěn)固周圍土體，通過設(shè)置1.5 倍主動土壓的注漿壓力進行支撐拱部土體。行園區(qū)間施工范圍內(nèi)土體經(jīng)過擾動后必須在24h內(nèi)及時跟進二次注漿，彌補同步漿液的不足和收縮，方可確保地表沉降在受控范圍內(nèi)，有利于保證施工質(zhì)量。通過渣土改良，降低設(shè)備負荷和保證施工質(zhì)量，此區(qū)間施工范圍內(nèi)利用添加合理的泡沫改良劑達到了較理想的效果。

6 結(jié)束語

通過合理的渣土改良既有助于盾構(gòu)掘進施工，同時對保證施工質(zhì)量和控制地表沉降也有重要的意義。在砂質(zhì)地層施工必須通過渣土改良才能降低設(shè)備大負荷磨耗，同時由于砂顆粒與水易快速分離，不利于渣土排出，經(jīng)過泡沫劑改良后，能夠有效提高渣土的流塑性和和易性。