彭正杰

（上海同是科技股份有限公司，上海市 201100）

1 引言

蘭州軌道交通2號(hào)線一期工程4標(biāo)公交五公司站—定西路站區(qū)間主要布設(shè)于老城區(qū)主干道，周邊管線及建筑物密集，城市道路交通繁忙，地層條件復(fù)雜，經(jīng)工程地質(zhì)勘察查明：隧道主要穿行于富水砂卵石及強(qiáng)風(fēng)化砂巖層，盾構(gòu)始發(fā)段地層為全斷面富水砂卵石，砂卵石粒徑較大。盾構(gòu)始發(fā)是盾構(gòu)法施工的重要環(huán)節(jié)之一，盾構(gòu)始發(fā)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)控制一直是地鐵工程中的重難點(diǎn)，盾構(gòu)在砂卵石地層進(jìn)洞往往會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生比較大的影響。由于砂卵石地層存在不穩(wěn)定性，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)極易產(chǎn)生刀盤前方坍塌，影響盾構(gòu)機(jī)正常始發(fā)，嚴(yán)重時(shí)引發(fā)周邊建筑物、管線破壞。因此對(duì)砂卵石地層的研究探討，總結(jié)出有效控制地面沉降的技術(shù)措施是很有必要的。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況及水文地質(zhì)

蘭州軌道交通2號(hào)線一期工程4標(biāo)公交五公司站—定西路站區(qū)間盾構(gòu)擬從定西路站始發(fā)，沿排洪南路自北向南掘進(jìn)至公交五公司站接收。本區(qū)間右線長(zhǎng)度約831.2 m，左線長(zhǎng)度約734.7 m，左右線最大線間距約84.0 m，區(qū)間隧道底板標(biāo)高約1 494.2～1 505.3 m，隧道底板埋深約18.4～31.3 m，區(qū)間采用土壓平衡盾構(gòu)施工，區(qū)間設(shè)一座聯(lián)絡(luò)通道兼泵房。

公交五公司站—定西路站區(qū)間位于黃河南岸河谷盆地內(nèi)，地貌類型屬侵蝕堆積河谷平原，場(chǎng)地地貌單元屬黃河Ⅱ級(jí)階地。地層主要為第四系人工填土、第四系全新統(tǒng)沖積黃土狀土、卵石及下第三系漸新統(tǒng)粉砂巖組成，下水為第四系松散層孔隙潛水，含水層主要為第四系沖積卵石。卵石雜色，密實(shí)，顆粒母巖成分以花崗巖、石英巖為主，磨圓度較差，呈次圓狀～次棱角狀，分選性一般，可能存在粒徑≥60 cm的漂石。地下水類型為潛水，地下水埋深9.6～16.4 m，水位高程1 510.96～1 513.91 m。公交五公司站—定西路站區(qū)間縱斷面采用V字坡，最大縱坡2.95%，區(qū)間主要穿行于富水砂卵石及強(qiáng)風(fēng)化砂巖層，盾構(gòu)始發(fā)段地層為全斷面砂卵石層，如圖1所示。

圖1 公交五公司—定西路區(qū)間地質(zhì)剖面圖

2.2 砂卵石地層盾構(gòu)施工引發(fā)地面沉降的危害

因?yàn)槎軜?gòu)機(jī)盾尾間隙的存在和盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)的擾動(dòng)，盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中不可避免會(huì)造成地面沉降，但在不同的地質(zhì)條件下出現(xiàn)的沉降特性存在差異。盾構(gòu)機(jī)穿越砂卵石地層時(shí)，砂卵石地層受盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)后，盾構(gòu)機(jī)刀盤前方地面出現(xiàn)不正常的沉降，監(jiān)控量測(cè)速率變大，同時(shí)出土量增大，隨著盾構(gòu)掌子面遠(yuǎn)去，原沉降區(qū)域逐步穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間盾尾脫出管片后，監(jiān)控量測(cè)反映出盾尾后方地面還存在一定滯后沉降的特點(diǎn)。而地鐵線路上方主要為城市主干道、各類管線、建（構(gòu)）筑物等，一旦未及時(shí)處理，無(wú)法遏制沉降發(fā)展時(shí)，極易引發(fā)重大安全事故。

3 砂卵石地層盾構(gòu)施工引發(fā)地面沉降的主要原因

3.1 地質(zhì)因素

砂卵石地層是一種的不穩(wěn)定的特殊地層，卵石顆粒之間點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳力，卵石間空隙大，沒(méi)有黏聚力，自穩(wěn)能力差，砂卵石主要倚靠直角的摩擦咬合作用維持地層穩(wěn)定，地層反應(yīng)靈敏，刀盤旋轉(zhuǎn)切削時(shí)，地層很易破壞原來(lái)的相對(duì)穩(wěn)定或平衡狀態(tài)而產(chǎn)生坍塌，引起較大的地層變動(dòng)和圍巖擾動(dòng)[1]。結(jié)合蘭州軌道交通2號(hào)線一期工程的實(shí)際施工經(jīng)驗(yàn)，引起地面沉降主要表現(xiàn)在以下方面：（1）盾構(gòu)刀盤旋轉(zhuǎn)切削時(shí)，刀盤與卵石層接觸面的壓力不均，導(dǎo)致刀頭及螺旋機(jī)震動(dòng)、卡頓，對(duì)地層擾動(dòng)較大，刀盤前上方砂卵石松動(dòng)，會(huì)快速下落并產(chǎn)生較大的空洞區(qū)域，導(dǎo)致掌子面坍塌、地表沉降發(fā)生的概率增大；（2）根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告及本地區(qū)實(shí)地調(diào)查，地層下可能存在未知的空洞、廢棄的管道、防空洞等；地表層管線布設(shè)時(shí)埋設(shè)回填不密實(shí)，土體松散，自穩(wěn)性差，盾構(gòu)掘進(jìn)擾動(dòng)后易出現(xiàn)地面沉降、塌陷；（3）場(chǎng)地表層多屬于人工填土、濕陷性黃土，長(zhǎng)時(shí)間暴露或遇水易風(fēng)化和軟化，受水浸泡后形成未知空洞；（4）由于卵石之間存在間隙，盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)地層受刀盤擾動(dòng)后松散，盾構(gòu)機(jī)盾尾脫出后，二次注漿漿液通過(guò)卵石縫隙流竄，地層無(wú)法及時(shí)有效地填充，導(dǎo)致后續(xù)的二次沉降。

3.2 環(huán)境因素

（1）地鐵主要布設(shè)于老城區(qū)，老城區(qū)管網(wǎng)老舊破損以及滲漏情況嚴(yán)重，地層長(zhǎng)時(shí)間受水影響，軟化崩解后產(chǎn)生未知空洞；管線長(zhǎng)期滲漏而形成的不良地質(zhì)體也反作用于管線，各類管線支承條件進(jìn)一步惡化，使其發(fā)生滲漏、斷裂的可能增大；但城區(qū)主干道車流量大、交通繁忙，地下管網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，不良地質(zhì)和破舊管線常常無(wú)法快速有效地治理，在管線與不良地質(zhì)的長(zhǎng)期相互作用下，地層整體性受到破壞，強(qiáng)度降低，自穩(wěn)性差，盾構(gòu)施工擾動(dòng)后，易出現(xiàn)坍塌。

（2）蘭州市常年水位高差變化較大，近年汛期降雨量增大，地下水位會(huì)相應(yīng)增高，雨水對(duì)地層沖刷后，地層中卵石重新組合沉積，導(dǎo)致部分區(qū)域卵石松散，整體性差。

3.3 技術(shù)管理因素

施工單位的綜合技術(shù)直接影響到地鐵盾構(gòu)施工成效，因施工單位管理方面欠缺引起的地面沉降主要表現(xiàn)在以下方面：（1）現(xiàn)階段有資質(zhì)承接城市軌道交通建設(shè)工程的承包方較多，但大部分承包商缺少卵石地層盾構(gòu)施工的經(jīng)驗(yàn)，盾構(gòu)機(jī)司機(jī)更是經(jīng)驗(yàn)短缺；（2）未嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)及施工方案組織施工，存在未及時(shí)進(jìn)行地層補(bǔ)充勘察、注漿漿液配比不符要求、未及時(shí)進(jìn)行同步注漿和二級(jí)注漿、頻繁糾偏、管片鏈接螺栓未緊固、長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)或停機(jī)保壓不當(dāng)、渣土改良不到位、長(zhǎng)時(shí)間欠壓掘進(jìn)等問(wèn)題；（3）前期地質(zhì)勘察單位對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作不到位，實(shí)際的地質(zhì)情況與勘察成果存在不符，相關(guān)單位對(duì)地質(zhì)的勘查與分析不準(zhǔn)確，造成實(shí)際施工存在較大誤差，導(dǎo)致地鐵盾構(gòu)施工出現(xiàn)地面沉降等問(wèn)題，增大了盾構(gòu)施工的難度。

4 盾構(gòu)施工地面沉降控制技術(shù)要點(diǎn)

4.1 施工前控制

（1）地質(zhì)勘察：在開(kāi)工前及時(shí)進(jìn)行地質(zhì)補(bǔ)充勘察掌握砂卵石地質(zhì)現(xiàn)狀；進(jìn)行周邊環(huán)境排查，重點(diǎn)探查地下管線、地表土層，及時(shí)回填空洞、加固松散土層、修復(fù)滲漏管線。

（2）盾構(gòu)選型：將建設(shè)地的地質(zhì)水文條件作為盾構(gòu)機(jī)選型的主要依據(jù)，擇優(yōu)選擇刀盤、開(kāi)口率、刀具配置、主軸承、螺旋輸送機(jī)、推進(jìn)系統(tǒng)、刀盤驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，合理科學(xué)地選型匹配，從根本上提高設(shè)備操作質(zhì)量，保證盾構(gòu)再掘進(jìn)過(guò)程中安全有效地施工[2]。

4.2 施工中控制

（1）超前地質(zhì)加固：盾構(gòu)始發(fā)前，采用三軸攪拌樁進(jìn)行卵石層加固，其縱向加固深度8 m，徑向加固厚度3 m，可有效提高卵石層穩(wěn)定性[3]。

（2）降水：富水砂卵石地層進(jìn)行盾構(gòu)始發(fā)，始發(fā)段需要采取降水措施，在地層加固完成后，對(duì)始發(fā)段進(jìn)行水位檢查，可在洞門范圍內(nèi)施做水平探水孔，保證降水水位低于盾構(gòu)開(kāi)挖面以下0.5 m。

（3）盾構(gòu)掘進(jìn)要設(shè)置合理的土壓力，保持穩(wěn)速、穩(wěn)壓不間斷地前進(jìn)，防止超挖，嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度、盾構(gòu)推力、刀盤轉(zhuǎn)速和扭矩，并根據(jù)掘進(jìn)時(shí)卵石層的松散系數(shù)，計(jì)算掘進(jìn)的理論排土量，實(shí)際出土量采用重量和方量進(jìn)行控制；在穿越砂卵石和其他地層交接位置時(shí)，要及時(shí)調(diào)整盾構(gòu)參數(shù)，防止發(fā)生偏心；如遇粒徑較大的漂石，適當(dāng)減小刀盤轉(zhuǎn)速，增大油缸推力，將刀具的貫入量控制在10 mm/r以下，同時(shí)采取刀盤正反轉(zhuǎn)的方式緩慢切削漂石，同時(shí)控制刀盤扭矩的變化幅度控制在10%以內(nèi)[4]。

（4）盾構(gòu)糾偏：在曲線上推進(jìn)時(shí)，土體對(duì)盾構(gòu)和隧道的約束力差，盾構(gòu)軸線較難控制，因此推進(jìn)速度要放緩，糾偏幅度不要過(guò)大，并加強(qiáng)糾偏測(cè)量工作等，以減少地層損失，降低地面沉降量。

（5）渣土改良：盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中掘進(jìn)時(shí)，通過(guò)加水或膨潤(rùn)土一般不能有效地改善土體流塑性，從而導(dǎo)致刀盤扭矩增大，螺旋機(jī)出渣不暢，作業(yè)面失去穩(wěn)定。應(yīng)優(yōu)化渣土改良材料，可選用泡沫、鈉基膨潤(rùn)土、高分子材料等，能夠有效改善土體的流動(dòng)性，降低扭矩并保護(hù)盾構(gòu)機(jī)刀具，達(dá)到穩(wěn)定作業(yè)面的效果，通過(guò)采取渣土改良的措施，盾構(gòu)機(jī)在砂卵石地層中掘進(jìn)時(shí)，地面沉降可以得到良好改善。

（6）注漿：保證同步注漿飽滿，采用結(jié)合出渣量判斷注漿需求量和控制注漿壓力方法，最大程度利用同步注漿填充滿管片背后的間隙和地層損失；盾構(gòu)掘進(jìn)施工的同時(shí)，進(jìn)行洞內(nèi)二次注漿，進(jìn)一步補(bǔ)充地層空隙；二次注漿要及時(shí)，一般在盾尾4～6環(huán)即開(kāi)始二次注漿，二次注漿時(shí)注漿管盡量穿透同步注漿層，使二次注漿能夠到達(dá)松散地層中[5]。注漿材料及配比選用應(yīng)嚴(yán)格按照施工方案并經(jīng)實(shí)驗(yàn)后確定，因雙漿液凝結(jié)時(shí)間較快，無(wú)法有效填充卵石縫隙，注漿先采用單漿液快速進(jìn)行填充，之后再用微膨脹水泥與水玻璃為原料的雙漿液進(jìn)行有效封堵，并嚴(yán)格控制漿液結(jié)石率，注漿壓力和注漿量雙重指標(biāo)控制，能有效填充卵石孔隙，從整體上提高地層密實(shí)度。

（7）刀盤卡頓：刀盤卡頓是砂卵石地層施工中較為常見(jiàn)的問(wèn)題，因卵石粒徑過(guò)大，導(dǎo)致刀盤卡死、扭矩增大，從而引起掌子面坍塌或超方等問(wèn)題。若較大粒徑卵石或卵石群將刀盤開(kāi)口卡住，進(jìn)而卡死刀盤，通常預(yù)防措施有以下3種：①可正反轉(zhuǎn)刀盤實(shí)現(xiàn)脫困；②增大濃泥漿注入壓力，并收回推進(jìn)缸或采用主動(dòng)鉸接油缸輔助，可將盾構(gòu)機(jī)倒退20～30 mm，再轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，出半斗渣土，再注入濃泥漿，再轉(zhuǎn)動(dòng)刀盤，反復(fù)如此，從而實(shí)現(xiàn)脫困；③若刀盤仍無(wú)法脫困，則盾構(gòu)掌子面施加氣壓，進(jìn)行開(kāi)倉(cāng)取石[2]65。

（8）地層加固：盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)刀盤前上方卵石坍塌嚴(yán)重時(shí)，可在相應(yīng)位置的地面進(jìn)行鉆孔至刀盤上方，采用高壓旋噴樁注漿對(duì)砂卵石進(jìn)行固結(jié)，增加砂卵石間的黏結(jié)力，提高卵石群的整體性，能有效控制刀盤前上方卵石坍塌。

（9）監(jiān)控量測(cè)：按照監(jiān)控量測(cè)方案要求的頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，出現(xiàn)異常情況及時(shí)調(diào)整監(jiān)測(cè)頻率，做到“勤測(cè)量、速反饋”。蘭州軌道交通2號(hào)線一期工程建設(shè)充分利用信息化管理平臺(tái)及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)管理、分享、匯總、分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，預(yù)測(cè)地面沉降、位移趨勢(shì)，在信息化管理平臺(tái)中設(shè)定警戒值，數(shù)據(jù)異?；虺瑯?biāo)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，并將報(bào)警情況通過(guò)手機(jī)短信告知相關(guān)人員，提高了監(jiān)控監(jiān)測(cè)的及時(shí)性、有效性，并高效指導(dǎo)施工。

4.3 管理改進(jìn)

（1）嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)和施工方案組織施工，加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)工序間的管理工作，掘進(jìn)、出土、管片拼裝等各工序銜接緊密，充分做好施工前的準(zhǔn)備工作，及時(shí)進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)設(shè)備配件的維修、保養(yǎng)工作，減少停機(jī)；采用耐磨性較強(qiáng)的刀具，減少換刀次數(shù)，并提前建立刀具更換計(jì)劃，選擇合適的換刀位置和方案，有序開(kāi)展換刀，減少換刀停機(jī)時(shí)間[5]68。

（2）嚴(yán)格審查分包單位資質(zhì)、業(yè)績(jī)，強(qiáng)化分包合同安全責(zé)任條款，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)材料要嚴(yán)格把關(guān)，技術(shù)、質(zhì)量、安全、進(jìn)度等管理應(yīng)納入承包商的管理體系中，同時(shí)加強(qiáng)分包商的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)及管理風(fēng)險(xiǎn)意識(shí)，杜絕以包代管的現(xiàn)象發(fā)生。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和城市化進(jìn)程的不斷進(jìn)步，我國(guó)大中城市大范圍修建地鐵，目前大部分地鐵隧道施工首選盾構(gòu)施方法，而砂卵石地層是一種典型的自穩(wěn)性較差的地層，受盾構(gòu)施工擾動(dòng)，極易造成坍塌，引發(fā)地面沉降，盾構(gòu)施工過(guò)程中必須高度重視；通過(guò)開(kāi)工前的補(bǔ)充勘查，分析地質(zhì)特征，提前消除地層隱患，強(qiáng)化超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、盾構(gòu)選型、盾構(gòu)參數(shù)、排土量、同步注漿、二次注漿等工作，并根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找出規(guī)律變化，來(lái)指導(dǎo)盾構(gòu)參數(shù)修正，采用信息化手段進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)管控，有效控制地面沉降，保證了盾構(gòu)機(jī)安全、快速推進(jìn)。以蘭州市軌道交通2號(hào)線工程建設(shè)為例，針對(duì)砂卵石地層盾構(gòu)施工地面沉降控制進(jìn)行了初步的探索和總結(jié)，為砂卵石地質(zhì)條件下盾構(gòu)法施工地鐵隧道提供參考依據(jù)。