浅谈富水砂层浅覆土盾构施工

浅谈富水砂层浅覆土盾构施工

马浪波

中铁广州工程局集团城轨工程有限公司511457

摘要：该区间以全断面砂层为主，且地下水位位于隧道顶以上。由于隧道洞顶覆土只有6.5～8.5m，砂层孔隙率大，土仓压力易流失，施工过程中如压力控制不当容易出现地面隆起、沉降甚至坍塌等情况。在盾构掘进过程中解决土仓压力保持、刀盘扭矩过大、掘进困难、减少地面隆陷等问题具有重大意义。

关键词：盾构机选型；渣土改良；监测

一、工程概况

西安地铁四号线TJSG-18标出入场线盾构区间主要沿明光路布置，呈南北走向，盾构隧道总长1775.9m（以单线隧道长计），本区间最小平曲线半径为340m，最大坡度为29.295‰。区间穿越漕运明渠，明渠为16.2m*4.5m钢筋砼结构，隧道顶距渠底最近距离为0.99m。盾构段沿线穿越地层主要为2-5-1中砂、2-5-2中砂，湿～饱和，中密～密实，局部含有圆砾、砾石，隧道围岩综合分级为VI级。场地内地下水属空隙性潜水，水位线位于隧道顶以下。由于隧道洞顶覆土只有6.5～8.5m，且砂层孔隙率大，土仓压力易流失，施工过程中如压力控制不当容易出现地面隆起、沉降甚至坍塌等情况。

二、施工特点

2.1、合理选择盾构设备。盾构机刀盘开口率达到45%，对土仓压力的控制相对容易；主驱动总功率达945Kw，能确保盾构在中粗砂层的推进速度；采用轴式螺旋输送机，防止在掘进过程中发生涌水现象；盾构机增加辅助保压系统，通过往土仓输送气体以辅助保持土仓压力。

2.2、合理进行渣土改良，改善渣土的和易性，流动性，塑性、减小渣土的渗水系数，保证出渣顺利及土仓压力的建立。

2.3合理设置掘进参数，根据地层参数计算正面土压力，掘进过程中严格控制土仓压力及盾构机姿态的控制，减少对地层的扰动，保持对地面沉降的控制。

2.4、加强监控量测，过建构筑物及地下管线时实施24小时实时监测，监测数据第一时间反馈到操作室，动态修正掘进参数，确保施工安全、快速。

2.5及时同步注浆及二次注浆，加强注浆压力和注浆量的控制，二次注浆采用双液浆，对土体进行固结，提高土体抵抗隧道变形的承载能力。

三、工艺原理

正确计算正面土压力，掘进时土仓压力保持在0.4~0.5bar，停机时土仓压力保持在0.6~0.8bar，如遇土压力流失，打开辅助保压系统保持土仓压力。渣土改良采用性能较好的纳基膨润土，膨润土的粘稠度≥25s。通过对土仓压力、渣土改良、掘进参数的控制，保证地面隆起及沉降在允许的范围内，保证构建筑及地下管线的安全。

四、施工工艺流程及操作要点

4.1施工工艺流程

盾构机选型→施工准备→盾构始发→盾构掘进→出土→管片拼装→循环掘进→盾构达到→隧道端头封堵→盾构机拆除、吊出

4.2操作要点

4.2.1盾构机选型

该区间覆土较浅，大部分地层为中砂层，地下水丰富，中粗砂层为饱水中粗砂层、密实状态、内摩擦角大、渗透系数大，土层开挖后自稳性差，易坍塌，盾构掘进过程中，扭矩较大，砂砾对刀具、刀盘、螺旋机磨损较为严重。因此，盾构机选型应遵循以下原则：

1、以开挖稳定为核心，盾构选型应充分把握地质条件的基础上进行；

2、盾构机选型应充分考虑本标段的施工风险源，确保盾构机有足够的风险控制能力；

3、盾构机必须有良好的密封系统，其中重点保证盾尾系统、铰接系统和螺旋输送机的密封防水性能；

4、盾构机必须能很好的调整和保持土仓压力，控制地面沉降的能力；

5、盾构机应适应富水砂地层条件的要求，具备土压平衡掘进功能，足够的推力、刀盘驱动和扭矩，良好的加喷润土、加泡沫等渣土改良功能，合理的刀盘和刀具设计，能够适应砂层的切削和磨损，具有完善的防喷涌功能。

为此，项目部邀请国内知名专家对盾构机的选型进行论证，并按照专家意见来选择盾构机以保证盾构机选型成功。

经专家论证决定采用土压平衡盾构机进行掘进，该盾构机具有以下特点：

1、盾构机刀盘液压驱动功率：不小于900KW，确保盾构在砂砾层的推进速度。

2、砂层内摩擦角大，贯入度高，盾构机掘进时扭矩大，所以刀盘额定扭矩不小于5200KNm，脱困扭矩不小于6300KNm。

3、刀盘及螺旋输送机均设有泡沫、膨润土注入管路。

4、刀盘、土仓及螺旋输送机均增加耐磨层。

5、螺旋输送机螺杆可伸缩，能解决螺旋输送机的堵塞问题。

6、刀盘开口率为45%，对土仓压力的控制比较容易，能够有效的降低推进时的刀盘扭矩。

7、采用轴式螺旋输送器，在卸土口处配备有双开门装置和保压泵装置，满足在砂砾地质条件下掘进时发生涌水、涌泥时保压掘进的需要。螺旋输送机具有断电自动关闭功能，避免在突然断电的情况下引发隧道内涌水。

8、盾体预留膨润土注入管路，防止砂层把盾体抱死。

4.2.2盾构始发

1、推进速度

为确保盾构能正常切削素砼和土体加固区，控制推进轴线、保护刀盘，始发时实际推进速度不宜过快，使盾构缓慢稳步前进，推进速度在素砼段掘进速度控制在1-3mm/min，在主机全部进入加固区前掘进速度控制在3-5mm/min，在盾构脱离加固区后可逐步提高掘进速度到40mm/min。始发掘进时，要随时观察刀盘扭矩变化情况，及时调整推进速度。

2、轴线控制

为了达到有效防止隧道“栽头”的要求，在始发段第一次进行同步注浆后，为确保洞门处的注浆效果，在同步注浆浆液凝固后，及时进行洞门补压浆，补压浆的部位布置在盾构隧道下半部。同时，推进轴线应略高于设计轴线，推进轴线垂直方向确定为+20mm。

3、盾构150米试掘进

土压平衡盾构掘进，土压力的设定是土压平衡盾构施工的关键，维持和调整压力值又是盾构推进操作中的重要环节，其中包括推力、推进速度和出土量三者的相互关系，以及对盾构施工轴线和地层变形量的控制也很重要。因此，盾构试掘进过程中，根据不同地质条件、覆土厚度、地面情况设定土仓压力，并根据地表隆陷监测结果及时调整。在试掘进段的掘进速度保持相对平稳，并逐步增大到速度40mm/min，按操作规程控制好掘进纠偏量，减少对土体的扰动。加强地表隆陷观测，得出土压设定与地表隆陷的关系。同步注浆量和注浆压力根据推进速度、出碴量适当调整，并通过加强盾构通过后地表隆陷监测确定同步注浆和盾构通过后地表隆陷的关系。试掘进段加强盾构隧道的轴线控制，掌握盾构纠偏的主要施工参数。

4.2.3、盾构正常掘进

盾构机在浅埋富水砂层施工时，容易引起地层隆起或沉降、隧道喷涌、盾构姿态难控制等问题。

1、施工技术要点

（1）、采用土压平衡模式掘进，进行开挖面稳定计算，设定合理的掘进参数，控制盾构机姿态，控制土压力以稳定开作面，控制地表沉降，将施工对地层的影响减到最小。

掘进过程土仓上部压力控制在0.4~0.5bar，掘进速度控制在30~40mm/min，出土量不得大于46立方米；盾构机姿态保持向上，趋势控制在范围±3。掘进的过程必须尽可能的快，中间尽量减少停滞时间。在掘进接近1600mm时根据土仓顶部压力减少或不出土，以使掘进至1800mm时土仓顶部压力达到0.7bar～0.8bar范围。管片拼装过程中，因地层渗透系数高，土仓压力易流失，当土仓压力持续降低时，打开辅助保压系统以维持土仓压力的稳定。

（2）、盾构掘进过程中向土仓内及刀盘面注入泡沫、膨润土，改善渣土性能，提高渣土的流动性和止水性，防止涌水涌砂和发生喷涌现象，利于螺旋输送机排土，并有利于保持土仓压力。

（3）、盾尾同步注浆的量与地面沉降有较大关系，过少会造成地面较大的沉降，过多会窜浆至地面，污染环境。浅埋富水砂层注砂浆极易往外扩散，在掘进过程需根据注浆压力（＜2.0bar）和地面情况及时调整注浆量。注浆的标准是确保脱出盾尾的管片背后的空隙能填满，这不仅可降低后期地面的沉降，也对管片防水起到一定有利作用。

（4）、运用导向系统和分区操控推进油缸，控制盾构姿态，防止盾构抬升。

富水砂层的承重能力较低，加上盾构机在掘进过程中的震动，姿态较易往下沉。因此在地层中盾构机的姿态易保持向上，但趋势易控制在±2。若出现机头往下掉的情况，需及时通过千斤顶行程调节姿态。调节不可过急，易通过千斤顶行程及选取最优管片两者结合来调节；不然会使得盾尾间隙过小，造成管片错台。

2、掘进管理要点

盾构在完成前150m的试掘进后，根据始掘进段的施工参数的分析总结，确定正常掘进施工参数选取。为保证施工的顺利进行，加强盾构在正常段的掘进管理，主要内容包括：

（1）根据地质条件、覆土厚度和试掘进过程中的经验进一步优化掘进参数。

（2）推进过程中，严格控制推进方向，将施工测量结果不断与计算的三维坐标相校核，及时调整。

（3）盾构操作人员应根据当班工程师下达的掘进指令推进，推进与管片背后注浆同步进行，并结合地表量测结果不断完善施工工艺，控制施工后地表最大变形量在+10~-30mm之内。

（4）盾构掘进过程中，坡度不能突变，隧道轴线和折角变化不能超过0.4%。

（5）盾构掘进施工全过程须严格受控，工程技术人员根据地质变化、隧道埋深、地面荷载、地表沉降、盾构姿态、刀盘扭矩、千斤顶推力等各种勘察、测量数据信息，正确下达每环掘进指令，并即时跟踪调整。盾构操作人员须严格执行指令，谨慎操作，对初始出现的小偏差应及时纠正，应尽量避免盾构走“蛇”形，盾构一次纠偏量不超过4mm/环，以减少对地层的扰动。

（6）做好施工记录，包括盾构推进压力、盾构掘进速度、盾构刀盘压力、刀盘转速、土仓压力、注脂压力、注浆压力、盾构竖直及水平偏差及盾构各设备运行状态等。

3、同步注浆及二次补强注浆

（1）注浆方式

在盾构掘进过程中采取以下两种注浆方式：

①通过盾尾注浆管在掘进的同时进行同步注浆：

②管片脱出盾尾后，通过管片上预留的注浆孔进行补强二次注浆。

（2）同步注浆浆液配比及主要性能指标

同步注浆采用盾构自备的2台双活塞注浆泵在盾尾分4路同时注入，及时填充管片与地层间环形空隙、控制地层变形、稳定管片结构、控制盾构掘进方向，加强隧道结构自防水能力，对建筑空隙采用盾尾内置的注浆管进行同步注浆。

①浆液配比

由于盾构隧道大部分穿越中砂层，结合土压平衡盾构施工事例，同步注浆采用水泥砂浆，浆液的配比如下表。

②浆液主要性能指标

胶凝时间：一般为3~10h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。对于强透水地层和需要注浆提供较高的早期强度的地段，可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间，获得早期强度，保证良好的注浆效果。

固结体强度：一天不小于0.2MPa，（相当于软质岩层无侧限抗压强度）28天不小于2.5MPa（略大于强风化岩天然抗压强度）。

浆液结石率：>95%，即固结收缩率<5%。

浆液稠度：8~12cm

浆液稳定性：倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比）小于5%。

（3）同步注浆参数

①注浆压力

同步注浆时要求在地层中的浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和，做到尽量填补而不宜劈裂。注浆压力过大，隧道将会被浆液扰动而造成后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆，而注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不充足，会使地表变形增大，本工程同步注浆压力设定为0.2~0.3MPa，并根据监控量测结果作适当调整。

②注浆量

同步注浆理论注浆量为4m3／环，因砂层空隙率大，渗透系数高，实际注浆量按照理论值的160%~200%注入，即为6.4m3~8m3/环。

③注浆时间及速度

盾构向前掘进的同时，进行同步注浆，同步注浆的速度与盾构推进速度相匹配。

（3）二次补强注浆

施工时采用地表沉降监测信息反馈，结合洞内超声波探测背衬后有无空洞的方法，综合判断是否需要进行二次补强注浆。二次补强注浆材料采用双液浆：水玻璃+水泥浆液。浆液配比及相关参数指标如下：浆液配比：水泥浆水灰比：0.8～1；水玻璃与水按1：1进行稀释。注入时浆液与水玻璃体积比为：水泥浆：水玻璃=1：1。二次补强注浆的注浆压力选定为0.3~0.5MPa。注浆量根据监测到的空隙和监控量测的结果确定。注浆时主要以注浆压力控制。

4.2.4、渣土改良

该盾构区间隧道所通过的2-5-2中砂层，砂层呈饱和、密实状态，标准贯入值N平均为37.1次，标贯值相对较高，摩擦系数大，内摩擦角32度，并且砂层的流动性差，盾构掘进过程中，刀具、刀盘、螺旋机相对容易磨损；中砂层、粉细砂层为良好的富水和透水地层，其饱含地下水，渗透系数达2.9×10-2cm/s（25m/d），且受扰动容易液化，使得地层变得更加不稳定，容易引发坍塌，施工中极易产生涌水、涌沙及开挖面失稳现象；整个盾构区间覆土均较浅，在6.5m～8.5m之间，增加了盾构对地面沉隆控制的难度，所以渣土改良显得尤为重要。

项目部实验室在室内进行渣土改良实验，经过多次实验，得出了施工中最优的渣土改良参数：采用纳基膨润土，膨润土泥浆掺入比为1：8，膨润土与砂土的掺入比为1：10；最优膨化时间为18~24h，粘稠度≥20s，在掘进过程中根据实测数据，进行优化。泡沫剂参数：泡沫剂的最佳发泡率为3%，膨化率为15%。膨润土采用管道输送至盾构机，膨润土使用前均由项目部实验室人员测试粘稠度，达标后方可使用。

渣土改良后，螺旋机出渣口处渣土成流塑状，用手抓取渣土捏成团后轻轻抖动不易松散，渣土塌落度约为190~220mm。合理的渣土改良后，刀盘扭矩变小，土仓压力更容易建立，减小了对刀盘、刀具、螺旋机的磨损，提高了掘进速度，有效的节省了施工成本。

4.2.5、施工监测技术

加强施工期间监控量测，根据实时的监测数据，分析判断预测盾构区间开挖过程中周边环境及围护体系的变形情况，为下一步施工提出有力的监测数据支撑。根据不同的监测对象，实施不同的监测频率及监测方法，加快监测数据的处理，并建立微信群，第一时间把监测成果发送至群里，值班工程师根据监测成果分析总结，及时调整掘进参数，正确下达掘进指令确保沿线管线及构建筑物的安全。

4.2.6、施工应急措施

当监测数据出现异常甚至超限时，立即采取以下应急措施：

1、盾构机操作手立即停止掘进，并保持土仓压力在0.6~0.8bar之间。

2、同时立即查清监测物详细情况，并立即采取保护措施。

3、加强盾尾同步注浆和洞内二次注浆。待沉降稳定后，继续保持掘进，适当提高土仓压力，增大监测频率，增加注浆量。

4、穿越后及时在相应的位置进行壁后二次补强注浆，注浆材料采用双液浆。

五、质量控制

5.1质量保证措施

5.1.1加强盾构机掘进控制，保持良好的盾构机姿态。

5.1.2做好管片选型，合理拟合设计线路并与盾构机当前姿态相符，提高管片拼装精度。

5.1.3合理选取同步注浆参数，确保管片受力均匀并尽早获得稳定。

5.1.4管片拼装后对其缺陷及时进行修补，所用材料为胶皇、水泥、微膨水泥和水，保证隧道衬砌良好的表观质量。

5.1.5管片防水材料应具备合格的证明材料，通过质检单位检验后进行；粘接剂应涂刷均匀饱满、防水橡胶条和泡沫衬垫粘贴平整牢固，腻子片嵌贴严密稳固，位置准确，不得有起鼓、超长和缺口现象；螺栓衬垫应严密，不得有裂隙，使用前检查，发现损坏立即更换，不得使用；嵌缝之前将槽内清理干净，无杂质碎屑，嵌缝材料的种类、规格和质量符合设计和规范要求，并通过监理检验后方可实施，所用机械设备状况良好。

5.1.6管片拼装时应先底部就位，然后自下而上左右交叉安装，每环相邻管片摆布均匀并控制环面平整度和封口尺寸，最后插入封顶管片。

5.1.7连接螺栓逐步初步拧紧，脱出盾尾后复紧。当后续盾构掘进至每环管片拼装前，对相邻已成环的3环范围内管片螺栓进行全面检查并复紧。

5.1.8注浆前进行配合比试验，选出最佳配合比，并根据不同地质情况，适时调整配合比，严格控制注浆量及注浆压力，时间充分，保证同步注浆速度与掘进速度相匹配。

5.1.9注意调整盾尾间隙，控制推进油缸的伸缩和同步注浆压力，拼装精度控制在设计要求之内，防止管片移位、错台。

5.2施工控制标准

5.2.1隧道沉降控制标准

在正常推进条件下，沉降值控制范围在+10mm~-30mm，盾构推进引起的地面沉降不能影响周围建筑物和地下管线的安全和正常使用。

5.2.2管片拼装控制标准

①轴线允许偏差：高程偏差±30mm，平面偏差±30mm。

②管片错台<10mm，管片接缝开口<2.5mm，管片拼装无贯穿裂缝，无大于0.3mm宽的裂缝及剥落现象。

③水平直径和垂直直径允许偏差<0.5%Dmm。

六、成果

在浅埋富水中砂层盾构施工过程中，项目监测组成员对区间隧道地表沉降、地下管线、周边建构筑物等进行了全过程的监测。

本区段入场线地表最大累计沉降量为16.8mm，地表沉降量在设计容许范围30mm以内。

本区段入场线区间管线最大累计沉降量为8.7mm，地下管线沉降量均在设计允许范围30mm以内。构筑物漕运明渠最大累计沉降值为3.8mm，平均沉降为2.2mm，均在允许范围内。

施工全过程处于安全、稳定、快速、优质的可控状态，整个盾构掘进过程中未发生地面隆起、塌陷、喷涌等事故，地表沉降、周边建筑物沉降均在可控范围内，入场线平均施工进度为220m/月，出场线目前平均施工进度为200m/月，满足总体施工进度要求，无安全生产事故发生，得到了监理、业主及社会各界的一致好评。

七、结束语

中铁港航局集团有限公司在施工过程中对盾构机选型、掘进过程中渣土改良、参数控制等着重进行控制，保证盾构的顺利推进，较好的控制了地面沉降及隆起，同时也总结出了一套成功的控制参数，对类似地层的盾构掘进具有指导意义。