土压平衡盾构在圆砾、粉砂地层中掘进地面沉降分析及处理措施

土压平衡盾构在圆砾、粉砂地层中掘进地面沉降分析及处理措施

晏秋

广州轨道交通建设监理有限公司 广东广州 510010

摘要：本文主要对土压盾构机在圆砾、粉细砂等经典地层中掘进引起地面沉降进行全面分析，针对沉降原因总结了相关的技术参数，同时采取了针对性措施有效控制地面沉降，并在后期掘进注意事项提供了几点建议，供类似土压平衡盾构施工参考。

关键词：原理层  粉细砂层  土压  沉降  膨润土  二次注浆

1工程概况

新广区间由新秀公园站出站后，沿明秀西路向北，在大学明秀路口下穿既有1号线广西大学站，最后接入5号线广西大学站。区间起讫里程为YDK20+712.134～YDK22+031.821/ZDK20+588.134～ZDK22+031.821，区间左右线总长1458.4m/1322.9m，采用土压平衡盾构法施工。

本区间隧道主要穿越地层为③1粉土层、③2粉土层、④1-1粉细砂层、⑤1-1圆砾层、⑦1-2泥岩、⑦1-3泥岩。本区间地下水位埋深3.5-11.3m，承压水位标高66.53~72.66m，平均埋深5.81m，平均高程68.76m。结合线路地质剖面图，前257环隧道地下水位埋深约：4m-6.8m，盾构机当前位置地下水位深度为4.6m。区间隧道内径5.4m，外径6.0m，采用300mm厚的管片错缝拼装而成，每环管片有六分块，环宽1.5m。

区间管线较多且复杂，前257环主要有5条管线，前257环主要管线分布图详见图4.

图4 新广区间管线分布图

2沉降预警

新广区间始发掘进至今260环，共出现了15次速率预警达到橙色，预警点位共97个，其中地表沉降71个，管线沉降31个。

根据盾构掘进情况，将沉降发生时段依据盾构掘进绘制“盾构掘进地层变形阶段示意图”，分五个阶段：

图5盾构掘进地层变形阶段示意图

根据“盾构掘进地层变形阶段示意图”地层变形阶段显示：新广区间右线盾构掘进期间出现的15次预警中，出现在第二阶段预警点位的有11次（刀盘前方）、第三阶段15次（盾体上方）、第四阶段10次（盾尾后）、第五阶段3次（工后沉降），第一阶段无点位沉降，监测点产生的上浮均为事后二次注浆引起。

3原因分析

3.1参数分析

3.1.1总推力

①圆砾地层（0~60环）：推力8000-12000KN之间，最大推力为13000KN。

②61-130环上软下硬（上部圆砾地层、下部泥岩层） ：推力控制在8000-10000KN之间，最大推力为11900KN。

③131-260环（上部粉土地层、下部圆砾地层） ：推力控制在10000-16000KN之间，最大推力为18000KN。

3.1.2掘进速度

盾构100前掘进速度一般控制在20-30mm/min之间，正常掘进后在速度控制在25-40mm/min之间。

3.1.3刀盘转速

盾构前100环，刀盘转速控制在1.0-1.5r/min之间。在正常掘进后刀盘转速一般控制在1.0~1.2rpm。

3.1.4刀盘扭矩

根据盾构掘进当前土层特性及刀盘切削时贯入度，主驱动扭矩一般在1000-4000KN.M，在盾构设计扭矩范围内。

3.1.5出土量

盾构掘进100环期间根据地质情况的不同，圆砾层每环出土量在50~56方之间。（经计算理论出土量46.44m3，松散系数考虑1.1~1.2，51.1~55.7m3）。泥岩层每环在51~56方之间。根据现状每环渣土一般为3斗半，每环土方约50~55t。

3.1.6同步注浆

盾构掘进期间注浆压力基本保持在1.5~3.5Bar之间。

盾构掘进230之前注浆量一般在6.5~7.5方之间，230后为全断面圆砾地层渗透性较大同步注浆量达到10~12方。

3.1.7二次注浆

盾构掘进130环之前二次注浆量一般在0.5~2方之间，130环后为开挖面圆砾地层比例增大，渗透性较大二次注浆量最大达到8方。

3.1.8顶部土仓压力

新广右线257环前盾构埋深在11-18m，盾构掘进上部土仓压力一般控制在1.3~2bar之间。盾构在圆砾地层中掘进时土仓压力偏大，但出土过程中存在喷涌现象，土仓压力波动较大，且在盾构工序转换的停机时间中，土压损失严重，1小时若无措施，土压下降0.5bar左右。

3.2地质分析

3.2.1地质雷达扫描

在多次出现地表沉降预警后，项目部对区间掘进地层进行了雷达扫描，雷达扫描显示：区间隧道上方地面以下有5处出现脱空或不密实的情况，且整个区间地质较松散；扫描的5处空洞已处理4处，剩余1处位于铁路桥下明秀西路路面下还未处理。

 3.2.2地层分布

隧道主要穿越地层为③1粉土层、③2粉土层、④1-1粉细砂层、⑤1-1圆砾层、⑦1-2泥岩、⑦1-3泥岩。地层地质几乎无黏土层，地层孔隙率较大，自稳性较差。

3.3环境分析

通过走访调查，新广区间所在道路（明秀西路新阳路口~大学路口段）在早期为溪流，自70年代开始进行道路回填，大致经过3~4期回填，回填深度多达十多米，回填材料混杂，在对隧道正上方路面进行钻心取样时发现，隧道上方地层从上向下主要为路面（设计为混凝土+沥青78cm,实际钻心取样为45cm左右），素填土层、粉细砂层、粉土层、中粗砂、砂砾、圆砾层、泥岩层，地层较松散，孔隙率高。

3.4管理分析

据了解，项目部盾构掘进施工现场缺少专业的盾构工程师参与盾构掘进，从而导致现场作业班组随意调整掘进参数，随意调整注浆浆液配比，注浆时点不合理，项目部技术口指令无法有效落实到作业层。

3.5原因总结

鉴于右线多次连续出现沉降预警，项目部组织召开了沉降预警分析专家会，对引起地面沉降的原因进行了详细分析，主要存在以下几个方面：

1、同步注浆

同步注浆未实行双控，由于地层较松散，渗透性强，注浆量未适应注浆压力。同步注浆初凝时间过长，未针对该地层进行调整。

2、二次注浆

盾构机后方工后橙色预计共计3个预警单号（第五阶段），主要原因是管理不到位，同步注浆不满足地层损失量，未及时进行二次注浆或者二次注浆量不足；在出现预警后，项目部对二次注浆控制不好，导致出现部分盾尾点位隆起。

3、土仓压力

盾构在停机过程中土仓压力损失明显，未采取有效的防泄压措施，升降压的过程导致对地层进行二次扰动。

4、地层因素

本区间隧道上方道路曾经过多次回填，回填材料层次不齐，回填质量较差，根据地质扫描报告显示，本区间地质结构相对比较松散，地层的自稳性相对较差，隧道上覆地层无黏土层，无法对掌子面掘进的扰动进行一定隔离作用，从而使得地层的敏感性较强，传递变形的能力强，最终导致多次频繁预警。

5、渣土改良

本区间掘进过程中存在喷涌现象，渣土改良未达到理想的效果；鉴于盾构停机压力损失严重的情况，可以看出掌子面孔隙率较大，需要高浓度膨润土或者衡盾泥建立掌子面泥膜。

6、掘进速度

本区间单环掘进速度正常，但工序转换时间过长，停机时间过长，平均日掘进环数约5-6环，掘进不连续，总体掘进速度较慢，导致掘进对地层的扰动增加。

7、管理原因

项目部人员组织架构不健全，技术力量薄弱，现场无专职的盾构工程师指导现场掘进施工，现场临时的参数调整未经过审核。

4处理措施

4.1改变渣土改良方式

本区间渣土改良方式为采用高分子聚合物对土仓内渣土进行改良，事实证明改良效果不佳，项目部立即建立膨润土膨化系统，掘进过程中向土仓注入高粘度膨润土，改良渣土的同时使开挖面形成有效泥膜，减少盾构机停机时的压力损失，减少对地层的扰动，减少同步注浆浆液的损失。

高粘度膨润土制作：采用钠基膨润土，膨润土：水=1:10（质量比），在搅拌机搅拌15分钟后抽到泥浆池发酵24小时以上，发酵过程中持续搅拌，24小时发酵完成后膨润土混合液胶体率95%以上，PH值8-9，粘度可达45秒以上。

高粘度膨润土每环掘进根据出渣喷涌程度适量加入，可加入1-10方/环不等，效果显著，但在泥岩、圆砾层复合地层中要慎用，防止刀盘结泥饼。

在盾构推进过程及停机时，通过盾尾上径向注浆孔向盾壳外注入克泥效浆液可有效保护盾体被包裹进而引发盾体抱死的工况；克泥效浆液制作：采用普通膨润土浆液按照膨润土浆液：克泥效=10:1（质量比）的比例通过专用的克泥效浆液设备制作，连接管路后注入盾尾径向注浆孔。

4.2调整注浆

4.2.1同步注浆

改进同步注浆浆液配比，将同步注浆浆液初凝时间减少至3-4小时，同时，在注浆过程中，实行压力及方量双控，在目前埋深18m的工况下，保证注浆压力能达到2-3bar，保证浆液能充分填充成型隧道与地层之间的间隙。

4.2.2二次注浆

在管片脱出盾尾3-5环后，使用水泥浆-水玻璃双液浆及时对管片壁后进行二次注浆，加速同步浆液的凝结，同时再次对未有效填充的空隙进行填充，主要选择上部点位进行注浆，注浆压力不宜超过同步注浆压力，避免二次浆液串浆进而对盾尾进行抱死，双液浆凝结时间宜控制在35-45秒。

4.3土仓压力

适当提高土仓压力掘进，根据埋深计算的水土压力，保证土仓压力比计算的水土压力高0.2-0.3bar，保持盾构掘进期间，掌子面前方对应的地表维持微隆起的状态。

4.4地面处理

对地质扫描发现的空洞进行地面低压灌注水泥浆处理。

4.5管理措施

项目部必须配备专业的盾构工程师现场跟进盾构推进，对各项参数进行盯控，如有参数变动，即可上报项目部技术层面论述其可行性，详细记录、对比施工过程的各项参数，做好总结以指导后续掘进施工。

5控制效果

通过以上原因分析及采取的措施，目前新广区间右线盾构已掘进至350环，过程中极少发生喷涌现象，地表及管线沉降均处于容许范围，未再次发生过一次沉降预警。

6总结

通过本次的土压盾构在经典地层中的掘进引起的地面沉降，总结出以下几点：1）在粉砂、粉土、圆砾等孔隙率大的富水地层中进行土压盾构掘进，应采用高粘度膨润土进行渣土改良，膨润土除具备渣土改良特性外还能有效建立泥膜，而且成本较低，这是其他材料所不能比拟的优点；2）必须确保仓压足够，甚至需要稍微提高仓压掘进；3）管片脱出盾尾适当环数后及时进行盾尾二次注浆以弥补同步注浆的不足；4）必须配备盾构工程师跟进盾构掘进施工，保证既定的技术措施能落到实处。

参考文献

[1]《地下铁道工程施工及验收规范》（GB50299-1999）（2003年版）

[2]《地铁工程技术及典型案例分析》（2016年版）