广州地铁某盾构区间在富水高粘性红层中的施工技术

刘阳升

摘要:富水高粘红层是盾构施工中的不良地层之一。文章针对这类地层的主要特征，分析了盾构机掘进通过时容易产生结泥饼、喷涌的情况，从而引起地面隆起或沉降的风险，提出控制掘进参数、施做止水环、合理使用发泡剂、土仓泄水等几方面的对策，并列举了成型隧道质量控制的要点，可为类似工程提供参考。

关键词:盾构 红层 风险与对策 质量控制

中图分类号：TU74文献标识码：A文章编号：

Construction technology of Guangzhou subway shield zone in the water-rich high viscous red beds

Liu YangSheng

(Guangzhou Municipal DunJian Underground Construction Engineering Co., Ltd., Guangzhou 510030)

AbstractThe water-rich high viscous red beds is one of the adverse strata on shield tunnel. Aiming at the main characteristics of these strata, analysis of the shield machine driving through easily generate node mud cake, spewing, causing surface uplift or subsidence risk, Puts forward the control parameter of shield driving, construction waterproof ring, rational use of foaming agent, soil drainage and other aspects of the Countermeasures, and listed some of tunneling when the abnormal situation to identify and handle, provide a reference for similar projects.

Key wordsShield, red beds, Risks and Countermeasures, Quality Control

1引言

在地铁工程建设中，盾构法与传统的矿山法相比由于其快速、安全、经济等方面的优势得到了广泛的应用。盾构工程，往往与地质情况密不可分，一些不良的地层往往给施工带来困难。在广州、深圳地区存在的一种高粘性红层的地层，其粘性很高，容易使掘进中的盾构机结泥饼，如果碰上富水性强的红层，那更是增加了喷涌的风险，使盾构掘进困难，隧道质量难以保证，且有地面沉降等安全風险。

2工程概况和地质水文条件

2.1 工程概况

广州某盾构区间位于广州市中心区，为外直径6米的盾构隧道，隧道顶面埋深约20~30米，单线长度约500米，线路上方地面穿越较多房屋，平行于该区间约200~500米为珠江。

2.2 工程地质与水文条件

本标段地貌形态为珠江三角洲冲积平原地貌，微地貌单元为河流冲积阶地，地势低平，区间岩土层由白垩系红层地层及新生界的第四系地层组成。隧道主要通过的地层主要为<7>强风化泥质粉砂岩、<8>中风化泥质粉砂岩、<9>微风化泥质粉砂岩。隧道以上的地层由下至上依次为<7>、<6>、<4-1>、<3-1>、<2-1A>。

地质详勘显示, 该工程隧道洞身地层主要包括泥岩、粉砂岩及砂岩，粉土和粘性颗粒很高，且区间部分地段裂隙较发育，并靠近珠江，故具有高粘性及富水性的特点。

3盾构机掘进富水高粘性红层的施工风险

依上所述，该工程地质情况表现为富水高粘性红层岩土，其自稳性较好，但形成的中、强、微风化岩强度均不高。这些特征，使盾构机在掘进时容易产生以下施工风险：

1）粉土和黏土颗粒含量高，所以盾构机在掘进过程中容易在土仓中和刀盘上结成“泥饼”。如“泥饼”初形成时不及时处理，随着“泥饼”与土仓的摩擦使仓内温度越来越高，导致“泥饼”越来越大，越结越硬，将最终几乎填满整个土仓，其核心结成类似于岩石的一样的硬物。结“泥饼”后，盾构机的推力和扭矩逐渐增大，出土困难，掘进缓慢，直至无法掘进[1]。而盾构机推力的异常及对周边地层的不断扰动，将会使得地面有隆起或沉降的风险，从而影响地面建筑物的安全。

2）地层中的含水量过高，会存在“喷涌”的风险，而本区间主要通过微风化、强风化、中风化岩层，为具有一定的强度的岩石，故掘进速度不可能很高，以致大大增加了“喷涌”的风险。“喷涌”情况出现后，隧道内充满泥浆，文明施工状况差，工人清理不但影响了工效，而且在清理的时候土仓有时聚集大量的水，重新掘进时又加大了喷涌量，如此造成恶性循环。因“喷涌”导致水土流失，引起了地面沉降。

3）本工程的“泥饼”和“喷涌”具有互相影响的特点。由于具有结“泥饼”的风险，故土仓土压力不能太高，当停机拼管片时，周边的水很快的填满整个土仓，重新开机时将会引起“喷涌”；“喷涌”出现后，喷出来的都是水和稀泥浆，大部分的泥土还留在土仓内，含有粉土和粘性颗粒的泥土在不断的搅拌下，导致形成“泥饼”的风险增加。

降低施工风险的措施

针对盾构机在此类地层中掘进容易出现结“泥饼”和“喷涌”的情况，在施工中要做好掘进方面的控制，并辅以辅助性施工措施，从而抑制风险的产生。

掘进参数控制

防治“泥饼”和“喷涌”，掘进控制是重中之重，而对掘进的控制，首先要从推力、扭矩和速度开始。高速度推进有利于防止“喷涌”，但本工程地质条件的限制以致不能使用过高的速度，且高速度推进也容易产生“泥饼”，经过试验，确定在该类地层中使用25~35mm/min的速度掘进较为合适。在风化红层岩层中掘进时，推力及扭矩均不宜太高，否则土仓内掉落大量大块的岩块，导致出土不顺，容易形成“泥饼”。

对掘进控制的另一个重点是土仓压力，从防止结“泥饼”的角度，土仓压力不能太高，但压力低又会导致仓内水量增加，引起“喷涌”。对于这种情况，可采取半土压半气压平衡的推进方式，在掘进时，仓内只保留少量的土，防止“泥饼”的产生，同时又往土仓内加一定的气量，对地下水有一定的封堵作用，从而减少了“喷涌”的机会。另外，在每环掘进即将完成时，逐步减少气量增加土量，防止在拼装管片时由于仓内气体的泄漏其失去堵水的作用。

合理使用发泡剂改善渣土

在高粘性富水红层中掘进，应合理使用发泡剂，目的是改善土仓渣土，但要防止过量而引起“喷涌”。一般使用发泡剂时要密切关注渣土的形态和刀盘扭矩，正常使用发泡剂时刀盘扭矩不高且渣土呈流塑状，当扭矩将低时要根据情况减少发泡剂用量或停止使用，否则很容易引起“喷涌”。

施工止水环堵住管片背后来水

在盾构施工过程中，及时对脱出盾尾后方的管片施做止水环，可防止管片背后来水，从而减少土仓的水量，减少出现“喷涌”的机会。止水环一般离开盾尾5~10环较为合适，能起到堵水的效果，又防止注浆材料裹住盾尾。注浆材料可选用水泥水玻璃双液浆，注浆配合比根据现场试验而定。

掘进前减少土仓水量

在停机拼装管片的过程中，土仓内往往聚集了大量的水，当再次掘进时将很容易出现“喷涌”。因此再次掘进前，可打开盾构机前体3点及9点位的泄水孔放水，减少土仓内的水量。但采取此项措施时，要对地面沉降加强监测，如有异常变化应及时采取应急措施。

5成型隧道的质量控制要点

由于该区间处于自稳性很好的中、强、微风化岩层，且该地段地下水丰富，因此防止管片渗漏和上浮是隧道质量控制的重点。为保证隧道质量，须做好以下几点：

1）盾构掘进时加强同步注浆，同步注浆量须能充满管片背后空隙并有一定的富余，注浆流量与掘进速度相匹配，注浆材料宜采用水泥砂浆，配合比根据试验确定。

2）掘进时控制好姿态避免变化太快太大，并防止盾尾间隙过小，减少管片错台的情况，从而防止渗漏。

3）拼管片时管片螺栓一定要拧紧，并且要在掘进时对推进千斤顶附近几环管片多次复紧[2]。

4）脱出盾尾的管片及时进行二次注浆，将同步注浆未能填充密实的部位填充密实。

6施工效果

该盾构区间从2010年1月开始施工，至2010年5月完成，前半段施工由于掘进参数控制不好、使用发泡剂不合理、止水环效果不好等原因，经过约3个月才完成了300米的掘进，并且掘进过程中经常出现“喷涌”，还多次开仓打“泥饼”；后200米施工时，按上述措施进行了控制，只用1个月便完成掘进，并且只出现过几次“喷涌”，没产生“泥饼”的现象。

图1 隧道相片

7结语

富水高粘性红层由于其特殊的地质特点，容易引起盾构结“泥饼”和“喷涌”，并由此引起地面隆起或沉降等施工安全风险。广州地铁某盾构区间的施工经验表明，在掘进方面加强控制，并使用一些辅助措施相结合，通过综合防治“泥饼”和“喷涌”来减少施工风险的方法是有效的。另外，在该类地层中施工，常规的同步注浆、二次注浆、复紧螺栓及控制盾构机姿态等方式也是控制隧道质量的关键措施。

参考文献

[1] 竺维彬鞠世健史海鸥. 广州地铁三号线盾构隧道工程施工技术研究[M].广州:暨南大学出版社,2007年12月.

[2] 周文波.盾构法隧道施工技术及应用[M].北京:中国建筑工业出版社,2004.

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。