土压盾构下穿广州复合地层事故分析及处理

石磊 谭啸峰 欧继峰

摘 要：土压盾构掘进施工过程中，地表发生较大面积的沉降超限事故，在对沉降前盾构机掘进和操作情况进行了仔细分析后，本文结合沉降处的工程水文地质条件和盾构机掘进参数，深入分析了地面产生较大沉降的原因，并提出了处理措施。

关键词：复合地层；盾构掘进；沉降事故分析

1 工程概况

广州地铁某区间隧道采用土压盾构法施工，隧道下穿广州珠江水产研究所。据地质详勘资料，该处地基为古河道回填而成，隧道埋深8.2～17.2m，当盾构通过时，隧道顶部覆土为①人工填土、②-1淤泥，主要穿越的地层为⑦强风化泥质粉砂岩、⑧中风化泥质粉砂岩、⑨微风化泥质粉砂岩层，少部分穿越②-1淤泥、②-2淤泥质土、②-3蠔壳片中粗砂、③-2中粗砂，多次穿过砂层、淤泥及中微风化砂岩层的混合地层。

2 事故说明

左线盾构机掘进至542环前，挖掘面为全断面红层，采用土压平衡模式掘进，土仓压力为0.15MPa。当推进油缸行程至1.1m时，渣样中出现②-3蠔壳中粗砂、②-2淤泥质粉细砂、②-1B淤泥质土，采用土压平衡模式继续掘进，土仓压力提高至0.25MPa，严格控制出土量。

盾构掘进第544环推进油缸行程至1.5m时，螺旋输送机液压闸门被硬石卡住无法完全关闭，从闸门开口处涌出2m3渣土。此时机头上方鱼塘出现冒气泡现象，影响范围直径约为2m。

盾构掘进545环，泡沫管路经常堵塞难以疏通，掘进各参数突增，渣温升高，推进速度减慢，出土量增多达到6.5斗，出渣时有大量石块卡住螺旋输送机液压闸门，造成闸门不能完全关闭，出土无法有效控制，此时地面鱼塘出现冒气泡、水柱等现象，影响范围直径约15m。

盾构掘进至565环时，隧道上方道路突然出现大面积沉降，最大沉降量达到283mm，沉降范围为直径约15m。

3 事故原因分析

3.1 地质预判失误

由于地面鱼塘密布，且其内养殖为珍贵的科研鱼苗，地质钻机无法在隧道上方的鱼塘内钻孔，地勘孔间距较大，导致其与实际地层出入较大。在地质条件不准确的前提下，很难提前调整盾构掘进参数以防止地面沉降，而只能从地面沉降情况被动反映目前掘进参数的准确性再进行调整。地层预判失效，在中、微风化红层中强行建压，影响泥饼的发育。

3.2 掘进时遇到孤石，突发喷涌

第544环，隧道内部分⑦全风化泥岩，部分蠔壳中粗砂层，渣样分析此时含砂量达到了40%，其中夹杂大量孤石，盾构掘进时出现喷涌现象。螺旋输送机液压闸门被硬石卡住无法完全关闭（闸门开度11%），从闸门开口瞬间涌出2m3渣土，土压力下降后迅速上升。采取反转螺旋输送机，将渣土强行反压回土仓，控制住喷涌后立即组织人员敲打石块，此时仍有部分渣土不停的从闸门涌出，0.5h后闸门才得完全关闭。随后恢复掘进，将本环掘完，渣土中已存在少量石块，此时地面鱼塘开始出现冒泡现象，影响范围为直径2m。在之后几十环掘进过程中，都有出现闸门被孤石卡住的现象，造成土仓压力难以控制。

3.3 土倉内结泥饼，掘进速度慢，对土体超挖

第545环，渣土主要为红层岩块，含砂量逐渐增多，盾构已进入上软下硬段，掘进参数异常，推力、扭矩、渣温同时上升，掘进速度降低，出渣时出现大块粉状土团聚块，土块温度内高外低。根据种种参数及出渣情况观察，判断盾构机土仓内已结泥饼，造成盾构机平均推进速度只能达到10mm/min，该环掘进用时共6h。尽管盾构机推进速度非常缓慢，但是盾构机刀盘仍然处于转动状态，而且千斤顶推力一直持续在1500kN，扭矩也居高不下（3000kN·m以上）。但由于上部为软弱地层，无法减压进入土仓清除泥饼造成了恶性循环。

下部硬岩不断的被磨动但是进入土仓的较少（土样分析的结果也是如此），而上部砂土则在刀盘的不断搅拌下源源不断的往舱内涌入，滑动面不断扩展，砂土内的拱线上移，内部掏空范围不断扩大，最终拱上土体在自重作用下塌陷，表现为地面鱼塘底部沉降、冒顶，土体塌陷掩埋刀盘造成扭矩突增，刀盘扭矩在掘进时瞬间达到6000kN·m。

3.4 土仓压力偏小，未精细化控制出土

盾构掘进过程中土仓压力比理论计算的水土侧压力略小，而上覆淤泥层在土仓压力不够的情况下，在掘进过程中靠近土仓的淤泥被上部淤泥的土压力挤压进入土仓。同时，隧道断面内红层、砂层、淤泥层等多种地层比例不断变化，而每种地层的松散系数差异较大，造成出土量的大小也随之变化，但在实际施工中对出土量没有根据地层比例的变化不断调整对出土总量的精细化管理和控制，造成出土量差值累计，形成大量土体超挖。

4 事故处理措施

针对已出现的沉降超限事故，采取了以下措施，以制止地表沉降扩大化，确保盾构机安全通过沉降超限区域。

（1）采用袖筏管注浆工艺加固沉降路面范围内10m厚软弱地层，注浆孔最小间距为2m。通过注浆加固后，该段路面没有出现进一步沉降，有效保护了周围的建筑物。

（2）当出现液压闸门出现被粗砾石卡住的现象时，及时采取以下措施：

①反转螺旋输送机，给渣土以反作用力，减少渣土涌出速度。

②停止刀盘旋转，减少刀盘对土体的扰动，防止上部软弱土层被扰动后松弛而塌陷，进入土仓后使土压力上升造成螺旋机出口压力增大。

③将螺旋机出土口液压闸门迅速开合，利用螺旋机内渣土压力将卡住闸门的的粗砾石冲开至皮带上，重复此动作至液压闸门开度为0，证明粗砾石已被冲开。

④向螺旋输送机里注入聚氨酯，注入该溶液后与渣土中水分反应，立即形成胶状物体，大大降低了渣土的流动性，在螺旋输送机内部形成土塞效应，减少喷涌。

（3）确保掘进速度与出土速度相匹配，保持土压力在计算土压力±20kPa以内，对于出渣总量进行精细化管控。

（4）加大注浆量，每一环管片背后的注浆量应≥6.5m3，确保地面沉降范围不再向前扩展，增加辅助添加剂量，改善渣土的和易性，在增加泡沫量达不到效果时，可以考虑改用膨润土泥浆或高分子聚合物。

（5）加强监控测量，并及时根据监控数据调整掘进参数，特别是出土量、土仓压力，注浆量等参数。每天进行两次土样分析，进行土质鉴定。

（6）在掘进速度极其缓慢，刀盘推力、扭矩、渣温持续增加的情况下，开仓清除泥饼并更换刀具；当地面不具备加固条件时，可采用分散剂进行清洗刀盘，清除部分泥饼。

5 总 结

地质条件是盾构隧道施工中的基础，当由于复杂地面环境而造成无法进行地质勘探工作时，给施工带来了无形的风险，使施工处于被动状态。

沉降只是隧道掘进中土体置换的表现形式之一。根据地质特点控制出土量可有效减少地面沉降或隆起现象。出土量的控制是被动的，其主要依靠推进速度控制以及土压力控制来实现。当推进速度缓慢时，加大了对土体的扰动，使更多的土体被切削后进入土仓，造成出土量无法控制；当土压力较小时，土体应力释放、松弛而塌陷，进入压力仓后造成出土量无法控制。但沉降出现后，二次补充注浆是减少盾构掘进后期沉降最常见同时也是最有效的手段之一。