成都砂卵石地层盾构掘进中的地表沉降量控制

鲍明星

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)



成都砂卵石地层盾构掘进中的地表沉降量控制

鲍明星

(中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，成都，611130)

成都地铁4号线二期工程(不含同步实施工程)线路全长17.578km，分东、西延伸线两部分。其中，东延线长6.683km，西延线长10.859km，出入场线长4.581km。共设车站12座(东延线4座，西延线8座)、主变电所1座，文家车辆段扩容及西河停车场1座，B型车6辆编组(138辆)。依托成都地铁市政轨道交通盾构工程项目，浅述大粒径、高强度富水砂卵石地层盾构掘进地表沉降量控制技术。

大粒径 高强度 富水 砂卵石 盾构 地表沉降 控制技术

1 工程概况

成都地铁4号线二期工程土建2标地处成都市温江区，位于我国新华夏系第三沉降带川西褶带的西南缘，界于江油～灌县区域性断裂带和龙泉山褶皱带之间，为一断陷盆地。卵石层埋藏深0～5.3m，厚度5.2m～9.7m。卵石单轴抗压强度65.5MPa～184MPa，平均102.2MPa，极值206MPa。在该层中还存在钙质胶结、半胶结的砾石层，硬度大。本标段光西盾构区间隧道所穿越的岩层以中密卵石土〈2-9-2〉、密实卵石土〈2-9-3>和密实卵石土〈3-8-3〉为主，砂卵石较为密实，且所处地层透水性较好。

2 施工难点与解决方案

地表沉降量控制施工难点主要有以下三个方面：

(1)受砂卵石土层较大渗透率的影响，在盾构掘进过程中难以形成不透水塑流性碴土，致使土压平衡机理不能建立或土仓压力不稳定情况发生，从而造成地表沉降；

(2)当碴土改良不满足要求时，螺旋输送机易出现喷涌，不仅导致土仓压力损失，还会因出碴不顺影响掘进进度导致出土量不可控，从而发生地面沉降；

(3)注浆量未能将管片与地层之间的缝隙填充密实，易造成地表沉降。

地面出现沉降量过大的现象，除去盾构掘进前方地层原有空洞外，根本原因就是盾构掘进过程中超量出土，又未能及时填充到位。

根据地质、环境条件，制定合理的管理基准值和偏差范围。如土仓压力、推力、扭矩、掘进速度、出渣量、注浆压力和注浆量、渣土改良参数等。同时对出土重量和体积、注浆压力和注浆量、盾构姿态等重点参数应实行分级管理制度，超过规定程度应及时提醒管理层级进行专题研究处置，从而有效地解决因盾构施工造成地表沉降量过大导致的地表沉降或坍塌事件。

3 主要施工技术

3.1 渣土改良

成都砂卵石地层中掘进施工，如果渣土改良不好，刀盘、土仓很容易结泥饼，严重影响掘进施工出渣量控制，甚至威胁地面及周边建构筑物结构安全。

根据隧道工程地质和水文地质条件、地表环境情况，对流塑性和抗渗性不满足掘削面稳定要求的渣土进行改良，选用优质泡沫剂，辅以添加对应地层特性的化学试剂，使之成为密水性好、流塑性好、和易性好的土仓承压介质。改良好的渣土在土仓中准确传递开挖面的水、土压力，实施土压平衡掘进，减小对地层的扰动，同时也可减小对刀盘、刀具和螺旋输送机的磨损。

3.2 出渣控制管理

出渣管理措施包括下述内容：(1)盾构司机准确记录出渣体积原始记录；(2)地面施工队伍负责人准确记录每环渣土重量；(3)生产主管、技术主管认真、及时分析出渣情况，指导下一循环掘进施工；(4)对1.5m管片每环出土体积(56m3～58m3)与重量(102t～110t)进行双重控制。

3.3 盾构掘进控制

3.3.1 盾构掘进施工“三平衡”原则。“三平衡”是指土仓压力与水土压力平衡、实际出渣量与理论出渣量平衡、注浆量与盾尾建筑空隙平衡。

3.3.2 成都富水砂卵石地层不稳定、易坍塌，在掘进速度、出渣、地面沉降可控情况下，宜低转速，以减轻刀盘旋转对地层扰动，建议刀盘转速控制在(1.0～1.5)r/min为宜。

3.3.3 在土压平衡掘进模式下，土仓压力可采取控制油缸推力、根据掘进速度调整排土量、调整泡沫参数等方式，使土仓内的压力稳定平衡，建议上部土仓压力不小于0.6bar。

3.3.4 在密实砂卵石相对稳定地层中掘进，对刀盘面板及刀具喷洒泡沫以减磨降温，宜实施土仓压力小的满仓模式掘进，以加快掘进速度，减轻盾构磨耗。

3.3.5 在稍密砂卵石自稳较差地层中掘进，宜采用土仓压力相对较大的满仓模式掘进。

3.3.6 在砂卵石不稳定地层中，以大推力、大贯入度、适度转速的大扭矩进行控制掘进。

3.4 盾构注浆控制

在盾构掘进过程中，注浆工序可分为同步注浆、二次注浆和地表跟踪注浆三种。

3.4.1 同步注浆

(1)当盾构机进入洞门后，立即进行洞圈扇形压板的整理加固工作，对扇形压板固定螺栓进行复紧；

(2)盾构进入洞门后掘进至第5环(脱出盾尾管片3环)时，开始同步注浆填充洞门，同步注浆水泥量适当增加，第一环注浆相对计算体积稍大，根据洞门渗漏情况严格控制注浆压力，避免过压击穿洞门环形密封橡胶板和盾尾，注浆过程中现场人员全程值班监控洞门情况；

(3)同步注浆量计算(以1.5m环宽管片)

注浆量Q=(D2-d2)/4πBq=5.87(m3)

式中，D——刀盘开口直径；d——管片外径；B——管片环宽；q——浆液填充系数(经验值)。

3.4.2 二次注浆

(1)当盾构推进至12环左右时，洞门1～8环位于连接桥位置，已便于二次注浆操作，即对加固区内脱出盾尾的1～8环管片进行二次注浆封堵，应采用单液、双液浆间歇交叉注入，分多次、均匀、少量进行，以达到扩散填充和加固均匀有效，不流失、漏出洞门，达到封堵洞门的目的；

(2)始发段及穿越复合地层掘进时，每20环进行二次注浆，使管片背后填充物快速凝固并达到一定强度，以达到约束管片、防止管片上浮，同时可封堵管片背后的渗水通道，防止洞门及盾尾漏水漏沙漏浆；

(3)根据地表沉降监测数据，对沉降偏大处地表下方对应的里程进行二次注浆，以补充土体损失，使沉降发展尽快趋于稳定；

同步注浆体积(6m3～8m3)与压力(2bar～3bar)双重控制、二次注浆与重点地段补偿注浆双重控制、沉降监控量测控制。

3.4.3 地面跟踪注浆

针对成都砂卵石地层，地面加固处理需反应快，加固点准。地面加固处理基本流程为：掘进出渣量统计→分析出渣量→确定里程→仪器探测管线→人工挖探坑→钻机钻孔→注浆加固/注混凝土。

(1)分析出渣量，找准里程点；

(2)地面尽快钻孔注水泥浆或灌注混凝土，井下盾构加快流程让盾构机尽快通过；

(3)地面钻孔处理容易破坏地下管线设施，其注意事项：①采用仪器检测；②找到管线两端井口，进行测量；③管线调查并人工挖探坑确认。

3.5 防喷涌技术

(1)盾构螺旋输送机系统必须具备断电自动关闭闸门功能；

(2)增强渣土改良，适当调整加入的泡沫剂参数，保持渣土的良好流动性。渣土变干，采用“湿泡沫”，渣土变稀，采用“干泡沫”；

(3)严格控制加水量，在保持出渣顺畅前提下尽量减少加水；

(4)严禁空仓作业、欠压掘进，采用较高的土仓压力(土仓压力一般不宜超过3bar，以防击穿盾尾刷)的满仓模式掘进；

(5)选用阻水性能好的优质盾尾油脂。

3.6 漂石处理技术

(1)盾构刀盘直接破碎，需配置较多数量的滚刀，以减小风险；

(2)人工进入土仓破碎风险稍大，需要对地层降水施工、加固处理；

(3)采用静态爆破，这种方式风险大、周期长，同样对地层降水施工、加固处理。

4 结语

大粒径、高强度富水砂卵石地层盾构掘进地表沉降量控制施工技术研究成果应用后，依托成都地铁4号线二期工程土建2标光西区间盾构工程，盾构掘进施工生产得以优质、快速、安全的完成，创造了一个成都地铁首次在该地质条件下盾构掘进施工实例，为我公司、成都地铁乃至全国类似地质条件下的盾构掘进施工积累了一定的经验。

本次课题研究技术已经在成都地铁4号线二期工程西沿线盾构法施工中大规模应用，确保了盾构施工安全、优质和高效，应用效果良好，取得了良好的经济、社会效益。

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U455.43：TU478

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2095-1809(2015)05-0114-03

鲍明星(1980-),男,成都人,大学,工程师,中国水利水电第七工程局成都水电建设工程有限公司，多年从事水利水电工程施工、地基与基础工程施工技术及管理工作。