盾构在富水粉土粉砂地层中穿越大直径陈旧自来水干管施工技术研究

高毅

摘 要：针对郑州粉砂地层具有高渗透性，稳定性差，隧道穿越富水粉砂、砂质粉土层具有渗流液化的特性，在动水压力作用下易造成开挖面失稳、出渣性状波动剧烈、刀盘扭矩波动剧烈、盾尾渗漏、螺机喷涌等问题，盾构掘进施工过程中沉降控制难度极大。故以郑州地铁2号线广播台站至新龙路站盾构区间为例，对盾构在富水粉土粉砂地层中穿越大直径陈旧自来水干管等重大风险源的施工技术进行探讨，希望对类似工程施工具有一定借鉴作用。

关键词：粉土粉砂 盾构施工 大直径陈旧自来水干管 技术研究

中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1674-198X（2015）04（c）-0047-02

盾构法施工技术以其特有的智能、安全、地层适用性广等特点与优势，越来越多地得到推广和应用。虽然盾构法施工技术成绩斐然，但是由于盾构隧道施工改变了原地层的状态，必然会引起或多或少的地层位移和地表沉陷，它将影响到邻近建筑物安全。本文结合郑州地铁2号线在富水粉土粉砂地层中土压平衡盾构穿越大直径陈旧自来水干管的施工中面临的问题进行探讨，希望对盾构法施工技术在今后的发展和应用中有所帮助。

1 工程概况

郑州地铁2号线广播台站至新龙路站区间，右线隧道全长1401.125 m，左线隧道全长1396.603 m，外径6 m，区间隧道埋深为10.3 m～19.1 m，采用土压平衡盾构施工。主要穿越地层为细砂、粉土、粉质粘土，主要风险源为下穿2条给水管线：DN1400给水管（带压源水管）、DN1200给水管（带压源水管），因顺向斜穿和侧穿，影响范围长，又不具备管线保护和区间线路调整条件，区间施工风险极大。

1.1 工程地质情况

根据地质勘察报告，三个区间盾构穿越及上覆土层主要为：1-1杂填土、2-1粉土、2-3细沙、3-2粉质粘土、4-1粉土、4-2粉砂、4-3細砂层。

1.2 工程水文情况

勘察场地勘探深度范围内地下水类型为第四系潜水。第四系冲积-洪积（4-2）粉砂及（4-3）细砂为主要含水层，（4-2）粉砂及（4-3）细砂粘粒含量较低，富水性强，透水性好，渗透系数为6～18m/d；地下水水位埋藏变化较小，初见水位埋深为3.0～7.8m，平均埋深为4.81m。

1.3 广播台站至新龙路站盾构区间下自来水干管情况介绍

1.3.1管线现状

经现场实际踏勘与走访调查发现：DN1400给水管为混凝土管材，管节长度为2m、4m、6m三种形式，接头形式为承插接头，内部密封材料为麻绳+砂浆，1991年5月完成管道铺设，距今22年；DN1200给水管为混凝土管材，管节长度为2m、4m两种形式，接头形式为承插接头，内部密封材料为麻绳+砂浆，为1982年完成管道铺设，距今31年。2根给水管线的基础均为原状土夯实，在转弯处和检查井处接头采用混凝土支墩加强，但整体稳定性较差。

两条水管为黄河至自来水厂的源水干管，如果发生水管断裂的情况社会影响极大，地方政府要求必须保证管线的安全。因管道位于主干道下方，不具备加固和保护条件，区间线路也不具备调整条件，只能通过严格控制盾构施工沉降来保证管线安全。

1.3.2 管线与隧道位置关系

DN1200给水管与隧道位置关系：区间左线在里程ZDK10+394处与DN1200给水管线投影相交，管线埋深3.05m，距隧道顶部8.2m；区间右线在里程YDK10+446处与DN1200给水管线投影相交，管线埋深3.03m，与隧道顶部距离7.9m。盾构从291环开始斜穿DN1200自来水管线（斜穿距离从隧道中心线到管线边线9m开始计算），341环后，盾尾从东边出自来水管线。

DN1400给水管与隧道位置关系：区间左线在里程ZDK11+046.9～ZDK11+262.0段215.1m隧道长度范围内侧穿DN1400给水管线，管线平均埋深2.89m，与隧道顶部距离在6.9～12.2m之间。左线盾构掘进至801环开始斜穿DN1400自来水管线（斜穿距离从隧道中心线到管线边线9m开始计算），905环出DN1400自来水管线。

1.4 盾构穿越全断面富水砂层出现的问题

根据广-新区间左线掘进600环、右线始发25环的施工经验总结，盾构在较大埋深、高地下水、全断面粉细砂地层中的掘进施工容易产生的问题有：（1）盾构出渣性状波动剧烈，出渣不连续；（2）同步注浆易堵管、无法保证注浆量；（3）盾尾发生漏水、漏沙、漏浆；（4）盾构刀盘扭矩波动剧烈，盾构施工不连续；（5）地层自稳性极差等。

由以上主要问题所导致的其他次生问题主要有：（1）地表沉降在刀盘到达前即已开始，在脱出盾尾时沉降速率达到最大，地表沉降控制困难；（2）盾构螺机喷涌、频繁超挖；（3）管片脱出盾尾后的建筑间隙被砂层迅速填充，同步注浆浆液无法起到填充、支撑作用；（4）同步注浆浆液自盾尾间隙内漏出，导致同步注浆压力注浆量不够。

1.5 出现问题的原因分析

通过以上问题的汇总及分析，推测出导致以上问题的主要原因有：（1）砂性土没有粘聚力，导致在土仓、螺机内的渣土和易性不好，相同螺机转速、螺机后门开口的情况下，渣土流速不稳定、刀盘扭矩持续增大，波动频繁；（2）砂性土自稳性极差，无法形成塌落拱，导致本应填充同步注浆的盾尾建筑空隙内地层中的砂子填充，地层随即产生沉降；（3）砂性土中基本没有粘聚力，地下水的侧压力系数几乎可以采用1.0，水土压力较大；（4）饱和粉细砂层中的砂土液化现象严重，由于刀盘搅动及盾构机推进过程中本身的扰动，导致刀盘前方、盾体上方、盾尾后部的砂土均存在一定程度的液化现象。

1.6 所采取的针对性措施

针对以上问题与原因分析，主要采取两项针对性措施。

（1）采用以膨润土为主，泡沫为辅的渣土改良方案。改善渣土在刀盘前、土仓内及螺机内的和易性及孔隙比，到达较好的渣土流动及连续性，稳定的刀盘扭矩的目的。利用充分发酵后的钠基膨润土悬浊液的粘性及渗透性、利用刀盘前方的膨润土泵送蝶阀及刀盘、土仓后壁的搅拌棒，使原状的粉砂、细砂与钠基膨润土充分搅拌均匀，人为向原状地层中补充粘粒，提高刀盘前及土仓内渣土的粘聚力、吸收饱和粉细砂中的游离水，从而达到保证渣土流动性、和易性、出渣连续性的效果；通过“类粘性土”在盾构机体周边的包裹，使盾构推进产生的震动、扰动不易使周边土体产生“液化反应”；同时，高效发酵膨润土的注入也能同时润滑刀盘，起到降低刀盘扭矩的作用。通过“类粘性土”在螺机内的堆积，形成土塞，可以有效的、显著的降低螺机发生喷涌的可能性；在盾构推进过程中，在以郎肯土压力为理论水土合算计算出的理论土压力的基础上，增加0.2bar作为预备土压力，保证盾构在掘进过程中的土仓压力高于地层土压力，保证盾构刀盘通过前、盾体通过时的地层不发生沉降，甚至留有一定隆起量作为“安全储备”。

（2）改善同步注浆系统及浆液，采用干缩性较小、可泵送性较高能够保证较高的盾尾注浆压力的同步注浆浆液，配套采用能保证较高盾尾压力的盾尾密封系统，使在砂层失稳前同步注浆浆液即已达到强度。

由于本工程所采用的盾构机不具备双液浆进行同步注浆的条件，所以只能改良同步注浆材料，采用低干缩性、高泵送性的同步注浆材料目前主要采用“厚浆”，即：塌落度在180mm以下，稠度在10～13cm之间的惰性浆液，其主要组成材料为粉煤灰、中砂、水及外加劑。另，采用此方法必须同时满足盾尾密封系统能满足8bar左右的同步注浆压力的要求，不然无法满足“厚浆”注入量的要求。

具体措施：通过采用粉煤灰、中砂、水及外加剂为主要材料的“厚浆”进行同步注浆材料，其拌制设备可以沿用水泥砂浆的搅拌系统，但是在运输管路及下放闸口处需要进行改进处理，保证“厚浆”比水泥砂浆流动性降低后仍能较快的从浆液拌制桶到达浆车。盾构机用同步注浆施魏因泵可以泵送水泥砂浆与“厚浆”，盾构机用的同步注浆系统不需要做出调整。对盾构盾尾密封系统进行改进：对盾构机的前两道盾尾刷进行钢丝刷剪短3cm处理，扩大盾尾密封腔的容积，保证盾尾油脂在三道盾尾刷之间充分填充，并能在推进过程中管片不断脱出盾尾的磨刷情况下，有足够存量的盾尾油脂能够对盾尾刷与管片之间的间隙进行填充与密封，盾构油脂应采用具有良好泵送性能、隔水性能、粘性好、纤维长的油脂盾尾油脂。

2 结语

通过对上述盾构区间施工问题的分析和研究，采取了针对性的措施，顺利完成了富水粉土粉砂地层复杂环境下盾构穿越大直径陈旧自来水干管的施工，未发生任何安全质量事故。对郑州地铁二号线的建设解决了一重大问题，值得相似工程参考借鉴。

参考文献

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