谈盾构穿越富水砂层地表沉降和喷涌原因及对策

温亚东

（中铁四局集团有限公司城市轨道交通工程分公司，安徽合肥　230022）



谈盾构穿越富水砂层地表沉降和喷涌原因及对策

温亚东

（中铁四局集团有限公司城市轨道交通工程分公司，安徽合肥230022）

摘要：结合郑州地铁1号线的水文地质情况，评价了工程地基的稳定性，分析了盾构掘进施工中引起地表沉降和喷涌的原因，并提出了有效的控制措施，确保了盾构掘进施工的顺利进行。

关键词：盾构施工，地表沉降，喷涌，控制措施

1　工程概况

郑州地铁1号线延伸段主要为黄河冲积平原，场地平坦、开阔，沿线地面主要为道路、河流及其桥涵工程等，地面标高80. 75 m～86. 12 m。线路纵坡设计为“V”形坡，最大坡度为25‰，最小坡度为2. 0‰。区间最大埋深为17. 82 m，最小埋深为9. 09 m，区间采用土压平衡盾构施工。管片外直径600 cm（内径540 cm，管片厚30 cm），由6块构成，宽度150 cm，拼装方式为错缝拼装，接触面环、纵缝均不设榫槽，连接采用弯螺栓连接，楔形量45 mm。

1.1工程地质

区域地层主要为第四系全新统人工堆积层杂填土；第四系全新统冲积层粘质粉土、粉砂；湖积层粘质粉土、粉质粘土、细砂；冲洪积层粘质粉土、细砂、中砂，第四系上更新统冲洪积层粘质粉土、细砂。

盾构穿越隧道顶部、洞身及底部的埋置深度和岩土层分布情况：隧道顶部主要地层为粉质粘土和细砂层，洞身穿越主要地层为粘质粉土层、粉质粘土层、细砂层、中砂层，细砂、中砂级配不良，主要成分是长石、石英、云母，隧道底部主要地层为细砂层、中砂层。

1.2水文地质

地表水：场地地表附近通过常年有水的河流，旱季河水深约1. 0 m，受降雨影响水位上升较大。

地下水位埋深：本区浅层含水层岩性以细砂、中砂为主，地下水位埋深3. 80 m～8. 50 m（标高75. 41 m～79. 99 m），年变幅2. 0 m。

地下水类型及富水性：在勘探深度内，地下水类型为孔隙潜水，含水层岩性主要为细砂、中砂，渗透系数值：根据郑州东区的地区经验、渗透试验，上部粘质粉土、粉质粘土层的综合渗透系数K =0. 5 m/d，细砂层的综合渗透系数k =10. 5 m/d，盾构穿越区域属中等～强透水层，为富水区域。

地下水的补给、径流、排泄及动态特征：本区浅层含水层岩性以细砂、中砂为主，属松散岩类孔隙潜水，地下水主要接受大气降水及河水的入渗补给以及上游的水平径流补给，排泄方式主要以人工开采及水平径流为主。

1.3地基稳定性评价

本区间勘探深度范围内地基土承载力特征值均大于80 kPa，土层等效剪切波速大于90 m/s。近百年内最高水位0. 50 m（标高84. 50 m），根据判定本场地第②-1层粉砂、第⑧-1层细砂为液化土，土体液化会对盾构的施工造成影响。通过对地基软弱土、液化土评价，综合评估本场地地基基本稳定。

2　施工中发生的地表沉降及喷涌事件

2.1地表沉降

盾构正常始发掘进至约40环处时，当天监测时发现地表测点最大突变50 mm，且地表出现明显的下沉，如图1所示，沉降后采取了措施，但沉降未得到有效控制，直至掘进至70环处时，相应地表附近累计最大沉降处达20 cm，下沉最大速率超过30 mm/d，据此暂停掘进并采取处理措施。

图1　地表沉降图

2.2喷涌

盾构掘进至220环将穿越河流时，螺旋机突然出现喷涌，开始以清水为主，随后含大量的粉细砂，喷涌后立即启动应急救援预案，现场立即关闭螺旋机前闸门（因后闸门磨损未能有效关闭），并启动应急排水系统及封堵措施，从涌水开始到采取应急措施后至喷涌封堵不再出现，持续时间约1.5 h，但当喷涌不再出现后拟恢复掘进时，发现螺旋机前闸门已打不开，不能正常恢复掘进。

3　发生事件的原因分析

3.1沉降原因分析

盾构掘进引起的地表沉降分为五个阶段，即前期沉降、掌子面前沉降、通过时沉降、尾部空隙沉降、后续沉降，其引起的原因及机理如表1所示。

表1　盾构掘进引起地表沉降的原因

盾构在砂层掘进引起较大的沉降主要为掌子面前沉降、通过时沉降和尾部空隙沉降，结合项目实施情况分析，主要有以下方面：

1）盾尾间隙均匀的情况下，存在漏浆的现象，据此判断盾尾刷密封不严，存在缺陷。2）盾构在掘进拼装管片后因盾尾存在不同程度的漏浆，按理论每环注浆量为4. 6 m3，根据砂层同步注浆浆液量宜按照理论值的1. 5倍～2. 0倍以内控制，每环注浆量应为6. 9 m3～9. 2 m3，实际每环注浆量达不到要求，注浆量存在不足。3）盾尾漏浆的过程中夹有少量的油脂流出，说明使用的油脂质量存在缺陷。4）掘进后同步注浆跟进不及时，造成掘进管片安装后与背后的空隙未被充填，不能有效支撑上部传递过来的压力致使地表沉降。5）盾构掘进拆除负环管片时，在负环拆除停机过程中，土仓内土压由停机时的0. 8 bar慢慢降至0. 5 bar，掌子面土压不平衡，且压力欠稳定，造成前方土体局部掉落，在盾构掘进管片脱离盾尾后沉降马上显现出来，导致地表沉降突变明显。6）在盾构掘进及停机保压的过程中，土压未达到计算值，其主要原因是渣土改良效果欠佳，密封不严，舱内压力不能持续保持，导致土压无法与掌子面平衡。7）盾构掘进过程对出土量的控制不严，盾构掘进存在超挖造成地表下沉。8）盾构刀盘外径与管片背后建筑空隙过大，本工程盾构刀盘外径6 280 mm，管片外径6 000 mm，管片背后径向建筑空隙达140 mm，客观上造成掘进时土体损失和地层扰动较大，盾尾通过后上部的砂层极易产生塌落从而导致地表的沉降。

3.2喷涌原因分析

1）盾构在掘进过程中，掌子面及周围的砂层孔隙水通过渗透迅速汇集至盾构舱体内，舱体随着积水的不停积累，当螺旋机工作时，积水及细砂从出土闸门及尾刷密封不严密处迅速喷出，从而形成喷涌。

2）盾构穿越河流段，隧道顶距离河底约12.2 m，河水深1.8 m，河水水流比较湍急，且地层为强透水层，盾构机在砂层掘进过程中对地层扰动较大，富水砂层在扰动下易产生液化，从而发生喷涌。

3）盾尾刷和油脂质量存在缺陷，尾刷使用一段时间或磨损后与管片间存在的空隙不均，盾构尾部密封存在缺陷，从而形成渗水通道。

4）盾构处于全断面砂地层掘进，且为中砂地层，中砂对盾构后闸门周边及密封圈磨损严重，后闸门不能满足阻隔水流，从而出现涌水及喷涌。

5）盾构掘进后未及时注浆封环，导致已掘进拼装管片段的地下水通过因扰动产生的通道涌向土舱内，造成仓内水压不断升高。

6）盾构机在富水砂层进行掘进时，掌子面及周边的砂层间充水裂隙，含水量丰富，由于已成型管片段背后注浆量没有完全充实衬背空隙，形成流水通道，掌子面的砂土裂隙的水不断地流入泥仓内，积水及砂土在持续压力下向螺旋机闸门及尾刷处涌水和喷涌。

4　关键控制措施

4.1地表下沉控制措施

图2　膨润土拌和

图3　膨化池

1）对渣土进行塑流化改良，以达到土压平衡要求又具有流动性和止水性，以确保掌子面岩土稳定和螺旋机的顺利出土，同时满足降低刀盘扭矩和总推力的目的，渣土改良除注入泡沫外，采用了膨润土对土体进行改良。泡沫剂按3%配置泡沫剂溶液，其发泡率一般在10倍～12倍间，泡沫的掺入量为理论渣土体积的20%；膨润土浆液的配合比为膨润土与水的质量比1∶6，充分拌和后置于膨化池内经12 h充分膨化使用（见图2，图3）。

2）为防止地下水从刀盘主轴密封、铰接密封、盾尾以及拼装好的衬砌结构渗入，对盾构刀盘驱动、铰接、盾尾等部位的密封必须完好，对存在的缺陷进行修复，并保证盾尾密封油脂质量与注入量，管片密封与拼装不出现渗漏。

3）合理设定土压控制值，并保持在掘进中相对稳定，一般控制在1. 1 bar～1. 2 bar间，土舱压力略高于水压为宜。

4）加强对排土量的控制，一般控制在理论值的1. 02倍～1. 05倍以内，避免大的超挖造成掌子面土体失稳。

5）盾构机尾部设置三道环形弹性良好的盾尾刷（钢丝刷），尾刷弹性质量及对其注入密封油脂非常重要，质量及密封必须满足防渗漏要求，以防止砂水进入盾构机。

6）合理设置对盾构推力、推进速度、刀盘扭矩等参数进行控制，推力控制在15 000 kN～18 000 kN，推进速度控制在20 mm/min～50 mm/min，扭矩控制在2 000 kN·m～3 000 kN·m，并应结合不同的地层变化进行调整。

7）控制好盾构的姿态，避免不必要的纠偏作业，出现偏差时，应本着“勤纠、少纠、适度”的原则操作。

8）盾构掘进后及时对衬砌背后进行注浆，采用同步注浆和二次注浆的方式，及时充填尾部空隙，可选用单液浆或双液浆，合理选择浆液配合比，以控制浆液的凝结时间，确保注浆量和注浆压力满足要求。

9）对软弱松散地层段应提前对地表采取注浆加固措施，同时对后续沉降段采用补注浆避免沉降的进一步发展。

4.2喷涌控制措施

鉴于发生涌水及喷涌后前闸门受闸门卡槽处砂层抱紧，且后闸门闸板磨损严重，采取液压千斤顶缓慢给力的方式打开，以恢复掘进、防涌水及喷涌措施。

1）对磨损的闸门维修，同时向舱内注入膨润土对舱内渣土进行置换。

2）通过分析前闸门打不开主要是因为前闸门是通过槽形滑道形成闸门的封闭，由于舱内砂层及舱内压力的作用，闸门需使用增设千斤顶的扩张力慢慢推开。

3）前闸门打开及后闸门维修完成后恢复正常掘进，为防涌水及再次喷涌情况的发生，主要采取以下控制措施：

a.渣土改良是防止喷涌的关键。通过渣土改良降低土仓内水含量，除在土舱注入膨润土浆液外，同时添加高分子聚合物以吸附和拌和使砂水混合变得粘稠不易离析沉淀，不会造成砂水分离，以确保螺旋机排土时均匀顺畅。

b.合理设置土压力值。掘进过程中，根据螺旋机实际压力、刀盘扭矩和千斤顶总推力及时调整设定土压力，使土仓压力略高于水压，确保正面的土压保持平衡，严格控制出土数量，防止超挖。

c.合理调整掘进参数。盾构机操作人员主要通过对推力及出渣速度的控制，尽量维持土仓压力的稳定，降低喷涌风险。

d.出渣门开度、螺旋机转速适中，不宜过大，在喷涌来临时，受出渣门流量影响，泥浆会在出渣口处积累而不会瞬间全喷，延长操作人员的反应时间，以便采取措施降低喷涌风险。

e.根据盾构机推进的地层渣样分析，优化和调整渣土改良材料，以改良渣土，增加水密性和流动性，防止产生喷涌。

f.通过对渣土的进一步改良，效果明显，能有效的降低和避免盾构掘进再次产生喷涌现象。

g.同步注浆及二次注浆设备及时跟进，并确保足量。

h.盾构掘进后对已成型隧道采取间断性压注聚氨酯或双液浆进行补注浆，以形成隔水帷幕，避免成型段隧道后方的渗水涌向掌子面及土舱内，并减小已成形段隧道后部高压水对盾尾的危害。

i.控制好盾构的姿态，严禁急纠、强纠，纠偏幅度不宜大于2‰。

5　结语

1）砂性地层施工时，在盾构选型时宜充分考虑砂层的特性，尽可能选取刀盘外径与建筑空隙较小的盾构机，以避免因管片背后与刀盘外径空隙过大造成地表及地面建（构）筑物的沉降。

2）盾构掘进施工前对周边环境进行全面细致的调查，特别是工程地质及水文地质情况，对施工可能造成的影响因素充分考虑，提前做好各项应对措施。

3）盾构穿越富水砂层时，盾构的密封非常关键，对盾构尾刷和油脂的质量非常重要，由于富水砂层，特别是细砂地层在盾构掘进扰动时易产生液化，在丰富的地下水作用下流塑性好，压力大，对各部位的密封要求高，同时盾构的姿态控制不好也会极易造成尾刷的渗漏，且一旦渗漏，封堵困难。

4）渣土改良是盾构施工的一项重要工作，特别是敏感地层，渣土改良必须通过现场渣样经过现场试验进行确定，对砂性地层，渣土改良使用的材料主要有泡沫、膨润土和高分子聚合物，能有效改善土体的流塑性、止水性和掌子面舱内的护壁作用，同时控制好压力，可取得良好的预期效果。

5）砂层盾构掘进施工时应保持均匀速度掘进，避免不必要的停机，若必须停机时应在舱内注入膨润土，并适时转动刀盘，以防止砂体沉淀，刀盘被卡死。

6）地下富水砂性地层流动好，掘进后地层损失补充快，隧洞上部的土体迅速充填盾构开挖空间，受地下富水的压力影响，砂层被压实，造成注浆困难，在注浆方式及时机上要控制好，主要通过注浆系统、浆液的配合比、推进速度与注浆速度是否匹配和注浆压力来控制。

参考文献：

［1］白云，丁志毅，刘千伟.隧道掘进机施工技术［M］.第2 版.北京：中国建筑工业出版社，2013.

［2］杨书江，孙谋，洪开荣.富水砂卵石地层盾构施工技术［M］.北京：人民交通出版社，2011.

［3］全国一级建造师执业资格考试用书编写委员会.市政公用工程管理与务实［M］.第2版.北京：中国建筑工业出版社，2013.

On reasons for surface settlement and gushing of shields through rich-water sand layer

Wen Yadong
（Urban Rail Traffic Engineering Branch，China Railway 4th Bureau，Hefei 230022，China）

Abstract：Combining with the hydro-geological circumstance of No. 1 subway in Zhengzhou，the paper evaluates the stability of engineering foundation，analyzes the surface settlement and gushing for the shield jacking construction，and points out effective controlling measures，so as to ensure the smooth operation of the shield jacking.

Key words：shield construction，surface settlement，gushing，controlling measure

中图分类号：U455. 43

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0176-03

收稿日期：2016-01-17

作者简介：温亚东（1973-），男，工程师